專利名稱：輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電力系統(tǒng)電氣設(shè)備防雷領(lǐng)域，具體涉及一種架空輸電線路雷 擊在線監(jiān)測裝置。適用于對架空輸電線路遭受雷擊的形式判斷和雷電流參數(shù)與波形測量。
背景技術(shù)：
迄今為止，國內(nèi)外取得的相關(guān)研究成果主要有以下幾種。 1磁鋼棒法國外最早研制成功用于雷電流最大幅值測量的儀器是1941年由Komel—Kov 與Stekoinikov用環(huán)形天線和磁鋼棒制成，現(xiàn)在仍在電力系統(tǒng)中使用。其主要缺 點有]:磁鋼棒的配方和生產(chǎn)工藝存在分散性，無法統(tǒng)一確定磁鋼棒上剩磁與所 測雷電流的準(zhǔn)確關(guān)系；己記錄雷電流信息的磁鋼棒的剩磁易在運輸過程中因振動 而改變，導(dǎo)致"信息"丟失；磁鋼棒無法測出幾千安以下的雷電流，有時還會由 于強雷電流出現(xiàn)飽和；測量環(huán)境的磁場也影響測量精度，誤差分析表明最大誤差 可達(dá)100%以上。2雷電定位系統(tǒng)雷電定位系統(tǒng)(LLS)是二十世紀(jì)七十年代中期由美國人Martin A Urnan、 Krider E P等首次研制成功。其基本原理是用多個測量天線測量雷擊時的雷電電 磁波，經(jīng)過計算機的計算確定雷擊地點、雷電流幅值與雷電流最大陡度。我國八 十年代引進(jìn)該技術(shù)。雷電定位系統(tǒng)已在國內(nèi)的許多省市推廣應(yīng)用，在使用中發(fā)現(xiàn) 了如下一些問題。(1) 設(shè)備復(fù)雜，前期投資大；(2) 定位系統(tǒng)本身存在一定誤差與探測死區(qū)；(3) 地形因素對探測站的干擾大，誤差較大；(4) 不能對被雷擊的桿塔準(zhǔn)確定位；(5) 定位系統(tǒng)對雷電流幅值的計算存在誤差，目前還不能實際校核；(6) 不能給出雷電流波形。 3磁帶(卡)法用磁帶法測量雷電流幅值，最早是在上世紀(jì)八十年代初由美國宇航局提出并 首先在航天中心使用，該法利用雷電流通過導(dǎo)體時可將靠近導(dǎo)體的磁帶上預(yù)先錄 制的波形抹掉的特性，通過讀取磁帶上剩余波形測算出雷電流幅值，但未應(yīng)用于 現(xiàn)場測量。經(jīng)檢索未見到一種輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置被公開或使用。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是在于提供了一種輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置，該監(jiān)測系 統(tǒng)具有監(jiān)測雷擊輸電線路的雷電流幅值、時間和波形等參數(shù)，可自動判斷雷擊線 路桿塔號、雷擊避雷線或?qū)Ь€相別、雷電流極性和雷擊形式(反擊或繞擊)，實 現(xiàn)快速定位；結(jié)構(gòu)簡單，操作自動化，監(jiān)測穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本實用新型采用以下技術(shù)措施蓄電池分別與太陽能電池、電壓變換器(輔助電源)相接，太陽能電池板從陽光轉(zhuǎn)化的直流電用兩根電線送至蓄電池，同時連至DC/DC變換模塊——輔助電 源，把蓄電池電壓變換成監(jiān)測系統(tǒng)弱電部分所需的電壓，電壓變換器分別與雷擊 釆樣單元、數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元相連，雷擊信號釆樣單元分別與電流傳感 器、數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元相連接；該組電壓用金屬線或印刷電路板上覆銅 線連至雷擊信號采樣單元與數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元；電流傳感器將雷電流變 換為弱電信號，用同軸電纜送至雷擊信號采樣單元，雷擊信號采樣單元中的接口 與數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元中的接口相接；經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)通過RS232接口送至數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元,雷擊信號采樣單元中的單元A/D采樣后把得到的雷 電流數(shù)據(jù)通過RS232接口送至數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元；數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸 單元將各路雷電流傳感器得到的數(shù)據(jù)通過手機網(wǎng)絡(luò)傳送至INTERNET網(wǎng)、后至FTP 服務(wù)器、通過服務(wù)器用網(wǎng)絡(luò)線連至用戶終端。