一種小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法及系統(tǒng)，方法包括如下步驟：S1、實(shí)驗(yàn)標(biāo)定雷電流傳感器在雷電下的輸出電壓峰值與雷電流峰值及雷擊點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系；S2、在被測量小區(qū)內(nèi)設(shè)置三個(gè)所述雷電流傳感器；S3、在雷電下分別檢測所述三個(gè)雷電流傳感器的輸出電壓峰值，根據(jù)所述函數(shù)關(guān)系聯(lián)合確定所述雷擊點(diǎn)的位置。本發(fā)明可以在小區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對雷電流的精確定位，以及對雷電流幅值的精確測量。
【專利說明】一種小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法及系統(tǒng) 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法及系統(tǒng)。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 雷電定位和雷電流參數(shù)監(jiān)測對雷電特性研究及雷電防護(hù)均有重要作用，雷電定位 系統(tǒng)能為雷電防護(hù)、氣象研究、建筑等領(lǐng)域提供了較多技術(shù)資料。目前世界各地均有較為成 熟的雷電監(jiān)測網(wǎng)，通過監(jiān)測雷電流產(chǎn)生磁場的方向及到達(dá)傳感器的時(shí)間，可以計(jì)算出落雷 位置、雷電流幅值、雷電流極性等參數(shù)。雷電定位的定位方式主要分為單站定位和多站定 位。應(yīng)用較為廣泛的為多站定位，能夠大大提高定位精度。國外對雷電流研究起步較早，自 上世紀(jì)八十年代以來，美國國家雷電探測網(wǎng)（NLDN)經(jīng)過多年發(fā)展，目前對雷電探測率可達(dá) 80%以上，定位誤差小于lkm。歐洲于2001年建立了ZEUS雷電監(jiān)測網(wǎng)，利用時(shí)差法實(shí)現(xiàn)了雷 電流定位功能，但定位誤差較大。我國雷電流監(jiān)測系統(tǒng)在近年有了迅猛的發(fā)展，電力系統(tǒng)自 1993年以來，陸續(xù)在全國建立了區(qū)域性性雷電流監(jiān)測網(wǎng)，對電力系統(tǒng)防雷保護(hù)起到了重要 作用，氣象部門對雷電流探測站即有超過100個(gè)。由電子工業(yè)部研究的XDD03型雷電探測系 統(tǒng)等定位誤差小于lkm。陳家宏等設(shè)計(jì)研究了雷電方向探測儀，通過使用一組正交框型天 線，測量平面內(nèi)一組磁場信號，通過放大、濾波、積分等得到不同方向的原磁場，通過對磁場 矢量合成即可得到雷電流的方位角和其磁場大小，從而實(shí)現(xiàn)雷電流定向測量，方向誤差小 于1。。
[0003] 單站定位法利用磁場定向技術(shù)分析雷電流頻譜特性，一般只用于監(jiān)測高強(qiáng)度、遠(yuǎn) 距離的雷電信號，由于其監(jiān)測方式比較單一，僅靠一套傳感設(shè)備分散性較大，且數(shù)據(jù)誤差較 大，導(dǎo)致監(jiān)測的方位精度與幅值監(jiān)測精度較低。
[0004] 多站定位法利用多個(gè)監(jiān)測站監(jiān)測同一雷電信號，綜合各個(gè)監(jiān)測站的測量結(jié)果，對 雷電的落雷位置及雷電參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和測量。多站定位方法主要分為定向定位法、時(shí)差定 位法及綜合定位法。定向定位法通過監(jiān)測磁場方向利用三角原理定位，如圖1所示。當(dāng)A點(diǎn)發(fā) 生雷擊時(shí)，0?:及0內(nèi)處分別測得方位角(^和~，通過三角定位原理即可得到雷電流位置。由 于磁場距離較遠(yuǎn)且方向誤差較大，多以定向定位法精度較低。
