陜西易燃易爆場所防雷設施智能在線監測系統設計

陳雯

摘 要：基于電子信息手段和互聯網技術，遠程實時監測位置分布廣泛、地點零星分散的易燃易爆場所的雷電狀況和防雷裝置運行狀況，一旦出現狀況，無需人工巡查，便能準確定位并實時遠程報警，及時封鎖遭受雷擊危害的通道，最大限度降低雷電引發的風險，確保易燃易爆場所的安全生產和正常運行?；诖?，提出了易燃易爆場所防雷設施智能在線監測系統的設計思想、系統設計、系統架構，以及軟件與硬件支撐。

關鍵詞：雷電防御；在線監測；雷電預警

中圖分類號：TU895 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-04

陜西是我國能源儲備和輸出大省，能源化工產業是陜西經濟發展的核心支柱產業。全省范圍內的易燃易爆防雷重點單位眾多，對雷電防護的安全需求巨大。而傳統的人工巡檢不能及時排查隱患且效率低下。因此，實時監測易燃易爆場所雷電狀況及防雷裝置的運行狀態并進行及時預警，成為防雷重點行業的當務之急[1-6]。

1 設計思想

陜西省易燃易爆場所防雷設施智能在線監測系統應用云物聯、智能算法技術、大數據、移動互聯、傳感器等高新技術手段，通過采集入侵雷電信息（雷電流/電涌的峰值、極性）、SPD劣化狀態、SPD接地狀態、SPD空開閉合，以及監測接地電阻阻值變化趨勢、設備自身漏電、線路溫度過高等異常狀況。一方面，在異常情況發生時，準確定位故障點位置，并實時遠程報警，使工作人員能準確定位及時掌握現場情況，迅速響應處理，從而實現對全省重點場所的實時有效雷電監測與管理。另一方面，將雷電防護系統的監測數據進行大數據處理和統計，分析出各區域的雷電密度、雷電強度等信息，制定有效措施防止雷害。無需人員現場逐個采集防雷重點場所，極大地提高了工作效率。

2 系統設計

2.1 總體結構設計

陜西省易燃易爆場所防雷設施智能在線監測系統由數據采集與傳輸、數據存儲管理、基于GIS的在線監測及告警顯示、重點場所安全監督、查詢統計與分析5個部分構成（圖1）。

2.1.1 數據采集與傳輸

將各類硬件監測設備（如SPD監測安裝的感應器，電涌感應監測設備，接地狀態監測設備、定位器等）的實時監測數據利用物聯網卡等通信網絡硬件進行采集，通過物聯網絡傳輸到防雷在線監測的服務器端，以便進行數據入庫。

2.1.2 數據存儲管理

將各類防雷監測數據及相關的業務數據按照統一的標準進行建庫，通過數據入庫后臺程序對監測數據進行實時解析入庫，保證數據的實時、高效和安全。同時，后臺程序會自動將數據處理的狀態、發生異常錯誤的日志等信息及時上傳至數據庫，同時對監測數據進行告警分析，若出現異常數據則可自動生成告警信息，以便通過前臺頁面可實時查看數據狀態及告警信息等。

2.1.3 基于GIS的在線監測及告警顯示

基于Web頁面，以GIS地圖作為可視化的依托，實現基于地理信息的各類雷電防護在線監測設備等設備的分布和各類監測數據的直觀展示，并可通過人機交互方式查看各類監測設備的詳細監測信息，對于設備出現異常的情況，系統將以高亮或閃爍的方式自動進行告警顯示，提醒用戶注意。

2.1.4 重點場所安全監管

查看各重點企業的基本情況數據庫及防雷裝置臺賬。實現重點場所的排查管理，包括企業自查和監管部門的排查，可通過上傳照片保存排查情況。此外，對重點場所提供雷電戒備服務，利用目前的雷電戒備系統數據，在達到雷電預警條件時，能夠通過自動短信或電話等方式提醒重點場所的責任人。

2.1.5 數據查詢與統計

數據查詢統計模塊是對整個系統中涉及的防雷在線監測數據、閃電定位等氣象數據和災害數據等進行統計分析，并以直觀的圖形和表格形式顯示給用戶，方便用戶進行查詢和各種分析，為快速決策提供支持和依據。

2.2 系統架構

系統以整體功能實現為目標，分5個層級的邏輯體系進行架構。分別是環境基礎邏輯層級、數據交互層級、云平臺層級、應用服務層級和后臺保障層級。

2.2.1 環境基礎邏輯層級

環境基礎邏輯層級包括系統全部硬件設備，如SPD監測感應器、電涌感應和接地狀態監測儀，以及用于通信的網絡硬件，如物聯網卡、定位器等。

2.2.2 數據交互層級

建立包括二維平面地圖、三維地圖、基礎設施設備、管理業務、設備信息、傳感信息、日志和交換數據庫等基礎數據庫。

2.2.3 云平臺層級

主要是對各種異構網絡的數據進行交換和計算，在整個系統中，云交換平臺主體以GIS地圖或三維場景為可視化的依托，實現基于地理信息的業務整合與信息交換，構建基于地理信息的陜西省雷電防護在線監測系統服務總線，為應用層提供信息服務技術支撐。