其中電流傳感器和5路10M次/秒 雷擊信號采樣單元自行研制，太陽能電池板和蓄電池為外購常規(guī)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)接收 和GPRS傳輸單元中處理板為工業(yè)級PC104，購置的帶天線的GPRS為通用工業(yè)級 模塊。圖1中雷擊信號采集部分原理框圖如圖7所示。圖7中"高速數(shù)據(jù)采集通 道"對應(yīng)桿塔避雷線地線支架和絕緣子串上的雷擊取樣電流的各通道，按并行方 式工作(按6路設(shè)計，l路備用)。高速數(shù)據(jù)采集通道的采樣方式是8位雙極性 采樣、lOMHz采樣速率。圖7中"低速數(shù)據(jù)采集通道"考慮擴展測試環(huán)境溫濕度、 絕緣子串泄漏電流等(設(shè)計預(yù)留位置)。圖7中的單片機微控制器實現(xiàn)各通道的 采樣控制和采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存、實時時鐘(精度為秒級)、串口發(fā)送等。這部分是系統(tǒng)正常工作的核心。(1) 雷擊路徑的確定。通過在桿塔地線支架和絕緣子串支路安裝傳感器，區(qū) 分線路的雷擊點，即在塔頂處安裝傳感器，在各相絕緣子串橫擔(dān)側(cè)處分別安裝一 個傳感器。當(dāng)線路發(fā)生繞擊事故時，各線路側(cè)的傳感器將測到雷電流波形，塔頂 傳感器沒有信號記錄；當(dāng)線路發(fā)生反擊事故時，除了閃絡(luò)相有信號記錄外，塔頂 傳感器有對應(yīng)的記錄波形。(2) 電流傳感器。通過對雷擊輸電線路電流波形的仿真計算，根據(jù)輸電線路 的實際尺寸及安裝位置，設(shè)計出適合測量線路雷擊電流及易于安裝的電流傳感 器，但同時要充分考慮環(huán)形傳感器窗口尺寸，防止雷電流通過傳感器外殼。(3) 雷擊信號釆樣單元。信號采樣單元分高速采樣通道和低速釆樣通道。高 速數(shù)據(jù)采集通道對桿塔和絕緣子上的雷電流波形進(jìn)行8位雙極性、10MHz采樣速率 的采樣，各通道(按最多8路設(shè)計)按并行方式工作。低速數(shù)據(jù)釆集通道(預(yù)留) 對環(huán)境溫度等各種附加監(jiān)測信息進(jìn)行12位雙極性、IOOK采樣速率的采樣，各通道(按最多8路設(shè)計)按分時方式工作。(4) 數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元。硬件部分主要由嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊+電子盤+ 開發(fā)底板+MC35i/GPRS模塊"構(gòu)成，其軟件部分由DOS環(huán)境下的用戶應(yīng)用程序構(gòu) 成。"嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊"是基于Intel的高性能32位嵌入式微處理器i386EX的 單板計算機。通過與PC/DOS兼容性的實現(xiàn)，為應(yīng)用軟件的運行提供了與PC/DOS 完全兼容的環(huán)境，同時也為各種應(yīng)用軟件開發(fā)工具的使用提供了完善的目標(biāo)環(huán) 境。電子盤采用Disk0nChip2000系列芯片，容量16M 1G可選，用于存儲采集 數(shù)據(jù)文件。西門子公司的MC35i/GPRS模塊實現(xiàn)GPRS無線上網(wǎng)。通過MC35i/GPRS 模塊，用戶應(yīng)用程序按FTP (文件傳輸協(xié)議)方式與遠(yuǎn)端FTP服務(wù)器實現(xiàn)采樣數(shù) 據(jù)文件的傳輸，遠(yuǎn)端FTP服務(wù)器對雷擊數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，實現(xiàn)雷擊電流波形的 顯示及參數(shù)測量，并通過數(shù)據(jù)的綜合判斷確定雷擊桿塔及雷擊形式，可實現(xiàn)雷害 事故的精確定位。(5) 設(shè)備供電電源。設(shè)備供電電源由安裝在線路桿塔上的"光電池+蓄電池" 系統(tǒng)構(gòu)成，并由DC/DC模塊構(gòu)成電壓調(diào)整器，以滿足設(shè)備的輔助電源供電需要， 使裝置能長期在野外工作成為可能。本實用新型具有以下優(yōu)點和效果(1) 雷電流傳感器測量范圍3kA 150kA，雷電流尺寸結(jié)構(gòu)使安裝于絕緣 子串和地線支架上雷電流不會從傳感器表面流過。(2) 釆樣頻率5路、每路10M次/秒，每通道每次紀(jì)錄長度48ms。(3) 同時監(jiān)測三相絕緣子串及地線支架通過的雷電流幅值和波形及雷擊時刻。(4) 智能判斷雷擊線路形式。(5) 實現(xiàn)雷擊線路快速精確定位、定相。(6) 通過GPRS無線傳輸技術(shù)，將采樣數(shù)據(jù)文件傳送至指定的遠(yuǎn)端FTP服務(wù) 器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。(7) 結(jié)構(gòu)簡單，操作自動化，檢測穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。該系統(tǒng)于2006年7月 1日前安裝于湖北省咸寧供電公司110kV汪官線等3條線路。運行后于2007年4月22日2點26分59秒監(jiān)測到雷擊于51 #塔頂，流過鐵塔雷電流。初峰時間 0.45化，峰值時間L80^s，幅值-10.81 kA,半峰值時間2. 18^s，雷電流極性負(fù)極性。


