（电力系统及其自动化专业论文）基于gprs雷电流参数采集与传输系统的研究.pdf

r e s e a r c h o nl i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r s a c q u i s i t i o n a n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do ng p r s a b s t r a c t t h e r ea l es o m er e s e a r c h e so nm e a s u r i n gl i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r s w h i c hb a s e do nm a g n e t i ct a p er e c o r dm e t h o da th o m ea n da b r o a d t h ep r a c t i c e p r o v et h a ti ti sag o o dw a yt om e a s u r el i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r s ，w h i c hh a s t h ev i r t u eo fh i g hm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , g o o da n t i j a m m i n ga b i l i t y ，a n dl o w r u n n i n gc o s t i nr e c e n tr e s e a r c h ，p e o p l eo f t e nf o c u so nt h em e t h o dt h a t u s e m a g n e t i ct a p et og a t h e rl i g h t n i n gs i g n a lo n t h eg a t h e rp o i n t ，t h e nr e a do u tt h e i n f o r m a t i o nf r o mt h et a p er e a d e r ，w h i c hc a l l ti m p l e m e n ta u t o m a t i cg a t h e r i n g a n dr e a l - t i m ed a t ea c q u i s i t i o n b a s e do nt h ef e a s i b i l i t yo fm e a s u r i n gl i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r sb y m a g n e t i ct y p ea n dt h ep r o b l e m st ob es o l v e d ，t h es u b j e c ti sp u tf o r w a r dt o i m p l e m e n ta u t o m a t i cg a t h e r i n ga n dr e m o t et r a n s m i s s i o nb yu s i n gt e c h n i q u eo f s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o ra n dg p r s ( g e n e r a lp a c k e rr a d i o s e r v i c e ) t h e m a i n l ys t u d yo nt h es u b j e c ti sl i s t e db e l o w 1 a c q u i s i t i o no fl i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r s t h eo b j e c t i v ei sa p p l y i n g m a g n e t i ct a p er e c o r dt e c h n i q u ea n ds i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rt e c h n i q u et o i m p l e m e n tr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o no fl i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r s 2 r e m o t et r a n s m i s s i o no fl i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r s i tm a i n l yr e l i e s o ng p r sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n di n t e m e tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k g p r s i san e wb e a r e rs e r v i c et h a td e v e l o p e df r o m t h eg s ms y s t e m , a n di td o e s n tn e e d t oe x c e s s i v e l ym o d i f yt h eg s md e v i c e f o rg s mn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u ei sp e r f e c ta n d h a sl a r g e s c a l ec o v e r i n ga r e a ，w ec a nt a k et h ea d v a n t a g e o fg p r sr e m o t ec o m m u n i c a t i o nt oi m p l e m e n tr e a l t i m ea c q u i s i t i o n a n d t r a n s m i s s i o no fl i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r s t h a tw i l lm a k eb e s tu s eo fo u r c u r r e n tr e s o u r c e s 3 d e s i g no ft h ed a t am o n i t o rc e n t e r w ec a na d o p tt h ep o w e r f u lv i s u a l c + + 。a n dt a k et h ea d v a n t a g eo fi t ss p e c i a lt c p i pp r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e w i n s o c kt od e s i g nt h ed a t am o n i t o rc e n t e r t h ed a t am o n i t o rc e n t e rw i l la n a l y z e t h ed a t at r a n s m i t t e df r o ma c q u i s i t i o nm o d u l e ，a n dw o r ko u tt h ep a r a m e t e r ss u c h a sl i g h t n i n gp e a kc u r r e n t ，l i g h t n i n gs t e e p n e s s ，t h e nj u d g et h el i g h t n i n gb a c k f l a s h o v e ra n ds h i e l d i n gf a i l u r e 4 p r o t e c t i o na n dp o w e rs u p p l yo ft h ed e v i c e t h es y s t e mc a np r o c e s sl o n g - r a n g ea n dr e g i o n a la c q u i s i t i o no ft h el i g h t n i n g c u r r e n tp a r a m e t e r s ，w h i c hg i v es u p p o r tt ot h ec e n s u so fl i g h t n i n g ，a c c u r a t e l y l o c a t i n gt h el i g h t n i n gs t r i k ep o i n t ，a n dl i g h t n i n gs t r i k ea c c i d e n ta n a l y s i s w h a t s m o r e ，i tc a na c c u r a t e l yf i g u r eo u tm er e g u l a rp a t t e r no ft h el i g h t n i n g ，a n d e f f e c t i v e l ym o n i t o ra n de a r l y w a r nt h el i g h t n i n g ，t h e nh e l p se v e r yu n i tt a k e a c t i o nt or e d u c et h ep o s s i b i l i t yo fl i g h t n i n gd a m a g e k e yw o r d s ：m a g n e t i ct a p e ；l i g h t n i n gp e a kc u r r e n t ；l i g h t n i n gs t e e p n e s s ；d a t a a c q u i s i t i o n ；r e m o t et r a n s m i s s i o n ；g p r s i i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：了击车酮 学位论文使用授权说明 m 6 7 年1 2 月肜日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 呵即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝作者签名：陆鞫弓 导师签名：蝌弘。