[0005] 時(shí)差法定位原理如圖2所示，圖中ABC為探測站，根據(jù)兩個(gè)探測站AC得到的雷擊信 號的時(shí)差及AC兩個(gè)站之間的距離能夠得到一條雙曲線，雷擊即位于雙曲線上一點(diǎn)。同理根 據(jù)另外兩個(gè)探測站BC得到另一條雙曲線，兩條雙曲線的交點(diǎn)為P，而另一點(diǎn)P'為數(shù)學(xué)上另一 個(gè)解，通過第4個(gè)探測站即可剔除掉P'點(diǎn)得到實(shí)際雷擊發(fā)生的位置。目前時(shí)間測量使用GPS 進(jìn)行，一般使用的GPS精度小于1 us，所以在時(shí)差法定位精度為1 km。時(shí)差法受到時(shí)間精度的 限制，所以定位精度難以提尚。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法及系統(tǒng)， 以提高小范圍內(nèi)雷電定位的精確度。
[0007] 一種小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法，包括如下步驟：
[0008] S1、實(shí)驗(yàn)標(biāo)定雷電流傳感器在雷電下的輸出電壓峰值與雷電流峰值及雷擊點(diǎn)的函 數(shù)關(guān)系；
[0009] S2、在被測量小區(qū)內(nèi)設(shè)置三個(gè)所述雷電流傳感器；
[0010] S3、在雷電下分別檢測所述三個(gè)雷電流傳感器的輸出電壓峰值，根據(jù)所述函數(shù)關(guān) 系聯(lián)合確定所述雷擊點(diǎn)的位置。
[0011] 優(yōu)選地，
[0012] 所述雷電流傳感器為空心線圈。
[0013] 優(yōu)選地，
[0014] 所述三個(gè)雷電流傳感器的軸線相交于同一個(gè)點(diǎn)。
[0015] 優(yōu)選地，
[0016] 所述函數(shù)關(guān)系為：
[0018] 其中，UMi表示第i個(gè)雷電傳感器的輸出電壓峰值，Im表示雷電流傳感器的雷電流 峰值，k為系數(shù)，Xi和yi表示第i個(gè)雷電傳感器的坐標(biāo)，X和y表示雷擊點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0019] 優(yōu)選地，
[0020]所述三個(gè)雷電流傳感器的軸線兩兩之間呈120°。
[0021]本發(fā)明還提供了一種小區(qū)雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)，包括:第一雷電傳感器、第二雷電傳 感器、第三雷電傳感器、第一數(shù)據(jù)采集卡、第一光纖模塊、第二數(shù)據(jù)采集卡、第二光纖模塊、 第三數(shù)據(jù)采集卡、第三光纖模塊和太陽能發(fā)電裝置，所述第一數(shù)據(jù)采集卡用于采集第一雷 電傳感器的輸出電壓，所述第二數(shù)據(jù)采集卡用于采集第二雷電傳感器的輸出電壓，所述第 三數(shù)據(jù)采集卡用于采集第三雷電傳感器的輸出電壓，所述第一光纖模塊將第一數(shù)據(jù)采集模 塊采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖，所述第二光纖模塊將第二數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖， 所述第三光纖模塊將第三數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖，所述太陽能發(fā)電裝置用于對 所述第一數(shù)據(jù)采集卡、第一光纖模塊、第二數(shù)據(jù)采集卡、第二光纖模塊、第三數(shù)據(jù)采集卡和 第三光纖模塊進(jìn)行供電。
[0022] 優(yōu)選地，
[0023] 第一雷電傳感器、第二雷電傳感器和第三雷電傳感器雷電流傳感器為空心線圈。 [0024] 優(yōu)選地，
[0025]第一雷電傳感器、第二雷電傳感器和第三雷電傳感器的軸線相交于同一個(gè)點(diǎn)。 [0026] 優(yōu)選地，
[0027] 第一雷電傳感器、第二雷電傳感器和第三雷電傳感器的軸線兩兩之間呈120°。 [0028]本發(fā)明的有益效果是：
[0029] 1)通過數(shù)值定位方法能夠避免定向法與時(shí)差法有關(guān)磁場方向及時(shí)間測量的精度 限制，該方法的定位精度主要取決于傳感器幅值的測量精度，能大大提高雷電流定位精度， 縮小其測量范圍。
[0030] 2)提出了一種使用數(shù)值分析方法求解雷電流定位問題的方案，在求解中可進(jìn)一步 考慮優(yōu)化問題，提尚測量精度。并可以考慮在大型場站增加傳感器的數(shù)量，從而進(jìn)一步提尚 測量精度。