圖1為一種輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為一種羅氏線圈的結(jié)構(gòu)和鐵盒屏蔽示意圖。圖3A、圖3B為一種傳統(tǒng)型羅氏線圈結(jié)構(gòu)示意圖。圖4、圖5為一種單層繞制的回繞線匝補償措施示意圖。圖6為一種雷擊信號采樣單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為一種NetBox-II嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊示意圖。圖8為一種設(shè)備供電電源組成示意圖。圖9為一種單片機程序總體流程示意圖。圖10為一種i386X用戶應(yīng)用程序總體流程示意圖。其中l(wèi)一電流傳感器，2—電壓變換器，3—蓄電池，4一太陽能電池板，5 一數(shù)據(jù)接收與GPRS傳輸單元，6 — INTERNET網(wǎng)，7 —用戶終端，8—FTP服務(wù)器， 9一雷擊信號采樣單元，IO —高速采樣通道信號調(diào)理，ll一高速數(shù)據(jù)采集模塊， 12 —總線控制單元，13 —單片機微控制器，14一調(diào)試用鍵盤，15 —調(diào)試用液晶顯 示器，16 —RS232通訊口， 17 —實時時鐘，18 —地址發(fā)生單元、通道識別單元、 協(xié)調(diào)控制單元，19一基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生器，20—低速釆樣通道信號調(diào)理，21 —以太網(wǎng) 接口， 22 — RS232接口， 23 —系統(tǒng)總線，24 —嵌入式CPU， 25—擴展串口， 26— 矩陣鍵盤，27 —操作系統(tǒng)，28—擴展總線，29 —邏輯控制單元，30 — LCD顯示接 口， 31 —實時時鐘(串口)， 32 —系統(tǒng)存儲器，33—屏蔽鐵盒，34 —絕緣層，35 一線圈線匝，36 —線圈骨架，37—載流導(dǎo)線，38 —磁短路開槽，39 —磁旁路開槽。
具體實施方式
圖l給出了輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)框圖，其連接關(guān)系和作用如下。蓄電池3分別與太陽能電池板4、電壓變換器(輔助電源)2相接，太陽能電池板4從陽光轉(zhuǎn)化的直流電用兩根電線送至蓄電池3，同時連至DC/DC變換模塊一電壓變換器(輔助電源)2，把蓄電池3電壓變換成監(jiān)測系統(tǒng)弱電部分所需的電壓；電壓變換器2分別與雷擊信號采樣單元9、數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5相接，雷擊信號采樣單元9分別與電流傳感器1、數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5相接，該組電壓用金屬線或印刷電路板上覆銅線連至雷擊信號采樣單元9與數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5;電流傳感器1將雷電流變換為弱電信號，用同軸電纜送至雷擊信號釆樣單元9，雷擊信號采樣單元9中的接口與數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5中的接口相接，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)通過RS232接口送至數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5;數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5將各路雷電流傳感器1得到的數(shù)據(jù)通過手機網(wǎng)絡(luò)傳送至INTERNET網(wǎng)6、后至FTP服務(wù)器8、通過服務(wù)器用網(wǎng)絡(luò)線連至用戶終端7。其中電流傳感器1和5路10M次/秒雷擊信號采樣單元9自行研制，太陽能電池板和蓄電池為外購常規(guī)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5中處理板為工業(yè)級PC104,購置的帶天線的GPRS為通用工業(yè)級模塊。圖l所示的電流傳感器部分釆用傳統(tǒng)羅戈夫斯基線圈。羅氏線圈骨架幾何尺 寸骨架內(nèi)半徑的確定要根據(jù)實際安裝尺寸確定，根據(jù)實測的絕緣子尺寸，最大盤 徑為^^15cm,高度為/Z二13cm。為避免線圈表面對絕緣子表面放電造成的測 量誤差，應(yīng)保證線圈金屬外殼到絕緣子表面的最小距離不小于桿塔到絕緣子表面 的距離?？紤]線圈外還要加裝屏蔽盒，內(nèi)半徑相對要縮小2cra，幾何關(guān)系有以下 約束條件(13-A)2 + 0-17)2合理選擇"，6及/^值為"=290咖，6=350mm， ^=65mm。