基于app平台的输电线路避雷器动作远程监测及雷击杆塔精确定位系统科技项目申请书及可行性研究报告Word文档下载推荐.docx
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分
类
[]基础性研究
[]前瞻性研究
[√]应用性研究
[]发电技术[√]输电技术[]变电技术
[]配电技术[]用电技术[]电网运行技术
[√]信息技术[]通信技术[]物资管理技术
[]电网建设[]继保自动化[]其它
项目起止时间
2017年01月——2018年11月
申请经费总额
69.5万元
是否重点项目
否
项目摘要（500字以内）：
我局为沿海多雷地区,输电线路经常由于雷击造成避雷器动作,在实际运行中，无间隙的避雷器计数器在运行电压下会有阻性泄漏电流流过，其电阻阀片上会产生热量，从而使电阻阀片温度升高，同时，由于环境条件的影响，避雷器的阀片会受潮及劣化，从而使正常工作条件下通过电阻片的阻性泄漏电流增加或瓷套闪络电压降低，一旦系统中有过电压产生，通过避雷器内阀片的电流迅速增大，而损坏的阀片热容量承受能力有限，将会使避雷器产生热崩溃，甚至使避雷器爆炸，从而使避雷器失去保护作用。
因而，为确保避雷器正常发挥作用，需要定期检测避雷器性能状态。
由于我局线路事故多为雷击造成，为了对雷击损害进行准确估计，需要对雷击引起的避雷器动作情况进行普查，对雷击频度高的输电线路段进行准确评估，在普查数据的基础上对重雷害线路杆塔采取相应措施，减少雷击影响，降低雷击跳闸率。
本项目将开发一种基于APP平台的输电线路用智能型避雷器动作远程监测及雷击地点精确定位系统。
可用手机实时对避雷器遭受雷击后的动作次数进行远程监控，及时掌握避雷器遭受雷击后的工作状态。
同时对避雷器遭受雷击的线路区段进行精确定位到某个杆塔。
及时对避雷器的工作状态及动作情况进行了解。
项目研发内容包括通讯技术研究、电源系统自激励研究、控制软件编制、集成检测技术研究、样品试制及试验检测及后台系统。
最终提供系统样品及检测报告，为普及该技术成果提供支撑。
预期成果成熟度水平
5级（1-9级）
项目负责人意见：
（签字）年月日
申请单位意见：
（公章）年月日
总部部门、直属机构、分子公司意见：
项目分工与计划进度安排
1、项目相关单位及具体分工
单位
具体分工
防城港供电局
负责项目总体技术要求和工艺设计，现场实际运行安装、实施。
协作单位1
负责项目软硬件研发、设计、制造，后台开发及现场运行技术支持。
协作单位2
协作单位3
2、计划进度安排
任务名称
开始时间
完成时间
主要内容及交付项
对相关技术进行技术调研及理论研究
2016.10
2016.12
对相关避雷器远程动作监测及输电线路雷击普查技术进行理论研究，对国内外相关技术进行比较、优化。
形成项目总体技术要求。
技术路线及设计方案
2017.1
2017.3
1、需求分析，深入了解避雷器计数器的结构特点和检测方法。
2、避雷器计数器光伏转化自激励系统设计、集成检测技术和强弱电隔离功能设计、数据通讯及不同产品信号甄别研究、通讯距离设定和实现研究、时钟功能及校正方式研究。
确定项目实施技术路线。
硬件设备试制及专利申请
2017-04
2017.06
对现场硬件，包括传感器、采集器、通讯、传输、电源等硬件进行试制，形成样机。
申请专利
后台开发及调试
2017.07
2017.08
对后台系统进行开发调试，与硬件进行联调联试。
整个系统软硬件开发完成。
系统试运行及现场数据分析，发表相关文章
2017.09
整体系统稳定运行，并形成运行报告，发表相关技术文章。
申请验收
2017.10
向区公司申请项目验收，组织专家验收。
编写要求：
1.列出分时间段计划研究内容；
2.分时间段提供成果的内容和形式，要求具有可检查性。
项目组成人员情况
序号
姓名
职称、职务
工作单位
任务分工
1
输电专责
广西电网有限责任公司防城港供电局
项目总体规划和总体工艺设计
2
班长
项目总体实施及现场指导
3
设备通讯调试
4
现场安装施工
5
班员
6
7
8