[0031] 3)使用特制的雷電流傳感器及目前較為先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，保證了 信號傳輸?shù)目煽啃?，且整個(gè)測量系統(tǒng)使用太陽能供電，系統(tǒng)獨(dú)立穩(wěn)定可靠，免于維護(hù)，減少 了人工成本，增加的系統(tǒng)的實(shí)用性。 【【附圖說明】】
[0032] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)定位雷電的定向法原理圖 [0033]圖2是現(xiàn)有技術(shù)定位雷電的時(shí)差法原理圖
[0034] 圖3是本發(fā)明一種實(shí)施例的小區(qū)雷電監(jiān)測定位方法示意圖
[0035] 圖4是本發(fā)明一種實(shí)施例的小區(qū)雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)圖 【【具體實(shí)施方式】】
[0036]以下對發(fā)明的較佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037]如圖3所示，一種實(shí)施例的小區(qū)雷電監(jiān)測定位方法示意圖，在本實(shí)施例中，使用自 制的雷電流傳感器，通過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定其響應(yīng)特性，得到輸出電壓與電流幅值、測量距離之間 的關(guān)系，通過使用不同位置的三個(gè)雷電流傳感器，對同一雷電流得到的三組測量數(shù)據(jù)，通過 對方程組求解即可得到雷電流幅值及平面坐標(biāo)。雷電流傳感器可以采用空心線圈，將三個(gè) 線圈同向放置于所測量區(qū)域邊緣處，空心線圈的軸線之間相互夾角為120°，保證整個(gè)測量 系統(tǒng)對各個(gè)位置的雷電流均有較高的靈敏度。
[0038] 以線圈A為例，使用如圖3所示的直角坐標(biāo)系進(jìn)行分析。線圈A、線圈B、線圈C的坐標(biāo) 分別為(11，7 1)，（12,72)，（13,73)，雷擊點(diǎn)坐標(biāo)為(^7)。假設(shè)雷電流于雷擊點(diǎn)垂直入地，且是 負(fù)極性雷電流，雷電流峰值為Im。雷擊點(diǎn)在線圈A處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，此時(shí)在線圈處可以 分解為垂直分量也和水平分量B 2,水平分量由于平行于線圈，在線圈處不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓， 此時(shí)傳感器的輸出電壓以垂直分量為主。得到：
[0039] Bi = Bcos9(l)
[0041] 雷電流傳感器在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)磁場方向與線圈平面垂直時(shí)，其輸出電壓峰 值U?與電流峰值Im及線圈到雷電流距離r的關(guān)系為：
[0043]根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，電流產(chǎn)生的磁場與電流強(qiáng)度成正比，所以可以得出線圈輸 出電壓峰值為：
[0045]同理，對于3個(gè)線圈，其輸出電壓與雷電流峰值及雷擊點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)系式為：
[0047] 其中，三個(gè)線圈的輸出電壓峰值U?可以通過示波器測量，為已知量。從而可以得到 關(guān)于x，y，U^非線性方程組，使用牛頓-拉夫遜法進(jìn)行迭代求其最小二乘解，即可得到雷電 流位置及雷電流幅值。
[0048] 方程組可表示為：
[0050] 其雅克比矩陣可以表示為：
[0052]由于目前GPS時(shí)鐘精度有限，使用時(shí)差法定位只能保證其定位精度在lkm的數(shù)量 級，而本發(fā)明的定位方法只需要保證傳感器的測量精度，不需要進(jìn)行時(shí)鐘的統(tǒng)一，所以能大 大縮小定位范圍，使此種定位方法能應(yīng)用于雷電流小范圍定位，實(shí)現(xiàn)類似燃?xì)庹?、變電站?石油場站等小范圍雷電預(yù)警及防護(hù)功能。
