基于多源數據融合的10kV 輸電線路雷擊預警系統設計

張方伙

（廣東南海電力設計院工程有限公司，廣東南海 528200）

雷擊作為一種常見的自然災害，發生時會產生高電壓、大電流、超高溫度等現象。每次雷擊的程度都是不同的，等級高的雷擊會導致嚴重的自然災害，而非常嚴重的雷擊災害已經被列為了最嚴重的十種自然災害之一［1］。當雷擊災害產生巨大電流時還會影響各種電子設備，例如區域性停電、線路跳閘、通信設備信號減弱等。雷擊災害已經嚴重地影響到了輸電線路的安全問題，現有的雷擊預警系統雖然可以起到預警作用，但是因為它的傳感器設計不精確，定位系統也易出現問題，導致預警不準確，容易發生誤判，造成一些人力、物力、財力上的損害與傷亡。為此本文設計了一種新的基于多源數據融合的10kV 輸電線路雷擊預警系統設計，以提高雷擊預警系統的準確性，使災害發生前能夠及時有效地作出應對措施。

1 硬件設計

1.1 雷擊預警傳感器設計

在系統的前端部分設計360°雷擊預警傳感器，使傳感器范圍性接收雷擊信號并做出初步的傳輸工作。利用LED 數據，感受雷擊強度，使雷擊預警傳感器對雷擊預警觸發點進行判斷，并輸出雷擊信號。設計雷擊預警感受器要設計感受器探測天線，感受器探測天線的長度受電磁波影響，當電磁波的長度是感受器探測天線長度的4 倍時，感受器探測天線會達到最高的信號轉換率，效果最好［2］。所以感受器探測天線的長度的計算公式如下所示：

式中，L 為感受器探測天線的長度；S 為電磁波長度；n 為電磁波的頻率。

雷擊預警傳感器為達到360°接收雷擊信號，設計兩根天線，全方位接收信號，雷擊預警傳感器天線使用防水結構設計，在蓋板處使用CRE 全銅鍍金材料，讓天線堅固防水。雷擊預警傳感器天線的設計參數如表1 所示。

雷擊預警傳感器的控制器內核使用了ARMCortex 核心器件，其最大工作效率達72MHz。而該器件中的高速存儲器，最大可達128K 字節［3］。還設置了兩個PWM 定時器與四個通用型的TRT 定時器。來控制雷擊預警傳感器的內部組件工作，維持雷擊預警傳感器對雷擊信號的接收與輸出工作。

1.2 信息采集器設計

將信息采集器用微處理器與轉換電路組建起來，利用AT89C51 采用ATMEL 技術與標準的MCS-51 單片機的指令集和輸出管相融合［4］。使采集器可以通過按鍵采集到氣壓、氣溫、溫度、風向、風速、雨量、地溫、日照、蒸發一系列信息，并且通過MCS-51單片機儲存三天以上任何時間整點的信息數據。

1.3 數據服務器設計

選擇大品牌通用服務器，與地面氣象觀測業務相連接，在其控制引導下，通過雷擊預警傳感器傳入接口，再收集信息采集器的各項數據，顯示觀測結果、進行數據處理、編輯并輸出結果［5］。

2 軟件設計

2.1 建立多源數據融合模塊

將NPE 算法與KNN-SVM 算法數據融合到輸電線路雷擊預警中。使用KNN-SVM 算法中的k近鄰法，與NPE 中的歐氏空間結合，得到在歐氏空間中的最小的k 個點為近鄰點，確定第i 個樣本點xi的最小近鄰點k 個近鄰點公式如下所示：