根據(jù)圖2可知，電流傳感器1包括屏蔽鐵盒33、絕緣層34、線圈線匝35、線圈骨架36、載流導(dǎo)線37,電流傳感器1上的線圈骨架36上繞有線圈線匝35，在線圈 線匝35上裝有絕緣層34，在絕緣層34上有屏蔽鐵盒33，在屏蔽鐵盒33的內(nèi)側(cè)開有 一條縫隙，在線圈線匝35內(nèi)有一次載流導(dǎo)線37，在屏蔽鐵盒33—側(cè)有切斷磁短路 開槽38，在屏蔽鐵盒33的另一端有切斷磁旁路開槽39。電流傳感器l采用傳統(tǒng)型 羅氏線圈。傳統(tǒng)型羅氏線圈是將漆包線均勻地在截面均勻(通常為圓形或矩形， 本實用新型選用矩形截面)的非磁性絕緣材料環(huán)形骨架上纏繞數(shù)匝，在載有大電 流的導(dǎo)線垂直穿過其中心時，通過載流導(dǎo)體周圍磁場的變化感應(yīng)出能反映被測電 流大小的電壓信號的一種電流互感器。位于中心的載流導(dǎo)體為互感器的一次繞 組，纏繞在骨架上的iV匝線圈即為其二次繞組。截面為矩形的圓環(huán)形骨架的羅 氏線圈結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，z',為載流導(dǎo)體中(一次)電流，w。為線圈兩端的輸出電壓，"、6分別為圓環(huán)形骨架的內(nèi)外半徑，A為矩形截面的高度。傳統(tǒng)型 羅氏線圈，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，可設(shè)計成開口結(jié)構(gòu)，易于安裝，自感系統(tǒng)大， 內(nèi)阻小易于實現(xiàn)自積分結(jié)構(gòu)，適宜于沖擊大電流測量。 羅氏線圈的制作和抗干擾措施是羅氏線圈不存在飽和、具有良好的線性特性，且體積小、重量輕，可以認(rèn)為 是理想的電流傳感器。但羅氏線圈也是一個敏感元件，對裝配要求較高，幾何結(jié) 構(gòu)尺寸對線圈精度影響較大，電磁兼容性差，輸出易受干擾。因此在線圈的結(jié)構(gòu) 設(shè)計和使用過程中應(yīng)采取相應(yīng)的抗干擾措施。對線圈骨架加工及線匝繞制工藝的要求用于加工骨架的絕緣材料和繞線必須選用溫度系數(shù)小的骨架材料和漆包線， 材料性質(zhì)均勻穩(wěn)定。線圈的內(nèi)外半徑設(shè)計合理，保證在6:7左右，保證線匝能均 勻密繞并與磁通方向垂直，從工藝上保證W、 S均勻。在骨架制作工藝方面要求 保證表面的光潔度，嚴(yán)格控制線圈骨架內(nèi)外半徑及高度的加工尺寸，線圈的幾何 尺寸符合設(shè)計的要求。在線匝的繞制方面要保證連續(xù)密繞，繞線張力保持恒定， 松緊程度合適，線圈繞制之后必須經(jīng)過三次以上的溫度老煉。保證線圈小線匝的截面積S、平均半徑r。、線匝密度w絕對均勻，使線圈形成無定向結(jié)構(gòu)，能有效抑制徑向磁場的干擾。為消除軸向干擾磁場在大線匝產(chǎn)生 感應(yīng)電勢的影響，在線圈為單層繞制時， 一般需在線圈內(nèi)部，即骨架內(nèi)，串接一 匝中心回環(huán)，繞制的方向與螺旋前進(jìn)方向相反，繞組的出口與入口在同一端，圖 5、圖6為兩種有效補償措施的示意圖。這樣，當(dāng)外界磁場影響兩串接方向相反的繞組回環(huán)，由電磁感應(yīng)而引起的電壓誤差信號能較好地抵消，從而在某種程度上抑制了部分外界干擾。其中中心回環(huán)半徑為r;，在實際中一般取為/;= &+6)/2,而一種更加準(zhǔn)確的方法是使中心回環(huán)與線圈內(nèi)、外形成的兩部分面積相同，也即得d2+62)/2 。 一般而言兩者沒有很大的區(qū)別，為了簡便， 一般取 〈.=(a+6)/2。如果是雙層的線圈，兩層線圈的走線方向應(yīng)該相反，自身形成回 繞層，不需要額外增加回繞線匝。此外，為減小外界磁場的干擾，可把線圈放在鐵盒內(nèi)屏蔽起來，抑制雜散磁 場進(jìn)入線圈。線圈的輸出電壓應(yīng)該是反映被測電流在線圈中建立的磁通量的變 化，而不是其它磁場(雜散磁場)在線圈內(nèi)感應(yīng)的電動勢所引起。為了正確的反 映被測電流，必須只讓被測電流產(chǎn)生的磁通經(jīng)過線圈，而不讓其他外來磁通經(jīng)過 線圈。因此應(yīng)該注意兩點其一，為了使一次電流產(chǎn)生的主磁通能夠進(jìn)入線圈， 在鐵屏蔽盒的內(nèi)側(cè)開有一條縫隙。被測電流將會在二次線圈的線匝內(nèi)部建立反映 一次電流大小的磁通量，防止磁旁路。其二，防止鐵盒形成磁短路，要在屏蔽盒的圓周處開槽。為減小裝配誤差，對線圈的安裝有以下要求(1) 一次載流導(dǎo)體的長度應(yīng)該在線圈平均半徑的十倍以上，線圈安裝應(yīng)該在 載流導(dǎo)線的中部，相對線圈來說可以近似按無限長直導(dǎo)線處理。若安裝在導(dǎo)線的 一端，將要對線圈的輸出信號進(jìn)行修正。(2) 線圈安裝時，保證一次載流導(dǎo)線處在線圈中心，并要求垂直于線圈平面， 即盡量讓一次載流導(dǎo)體和線圈軸線重合，減少對線圈幾何尺寸的嚴(yán)格要求，提高 線圈對外界磁場的抗干擾能力。(3) 線圈的感應(yīng)電勢服從安培定律，并且在電流穿過線圈時，線圈的靈敏度 與位置無關(guān)，必須盡量使線圈的平均半徑遠(yuǎn)大于線徑截面半徑，這樣可以近似認(rèn) 為整個線圈內(nèi)部的磁場強度處處相等。圖1中雷擊信號采樣單元9的原理框圖如圖6所示。