9
10
副班长
系统调试运行
11
专责
12
副主任
一、目的和意义
项目研究目的和意义
输电线路是雷击灾害的高发区，而无论是直击雷还是感应雷，都可能给区内设施造成损坏。
因此，电力系统的高压线路送至用户自备变压器前，应该装设一套完善的防雷保护装置。
在实际运行中，无间隙的避雷器计数器在运行电压下会有阻性泄漏电流流过，其电阻阀片上会产生热量，从而使电阻阀片温度升高，正常情况下，由于发热量较小，在一个较低的温度下避雷器的散热与发热能保持平衡而不影响避雷器的正常工作，但随着工作时间的延长，温度的升高会使避雷器的电阻阀片老化，同时，由于环境条件的影响，避雷器的阀片会受潮及劣化，从而使正常工作条件下通过电阻片的阻性泄漏电流增加或瓷套闪络电压降低，一旦系统中有过电压产生，通过避雷器内阀片的电流迅速增大，而损坏的阀片热容量承受能力有限，将会使避雷器产生热崩溃，甚至使避雷器爆炸，从而使避雷器失去保护作用。
另外，由于我局线路事故多为雷击造成，为了对雷击损害进行准确估计，需要对雷击引起的避雷器动作情况进行普查，对雷击频度高的输电线区段进行准确评估，在普查数据的基础上对重雷害线路杆塔采取相应措施，减少雷击影响，降低雷击跳闸率。
传统的做法是定期对各设备停电，进行预防性测试，停电测试具有很大的局限性。
预防性试验时必须停电，试验周期长，导致经济损失大、劳动效益低、经常不能正确地判断出设备存在的故障。
弥补这一缺陷的途径之一就是实现避雷器计数器的在线检测。
因此，在线监测具有十分重要的意义。
为实现在线实时监测避雷器的计数状态，大多数人采用光纤传输的方法,光纤传输可以解决数据传输问题,但在避雷器运行现场铺设光纤比较麻烦,为了克服有线方式传输的弊端,提出了一种基于手机APP平台的监测避雷器计数状态的新方法,该方法可以通过手机APP实时监测避雷器计数状态,以便及时排除故障。
并且实施了解是哪条线路的哪个避雷器发生了雷击动作，该避雷器多做了多少次。
采用目前简单低维护成本的APP技术的无线监控管理系统，集计算机、通信、机电、自动控制等多种先进技术于一体，可以实现对无线分布式系统的实时监控管理和灵活部署，解决传统控制由于没有通讯功能，无法实现集中监控的问题。
从而可以节省大量人力物力，并且可以提高无线系统的运行质量，增强无线的可靠性和可控性，能及时发现定位无线系统故障，大大减少了系统停用带来的不良影响。
二、项目研究的背景
项目研究背景
1、国内外研究水平的现状和发展趋势
美国从60年代起开始发展在线监测技术，日本从70年代开始发展。
经过几十年的发展研究，国外成功地研制了不少在线监测装置，80年代以来我国的在线
监测技术也得到了迅速发展，如安徽、吉林、河北、内蒙等地都研制了电容性设备的监测装置。
避雷器计数器的在线检测是电力设备在线检测的重要内容之一，目前国内外
对避雷器的检测技术进行了很多的研究，并提出了一些在线检测方法。
国内外专家和专门机构，一直在研究避雷器计数器雷击状态条件下的在线监测。
避雷器计数器以检测高电压高电流为基础，围绕如何正确测得雷击次数和实现无线远程监测为目的，以便监测人员掌握和使用的客观要求而进行研究。
总体趋势以离线监测装置仪器的技术方法逐渐应用于在线监测系统。
目前国内外的氧化锌避雷器放电信号在线检测主要的取样有电压取样方法、电流互感器取样法、电磁继电器取样法及光耦取样法。
电压取样方法是在监测器计数回路串接取样电阻，当避雷器放电时取样电阻两端电压升高，将此高电平与单片机任一端口连接，根据电平的变化可以获得避雷器的放电信号。
但是由于取样电阻与高压回路连接干扰大通过试验不适合。
电流互感器和电磁继电器取样方法在电气上和高压回路没有连接，抗干扰能力都很好，为了使监测器记录准确，放电次数和通讯电路记录的放电次数尽可能接近，采样电流互感器取样方法试验效果较差，这是因为电流互感器取样获得的信号不但和避雷器的放电电流幅值有关，还与放电波形有关，很难和监测器记录的放电次数相吻合。
电磁继电器动作特性和监测器中的电磁计数器特性相同，但大量的开闭会导致继电器失灵。
八九十年代，日本制成配电用无间隙氧化锌避雷器。