7 年，2 月予曰 广西大掌硕士( 高校教师) 学位论文基于g p r s 雷电a ：参数采集与传输系统的研究 1 1 选题背景 第1 章绪论 雷电灾害，被联合国有关部门列为“最严重的十种自然灾害之，被中国国防 电工委员会称为“电子时代的一大公害。地球上每天约发生8 0 0 万次云对地的闪电， 平均每秒钟就有1 0 0 次闪电。雷电导致的火灾、爆炸、建筑物损毁、人身伤亡等事件 时常发生，给人类造成了巨大的经济损失【卜7 1 。 因此，要预防或减轻雷电灾害，就要掌握雷电活动规律，其中的雷电流参数尤为 重要。 最早用于雷电流参数的测量方法是磁钢棒法，但测量精度低，记录误差大【l 2 ，8 】。 目前，国内外广泛采用雷电定位仪。1 进行雷电观测并测量雷电流参数，这种方法有 测量范围大、自动化程度高的特点，但也存在投资大、定位误差达几百米等缺点。 文献【9 1 7 的作者对磁带法测量雷电流幅值、陡度等进行了研究，但都只是用磁卡 在杆塔上或其他采集点上采集雷电信号，然后人工取下用录音机或磁卡机来读取磁带信 息并用软件处理，没有实现实时处理。 要解决雷电流信息的实时处理，就要解决数据的传输问题。随着g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e m i t e ，通用分组无线业务) 通信技术的发展及成熟，越来越广泛地被应 用在车辆定位与监控、信息家电控制、电力监控、水情遥测、气象及环境监测、安防 监控、路灯监控、石油矿山监控等领域 1 8 - 2 2 。 本课题的提出，基于磁带测量雷电流参数的可行性和存在问题，将计算机控制技术、 g p r s 通信技术引入到磁带采集雷电流参数的研究中，从而实现雷电流参数的自动采集 与远程传输。 1 2 雷电流参数采集的意义 雷电的特点是放电电压高，电流幅值大，变化快，放电时间短，电流波形陡度 大。雷电引起的强电流是重要的闪电参量，其中雷电流幅值和陡度，是研究雷电活动 规律、雷电防护和防雷工程设计必须要考虑的一个重要参量。因此，掌握雷电活动 规律，能够科学地进行防雷设计，并为雷击事故分析和处理、雷击事故的责任判别 提供原始依据1 1 - 3 。 雷电流参数采集和处理的实时性、可靠性是决策实时性、科学性的前提，雷电流 信息的实时采集可以对雷害实行有效的监测和预警。由于国内各地区的雷电活动极不 平衡，加上领土广阔，地理环境复杂，地区经济发展不平衡等原因，导致雷电检测工 作处在比较落后的状态。建立一套经济、实用的雷电参数采集传输系统势在必行。 本课题，采用金属磁带作为记录介质，结合单片机控制技术，通过嵌入g p r s 无 广西大掌硕士( 商校教师) 掌位论文基于g p r s 雷电流参数采集与传输系统的研究 线通信模块构成雷电流参数自动采集、传输系统，实现雷电流参数的采集，并对雷电 反击、绕击进行判别。 本课题研究的意义可归纳为以下几点： 1 采用磁带法采集雷电流参数，测量精度高、抗干扰能力强。 2 采用g p r s 技术来传送雷电流参数，由于g s m 网络覆盖面广，实现了大范围雷 电流参数远程采集与传输。保证了数据的准确性，更为后期的数据处理带来方便；为雷 电普查、雷击事故分析和实时处理提供依据。 3 该系统能够快速定位雷击点，能够准确掌握雷电活动规律，对雷害实施有效的 监测和预警，为防雷设计提供准确的数据。便于各单位有针对性地采取措施，减少雷害 事故的发生。 4 提出了雷电反击、绕击判别的方法，为电力系统雷击事故类型分析提供依据。 5 采用g p r s 技术，能大大降低通信费用。 1 3 国内外研究现状 对雷电的探测从富兰克林算起已有2 0 0 多年的历史。为了表征雷电的特性，为防 雷设计提供可靠的原始数据，高电压工作者定义了雷电日、雷电小时、地面落雷密度 等参数。但是要做好防雷工作，还必须了解雷电的特性。因此，除了掌握雷暴活动规 律外，弄清雷电流参数是很必要的。由于雷电是一种放电现象，其放电通道内部的情 况是难以直接测量的，人们只能依靠雷电发射光谱、电磁过程，及其变化来推测。 几十年来，电力系统对雷电流的测量，主要是采用磁钢棒法。但磁钢棒法有一个 极大的缺陷，就是遇到闪电有两次极性相反的闪击时，它们对磁钢的作用相互抵消， 所以磁钢棒法的剩磁并不能表示出两次闪击中任何一次的闪电电流峰值t l , 2 。而且磁钢 棒测试灵敏度低，测量误差较大，误差常达1 0 3 0 。而测量雷电流最大陡度的陡 度仪则是由电火花仪与互感线圈组成【s 】。