根據(jù)圖6可知，雷擊信 號采樣單元9包括高速釆樣通道信號調(diào)理(可8路)10、高速數(shù)據(jù)釆集模塊ll、 總線控制單元12、單片機微控制器13、調(diào)試用鍵盤14、調(diào)試用液晶顯示器15、 RS232串口 16、實時時鐘芯片17、地址發(fā)生、通道識別和協(xié)調(diào)控制單元18、基 準(zhǔn)電壓產(chǎn)生器19和低速采樣通道信號調(diào)理(可8路)20。其特征在于高速采樣 通道信號調(diào)理10與高速數(shù)據(jù)采集模塊11相連，其中高速采樣通道信號調(diào)理10 把電流傳感器送來的雷電信號進(jìn)行分壓，濾波后送至高速數(shù)據(jù)采集模塊11，單 片機微控制器13分別與高速數(shù)據(jù)采集模塊11、總線控制單元12、地址發(fā)生單元、通道識別單元、協(xié)調(diào)控制單元8相連接，總線控制單元12分別與高速數(shù)據(jù)采集 模塊ll、單片機微控制器13、地址發(fā)生單元、通道識別單元、協(xié)調(diào)控制單元18 相連接，在單片機微控制器13上裝有調(diào)試用鍵盤14、調(diào)試用液晶顯示器15、PS232 通訊口16、實時時鐘17，基準(zhǔn)電壓發(fā)生器19分別與高速采樣通道信號調(diào)理10、 低速采樣通道信號調(diào)理20相連接，低速采樣通道信號調(diào)理20與單片機微控制器 13相連接。"高速數(shù)據(jù)采集通道"對應(yīng)桿塔避雷線和絕緣子上的雷擊取樣電流的 各通道，按并行方式工作(按6路設(shè)計，1路備用)。高速數(shù)據(jù)采集通道的采樣 方式是8位雙極性采樣、lOMHz采樣速率。"低速數(shù)據(jù)采集通道"考慮擴展測 試環(huán)境溫濕度、絕緣子串泄漏電流等(設(shè)計預(yù)留位置)。單片機微控制器13實現(xiàn) 各通道的采樣控制和采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存、實時時鐘(精度為秒級)、串口發(fā)送。這 部分是系統(tǒng)正常工作的核心。采樣通過單片機微控制器13控制各路的采樣；采 樣出的數(shù)據(jù)的傳送及存取通過總線控制單元12完成，地址發(fā)生、通道識別、協(xié) 調(diào)控制單元18完成存取地址和通道的協(xié)調(diào)；低速采樣通道信號調(diào)理20對風(fēng)速、 溫度等信號進(jìn)行分壓濾波后送至單片機微控制器13內(nèi)A/D采樣；高速與低速采樣信號調(diào)理的基準(zhǔn)電壓由基準(zhǔn)電壓發(fā)生器19產(chǎn)生；采集的數(shù)據(jù)由單片機控制通過RS232通訊口 16傳給數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5，以實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的異步傳 輸；實時時鐘芯片17產(chǎn)生的時鐘信號送至單片機微控制器13。圖6中的調(diào)試用 鍵盤14和調(diào)試用液晶顯示器15接口供調(diào)試用。"雷擊信號采樣單元"由CPU控制板、通道釆樣板和信號控制底板等三個 部分組成，上述元件釆用通用器件。雷擊信號采樣單元9中的CPU控制板與通道 采樣板、信號控制底板依次相連。"CPU控制板"以高速混合信號單片機C8051F020為核心，構(gòu)成含12位A/D、D/A的通用單片計算機系統(tǒng)，板上含有64K的程序空間和64K的數(shù)據(jù)空間。通過 對數(shù)據(jù)空間的分頁控制，以32768字節(jié)數(shù)據(jù)空間為一頁，可尋址片外通道采樣板 上的512K數(shù)據(jù)空間。精密設(shè)計的CPU控制板尺寸小，直接固定在信號控制底板 上。被監(jiān)測的桿塔上共有5個雷電閃絡(luò)信號釆樣點，每個采樣點對應(yīng)一個采樣通道，由1塊"通道采樣板"進(jìn)行8位10MHZ的高速數(shù)據(jù)采集。5塊精密設(shè)計的小 尺寸"通道釆樣板"固定在信號控制底板上，可同時進(jìn)行5個通道的數(shù)據(jù)采集。 單片機C8051F020同時控制5個通道的數(shù)據(jù)采集，分時對5個通道的采集數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理，并實現(xiàn)與NetBox-II模塊上工業(yè)級i386EX嵌入式CPU的串口數(shù)據(jù)通訊。通道的采樣頻率為lOMHz，每個采樣點數(shù)據(jù)為一字節(jié)的8位二進(jìn)制數(shù)。原則 上ffH對應(yīng)正的滿量程值，OOH對應(yīng)負(fù)的滿量程值，80H對應(yīng)0值中心點。"信號控制底板"實現(xiàn)輸入信號的調(diào)理和邏輯控制功能，與CPU控制板和通 道采樣板一起構(gòu)成了一個完整的雷擊信號采樣單元9。圖6所示的"雷擊信號采樣單元"由單片機C8051F020進(jìn)行控制，單片機服 務(wù)程序流程圖如圖IO所示。圖7所示為以工業(yè)級i386EX芯片為核心的"NetBox-II嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊" 的原理框圖，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸功能。