（检测技术与自动化装置专业论文）智能防雷控制系统的开发与研究.pdf

d e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c ho fi n t e l l i g e n t i nl i g h t n i n gp r o t e c t i o n b y c h e n gf e i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f w a n gx i a o h o n g 嬲嬲嬲 y 1 斟j j i 型岁肖酱i co n t r o ls v s t e 面 at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to fr e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 9 ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签 济南大学硕十学位论文 目录 目录i 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 雷电的形成、危害及雷击事故的规律1 1 2 防雷设备现状、防雷情况及存在的缺点3 1 3 国内、国际的雷电监测现状3 1 3 1 电磁法闪电定位系统3 1 3 2 光电法闪电定位系统4 1 3 3 其他方法5 1 4 本文主要工作6 1 4 1 课题来源一6 1 4 2 本文主要内容6 1 5 本章小结7 第二章系统的总体设计原则及设计原理9 2 1 系统的设计原则9 2 2 系统的设计原理9 2 2 1 设计思路9 2 2 2 专家系统理论l o 2 2 3 综合解决策略1 3 2 3 本章小结1 3 第三章控制系统的控制原理及算法研究1 5 3 1 系统控制原理1 5 3 2 大气相对湿度与雷暴天气的统计关系1 6 3 2 1 雷暴天气气象六要素变化趋势1 6 3 2 2 饱和水汽压和相对湿度1 7 智能防雷捧制系统的开发与研究 3 2 3 云中相对湿度2 0 3 2 4 大气相对湿度与雷暴天气的一元线性统计2 1 3 3 大气电场仪原理2 3 3 4 雷声声音识别原理2 5 3 4 1 神经网络2 5 3 4 2 雷声识别2 9 3 5 闪电图像处理原理3 5 3 5 1 闪电光的相关性分析3 5 3 5 2 闪电图像的纹理特征分析3 9 3 6 模糊规则4 2 3 7 远程控制系统4 2 3 8 本章小结4 4 第四章控制系统的硬件及软件设计4 5 4 1 控制系统硬件设计4 5 4 1 1a b ba c 5 0 0 系统简介4 5 4 1 2 威伦触摸屏系统简介。4 8 4 1 3 系统总体硬件配置图4 9 4 2 控制系统的软件设计5 0 4 2 ic o d e s y sv 2 3 软件简介5 0 4 2 2e a s y b u l d e r 8 0 0 0 软件简介? 5 l 4 2 3 通信配置5 2 4 3 系统技术特点5 6 4 4 本章小结5 7 第五章控制系统的运行效果分析5 9 5 1 控制系统现场使用情况分析5 9 5 2 相对湿度和反射率因子的相关性分析5 9 5 3 大气电场仪的预测效果分析6 6 5 4 控制系统的使用效益分析6 6 5 5 本章小结6 7 济南大学硕十学伉论文 第六章总结与展望6 9 参考文献7 1 致谢7 5 附录a 攻读硕士学位期间完成的论文及参与的科研项目7 7 发表的学术论文7 7 作者攻读硕士学位期间参加的科研工作7 7 作者攻读硕士学位期间获奖情况7 7 i i i 智能防雷控制系统的开发与研究 济南大学硕_ j 学何论文 摘要 目前，随着水利部黄河委员会投入巨资为涵闸安装了计算机远程监控系统，使黄 河水资源管理与水量调度更为科学，所以确保该系统平稳运行尤其重要。但由于涵闸 所处物理位置的特殊性，地质、气象条件均比较严酷，所以雷暴和各种电磁脉冲侵害 的概率相对比较大。涵闸远程监控系统在雷雨季节来临时极易遭到雷击事故，设备损 坏严重，造成系统功能局部失效甚至瘫痪，经济损失较大。因此，研究有效防雷方法， 保证设备及人身安全及系统平稳运行具有重要的意义。 山东黄河引黄涵闸监控系统现有的防雷器z y s p d 2 0 k ，在2 0 0 3 年至2 0 0 8 年间 经多次实验该种防雷器在电源感应雷电电压超过1 6 k v 时才能动作，而后端设备在低 于该电压时就已经被击穿损坏，其防雷效果不高，是非智能被动的在线防雷系统，并 且具有被动防雷系统滞后性的普遍致命缺点，所以安装此类防雷设备的涵闸监控系统 在雷击天气下是非常不安全的。根据以上的综合分析，我们在设计控制系统时应采取 主动防雷的设计思想，提高防雷效率。 智能防雷技术采用主动防雷思想，通过使用各种检测手段并借鉴专家系统控制方 法实现了防雷控制系统的预见性、主动性、及时性等功能。本文在分析防雷系统特性 的基础上，运用专家系统控制方法实现雷电保护的智能控制。采用数据统计和专家思 想的方法通过正向推理得到该系统的规则集；采用大气相对湿度和雷达回波强度的统 计特性分析实现数据检测；依据济南地区近年的气象资料，得到了大气相对湿度和雷 达回波强度之间存在着一元线性关系，采用大气相对湿度反推得到雷达回波强度，而 雷达回波强度反应了雷暴气象时雷电的强度，为雷电预测提供了统计依据。雷暴天气 另一个直接因素是大气电场强度，在平原地区一般发生负地闪，电场强度的增强有一 定的时间累积，根据电场强度的高低设定报警级别，为主动防雷提供了现实依据。此 外，通过雷声信号采集、预处理、特征提取，利用b p 神经网络识别雷声信号，判别 雷暴气象的可能性。最后，利用闪电光信号的相关性分析，并计算闪电光信号的相关 系数，同时设定相关系数阈值判定雷暴天气的可能性。还就闪电图像纹理特征分析应 用于防雷控制进行了初步探讨。 根据大气相对湿度和雷暴天气的统计关系、雷电电场强度的时间积累性、雷声声 音识别和闪电图像处理的原理，我们制定了相应的模糊控制规则，实现了一般雷暴天 气的逻辑控制及特殊雷暴天气的单独控制。该系统根据特殊要求进行闸室动力线和信 v 智能防雷控制系统的开发与研冗 号线的自动投切，并具有手机短信或者电话进行远程控制及系统监控的功能。 采用a b b 公司的a c 5 0 0p l c 作为现场工作站，上位机采用威论触摸屏 m t 6 0 7 0 i h 。