防雷装置在线监测平台的设计实现

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雷电具有强大的电流、炽热的高温、强烈的电磁辐射以及猛烈的冲击波，具有巨大的破坏作用［１］，是“联合国减灾十年”公布的影响人类活动的严重灾害之一［２］。广东省各地基本全年均有雷暴发生［３］，防雷安全需求巨大。雷电防护装置（简称“防雷装置”）人工检测人力成本高，且检测周期长，无法做到实时监测［４］，不能及时发现防雷装置出现的问题［５］，已无法满足日益增长的防雷安全要求。随着科技进步，社会进入万物互联的时代，防雷装置在线监测技术作为智能防雷体系的关键技术之一［６］，通过对防雷装置系统进行科学、准确的实时监测，结合数据统计分析功能，及时发现防雷装置存在隐患问题，促进更好地做好防雷安全工作［７］。

１系统设计

１．１总体结构设计防雷装置在线监测平台由监测设备硬件系统和监测平台软件系统等组成。硬件系统包括数据采集设备、通讯网关设备、平台运行服务器等；平台软件系统为支持Ｗｅｂ端访问的应用程序。各数据采集设备实现对不同参数的计算采集，然后将采集的数据通过网关设备传输到监测平台软件系统。平台软件系统主要分为数据层和应用层，数据层主要完成数据的接收、数据解析、数据缓存和数据存储；应用层主要完成数据的可视化展示、对比统计分析、告警管理、设备管理和用户管理等功能。

１．２在线监测平台设计１）参数测量原理。不同类型设备的数据测量原理各不相同，主要参数测量原理如下：

（１）接地电阻测量。接地电阻的采集基本原理与传统人工检测相同，采用直线三级法布设测量地极，采用恒流源电流测量法。数据采集器在电流极Ｃ和被测地Ｅ之间加上一个恒定电流Ａ，测量被测地Ｅ和电压极Ｐ之间的电压Ｕ，利用欧姆定律计算得到被测地Ｅ的接地电阻值。为抑制工频干扰，通常采用明显不同于５０Ｈｚ的交流电源进行测量。

（２）ＳＰＤ漏电流测量。与人工检测采用０．７５倍直流参考电压的测试方法［８］不同，ＳＰＤ在线监测是对正常工作状态下的ＳＰＤ接地线中的电流进行测量，它能直接反映ＳＰＤ的实际运行状态。测量采用零序微安级电流互感器，穿过传感器的磁通量变化会引起相应的电流变化，经过整流及放大电路，将微小的电流信号线性转换为电压信号，微控制单元（ＭＣＵ）采集电压信号，再换算成微安级电流。

（３）雷电流测量。罗氏线圈是雷电流参数测量的核心元件，可对雷电流峰值和能量进行还原［９］，测量原理是法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当被测电流通过罗氏线圈时，由于线圈互感系数Ｍ为定值，线圈的输出电压与电流变化速率ｄｉ／ｄｔ成正比。雷电流参数测量模块电路由罗氏线圈、电压比较器、信号采样单元、积分放大单元、峰值保持电路、数字化转换处理单元组成。由于罗氏线圈感应出的电压很小，首先要加一个反相积分电路进行放大，接着要对感应电压进行积分，这是一个非常重要的环节，一方面通过积分便于测量微小的感应电压量；另一方面，电容可以过滤掉不必要的干扰。通过对罗氏线圈感应电压的放大和积分处理，可还原出所测量的交流电流。电压比较器的作用是控制采样时间，比较器设置一个采样阈值，当感应电压值大于该阈值时，开始采样，感应电压值小于该阈值时停止采样。为取得较好采样效果，采样时间间隔应该在１～４μｓ之间。雷电流峰值的测量通过峰值保持电路（图３）实现，可以得到最大值感应电压值，从而计算得到雷电流的最大值。２）功能模块设计。

（１）设备管理。设备管理模块主要功能是实现设备管理、设备接入及数据解析。①设备管理。由设备类型管理和设备实例管理两部分功能实现。设备类型管理功能是实现设备功能属性配置和动态调整。设备实例管理功能是在平台中创建实现与实际监测设备一一对应的设备实例，可以进行停止、启用等管理。该平台将同属于同一个防雷装置系统的在线监测设备，归到同一个场所管理，因此，在平台上展示的是一个个雷电防护综合系统的在线监测。②设备接入及数据解析。设备接入在线监测平台的关键是根据设备的通讯协议和数据格式，通过在平台Ｗｅｂ端的二次开发实现不同设备的功能属性、数据解析、登录协议、数据分包等配置内容，实现平台与设备连接、数据解析和交互控制等功能。