NetBox-II模塊和MC35i/GPRS模塊連接在開發(fā)底板上。根據(jù)圖7可知，數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5包括以太網(wǎng)接口 21、系統(tǒng)總線 23、嵌入式CPUl(i386EX)24、 RS232接口22、系統(tǒng)存儲器32、實時時鐘(串行) 31、邏輯控制單元29、擴展串口 (RS232/485) 25、通用LCD顯示接口30、和矩 陣鍵盤(4X5) 26。該模塊核心為嵌入式CPU(i386EX)24，它通過RS232接口 22 與前面的雷擊信息采樣單元9相連。CPU的系統(tǒng)總線分別與系統(tǒng)存儲器32、實時 時鐘(串行)31、邏輯控制單元29、以太網(wǎng)接口 21和矩陣鍵盤(4X5) 26相連。 以太網(wǎng)接口 21分別與系統(tǒng)總線23相連，嵌入式CPU24分別與RS232接口 22、 擴展串口 25相連，系統(tǒng)總線23分別與矩陣鍵盤26、操作系統(tǒng)27、實時時鐘31、 系統(tǒng)存儲器32相連，邏輯控制單元29分別與擴展總線28、通用LED顯示接口 30、系統(tǒng)總線23相連。系統(tǒng)存儲器32用于存儲采集數(shù)據(jù)文件；實時時鐘芯片 34與CPU1采用串行通訊；預(yù)留以太網(wǎng)接口24以備擴展通訊連接；邏輯控制單 元預(yù)留有多個多功能1/0 口，以備日后擴展系統(tǒng)功能；邏輯控制單元29上設(shè)有通用LCD顯示接口 30，它與4X5矩陣鍵盤26 —起，用于調(diào)試過程中的狀態(tài)監(jiān) 測。嵌入式CPUl(i386EX)241還預(yù)留有擴展串口 (RS232/485) 25，便于系統(tǒng)擴 展時，與其它CPU實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。C8051F020與i386EX的通訊協(xié)議包括通訊聯(lián)絡(luò)方式和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議兩部分。 當(dāng)完成了一次通道數(shù)據(jù)采集后，C8051F020作為主動方，向i386EX發(fā)送請求數(shù) 據(jù)傳輸?shù)穆?lián)絡(luò)信號，i386EX按規(guī)定的應(yīng)答方式應(yīng)答。聯(lián)絡(luò)成功后，C8051F020就依次發(fā)送規(guī)定字節(jié)的數(shù)據(jù)，i386EX將接收到的數(shù)據(jù)依次保存為相應(yīng)的文件。"數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元"由i386EX嵌入式CPU芯片和MC35i/GPRS模 塊組成，i386EX CPU芯片的軟件程序在DOS環(huán)境下編寫。調(diào)試時可在BC3.1環(huán) 境下用C語言(或C+ + )進(jìn)行編程設(shè)計，設(shè)計完成后將用戶應(yīng)用程序放在 NetBox-II模塊的電子硬盤中運行。為減少無線傳送數(shù)據(jù)量，軟件中設(shè)計有濾波 程序，將1.5MHz以上諧波濾除。"數(shù)據(jù)接收"是指i386EX接收"雷擊信號采樣單元"的釆樣數(shù)據(jù)。 "GPRS傳輸"是指i386EX控制MC35i/GPRS模塊通過無線方式與遠(yuǎn)端公共互聯(lián)網(wǎng)上的FTP服務(wù)器連接，向遠(yuǎn)端FTP服務(wù)器所指定的目錄傳送采樣數(shù)據(jù)文件。 i386EX用戶應(yīng)用程序總體流程圖如圖11所示。在PC機上架設(shè)FTP服務(wù)器除了保證從公共互聯(lián)網(wǎng)上能訪問到該PC機外，還 要為架設(shè)的FTP服務(wù)器申請一個域名，如果是動態(tài)域名，則要保證能可靠進(jìn)行動 態(tài)域名解析。本設(shè)計使用網(wǎng)域科技網(wǎng)站的花生殼客戶端程序進(jìn)行動態(tài)域名解析。 架設(shè)個人FTP服務(wù)器有多種可用軟件，本設(shè)計采用Serv-U5. 1 FTP服務(wù)器軟件，其使用方便，穩(wěn)定性好。圖8所示為設(shè)備供電電源組成示意圖。根據(jù)圖8可知，電壓變輸器2分別與蓄電池3、數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5、 雷擊信號采樣單元9相連，太陽能光電板4與蓄電池3相連，太陽能光電池4把 太陽能轉(zhuǎn)換為電能給蓄電池3充電；充電和放電由充放電控制模塊A控制；蓄電池3與DC/DC電壓變換器2用兩根金屬導(dǎo)線相連，電壓變換器2把12V電壓變換 為5V電壓供給數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5和數(shù)據(jù)采集單元9使用。