采用e b 8 0 0 0 软件平台开发了已经用于实际涵闸的实用系统。实际运行 表明，该系统安全、可靠，有效实现了涵闸的防雷保护。 关键词：雷电监测；专家系统；主动防雷；相对湿度；雷达反射率因子 v i 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t n o w ，t h ey e l l o wr i v e rc o m m i s s i o ni n v e s t e dh e a v i l yi ni n s t a l l i n gr e m o t ec o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e mf o rc u l v e r ta n ds l u i c e ，a n dm a k e st h ey e l l o wr i v e rw a t e rr e s o u r c e s m a n a g e m e n ta n dw a t e rd i s p a t c h i n gm o r es c i e n t i f i c ，s oi ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt oi n s u r e t h es y s t e mr u n n i n gs m o o t h l y b u tt h ec u l v e r ta n ds l u i c e sp h y s i c a ll o c a t i o ni ss op a r t i c u l a r ， f o re x a m p l e ，g e o l o g ya n dm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r er e l a t i v e l yh a r s h ，t h u n d e r s t o r ma n d v a r i o u se l e c t r o m a g n e t i cp u l s ev i o l a t i o n so fp r o b a b i l i t yi sr e l a t i v e l yf r e q u e n ta n di n t e n s i t y b i g g e r s ot h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi nt h u n d e r s t o r m ss e a s o ne n c o u n t e rt h el i g h t n i n g a c c i d e n te a s i l y ，t h a tt h ee q u i p m e n tb a d l yd a m a g e d ，s y s t e mf u n c t i o nd e g r a d a t i o na n d p a r a l y s i s ，e c o n o m i cl o s sb i g g e r t h e r e f o r e ，e f f e c t i v el i g h t n i n gp r o t e c t i o n ，t oe n s u r et h a t e q u i p m e n ta n dt h ep e r s o n a ls a f e t ya n ds y s t e mr u n n i n gs m o o t h l y , h a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c e i nt h es h a n d o n gy e l l o wr i v e rc u l v e r ta n ds l u i c e ，t h ee x i t i n gl i g h t n i n gp r o t e c t i o n d e v i c eo fm o n i t o r i n gs y s t e mi sz y s p d 2 0 k ，b ym a n yt i m e se x p e r i m e n t ，t h el i g h t n i n g p r o t e c t i o nd e v i c eb e g a nt oa c tw h e nt h ep o w e rs o u r c ei n d u c t i o n - l i g h t n i n gv o l t a g ei sm o r e t h a n1 6k v , b u tt h ee n de q u i p m e n th a db e e nd a m a g e di nb e l o wt h eb r e a k d o w nv o l t a g e 8 0 t h el i g h t n i n gp r o t e c t i o ne f f e c ti sn o th i g h ，n o ti n t e l l i g e n tp a s s i v eo n l i n el i g h t n i n g - p r o o f s y s t e m ，a n di th a sc o m m o nf a t a lw e a k n e s so ft h ep a s s i v el i g h t n i n g - p r o o fs y s t e mi n h y s t e r e s i s ，s oi ti sn o ts a f et oi n s t a l ls u c hl i g h t n i n gp r o t e c t i o ne q u i p m e n t i nt h ec u l v e r ta n d s l u i c em o n i t o r i n gs y s t e mi nt h el i g h t n i n gw e a t h e r t h ei n i t i a t i v el i g h t n i n gp r o t e c t i o