至于精确地记录雷电流的波形和幅值，则是 阴极示波器。但是，阴极示波器属于精密仪器，成本高，观测费用自然也大。而且只 能记录特定地点指定装置上的雷电流，不能普查一个区域的雷电流参数。 7 0 年代中期，随着微电子技术的发展及雷电回击场理论的研究取得的可喜成就， 雷电遥测技术得到迅速发展。由美国m a u m a n 、e e k r i d e r 等人研制的精确定位的雷 电定位系统( l l s ) 已成功地应用于肯尼迪宇航中心，并随后逐渐在世界各地推广应用。 该系统即可对雷电进行定位也可记录雷电参数，但成本也是很高的。在美国，国家闪 电监测网从1 9 8 4 年开始发展，到1 9 8 8 1 9 8 9 年的冬季发展成为一个覆盖美国本土的 监测网( n l d n ) ，1 9 9 4 年进行升级并监测到闪电数和峰值电流。2 0 世纪9 0 年代以来， 随着星载雷电探测手段的不断发展，卫星为进行大范围探测雷电提供了理想的平台。 目前，国际上普遍认可的雷电定位方法大致有五种：第一种，是改进的门控磁脉冲定 2 广西大学硕士( 高校教师) 掌位论文 基于g p r s 雷电流参数采集与传输系统的研究 向法，如地闪定位仪( d f ) 。第二种，是工作在l f 频段的长基线t o a ( 时间到达法) 技术，如闪电定位及跟踪系统( i 雕汀s ) 。第三种，是工作在v h f ( 甚高频) 频段的 干涉仪。第四种，是工作在v 耶( 甚高频) 频段的t o a 技术，如l d a r 。第五种， 是利用雷声差探测闪电通道的技术。美国、加拿大、法国、英国、澳大利亚、日本、 巴西、比利时、新加坡等国都相继建成了闪电定位网。但这些，虽能对雷电进行定位、 对雷电流参数进行测量，都需要花费很大的资金。【1 2 t 4 】 在我国，早在2 0 世纪7 0 年代，中科院空间中心就开始了这方面的研究，被列入 国家“七五”攻关项目，引进了美国的a l d f 闪电探测仪，并成功研制成与之性能 相同的国产品。1 9 9 2 年起，中科院空间中心开始对g p s 的新时差系统进行研究，成 功研制了“a d t d 雷电监测定位系统 ，并于2 0 0 0 年在深圳市、福建省、江西省、 湖南省和青海省等地做小规模试验，取得圆满成功。在使用中也发现了一些问题，如 设备复杂、前期投资很大而不利于普及，定位系统本身存在一定误差与探测死区，地 形因素对探测站的干扰很大，计算数据有误差等。 最早采用磁带法测量雷电流参数，是在1 9 7 8 年由美国宇航局( n a s a ) 提出并首 先在航天中心用于测量闪电的峰值电流【2 9 】。其机理是利用雷电流通过导体时可将靠近 导体的磁带上预先录制基准信号抹掉的特性，通过读取磁带消磁后所剩余波形长度来 测算出闪电峰值电流。日本人也把磁带装在引雷火箭头部，将火箭回收后读取闪电幅 值。该方法的最大特点就是经济、易于推广、精度较高。 八十年代末，广西大学硕士研究生王巨丰对磁带法测量雷电流参数进行研究，并 一直从事用磁带测量雷电流参数的研究【1 0 一3 1 。从1 9 9 4 年开始，中国科学院兰州大气 物理研究所开始在他们所进行的多次人工引雷试验中采用磁带法测量雷电流幅值，取 得了良好的效果f 1 4 1 。武汉水利电力大学张元芳、王建华等对磁带式雷电流记录仪进行 了研制【15 1 。近几年，广西大学先后有贝宇、毛小虎、齐冲三名研究生在王巨丰导师的 指导下，应用磁带技术对雷电流进行了研究。其中贝宇提出了雷电参数测量的基本原 理【1 6 1 ，而毛小虎进一步将雷电参数的测量由理论初步转化为实践【”l ，齐冲提出了雷电 反击、绕击的判别方法。 经国内外实践证明，该法是种经济、可靠的测量雷电流幅值、陡度的好方法。 但前面所做的，还需人工对磁带进行后期处理，都不能实现数据的实时采集与处理。 g p r s 是第二代移动通信技术( 2 g ) 向第三代移动通信技术( 3 g ) 演进的一个非常重 要的步骤，对原有g s m 设备无需进行大的改动，具有网络接入速度快、数据传输速 率高、费用低、永远在线等特点。目前，全世界已有1 0 0 多个国家的移动通信运营商 投入了g p r s 运营。中国移动在1 9 9 9 年开始搭建g p r s 实验网，2 0 0 1 年底开通了覆 盖全国2 4 1 个省会城市和大中城市的g p r s 网络。由于我国g s m 网络已在全国大部 3 广西大掌硕士( 高校教师) 学位论文基于g p r s 雷电流参数采集与传输系统的研究 分地区实现了规模覆盖，用g p r s 通信网络能满足雷电流参数传输的要求。 1 8 - 2 2 由上述分析可知，采用磁带记录技术，结合单片机控制技术及g p r s 无线通信技 术对雷电流参数进行采集与传输，是完全可行的，且能大大降低研究成本、具有极大 的实用价值。 1 4 本课题主要研究内容、研究方法及实验方案 1 4 1 主要研究内容 课题的研究内容主要分为以下四大部分。 1 雷电流参数自动采集模块的研究与设计 由于雷电流能量较为集中，记录时间较短，特征捕捉存在相当难度，雷电流参数的 成功采集是关键。主要解决的问题是如何用单片机进行自动控制，以及如何准确读出磁 带在雷击后被抹去的长度。 2 雷电流参数的远程传输 雷电流参数的远程传输，主要依赖于g p r s 通信。