圖9所示為單片機C8051F020的服務(wù)程序流程，該程序普通技術(shù)人員根據(jù)其 基本知識均能編寫程序，采用Basic語言或Pascal語言或0/〔++語言或Fortran 語言編程，也可采用普通程序(市場均有購置)，以實現(xiàn)對雷擊信號釆樣單元進(jìn) 行控制。啟動程序后，會對狀態(tài)標(biāo)志及相關(guān)數(shù)據(jù)存儲單元進(jìn)行初始化(過程A)，然 后讀取GPS實時時鐘信號，校準(zhǔn)系統(tǒng)時間(過程B)，下面判斷系統(tǒng)是否處于調(diào) 試狀態(tài)(過程C)，如果是，則調(diào)用鍵盤和LCD顯示程序，方便調(diào)試人員査看程 序執(zhí)行的中間狀態(tài)(過程D)，如果不是調(diào)試狀態(tài)，為節(jié)省程序運行時間，則不 用調(diào)鍵盤顯示程序，接著判斷采樣是否被觸發(fā)(過程E)，如果尚未被觸發(fā)，則 返回至過程B,如果采樣已被觸發(fā)，則記錄觸發(fā)時間(過程F)，并等待直至采樣 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好為止(過程G)，然后啟動串口發(fā)送服務(wù)程序，該子程序采用了串口 中斷方式(過程H)，直至采樣數(shù)據(jù)發(fā)送完畢(過程J)，發(fā)送完畢后返回過程B， 等待下一輪采樣觸發(fā)。圖IO所示為i386用戶應(yīng)用程序總體流程示意圖，該程序普通技術(shù)人員根 據(jù)基本知識均能編寫程序，采用Basic語言或Pascal語言或〔^++語言或 Fortran語言編程，也可采用普通程序(市場均有購置)，其功能是實現(xiàn)i386EX 控制MC35i/GPRS模塊通過無線方式與遠(yuǎn)端公共互聯(lián)網(wǎng)上的FTP服務(wù)器連接，向遠(yuǎn)端FTP服務(wù)器所指定的目錄傳送采樣數(shù)據(jù)文件。啟動程序后，會對狀態(tài)標(biāo)志及相關(guān)數(shù)據(jù)存儲單元進(jìn)行初始化(過程A)，然 后開C0M3 口串口接收中斷(過程B)，則這個時候CPU將可能響應(yīng)COM3 口接收 到的中斷信號，收到中斷信號后轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序，先讀取接收緩沖區(qū)中的狀 態(tài)量(過程C)，判斷系統(tǒng)是否處于調(diào)試狀態(tài)(過程D)，如果是，則調(diào)用鍵盤和 LCD顯示程序，方便調(diào)試人員查看程序執(zhí)行的中間狀態(tài)(過程E)，如果不是調(diào)試 狀態(tài)，為節(jié)省程序運行時間，則不用調(diào)鍵盤顯示程序，然后判斷是否收到來自單 片機的聯(lián)絡(luò)信號(過程E)，如果尚未收到，則返回至過程C,循環(huán)等待，如果已經(jīng)收到來自單片機的聯(lián)絡(luò)信號，則向單片機發(fā)送應(yīng)答信號，并判斷接收數(shù)據(jù)的類 型(過程G)，然后獲取接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)量(過程H)，直到接收完規(guī)定字節(jié) (過程I)，下面連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)備無線數(shù)據(jù)傳輸(過程J)，對遠(yuǎn)端FTP服務(wù) 器域名進(jìn)行解析(過程K)，完畢后，將FTP文件上傳至遠(yuǎn)端FTP服務(wù)器(過程L)， 直到FTP文件上傳完成(過程M)，如果本次數(shù)據(jù)全部上傳后，則返回過程C,等 待開始下一輪數(shù)據(jù)上傳任務(wù)。
權(quán)利要求1、一種輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置，它包括電流傳感器(1)、雷擊信號采樣單元(9)、羅氏線圈，其特征在于蓄電池(3)分別與太陽能電池板(4)、電壓變換器(2)相連接，電壓變換器(2)分別與雷擊信號采樣單元(9)、數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元(5)相連接，雷擊信號采樣單元(9)分別與電流傳感器(1)、數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元(5)相連接，雷擊信號采樣單元9中的接口與數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5中的接口相接，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)通過RS232接口送至數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元5，雷擊信號采樣單元(9)A/D采樣后把得到的雷電流數(shù)據(jù)通過RS232接口(22)送至數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元(5)，數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元(5)將各路雷電流傳感器(1)得到的數(shù)據(jù)通過手機網(wǎng)絡(luò)傳送至INTERNET網(wǎng)(6)、后至FTP服務(wù)器(8)、通過服務(wù)器用網(wǎng)絡(luò)線連至用戶終端(7)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置，其特征在于 