（２）防雷装置综合监测。防雷装置的在线监测包含外部防雷装置监测和内部防雷装置监测，是一个综合监测系统。主要监测内容有：①接地装置监测。监测参数包括接地装置的接地电阻、地电压等。接地电阻的大小能反映泄放雷电流的快慢程度；地电压能有效监测地网存在漏电流情况，有助于发现雷击和漏电情况。②电涌保护器（ＳＰＤ）监测。ＳＰＤ监测的参数包括：对地漏电流、遥信状态、断路器状态、温度（温升）、报警输出、相电压、环境参数等等。其中，对地漏电流参数是判断ＳＰＤ劣化损坏的关键指标。通过对漏电流大小可以初步判断ＳＰＤ是否正常运行，通过漏电流平均值的趋势变化可以进行ＳＰＤ的劣化预警。空气开关或断路器状态，可以判断ＳＰＤ是否接入电路进而起到保护作用；由于ＳＰＤ的劣化和损坏大部分都会出现温度升高的情况，因此关注ＳＰＤ的温度变化有助于提前发现ＳＰＤ的异常状态。③接闪器监测。主要监测参数有接地电阻、雷电流参数。接闪器的接地电阻能够表征从接闪器到引下线再到接地装置的电气贯连通情况和泄放电流能力。雷电流监测参数包括雷电流极性、峰值、能量、波头时间、半峰时间等，这对雷电防护研究、雷击事故分析有一定帮助［１０］。

（３）数据展示与查询统计。①基于ＧＩＳ的数据展示。该平台以ＧＩＳ地图作为可视化依托，根据设备经纬度信息将设备和数据在地图上的进行直观展示，并可通过点击跳转到相应数据表格或曲线图等展示界面。②查询与统计。该平台除了常规的条件查询，还对监测数据、告警信息进行多维度数据统计与分析，结合柱状图、饼状图、数据表格等多种方式展现。统计内容有地电压非零次数、接地电阻的年平均值和波动幅度、雷电流峰值平均值、雷击次数、空气开关断开次数、接地状态异常等。（４）告警管理。告警管理功能通过设置告警规则，当监测设备或监测平台出现异常情况时自动发出告警信息。通过监测登录信息、终端实时数据上报信息、心跳包信息等内容监测设备及平台的异常状态；通过设置防雷装置监测数据的告警阈值，可以实现对防雷装置异常状态的监测告警。

２关键技术

２．１开发工具为保证可移植性和可扩展性，平台严格按照Ｊ２ＥＥ规范进行纯ＪＡＶＡ语言开发。前端开发工具采用ＶｉｓｕａｌｓｔｕｄｉｏＣｏｄｅ，具有插件丰富、简洁高效的特点。后端开发工具使用ＩｎｔｅｌｌｉＪＩＤＥＡ，其主要优点有３个：（１）对Ｇｉｔ、Ｍａｖｅｎ、Ｓｐｒｉｎｇ具有良好的支持整合，其中Ｍａｖｅｎ用来构建项目，Ｇｉｔ用来管理项目代码，并采用分模块的方式基于ＳｐｒｉｎｇＢｏｏｔ框架进行技术整合；（２）调试功能快捷强大；（３）前端使用简洁高效；这些特点都大大提高项目管理和开发效率。