解决的关键问题是如何采用g p r s 数据传输模块实现雷电流数据监控中心与远程监测点之间的通信，g p r s 数据包的发送 与接收，系统软件的设计与研发。 3 雷电流参数的实时处理 由雷电流数据监控中心的处理软件来完成，采用功能强大的v i s u a lc + + ，并利用 t c p i p 编程接口w i n s o c k 来编写。主要解决的关键问题是对监测点传输来的雷电流信 息进行处理，得出雷电流的幅值、陡度，对雷电反击、绕击进行判断，以及历史数据 的保存与分析等，并对雷害能进行警报。 4 设备的防护及供电 采集装置是安装在输电杆塔、线路等无人值守的地方，给设备的运行及防护带来难 度。主要解决的关键问题是采集装置的防雷、防雨、防霉，以及电源的供给等。 4 广西大学硕士( 高校教师) 学位论文墓于g p r s 雷电流多教采集与传输系统的研究 1 4 2 研究方法 主要使用的研究方法有如下三种： ( 1 ) 理论分析。主要用于根据磁带在雷击后被抹的长度来计算分析出雷电流参数 及判别雷电绕击、反击；分析g p r s 通信原理。 ( 2 ) 模拟实验。在高压实验室进行雷击模拟实验，对安装点的特征电流进行采集， 测试g p r s 通信的可靠性，以及数据监控中心工作的稳定性与处理能力。 ( 3 ) 软件实现。编制数据监控中心软件、雷电流自动采集程序、通信程序等。 1 4 3 实验方案 本课题研究的系统框图如图1 1 所示。 图1 - 1 雷电流参数采集及传输系统框图 e g 1 ib l o c kd i a g r a mo ff i # r u i n gc u r r e n tp a r a m e m l l sa c q m s i f i o na n d 廿i m s i l l i s s i o ns y s m m 由系统图可知，整个系统要能正常工作，需保证各功能模块能正常工作。因此，实 验分为模块测试实验及整体实验两部分，基本的内容有： ( 1 ) 用类磁带( 金属磁带) 录制基准信号，并作为雷电信号采集记录的介质。 ( 2 ) 雷电流参数采集模块功能测试实验。 ( 3 ) g p r s 数据传输模块功能测试实验。 ( 4 ) 数据监控中心程序测试实验。 ( 5 ) 进行冲击电流实验，模拟雷电流产生。对磁带自动采集系统进行实验，检验 其对模拟雷电监测、记录的准确性及可靠性；检测g p r s 通信模块的性能；检验雷电流 参数采集终端和数据监控中心之间的可靠通信。基本原理见图1 2 所示。 ( 6 ) 对实验数据处理、分析，并根据实验数据对装置进行调整。 5 广西大学硕士( 高校教师) 掌位论文基于g p r s 雷电流参数采集与传榆系统的研究 l 数据监控中心对数据进行处 l 理还原出雷电流参数同时， i 也可对采集梗块发出控制指令 l 系统整体性能分析 1 5 论文的结构安排 图1 - 2 冲击电流实验示意图 f i g 1 2d i a g r a m o fi m p u l s ec u r r e n t - e x p e r i m e n t 论文共有七章，各章主要内容如下。 第一章是绪论，介绍课题的选题背景，阐明了雷电流参数采集的意义及必要性，综 述了国内外的研究现状，介绍了本课题主要研究内容、研究方法及实验方案。 第二章介绍雷电流基本特性，分析磁带采集雷电流参数机理。 第三章介绍g p r s 通信系统，包括g p r s 的主要特点，与g s m 及其它的通信模式 的比较，分析了g p r s 的网络结构、g p r s 协议结构、t c p i p 协议、p p p 规程、g p r s 数据传输等。 第四章介绍硬件电路的设计，包括雷电流参数采集模块的设计、数据传输模块的 分析、设备供电的设计与实现、设备防护等。 第五章介绍软件设计与编程，包括数据监控中心软件的设计与编写、雷电流参数 采集程序的编写、数据传输模块软件的设计。 第六章是实验部分，介绍系统的整体实验。 第七章是结论与展望，对全文的工作进行了总结，同时也提出了进一步工作的重 点及设想。 6 广西大学硕士( 商校教师) 学位论文基于g p r s 雷电流参数采集与传输系统的研究 2 1 雷电流概述 第2 章雷电流参数及其采集机理 雷电，是雷雨云之间或云地之间产生的放电现象【l 】。在防雷设计中，提出了一些参 数来描述雷电放电的特性，如雷电日和雷电小时、地面落雷密度和雷电流等。雷电流参 数和波形是现代防雷设计中经常要使用的数据，雷电破坏作用与峰值电流及其波形陡度 有密切的关系。 2 1 1 雷电流的波形 由【英】r h g 0 1 d e 雷电的记载及近年来的观测表明，雷电流是具有单极性的脉冲 波形。我国规定的标准波形如图2 - 1 所示，其中瓦代表波头时间，疋代表波长时间，j 一 代表冲击电流峰值。 1 0 0 9 0 5 0 1 0 0 图2 1 标准雷电冲击电流波形 f i g 2 - ls m n d 砌l i g h m i n ge u r r e n tw a v e f o m 2 1 2 雷电流的幅值 雷电流是流过雷击点的电流，每次雷击平均包括3 4 次放电，一次闪击中雷电流的 最大值称为雷电流幅值，也称为峰值电流。