雷擊信號采樣單元(9)它包括高速采樣通道信號調(diào)理(10)、高速數(shù)據(jù)采集模塊(11)、總線控制單元(12)、單片機微控制器(13)、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生器(19) 和低速采樣通道信號調(diào)理(20)，高速采樣通道信號調(diào)理(10)與高速數(shù)據(jù)采集 模塊(11)相連，高速采樣通道信號調(diào)理(10)把電流傳感器(1)送來的雷電 信號進(jìn)行分壓，濾波后送至高速數(shù)據(jù)采集模塊(11)，單片機微控制器(13)分 別與高速數(shù)據(jù)采集模塊(11)、總線控制單元(12)、地址發(fā)生單元、通道識別單 元、協(xié)調(diào)控制單元(8)相連接，總線控制單元(12)分別與高速數(shù)據(jù)采集模塊 (11)、單片機微控制器(13)、地址發(fā)生單元、通道識別單元、協(xié)調(diào)控制單元(18) 相連接，在單片機微控制器(13)上裝有調(diào)試用鍵盤(14)、調(diào)試用液晶顯示器(15)、 PS232通訊口 (16)、實時時鐘(17)，基準(zhǔn)電壓發(fā)生器(19)分別與高 速采樣通道信號調(diào)理(10)、低速采樣通道信號調(diào)理(20)相連接，低速采樣通 道信號調(diào)理(20)與單片機微控制器(13)相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置，其特征在于 電流傳感器(1)上的線圈骨架(36)上繞有線圈線匝(35)，在線圈線匝(35)上裝有絕緣層(34)，在絕緣層(34)上有屏蔽鐵盒(33)，在屏蔽鐵盒(33)的 內(nèi)側(cè)開有一條縫隙，在線圈線匝(35)內(nèi)有一次載流導(dǎo)線(37)，在屏蔽鐵盒(33) 一側(cè)有切斷磁短路開槽(38)，在屏蔽鐵盒(33)的另一端有切斷磁旁路開槽(39)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置，其特征在于 數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元(5)包括以太網(wǎng)接口 (21)、系統(tǒng)總線(23)、嵌入式CPU (24)、擴展串口 (25)、邏輯控制單元(29)和系統(tǒng)存儲口 (32)，嵌 入式CPU (24)通過RS232接口 (22)與雷擊信號采樣單元(9)相連，CPU的系 統(tǒng)總線(23)分別與系統(tǒng)存儲器(32)、實時時鐘(31)、邏輯控制單元(29)、 以太網(wǎng)接口 (21)和矩陣鍵盤(26)相連,以太網(wǎng)接口 (21)分別與系統(tǒng)總線(23) 相連，嵌入式CPU (24)分別與RS232接口 (22)、擴展串口 (25)相連，系統(tǒng) 總線(23)分別與矩陣鍵盤(26)、操作系統(tǒng)(27)、實時時鐘(31)、系統(tǒng)存儲 器(32)相連，邏輯控制單元(29)分別與擴展總線(28)、通用LED顯示接口 (30)、系統(tǒng)總線(23)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種輸電線路雷擊在線監(jiān)測裝置，它包括電流傳感器、雷擊信號采樣單元、羅氏線圈，蓄電池分別與太陽能電池板、電壓變換器相連接，電壓變換器分別與雷擊信號采樣單元、數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元相連接，雷擊信號采樣單元分別與電流傳感器、數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元相連接，雷擊信號采樣單元A/D采樣后把得到的雷電流數(shù)據(jù)通過RS232接口送至數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元，數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸單元將各路雷電流傳感器得到的數(shù)據(jù)通過手機網(wǎng)絡(luò)傳送至INTERNET網(wǎng)、后至FTP服務(wù)器、通過服務(wù)器用網(wǎng)絡(luò)線連至用戶終端。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，操作自動化，檢測穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
文檔編號G08C17/02GK201096825SQ20072008796
公開日2008年8月6日 申請日期2007年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者周文俊, 濤 汪 申請人:湖北省電力試驗研究院;武漢大學(xué)