2.2.4 應用服務層級

主要包括基于雷電防護整體方案所需要的所有監測要素，并以此服務整個安全監測系統的所有需求。

2.2.5 后臺保障層級

通過安全保障、標準規范和管理保障3個層面構建安全防范體系，從而實現技術安全，運行安全和管理安全。確?；A層及各應用系統的完整性、機密性和可控性。

根據平臺的建設內容，建議采用2臺云服務器作為基礎，結合平臺整體的安全性，所構建的結構拓撲圖見圖2。

3 軟件與硬件支撐

防雷在線監測軟件系統主要由運行在服務器上的基于GIS平臺的防雷在線監測管理系統軟件組成，防雷在線監測硬件系統主要由多要素智能監測終端設備等組成。

3.1 軟件平臺

基于Windows環境開發，B/S架構（也可以選用C/S架構）。智能在線監測系統的軟件平臺由監測管理和設備管理兩部分組成一個完整的信息化管理系統。根據用戶需要預先設定各模塊參數和監測管理參數，進而在用戶查詢時能顯示雷電流監測儀及SPD監測儀、接地電阻監測儀等模塊的相關數據。實現數據采集、分析、保存、實時報警、設備管理、協議管理、通訊管理、數據管理、數據服務等功能（圖3）。

系統能夠顯示全省易燃易爆場所防雷設施的監測點分布、實時監控全省單位（場所）防雷設施狀態、出現異常及時報警、實時抓取關鍵信息、進行數據處理分析、對設備進行遠程集中監控、遠程數據訪問、遠程數據維護、歷史數據查詢和管理等。

3.2 硬件平臺

為實現總控主機集中控制與通信功能，硬件平臺中央處理器采用超大規?？删幊藺RM器件，多片CPU協同處理，達到多參數的高速測量、采集和傳輸?？紤]現場實際安裝的復雜性，在力求保持監測精度的情況下，盡可能小巧而精致，根據實際的現場安裝環境及需求選擇一項或者多項監測信息，如SPD劣化狀態、SPD泄漏電流、SPD溫度、SPD接地狀態、電涌峰值、電涌入侵極性、電涌入侵時間、線路漏電、接地狀態、接地電阻阻值變化趨勢、工作電流/電壓、空開狀態、故障點位置定位、網絡傳輸狀態，并可以通過指示燈或聲音報警方式實現現場報警（圖4）。

（1）接地電阻在線監測儀。接地電阻在線監測儀不僅需要能夠測量回路接地電阻阻值變化狀態，還需要在線監測和實現測量金屬回路聯結電阻和接地狀況。一旦出現異常情況第一時間報警?？紤]到使用環境的復雜性，要求設備自身防雷能力不低于100 kA。

（2）電涌峰值記錄儀。電涌峰值記錄儀主要是精確掌握入侵雷電流峰值、能量、極性、次數、時間等實時參數信息?；诖诵枨?，雷電流峰值采集的精度要求不低于90%，雷電/電涌峰值記錄儀自身防雷能力不低于50 kA。同時，需要考慮能夠在不同的安裝環境內的便利安裝，如實際現場的配電柜內的主電源處安裝，則能夠實現導軌安裝且不會影響柜門關閉。此外，為了能夠精確捕捉電涌入侵的信息，電涌峰值記錄儀的啟動門限需能夠根據要求在出廠時進行設置，如設置為500 A啟動、設置為2 000 A啟動等，且門限啟動的精度不低于90%。需要提供實際的產品滿足對安裝環境、門限設置等的要求。

（3）在線智能SPD泄漏電流監測儀。在線智能SPD泄漏電流監測儀主要完成SPD泄漏電流變化狀態、溫度、劣化情況監測，并同時采集到電網電壓、電流，一旦不符合后臺系統設定，即刻報警。為了能夠確?，F場查詢并發現問題，在線智能SPD泄漏電流監測儀需要能夠實現現場的管理，有TFT屏，便于現場查詢，能夠現場進行參數配置和調教。一旦出現異常，能夠現場查看。但需要注意的是，SPD泄漏電流是微安級的且極易受環境中感應電流的影響。因此，監測儀采集器精度要達到微安級，且自身防雷能力不低于100 kA。在監測儀檢測數據的使用時，也需采用智能算法，排除環境中的干擾電流，對SPD的實際泄漏電流變化趨勢和損壞情況進行實時報警。