雷电流幅值表征了雷电强度，是产生雷电过 电压的根源之一，因而是重要的雷电参数。 雷电流幅值的变化范围极大，需对大量的观测数据进行统计才能得到其概率分布特 7 广西大掌硕士( 高校教师) 掌位论文基于g p r s 雷电流参数采集与传输系统的研究 性。根据统计数据可得到下面的经验公式： l g p = 一西i ( 2 1 ) 式中，为雷电流峰值( 1 溘) ，p 为雷电流超过幅值，出现的概率。 在平均雷暴日不到2 0 的部分地区，雷电流幅值也较小，可用下式来求出其出现的 概率： l g p = 一石i ( 2 2 ) 2 1 3 雷电流波头时间、波长时间 雷电流波头时间( z ) ，是指雷电流由幅值的1 0 上升到9 0 所需要的时间。据统 计，一次雷击有多次雷电流脉冲，多数是单极性的重复脉冲，约8 5 的雷电流的波头长 度在1 - 4 i s ，平均值为2 6 p s 左右。 波长时间( 瓦) ，是指雷电流由幅值的1 0 上升到峰值，并逐渐下降到幅值的5 0 所需要的时间。由于波长时间也是波形曲线衰减到半幅值所需要的时间，习惯上也称为 半幅值时间。波长时间在2 0 一1 0 0 z f 的范围内变化。 在定义了波头和波长时间后，单极性雷电流脉冲波形可以用互正来表示波形。 2 1 4 雷电流陡度 雷电流陡度，是指雷电流在单位时间内上升的数值，它表示了雷电流增长的速度。 由于雷电流陡度对过电压有直接影响，因而也是一个常用的重要雷电参数。 雷电流陡度的数值是由雷电流，o ) 对时间f 的微分求得： 口：_ d i ( 2 3 ) 口= 一 ( z - 3 ) a i 雷电流平均陡度可用下式表示； ， 盯= 二2 6 ( 2 - 4 ) ， 波头时间越短，则陡度越大，对电感元件的危害越大；波尾持续的时间越长，雷电 流的能量越大，破坏力越强。 2 1 5 雷电流极性 雷电流具有单极性的特性。当雷云电荷为正时，所发生的雷云放电为正极性放电， 雷电流极性为正；反之，雷电流极性为负。实测统计资料表明，雷电流正负极性比例不 广西大掌硕士( 高校教师) 掌位论文 基于g p r s 雷电流参数采集与传输系统的研究 同，负极性所占比例在8 0 - - 9 0 之间1 引。 2 2 磁带采集雷电流参数机理 2 2 1 磁带概述 磁带是录音信号的存储主体，由带基和磁性层两部分组成。磁性层是记录信号的载 体，是将磁性物质和粘合剂混合后均匀地涂布在带基上而形成的。磁性层决定磁带的电 磁性能，主要性能包括最大剩磁b ，、矫顽力日。、矩形系数口，b 。等，这些性能都直接 影响着磁带的电磁特性。矫顽力越大，可记录的波长越短，分辨率越高；剩磁越大，磁 带输出越大，动态范围越宽，失真越小；矩形系数越接近1 ，磁性能利用率越高阮矧。 根据磁性层材料的不同，磁带可分为i 类磁带、i i 类磁带、类磁带、类磁带， 所对应的磁性层材料分别为y f e ：o ，、c o 或c r o ：、f e c r 、m e t a l 。普通磁带的磁性材料 用的是氧化铁，而金属磁带用的纯金属颗粒。金属磁带的矫顽力日。和剩余磁通密度j 5 i ，是 c r o ，磁带的两倍。剩余磁通b ，提高以后，中低频的灵敏度也随之提高；与传统的磁带 相比，金属磁带的最大输出电平在中频提高了4 - , 6 d b ，在高频提高了1 0 d b 左右，因而 录音时的失真小，线性好。 文献 1 6 ，1 7 表明，金属磁带( 即类磁带) 在雷电流参数的测量中有明显优势： ( 1 ) i 类、i i 类、类磁带对于大信号，特别是对高频信号，容易造成饱和失真。 而金属磁带，从低频到高频均有很好的频率特性。雷电流的频谱中的频率成分布很广， 集中分布在0 - - 2 0 k h z ，用金属磁带能很好满足雷电的频谱。 ( 2 ) 金属磁带的矫顽力比i 类、类、类磁带要大，剩余磁通密度高，因此它 的动态范围宽、失真小。 ( 3 ) 金属磁带的记录密度高、使用寿命长、耐磨损。 综上所述，采用金属磁带来作为雷电流参数采集的记录介质，使雷电流的幅值、陡 度的测量范围更广。 2 2 2 金属磁带的磁化 图2 2 所示是永久磁铁磁化磁导体的情形。磁铁和磁导体彼此不接触时，磁导体不 带磁，如图2 2 中( a ) 所示；当两者靠近时，磁导体被磁铁吸引，对应于磁铁的n 、s 极 分别产生s 、n 极，磁导体带有磁性，如图2 2 中( b ) 所示。当磁铁远离磁导体后，磁导 体仍有磁性，如图2 2 中( c ) 所示。残存在磁导体上的磁性，称为剩磁。若使磁铁依次与 磁导体接触，则此时磁导体上将按s 、n 、s 、n 的顺序遗留剩磁。这种现象，称为 部分磁化。这也就是金属磁带录制基准信号的原理。 9 广西大掌硕士( 高校教师) 掌位论文基于g p r s 雷电流参数采集与传输系统的研究 p e r m a n e n t m a g n e l a e 互啦 m a g n e t i cc o l l d l l e t l l r 图2 2 磁化原理 f i g 2 - 2m a g n e t i z ep r i n c i p l e 当金属磁带以恒速通过录音磁头表面缝隙时，磁性层就会被录音磁头工作缝隙外溢 磁化场磁化，从而在磁带各处留下与录音磁化场的变化规律相同的剩磁。