[0053]由于線圈為空心線圈，所以保證其能測量較大幅值的雷電流。為了保證其靈敏度， 需要較大的直徑及匝數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，空心線圈直徑為60cm，長度為20cm，匝數(shù)為50,使 用2X3mm的扁銅線繞制。根據(jù)實(shí)際參數(shù)測試，線圈的下限截止頻率為112Hz，上限截止頻率 為幾十MHz，能夠覆蓋雷電流的頻率范圍。線圈使用環(huán)氧樹脂為骨架繞制，在線圈外部增設(shè) 接地鐵殼進(jìn)行屏蔽，并在鐵殼上開槽橫向切斷鐵盒磁路，縱向開槽防止環(huán)流。并將匹配電阻 等元器件及線圈使用環(huán)氧澆注為一個(gè)整體，起到防水、防曬等作用，最終線圈外形尺寸為70 X 70 X 24cm，如圖4所示，電纜連接處做凹陷處理。
[0054]在磁場與線圈平面垂直時(shí)，輸出電壓峰值U ?與電流峰值Im及距離r的擬合公式為：
[0056]公式中各變量均為國際標(biāo)準(zhǔn)單位，為了保證計(jì)算精度，且雷電流幅值一般在10kA 以上，所以可將其中電流單位使用kA代替，公式為：
[0058] 在所需要監(jiān)測區(qū)域內(nèi)指定位置安裝雷電流監(jiān)測系統(tǒng)，通過感應(yīng)雷擊點(diǎn)落在場站內(nèi) 或場站附近的雷電流產(chǎn)生的迅速變化的磁場，得到雷電流波形的電壓信號。
[0059] 如圖4所示，一種實(shí)施例的小區(qū)雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)，包括雷電傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、 光纖發(fā)送模塊、光纖接收模塊、計(jì)算機(jī)和太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中雷電傳感器包括:第一雷電 傳感器A、第二雷電傳感器B和第三雷電傳感器C，雷電傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、光纖發(fā)送模塊和 太陽能發(fā)電系統(tǒng)是室外部分。
[0060] 對于第一雷電傳感器A這一條支路來說，數(shù)據(jù)采集卡通過電纜與第一雷電傳感器A 連接，用于對第一雷電傳感器A的輸出電壓進(jìn)行采集，光纖發(fā)送模塊用于將數(shù)據(jù)采集卡采集 到的輸出電壓數(shù)據(jù)通過光纖發(fā)送到光纖接收模塊，計(jì)算機(jī)讀取光纖接收模塊接收到的輸出 電壓數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算。同樣，第二雷電傳感器B和第三雷電傳感器C這兩條支路與第一雷電 傳感器A相同。
[0061] 采樣信號通過采集卡采集，光纖模塊轉(zhuǎn)換成光信號通過光纖傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)，控 制室內(nèi)再通過光纖模塊轉(zhuǎn)化成電數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)。其中，三個(gè)傳感器得到的波形數(shù)據(jù) 分別輸入三個(gè)計(jì)算機(jī)，從而保證三個(gè)測量系統(tǒng)的獨(dú)立性和即時(shí)性，再上傳到一臺(tái)計(jì)算機(jī)使 用監(jiān)控軟件進(jìn)行處理，得到所需的數(shù)據(jù)。
[0062] 太陽能發(fā)電裝置用于對數(shù)據(jù)采集卡和光纖發(fā)送模塊進(jìn)行供電，以防止雷電流干擾 從電源系統(tǒng)侵入。由于雷電流持續(xù)時(shí)間較短，數(shù)據(jù)采集卡可以采用USB-5133高速采集卡進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集，其采樣率可達(dá)lOOM/s。由于雷電流發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場，為防止信號在 傳輸過程中受到干擾，信號傳輸部分使用光纖進(jìn)行傳輸。