（4）SPD劣化監測。SPD劣化監測設備的選擇要在考慮現場已安裝設備位置有較大差異的實際情況，選擇具有電涌入侵計數、SPD接地狀態監測、SPD遙信狀態監測、空開閉合狀態監測、電涌入侵計數現場讀取、現場指示燈報警等功能，且外觀小巧，可以導軌安裝等要求?？赏ㄟ^RS485或ZigBee上傳數據。

（5）現場智能監測主機。該主機需要實現可視化簡單操作，減少安裝及維護的工作量。設備必須能夠實現如一鍵配置、遠程升級及遠程設置等簡易操作，并能夠現場通過智能監測主機，完成對設備、各監測采集模塊、網絡等的設置，能夠通過MQTT傳輸協議即時完成消息推送、現場報警等。其中，現場報警可以考慮后續外接報警模塊、能夠通過指示燈區分報警的類別等。

考慮易燃易爆場所監測內容的復雜性，該主機需要具備后期二次接入功能，可對接可燃氣體、粉塵、煙霧報警等傳感器。

4 系統功能與特點

4.1 系統功能

整個系統的功能主要包括以下4個方面：通過對雷電流峰值、極性、能量數據采集及雷電入侵時間、次數等信息的采集，實現雷電/電涌信息實時監測。通過對接地電阻阻值數據、SPD異常運行、接地狀態、設備運行等雷電防護狀態進行監測，實時顯示現場數據并進行異常報警。通過集成在智能網關中的算法設計、智能分析驗證，與防雷站點的監控系統進行互聯，實現數據采集及現場監測與報警。通過智能平臺，實現全省易燃易爆場所統一聯網監控、設備精確定位、預警報警、短信發送、參數設置、數據查詢、軟件控制等功能。

值得注意的是，考慮到設備有可能會在防爆環境內使用，而SPD是防爆型或安裝在防爆箱里面，對SPD的監測模塊必須防爆安裝的情況下，設備必須能夠自身防爆或安裝在防爆箱里面，監測模塊能夠滿足環境防爆要求的前提下，實現實時在線監測。

基于新需求，可在采集端安裝使用基于物聯網技術的智能型物聯網監控主機，并必須能夠完成前端的設置、查看、處理、報警等功能，確?，F場人員在突發情況出現時能夠快速實現響應并處理。

4.2 特色及優勢

4.2.1 高效采集和智能接入

采用溫度，接地，電壓，電流，漏電等單個模塊輪詢采集方式。一般情況下，單個模塊采集時間為100～200 ms，一個管理單元的輪詢周期為1 s左右?？芍悄芙尤敫黝悅鞲衅?，并將各類設備根據需要聯動管理，實現遠程自動切斷和自動聯通。

預警報警管理可適應多種多樣的網絡環境：工位報警可獨立運行，在中斷連接的情況下，也可以正常報警、切斷電源并存儲數據，當恢復連接后可將存儲的數據重新發送服務器存儲。在不穩定的網絡連接中，可實現斷點傳輸功能，提供穩定的網絡服務。

4.2.2 組網與數據推送

可實時連接底端采集模塊數據，當發生故障時，第一時間進行聲光報警，并切斷電源，報警響應時間小于1 s，并將數據上傳服務器，報警數據實時上傳，響應速度更快。

設備在64組傳感器中智能識別并主動分配和管理，通過標準MODBUS-RTU協議與各傳感器通訊。采用MQTT協議與服務器之間進行通訊，實現更便捷、可靠地組網。用極小的通信開銷（最短消息僅為2個字節），適用于多種流行編程語言，可模塊化發布/預定模型，使程序開發更為簡潔。將消息傳遞等級按類別分為3級并按需傳送，以此應用于各種不同的網絡環境來滿足傳輸需求。

4.2.3 低功耗和通知推送

能夠實現節省能源的要求。配合后臺系統，能第一時間將通知上傳及精準推送，并能在無中介傳輸的情況下發送指定數據，可以不局限于特定的操作系統進行處理。（如通過APP端，實現在Apple IOS、Google play通知等）

4.2.4 防火墻容錯

一些企業防火墻將出站連接限制到一些已定義的端口。這些端口通常被限制為HTTP（80端口）、HTTPS（443端口）等，而HTTP可以在這些情況下運行。MQTT可封裝在一個連接下，顯示HTTP升級請求，從而允許在此類情況下運行。

5 結束語

防雷設施智能在線監測系統的啟用，會加強用戶對防雷裝置信息的收集和管理，能更精準地預防雷擊事故造成的損失。系統的實時遠程精準監測，可及時掌握現場狀況并封鎖遭受雷擊危害的通道，最大限度地減少雷災造成的損失。

參考文獻

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