图2 3 是在金 属磁带录制方波信号后磁带上的剩磁分布图。 p r r e c o r d e d 5 q u 暂w 钾e ； 。 i：r e m a i 。n i n g iilllli 。l - - - - = 疆匣 匿疆垣3 匿j 匣王匿国夏虫? 图2 3 磁带上的剩磁分布 f i g 2 - 3d i s t r i b u t eo fr e m a i n i n gm a g n e t i z a t i o no nt h em a g n e t i ct a p e 2 2 3 金属磁带的消磁 ， 磁带剩磁的消磁，有两种方法 2 3 , 2 4 ：一种是直流饱和抹磁法，是给抹音头施加强直 流磁场，当磁带通过抹音头缝隙时，磁带上所有磁性材料的剩磁都达到饱和，磁带上的 剩磁不再变化；另一种是交流抹音法，是给抹音头施加强交流磁场，使磁带上各段在逐 渐接近缝隙中心的过程中被逐渐增强的交变磁场反复作用，使剩磁逐渐减小到零，磁带 上原录有的磁迹完全被抹掉。 2 2 4 磁带记录雷电流机理 1 记录磁带的预处理 记录磁带的预处理 2 1 ，是指将一定频率的信号预先记录在磁带上。文献 1 0 ，1 1 ，1 7 】表 明，金属磁带在频率为1 k z 时具有很好的线性度及分辨率，故选用频率为1 k z 、磁平为 1 0 广西大学硕士( 高校教师) 掌位论文基于g p r s 雷电流多数采集与传输系统的研究 o d b 的方波信号作为基准信号。 2 雷电流消磁7 】 将预先录制好基准信号的磁带放置在雷电流通道旁，当雷电流载体长度为一时，根据 比噢沙伐定理，雷电流i 产生的磁场强度为： 日= j ( 2 5 ) 2 m - 式中，为径向距离，日的值影响基准信号被抹程度，如图2 4 所示。 p r e - r e c o r d e ds q u a tw a v e d i s t r i b u t eo fp r e - r e c o r d e ds q u a w a v er e m a i n i n gm a g n e t i z a t i o n d i s m b u t eo fr e m a i n i n g m a g n e t i z a t i o na f t e rm a g n e t i z e t h ew a v ca 丘e rm a g n e t i z e 图2 - 4 雷电流消磁原理 f i g 2 - 4m a g n e t i ct a p em a g n e t i z e db yl i g h t h i n gc u r r e n tp r i n c i p a li l l u s t r a t i o n ( 1 ) 当h 日n t n 时，记录磁带上的基准信号不被抹掉； ( 2 )当日n t n 日 j c ( b 侧绝缘闪络) ，如图2 7 所示。 广西大掌硕士( 高校教师) 掌位论文 基于g p r s 雷电流参数采秦与传输系统的研究 j 1 r 。一叠 j 搴j f dc 搴 搴一 f 图2 6 雷电反击 一广一 叠 划事，c ic 聿李。 图2 7 雷电绕击 f i g 2 - 6l i g h t n i n gb a c kf l a s h o v e r f i g 2 7l i g h m i n gs h i e l d i n gf a i l u r e 因此，根据采集装置得到的雷电流值，便可判断雷电反击与绕击。 2 3 本章小结 本章对雷电流的部分参数进行讨论，对磁带采集雷电流参数的机理进行分析，提 出了雷电反击、绕击判别的方法。 1 4 广西大掌硕士( 高校教师) 掌位论文 蓉于g p r s 雷电流参数采集与传输系统的研究 第3 章g p r s 通信系统 3 1 概述 g p r s 由英国b tc e l l n e t 公司于1 9 9 3 年提出，是在现有g s m 系统上发展出来的一种新 的承载业务，是g s m 网络向第三代移动通信( 3 g ) 演进过程中的过渡技术。g p r s 将移 动通信技术和口技术有机结合，组成了移动p 网络，与高速发展的固定m 网实现无缝连 接，为用户提供数据、语音、图像等多媒体业务。 3 1 1g p r s 与g s m 的联系 g p r s 网络是在现有的g s m 网络发展起来的，g s m 系统中的绝大部分部件都不需要 硬件改动，只需在g s m 网络中增加三个主要组件：分组控制单元p c u ( p a c k e t c o n t r o l u n i t ) 、g p r s , q 及务支持节点s g s n ( s e r v i c eg p r ss u p p o r tn o d e ) 、g p r s 网关支持节点 g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 等，并对g s m 的相关部件进行软件升级，从而 将电路交换系统和数据交换系统二合一。 1 相关性 ( 1 ) g p r s 与g s m 均遵循g s mp h a s e 2 + 定义的面向分组数据服务的标准。 ( 2 ) g p r s 采用与g s m 相同的无线调制标准、相同的频带、相同的突发结构、相 同的跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。因此，现有的基站子系统( b s s ) 可提供全面的 g p r s 覆盖。 ( 3 ) 在无线接口，两者采用相同的物理信道。 2 相异性 ( 1 ) g p r s 无线接口由不对称的、独立的上行和下行信道组成，上行和下行p d c h 信道是相互独立的信道资源。 ( 2 ) g p r s 采用与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 1 、c s 2 、c s 一3 、c s - 4 四 种编码方案，可以根据不同的信道传输质量进行选择使用。 ( 3 ) g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路 交换模式的网络资源。 ( 4 )在电路交换网络中，m s 是把数据传送给网络，由网络决定何时切换；在分 组交换网络中，m s 自己决定何时进行分组信道重选。 1 5 广西大掌硕士( 高校教师) 学位论文基于g p r s 雷电流参数采素与传输系统的研究 3 1 2g p r s 的主要特点 g p r s 网络不仅可以支持t c p m 传输协议，而且也支持x 2 5 协议，具有如下特点； ( 1 ) 采用分组交换技术。所谓分组交换技术就是g p r s 信息在传输前被分成既是分 离又是相关的“分组”，并在接收端组合。因此g p r s 特别适合于间断的、突发的或频 繁的、少量的数据传送，但也适合于偶尔的大数据量传输。 ( 2 ) 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 。1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率。 ( 3 ) 网络资源应用合理。由于g p r s 核心网属于分组交换网，分组用户只在传送数 据时才占用信道资源，大大提高了网络资源利用率。而且允许用户长时间地保持与外网 的连接，而不必频繁地进行连接和断开操作，从而使用户做到“永远在线 。 ( 4 ) 收费合理，费用低。g p r s 采用按流量收费的办法，传送相同的数据量，较短 信息方式要便宜很多。 3 1 3g p i 塔与其它通信方式的比较 数据传输方式，主要有有线数据传输、无线数传电台、基于g s m 短消息的数据传 输、基于g p r s 的数据传输等方式四】。g p r s 方式与其它数据传输方式的对比见表3 1 。 ( 1 ) 有线数据传输，主要采用电话线拔号、专线接入、光纤传输等。这种方式存在 建设费用高、施工周期长、扩展性差、设备维护难等缺点。 ( 2 ) 无线数传电台。无线数传电台属于专用网络，利用无线信道进行数据传送， 网络可以覆盖在二、三十公里范围内。无线数传电台的优点是传输频带较宽，通信容量 较大；除了交每年的占频费外，平时运行无需额外费用。其缺点是需申请频点使用权； 受地形、气候的影响较大，系统的可靠性、实时性较差。 ( 3 ) 基于g s m 短消息的数据传输。这是一种非连续性数据传输，具有通信范围广 的特点。其主要缺点是信息按条收费，费用较高；只能传送小流量数据( 限于1 6 0 字符) ； 存在短消息延时、丢失、拥塞等现象；实时性不强。 表3 1g p r s 与其它数据传输方式的对比 t a b 3 1t h ec o n t r a s to fg p r sa n do t h e rd a t a sd e l i v e rw a y 电话线 拨号 a d s l 无线数传 专线电台短消息g p r s 模式 覆盖范围 通信速率 建设成本 运行费用 实时性 可靠性 窄 5 6 k b p s 高 高 差 一般 窄 5 1 2 k b p s 高 较高 高 较高 2 0 k m 1 2 k b p s 高 一般 差 低 较宽 1 6 0 字节，包 较低 较高 差 一般 较宽 2 1 4 - 8 5 6 k b p s 较低 较低 高 较高 1 6 广西大掌硕士( 高校教师) 掌位论文 基于g p r s 雷电流参数采集与传输系统的研究 3 2g p r s 的网络结构 3 2 1g p l 峪系统的主要实体 1 g p r s g s m 移动台( m s ) g p r s 移动台根据移动台和网络的能力的不同， ( 1 ) a 类移动台 a 类移动台能同时连接到g s m 和g p r s 系统中， 供标准的g s m 语音和g p r s 数据分组信息。 ( 2 ) b 类移动台 分为以下3 类： 能在两个系统中同时激活，同时提 b 类移动台能同时连接到g s m 和g p r s 系统中，可提供g p r s 业务和g s m 电路交换业 务，但是m s 在同一个时间里只能进行一种业务操作。 ( 3 ) c 类移动台 c 类g p r s 移动台只能使用g s m 网络或g p r s 网络中的一种，由人工操作进行转换。 2 基站子系统( b a s es t a t i o ns u b s y s