[0063] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由 所提交的權(quán)利要求書確定的專利保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法，其特征是，包括如下步驟： 51、 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定雷電流傳感器在雷電下的輸出電壓峰值與雷電流峰值及雷擊點(diǎn)的函數(shù)關(guān) 系； 52、 在被測量小區(qū)內(nèi)設(shè)置三個(gè)所述雷電流傳感器； 53、 在雷電下分別檢測所述三個(gè)雷電流傳感器的輸出電壓峰值，根據(jù)所述函數(shù)關(guān)系聯(lián) 合確定所述雷擊點(diǎn)的位置。2. 如權(quán)利要求1所述的小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法，其特征是， 所述雷電流傳感器為空心線圈。3. 如權(quán)利要求2所述的小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法，其特征是， 所述三個(gè)雷電流傳感器的軸線相交于同一個(gè)點(diǎn)。4. 如權(quán)利要求1所述的小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法，其特征是，所述函數(shù)關(guān)系為：其中，U_表示第i個(gè)雷電傳感器的輸出電壓峰值，Im表示雷電流傳感器的雷電流峰值，k 為系數(shù)，xi和yi表示第i個(gè)雷電傳感器的坐標(biāo)，X和y表示雷擊點(diǎn)的坐標(biāo)。5. 如權(quán)利要求3所述的小區(qū)域雷電監(jiān)測定位方法，其特征是， 所述三個(gè)雷電流傳感器的軸線兩兩之間呈120°。6. -種小區(qū)雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)，其特征是，包括:第一雷電傳感器、第二雷電傳感器、第 三雷電傳感器、第一數(shù)據(jù)采集卡、第一光纖模塊、第二數(shù)據(jù)采集卡、第二光纖模塊、第三數(shù)據(jù) 采集卡、第三光纖模塊和太陽能發(fā)電裝置，所述第一數(shù)據(jù)采集卡用于采集第一雷電傳感器 的輸出電壓，所述第二數(shù)據(jù)采集卡用于采集第二雷電傳感器的輸出電壓，所述第三數(shù)據(jù)采 集卡用于采集第三雷電傳感器的輸出電壓，所述第一光纖模塊將第一數(shù)據(jù)采集模塊采集的 數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖，所述第二光纖模塊將第二數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖，所述第三 光纖模塊將第三數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖，所述太陽能發(fā)電裝置用于對所述第一 數(shù)據(jù)采集卡、第一光纖模塊、第二數(shù)據(jù)采集卡、第二光纖模塊、第三數(shù)據(jù)采集卡和第三光纖 模塊進(jìn)行供電。7. 如權(quán)利要求6所述的小區(qū)域雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)，其特征是， 第一雷電傳感器、第二雷電傳感器和第三雷電傳感器雷電流傳感器為空心線圈。8. 如權(quán)利要求7所述的小區(qū)域雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)，其特征是， 第一雷電傳感器、第二雷電傳感器和第三雷電傳感器的軸線相交于同一個(gè)點(diǎn)。9. 如權(quán)利要求8所述的小區(qū)域雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)，其特征是， 第一雷電傳感器、第二雷電傳感器和第三雷電傳感器的軸線兩兩之間呈120°。
【文檔編號】G01R29/08GK105866558SQ201610169561
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】梅紅偉, 閆石, 王黎明
【申請人】清華大學(xué)深圳研究生院