氧化锌避雷器以其非线性程度高、通流容量大等优异的性能被一致公认为保护电气设备的发展方向。
我国电力系统自八十年代中期应用氧化锌避雷器以来，电压等级在110kV以上的国产氧化锌避雷器发生事故率为0.68%，退出运行率为1.3%。
为了及时发现缺陷从根本上解决MOA的安全可靠问题，避免因事故造成的巨大经济损失，确保避雷器正常发挥作用，需要对避雷器进行实时在线监测。
为了实时在线监测避雷器性能状态，需要把检测数据传输到数据管理中心，基于GPRS监测避雷器的方法是通过GPRS网络实时监测避雷器雷击状态，以便及时排除故障。
随着无线网络的发展，网络化的远程避雷器在线监测将成为重要的一种方法。
通过对避雷器放电次数的实时监测和后台统计，还可以准确判断出易遭受雷击的输电杆塔所在线路走廊，从而为降低雷击损害采取相应技术改造措施提供重要参考。
三、项目申请单位具备的研究基础和条件
1.项目负责人的情况介绍，专业、特长、工作量和在本项目中的作用；
项目负责人：
杨飞虎，助理工程师，长期从事输电线路运行管理工作，对输电线路防雷有较深研究，在本项目中作为项目负责人，可以为本项目完成、实施提供40%以上的工作量。
在本项目中负责总体项目设计、技术要求确定、现场施工指导等。
2.项目申请单位在相关研究领域曾开展的工作、曾取得的科研成果、曾获得的荣誉
2015年获广西电网公司职工操作法创新一等奖
2015年获职工技术创新《优化30kV断线抢修流程》三等奖
3.项目申请单位在相关研究领域已有的软硬件平台、理论研究环境、实验室条件等。
本项目申请单位防城港供电局，在2009年开始和广西大学合作对输电线路气吹间隙避雷器技术等进行研究和实施，积累丰富现场运行、理论分析经验。
为实施本项目，准备组织相关人员分工合作，进行技术、理论等的研究。
充分利用我局高压试验室设备进行现场模拟实验。
为项目顺利实施提供充分保障。
四、项目研究内容、技术路线与实施方案
1.项目研究内容的详细说明（分专题或按内容序号描述）。
主要研究内容
1主要技术内容
（1）避雷器计数器雷击次数现场采集部分的研究
避雷器放电信号的取样有电压取样方法、电流互感器取样法、电磁继电器取样法及光耦取样法。
因此，本设计采用光耦取样法如图1所示，当避雷器流过冲击电流时计数器计数一次，通过电阻分压和整流，使串接在计数器回路中的光电耦合器触动一次，通过隔离，另一端与单片机一输入端口连接，单片机记录避雷器动作一次，在记录动作次数的同时记录单片机系统的当前时间，即避雷器的动作时间。
记录避雷器的动作时间非常重要，它可以确定电力系统受雷击的时间或系统开关动作时间等。
图1光耦采集电路原理图
（2）GPRS无线数据传输系统的研究
为实现在线实时监测避雷器的计数状态，大多数人采用光纤传输的方法,光纤传输可以解决数据传输问题,但在避雷器运行现场铺设光纤比较麻烦,为了克服有线方式传输的弊端,提出了一种基于GPRS监测避雷器计数状态的新方法,该方法可以通过GPRS网络实时监测避雷器计数状态,以便及时排除故障。
GPRS具有随时随地接入Intemet，终端用户可永远在线，无需拨号上网，向用户提供更高的接入速率和更短的接入时间，可提供按时间、流量、内容等更加灵活的计费方式。
（3）后台系统雷击普查研究
通过后台从现场传来的输电线路避雷器动作情况，进行被监测避雷器雷击动作的次数统计，并把统计内容汇总到专门界面，超过要求动作次数的避雷器进行报警并显示该避雷器动作总次数。
2主要技术难点
（1）避雷器计数器雷击次数的采集
避雷器计数器计数次数的现场采集部分是整个系统的关键，也是系统正常运行和准确监测的保证。
避雷器雷击时，瞬间电压电流非常大，很容易使采集设备损坏，同时直接的采集瞬间电压电流纹波大，杂波信号多，因此设计一种具有滤波和隔离作用的采集系统是设计的难点所在。
但是由于取样电阻与高压回路直接连接干扰大，易损坏；
电流互感器取样获得的信号不但和避雷器的放电电流幅值有关，还与放电波形有关，很难和监测器记录的放电次数相吻合。
