基于无线传感网的配电网防雷监测与预警系统

基于无线传感网的配电网防雷监测与预警系统

植成铭

(广东电网公司清远供电局)

摘要:近年来，因雷击引起的电网故障发生率较高，各类防雷装置受成本和保护范围的限制，不可能在线路全线使用。研究了一种基于无线传感器网络的配电网防雷检测预警系统，根据线路的具体情况布置无线传感器节点，实时采集前端避雷器状态数据、雷击时的各种实时雷电参数，通过传感器网络多跳传送至主控监测中心，使后方人员能实时了解电网防雷设备的运行状况，及时分析雷击的形式和故障地点，为准确判断输电线路雷害成因提供证据。

关键词:配电网防雷;雷电参数;无线传感器网络;监测中心

长期以来，众多电网单位只能依据仅有记录雷电活动、有长期记录的雷电日资料来划分雷电活动区域，这种简单划分雷区方法的最大不足是“雷电日”本身不能完全表征雷电活动特征，即一个雷电日无法表示具体雷电出现的频次，因而其指导作用极为有限。现今，以雷电定位系统为代表的现代化雷电监测设备在世界范围内获得了广泛应用，用表征雷电分布的地闪密度替代雷电日是一种趋势。地闪密度分布是表征地面雷电活动强弱及分布的基础信息，是地面物体防雷设计可参照的基础，但具体到电网防雷设计，因其本身的结构特征以及所代表的绝缘特性，并非全部雷电都能引起架空输电线路和变电站绝缘闪络，只是部分被称为危险的雷电能造成电网闪络。这部分对电网有危害的雷电分布并不等同地闪密度分布。因此，现有地闪密度分布并未能直观反映出电网雷害分布，也不能直接作为电网防雷设计的依据，需进一步结合电网雷电流监测数据作为设计依据。

尽管有些防雷装置的性能十分优良，但受其保护范围及造价限制，实难在输电线路全线装设，因而迫切需要一种能表示出电网雷害分布的、指导输电线路“有的放矢”实施防雷保护的技术。在地闪密度的基础上，结合线路的运行经验、线路的具体情况(如杆塔高度、绝缘子数量、杆塔所处的地形地貌和地质条件等)以及雷电流的参数特征综合考虑各种影响线路雷击跳闸率的因素，对地理区域进行划分来表征某区域线路跳闸概率的大小，指导线路的防雷开展工作。具体来说，可利用传感器网络技术，研发新型的配电网防雷传感网检测预警系统。该系统通过前端传感器网络能实时监测电网防雷运行情况，包括前端避雷器状态监测数据、雷击时的各种实时雷电参数等等，通过传感器网络多跳传送至主控监测中心分析服务平台。相关管理人员可及时了解电网防雷运行状况、同时实时检测雷电流波形，及时分析给出雷击形式和故障地点，为准确判断输电线路雷害成因提供充分有力的证据，以便改进输电线路的防雷体系。另外，此系统可进一步监测电网多项运行状态数据，如环境温度、风力、设备老化度等。

1系统功能和设计

雷击所造成的故障跳闸事故一般有3种成因，基于传感器的电配电网防雷检测预警系统需针对不同情况进行相应的功能设计。雷击事故发生的原因大致有:

（1）线路避雷器分布点少，雷击直接击穿绝缘子导致线路发生接地故障，此类情况多发生在郊区。

（2）因变压器接地网残旧或人为破坏，造成变压器防雷功能完全失效，雷击的破坏性电流烧毁变压器;或变压器上的避雷器存在质量问题，导致受雷害时避雷器产生隐蔽的故障点，情况严重时将导致输电线路全接地;或脱挂式避雷器由于产品质量问题在雷击时不能及时脱开，从而造成隐蔽故障点。

（3）各类避雷器产品的进货量大，不能对每件产品都进行试验，部分产品参数与实际参数不一致，雷击跳闸时容易发生不动作现象。低压避雷器很容易受强雷击而击穿，特别是位于空旷地带的低压线路［1］。

传感器网络作为通信领域的新兴技术，具有分布式处理系统的高监测精度、高容错性、覆盖区域大、可远程遥测遥控、自组织、多跳路由等优点，无须另外设置基站，且具有很强的抗毁能力，能在各种极端的恶劣条件下稳定运行。本文研究的配电网防雷传感网检测预警系统，需具有以下功能:

（1）实时监测雷击避雷线、钢塔和线路的电流、电压、幅值、极性、时刻等雷电参数，对遭受雷击的杆塔位置和雷击形式(绕击或反击)直接做出判断。利用前端电流传感器，实时检测雷电流波形，及时分析出雷击形式和故障地点，为准确判断输电线路雷害的成因提供证据，以便改进输电线路的防雷体系。

（2）实时监测避雷器的工作状态，利用前端电流传感器监测避雷器全泄漏电流。主控监测中心服务系统对数据包进行打包解析，分解出避雷器的电流、电压数据［2］，对避雷器的各相数据进行处理，并对避雷器的运行状态进行分析，对其故障进行诊断和预警。

（3）实时监测电网的运行环境与状态，利用各类传感器实时监测电网外部环境数据与硬件设备状态，包括外部温度、湿度、磁场、风力、风向、设备腐蚀度、设备运行参数监测等。

该系统使用传感器网络技术构建整个前端数据采集网络，所采集各类数据通过传感器网络多跳传输至主控监测中心服务系统，无需借助运营商GPRS网络或重新搭建光纤通信网络，可较大的节省投入成本。此系统主要包含以下几个部分的设计研发工作：

2前端数据采集多传感器节点的实现

前端数据采样传感器集成节点（如图1所示）主要包含以下几种传感器模块：

（1）雷电流参数监测传感器模块，利用罗氏电流传感器，主要用于对杆塔避雷线和绝缘子上的雷击电流进行高速数据采样、处理，包括雷电流波形、幅值、极性、时刻等雷电参数；

（2）避雷器状态监测传感器模块，利用霍尔闭环电流传感器，主要用于监测MOA避雷器的全泄漏电流，同时对母线电压及避雷器雷击次数等信息进行实时采集

（3）电网外部环境与运行状态监测传感器模块，主要对外部温