２．２开发技术为保证在线监测平台的兼容性和系统性能，采用多种先进的开发技术与设计方法，关键开发技术有５个方面。１）多线程Ｒｅａｃｔｏｒ设计模式（Ｒｅａｔｏｒ＋Ｅｐｏｌｌ的设计模式）。ＴＣＰ服务器采用多线程Ｒｅａｃｔｏｒ模式设计。它是基于非阻塞ＩＯ和ＩＯ多路复用的处理模式，是一种典型的事件驱动的编程模型。Ｒｅａｃｔｏｒ逆置了程序处理的流程，其基本的思想将对于ＩＯ的处理转化为对事件的处理。事件分发器捕获ＩＯ就绪事件，然后将就绪事件分发到对应的事件处理器，由处理器完成实际的ＩＯ操作。Ｅｐｏｌｌ函数通过一个事件表直接管理用户感兴趣的事件，采用回调的方式检测就绪的事件，ｅｐｏｌｌ＿ｗａｉｔ函数的的参数ｅｖｅｎｔ用来反馈就绪的事件。通过ＩＯ复用引入ｅｐｏｌｌ函数对忙监听客户端的接入，不需要主程序阻塞着去监听事件，大大提高ＣＰＵ的使用率。２）ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ重定向技术。ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ是物联网通信的后端，用于实现设备端和服务器之间的连接。平台使设备端服务与Ｗｅｂ端服务程序分离，以实现“高内聚、低耦合”的设计，确保ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ高效处理数据上传。同时，通过ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ采用Ｒｅａｃｔｏｒ设计模式，利用代理转发功能进行负载均衡，通过配置ｆａｉｒ策略，可以智能地根据后端服务器的响应时间来分配请求，以实现多个服务器之间负载均衡。３）数据缓存技术。（１）为满足频繁访问的业务数据，采用一级缓存和二级缓存的策略，对上一次的访问结果进行缓存，同时对缓存设定有效期，避免出现缓存数据过多的问题；（２）对于实时性非常高的热点数据，采用ｒｅｄｉｓ内存数据库做数据缓存，将当前的登录信息、设备影子数据等热点数据保存在ｒｅｄｉｓ中，由此，Ｗｅｂ端不需要经常直接访问ＭｙＳＱＬ数据库，大大提高数据查询系统运行效率。４）系统二次开发扩展。该平台支持二次开发，使用ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ语言，支持ＥＣＭＡＳｃｒｉｐｔ５．１规范，通过编写ＪＳ脚本，将设备登录、实时上报数据解析出检测数据值，并按平台的标准格式存储到数据库中。可以实现将不同厂商、不同类型的设备接入到本平台中，大大提高了平台对监测设备的兼容性，也使平台对硬件的升级可快速调整，提高系统的可用性。５）其他技术。安全性方面，该平台从应用安全、数据安全、主机安全和网络安全４个方面进行设计，采用身份鉴别、访问控制、安全审计、剩余信息保护、通信完整性、通信保密性、抗抵赖、软件容错、资源控制、数据备份和回复、代码安全等多种安全技术，保证了平台的安全性。高性能方面，平台采用差异化硬件配置、服务器分级策略、数据缓存技术、索引技术、数据库分表分库、前后端分离技术、分布式架构等先进技术，多方面保证平台运行稳定高效。

３系统使用效果

３．１系统运行效果该平台自２０２０年８月在韶关新丰、河源紫金、惠州龙门的气象观测场安装防雷装置在线监测设备并在平台上线以来，平台运行流畅、安全、稳定。

３．２系统应用效果防雷装置在线监测平台上线以来，取得良好应用效果。主要体现在以下几个方面：（１）为更好做好防雷安全工作提供的技术保障。平台已经为部分普通建筑物、气象观测场、通信铁塔等场所提供在线监测服务，实现防雷装置运行状态和主要性能参数的３６５×２４ｈ实时监测，多次及时发现空气开关断开、设备断电等异常状态，为防雷安全工作提供技术保障。（２）已经有多家设备厂商设备接入该平台，共同推动防雷装置在线监测技术的健康高质量发展。（３）平台实现的分钟级监测数据，已尝试应用于雷电科学研究。该平台实现了对防雷装置系统的综合实时监测，同时具备设备管理、告警管理、统计分析等重要功能，在防雷装置在线监测领域处于国内领先水平。其设计理念、设计策略和开发技术，为防雷装置在线监测技术发展乃至智能防雷技术发展提供了有价值的参考。

参考文献：

［１］陈绍东，陈绿文，杜赛，等．广东省中部地区雷暴团特征的初步分析［Ｊ］．广东气象，２０２１，４３（５）：２８－３１．

［２］刘世宇，高攀亮．新型雷电防护在线监测系统的研究与应用［Ｊ］．仪器仪表用户，２０１９（２６）：２７－３２．

［３］毛慧琴，宋丽莉，刘爱君，等．广东省雷暴天气气候特征分析［Ｊ］．广东气象，２００５，２７（２）：７－９．

［４］罗志勇，于明洋，许晖．电源ＳＰＤ在线接地状态监测路径与方法的研究［Ｊ］．价值工程，２０１９，３８（１７）：１９５－１９８．

作者:周文生 戴巍 陈绍东 许锐文 刘三梅 叶泽文 陈子君 单位:广东省气候中心 中国气象局广州热带海洋气象研究所