因此，设计采用光耦取样法，通过光电隔离，避免大电压，大电流时造成损坏，同时加入整流电路，分压电路，保护电路等，保证采集信号准确，稳定。
（2）后台雷击普查系统设计
后台能准确记录、积累被监测避雷器的动作次数，并给出该避雷器所处输电走廊遭受雷击的情况，由此绘制该输电走廊雷击分布预测，为高雷击输电走廊区段的线路、杆塔提高耐雷水平，降低雷击跳闸率提供参考。
（3）辅助电源系统的设计
电源系统为现场采集模块提供电能，电源系统的稳定与否直接关系到整个采集和传输能否顺利进行。
辅助电源主要涉及两种，一种是直接从高压电上取电，这种取电方式需要利用电压电流互感器，而受高压输电线超高电压的限制，互感器体积会非常庞大，不利于设备的安装，成本过高，同时当输电线受雷击等发生故障时，采集系统也无法工作，起不到检测的目的。
另一种是外接辅助电源，辅助电源，具有与电网完全隔离，设备安装简单成本低的特点。
针对以上分析，本设计初步采用两个方案进行供电。
第一，以太阳能能为能源的辅助电源系统，设计采用光伏发电模块，锂离子蓄电池，驱动变换器模块组合系统，光伏发电模块采集太阳能给高容量锂离子蓄电池，蓄电池将断续不稳定的电能储存起来，驱动变换器模块利用蓄电池输出稳定连续的电能，供采集系统利用。
整个电源系统可以达到连续20天以上阴雨天气可靠、不间断供电。
第二、超级电容供电，采用超级电容的优点就是不用再附属电源，超级电容可以内置在采样设备中。
还可以利用雷电进行充电。
2.项目研究拟采用的技术路线的详细说明。
要描述具体的理论研究步骤，现场试验的地点和试验计划。
需要建设试验手段的项目，要给出试验手段的结构和作用；
主要技术路线及理论分析
1总体技术路线
图2总体技术框图
本系统设计对避雷器计数器雷击次数进行远程监测如图2所示，系统主要包括雷击信号采集模块，辅助电源，GPRS数据传输模块，网络服务器，监控中心和手机APP组成。
雷击信号采集模块采集避雷器计数器的雷击次数，并通过串口传输给GPRS数据传输模块，GPRS数据传输模块借助电信网络实现数据的无线传输，辅助电源利用风能供给采集模块电能，监控中心接收网络服务器传回的数据，并建立数据库，实现远程实时对避雷器计数器雷击状态的检测和历史数据的查询分析，同时通过手机端APP，实现工程维修人员在野外也能实时了解避雷器计数器雷击状态和查阅数据库。
（1）现场采集部分的设计方案
现场采集部分主要实现避雷器计数器雷击次数的的采集，并转换成电信号，目前避雷器检测均采用专用的电磁式机械计数器进行雷击次数的记录，这种方式可靠性比较高，应用广泛。
其原理接线如图3所示，计数器的基本结构为双阀片式结构，当避雷器动作时，放电电流流过阀片R1，在R1上的压降经阀片R2给电容器C1充电，然后C1再对电磁式计数器的电感线圈L放电，使其计数一次，改变R1及R2的阻值，可以使计数器具有不同的灵敏度。
图3避雷器计数器原理接线图
为实现远程计数器的监控，在避雷器计数器上加装辅助采集装置如图4，包括取样电路，整流电路，限幅电路，光电隔离电路，单片机及GPRS模块。
取样电路采用取样电阻，对雷击产生的大电流进行采样，通过整流滤波电路变成平稳的直流电，经过限幅电路，实现电压的幅度限定在光耦的工作电压范围内，同时通过光耦电路实现电路的隔离，防止过高的电压烧坏后级电路，单片机采集光耦电路输出的脉冲，通过处理，将脉冲个数数据通过串口输送给GPRS模块，从而完成采集过程。
图4雷击次数采集原理框图
（2）无线传输部分的设计方案
为实现在线实时监测避雷器的计数状态，大多数人采用光纤传输的方法,光纤传输可以解决数据传输问题,但在避雷器运行现场铺设光纤比较麻烦,为了克服有线方式传输的弊端,提出了一种基于GPRS监测避雷器计数状态的新方法,该方法可以通过GPRS网络实时监测避雷器计数状态,以便及时排除故障。
GPRS无线网络传输过程如图5，GPRS数据传输模块接收采集部分传输的信号，采用TCP/IP传输协议，将数据传输到网络服务器，网络服务器将信号在传送给监控中心和手机客户端，完成整个通信过程。
图5无线传输部分设计原理框图