根據公式（2）重新構造各數據點，并保證其誤差最小化。重新構造的系數矩陣公式如下所示：

式中，W為重新構造的系數矩陣；Wij為xi在k中，樣本點xi對重新構造xj的貢獻。當，每個數據點都只是被最近鄰點重新構造；當xi不在xj的附近時，Wij＝0。

公式中xnew采集的新數據，g 和h 為χ2的分布參數，I 為數據總和。

根據公式（6）得到的SPE 統計量，判斷輸電線路是否遭受雷擊并作出相應預警。其具體公式如下所示：

式中，ynew為xnew的重新構造向量。根據公式可預測出是否會遭受雷擊災害。

2.2 構建系統定位模塊

根據上述模塊判斷是否會遭受雷擊災害進行進一步設計，提取系統定位。定位模塊主要提取系統中的時間和地點，讓系統的各項信息同步，使傳感器進行接收傳輸信號，進行定位。以D303 芯片作為定位系統的核心，開放BN2B1／GPSLI 雙頻率下的導航定位系統模式，同時使用BN2B1、GPSLI單核系統和雙向雙核系統三種模式。定位系統內的模塊大小為16mm×12.5mm×2.2mm［6］。定位模塊的電源輸入端為CVV、V-BCKO 和V-ANT，電源的輸出端為PCC-RG。CVV 是定位模塊的主供電，VBCKO 和V-ANT 是定位模塊的后備供電。將天線供電輸入端的V-ANT 與電源輸出端相連接，可以使電源輸出端給預警感受器供電。定位模塊電路結構圖如圖1 所示。

圖1 定位模塊電路結構圖

定位模塊檢測雷擊預警傳感器的天線是否正常運轉、正常接收信號、進行線路保護；外面的電源天線可以給定位模塊供電。雷擊預警傳感器在外界接收到信號后通過電磁波傳輸給定位模塊中的雙模射頻芯片，進行數據放大、過濾處理。數據經過處理再轉化成數字信號傳輸給雙?；鶐酒?，再進行數據拆分，形成標準信號。最后分析標準信號的信息，將信息詳細化，得到傳感器接收到的信號位置，進行定位。

2.3 設計預警功能模塊

通過系統定位模塊確定雷擊地點，對雷擊地點進行預警，設置報警閾值，當傳感器采集的信息數據超過報警閾值，就會發出聲音警報。報警流程如圖2 所示。

圖2 聲音報警流程

將雷擊預警傳感器接收到的數據進行分析、提取，當數據信息大于報警閾值時，系統會直接報警；當數據信息小于報警閾值時會和數據顯示一起進入信息庫。為了區分不同程度的報警，將不同頻率的聲音報警設置成不同預警聲音，并且系統設置開關可以選擇開啟或關閉雷擊預警系統。

3 實驗對比分析

為了驗證基于多源數據融合的10kV 輸電線路雷擊預警系統的準確性，將其與兩種其他預警系統進行對比，另外兩種分別為L21 雷電預警系統和LPS-1000 雷電預警系統。

3.1 實驗準備

進行實驗需要讓三種方法在同樣的時間、地點、方位、數量上進行預測，進行對比，為了減小誤差要使其保持在一個相對穩定的狀態下進行實驗，實驗的環境相對參數如表2 所示。

表2 實驗環境參數

根據實驗環境參數的設置，在區域內選取5個位置進行預警，將5 個位置分別進行編碼，編碼為地點1、地點2、地點3、地點4、地點5，在相同的時間進行預警。

3.2 實驗對比

將本文的基于多源數據融合的10kV 輸電線路雷擊預警系統與L21 雷電預警系統和LPS-1000雷電預警系統分別對這5 個地點進行預測，預測結果如表3 所示。

表3 實驗預測結果

由表3 可知，本文基于多源數據融合的10kV輸電線路雷擊預警系統預警準確率大概為80%，L21 雷電預警系統的預警準確率為60%，而LPS-1000 雷電預警系統的預警準確率只達到了40%。本文基于多源數據融合的10kV 輸電線路雷擊預警系統比L21 雷電預警系統和LPS-1000 雷電預警系統的預警準確率分別高了20%和40%。實驗證明了本文基于多源數據融合的10kV 輸電線路雷擊預警系統的預警準確度比傳統的L21 雷電預警系統和LPS-1000 雷電預警系統的預警準確度要高。

4 結論

本文設計的基于多源數據融合的10kV 輸電線路雷擊預警系統，可以精準預警雷擊是否會發生，并對其進行定位。進行實驗對比分析結果表明，本文設計的基于多源數據融合的10kV 輸電線路雷擊預警系統的預警準確度很高，遠高于傳統的雷擊預警系統，可以達到有效預警，提前進行相應準備措施。說明本文設計的基于多源數據融合的10kV 輸電線路雷擊預警系統對于雷擊災害預警有著很高的使用價值。