硬件设计采用GSM900通信模块，模块主要由基带控制器、射频模块、供电模块、连接器（应用接口），SRAM，天线接口，测试网络七部分组成。
实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。
软件部分流程图如图6所示，当单片机上电复位后，首先对SIM900进行初始化，完成与外接的采集部分的协商处理，如波特率、是否有奇偶校验等。
然后，通过串口SIM900模块进行初始化，检查GPRS网络覆盖情况、信号情况等。
接下来，进行中断扫描，观察是否有数据到来。
当有数据时，如果是外部数据，就启动数据打包处理过程；
如果是数据，就启动数据解包处理过程。
数据打包处理程序处理数据时，每一层都把自己的信息添加到一个数据头中，而这个数据头又被下一层中的协议包装到数据体之中。
数据解包处理程序接收到数据时，把相应的数据头剥离，并把数据包的其余部分当作数据体对待。
如果没有数据，系统则进入节电模式。
在数据打包处理过程中，如果检测到系统的信号不好，网络连接不畅通或者不是GPRS网络覆盖区，将进行数据发送缓存处理，同时将数据放进发送队列等待发送。
图6GPRS模块程序设计流程图
（3）远程监控部分的设计方案
远程监测系统设计采用服务器/PC监控中心/手机客户端模式。
服务器具有固定地址,负责与现场采集部分相连接的GPRS模块进行无线通信,查询信息所存放的数据位于服务器端,供客户端计算机查询。
查询指令在客户端发出,服务器起到一个存储转发的功能。
服务器的数据库采用了SQLServer数据库，它完全能够满足数据长期安全的保存,也能满足客户机对其的查询。
日常的数据,由现场采集部分的单片机通过GPRS模块定时发送,中心服务器接收并经过验证,确认无误后,采用ADO技术将其送入数据库。
客户端主要包括PC端监控中心和手机端APP组成。
PC端采用VC编程，完成上位机软件，上位机具有实时监控功能，控中心的工作人员可以通过系统传来的数据、图形，实时监控某一远程监控点的状态。
并可操作数据库，实现数据库的读写与保存，完成对某一监控点某个时间段的数据，及历史记录的调用。
手机端APP采用安卓/iOS编程，具有和PC上位机同样的功能，方便工程人员野外随时了解各采集点避雷器计数器的雷击数据。
客户端操作界面示意图如图7，操作界面友好，方便各种层次的用户都可以很好的使用本系统，点击操作界面上的按钮便可完成全部操作，操作无需了解系统的运行状况，一切皆在后台运行。
系统的智能化程度高，主控计算机可以对采集的数据进行判断，当数据超出预先设置的范围，可以提示操作员注意，减少了险情发生的可能性。
图7客户端操作界面示意图
远程监控系统主程序流程图如图8所示，远程监控系统主要是将各个模块进行初始化，等待客户请求，若有客户请求连接后，响应连接事件，接受客户连接。
然后等待数据的到达，接受数据并显示出来。
最后将数据保存到数据库中，以便查阅当前记录和历史记录。
图8远程监测端主程序流程图
（4）辅助供电系统的设计方案
避雷器计数器采集端涉及信号采集和处理，因此对电源系统要求非常严格，采用高压电网取电时，设备复杂，成本高，雷击时易损坏。
本设计采用太阳能作为辅助电源系统，利用蓄电池实现不间断电源,从而实现供电和电网的完全隔离，具有结构简单，供电稳定，适应性强的特点。
辅助供电系统原理框图如图9所示，系统通过太阳能发电模块将产生的电能存储在蓄电池内，辅助电源驱动模块将蓄电池的电能以额定的电压电流输送给雷击次数现场采集系统，从而实现电能的稳定供应。
图9辅助供电系统原理框图
2主要理论研究
（1）避雷器计数器计数次数采集系统的理论研究
近年来，避雷器普遍采用氧化锌结构，氧化锌避雷器主要由Zno为基体，掺入少量Co2O2，Sb2O3，等金属氧化物作为掺杂剂用特定工艺制成的避雷器，因此又叫氧化锌避雷器。
它与阀式避雷器相比，氧化锌电阻片的非线性特征极其优异，而且通流能力增加了3倍左右，可以做成无间隙避雷器，具有更优越
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