nd e s i g n t h o u g h ts h o u l db et a k e nw h e nw ed e s i g nt h el i g h t n i n gp r o t e c t i o nd e v i c e ，a n di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fc o n t r o ls y s t e mt h r o u g ht h ea b o v ea n a l y s i s i n t e l l i g e n tl i g h t n i n gp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y r e a l i z e st h ef u n c t i o no ff o r c a s t i n g , i n i t i a t i v ea n dt i m e l i n e s sb yu s i n gt h ei d e ao fi n i t i a t i v el i g h t n i n gp r o t e c t i o n ，av a r i e t yo f d e t e c t i o nm e t h o d s ，e x p e r ts y s t e mc o n t r o lt h e o r yf o rr e f e r e n c e i nt h i sp a p e r ，t h ei d e ao ft h e e x p e r ts y s t e mc o n t r o lt h e o r yi su s e dt oa c h i e v ei n t e l l i g e n tc o n t r o la c c o r d i n gt oa n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t n i n gp r o t e c t i o ns y s t e m s t h ef o r w a r di n f e r e n c ei su s e dt oo b t a i nt h e r u l e ss e to ft h es y s t e mt h r o u g hs t a t i s t i c sa n de x p e r tt h i n k i n g ；t h r o u g hu s i n gt h es t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fr e l a t i v eh u m i d i t yo fa t m o s p h e r i ca n dt h er a d a re c h oi n t e n s i t y , w ea n a l y z e a n dr e a l i z et h ed a t ad e t e c t i o n y b a s i n go nm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n si nj i n a n ，t h e r ei sa l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e l a t i v eh u m i d i t yo fa t m o s p h e r i ca n dt h er a d a re c h o i n t e n s i t yi sf o u n d ，s ob yd e t e c t i n ga t m o s p h e r er e l a t i v eh u m i d i t yf o rb a c k s t e p p i n gr a d a r e c h oi n t e n s i t y , a n dr a d a re c h oi n t e n s i t yj u s ti sr e a c t i o nw h e nt h et h u n d e r s t o r ml i g h t n i n g i n t e n s i t yw i l lh a p p e n ，t h a tp r o v i d et h es t a t i s t i c a lb a s i sf o rl i g h t n i n g f o r c a s t i n g a n o t h e r v t l 智能防雷控制系统的开发与研究 f a c t o ri st h ee l e c t r i cf i e l d s t r e n g t h t o w a r dt h et h u n d e r s t o r m a t m o s p h e r i cd i r e c t l y g e n e r a l l y , i nt h ep l a i na r e a s o c c u i st h en e g a t i v ec gl i g h t n i n g , a n dt h ee l e c t r i cf i e l d i n t e n s i t yh a v es o m et i m et oa c c u m u l a t e ，b a s i n go nt h ee l e c t r i ci n t e n s i t yr e a c h e sd i f f e r e n t i n t e n s i t yt o s e tt h ea l a r ml e v e l ，t op r o v i d ear e a l i s t i cb a s i sf o ri n i t i a t i v et h i n k i n g i n a d d i t i o n ，t h er e c o g n i t i o no ft h u n d e ri sa n a l y s e dt h r o u g hc o l l e c t i n g t h e s i g n a l s ， p r e t r e a t m e n t ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，a n dt h r o u g ht h eb pn e u r a ln e t w o r ki d e n t i f i c a t i o nt oj u d g e t h ew e a t h e rw h e t h e ri nt h et h u n d e r s t o r ms t a t ea n dv e r i f yt h ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n f i n a l l y , t h ep o s s i b i l i t yo ft h u n d e r s t o r m si sj u d g e dt h r o u g ht h eu s eo fl i g h t n i n g - r e l a t e d o p t i c a ls i g n a la n a l y s i s ，t h ec a l c u l a t i o no ft h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fl i g h t n i n go p t i c a l s i g n a l ，a n dt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tt h r e s h o l ds e t t i n g s t h el i g h t n i n gi m a g et e x t u r e a n a l y s i su s e di nl i g h t n i n gp r o t e c t i o nc o n t r o lp r e l i m i n a r yi ss t u d i e d a c c o r d i n g t ot h es t a t i s t i c a lr e l a t i o n s h i po ft h er e l a t i v eh u m i d i t yo fa t m o s p h e r i ca n dt h e t h u n d e r s t o r m ，t h et i m ea c c u m u l a t i n go ft h u n d e re l e c t r i ci n t e n s i t y , t h u n d e rv o i c er e c o g n i t i o n a n dt h ep r i n c i p l eo fl i g h t l l i n gi m a g e ，w ee s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n gf u z z yc o n t r o lr u l e s ，n o t o n l y r e a l i z et h e g e n e r a l t t h u n d e r s t o r m l o g i cc o n t r o l ，a n d a l s or e a l i z et h e s p e c i a l t h u n d e r s t o r mi ns e p a r a t ec o n t r 0 1 t h ec o n t r o ls y s t e mr e a l i z et h ec h a m b e rp o w e rl i n e sa n d s i g n a ll i n e s sa u t o s w i t c h i n ga c c o r d i n gt ot h es p e c i a lr e q u i r e m e n t s ，a n da l s ot h r o u g hs m s o rp h o n et or e a l i z et h er e m o t ec o n t r o la n ds y s t e mm o n i t o r i n gf u n c t i o n i nt h i sp a p e r ，a b ba c 5 0 0p l ci su s e da so n - s i t ew o r k s t a t i o n ，w e i n v i e ws c r e e n m t 6 0 7 0 i ha s t h eu p p e rc o m p u t e r u s i n ge b 8 0 0 0a ss o f t w a r ep l a t f o r md e v e l o p sa p r a c t i c a ls y s t e mw h i c hi sa l r e a d yu s e di nc u l v e r ta n ds l u i c e t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s h o w st h a tt h es y s t e mi ss a f e ，r e l i a b l ea n dh a da l r e a d yr e a l i z e dt h el i g h t n i n gp r o t e c t i o n e f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：l i g h t n i n gm o n i t o r i n g ；e x p e r ts y s t e m ；i n i t i a t i v el i g h t n i n gp r o t e c t i o n ； r e l a t i v eh u m i d i t yo fa t m o s p h e r e ；r a d a rr e f l e c t i v i t yf a c t o r v 1 1 1 济南大学硕f 学位论文 第一章绪论 1 1 雷电的形成、危害及雷击事故的规律 目前，随着黄委投入巨资为涵闸安装了计算机远程监控系统，使黄河水资源管理与 水量调度更为科学，确保该系统平稳运行尤其重要。但由于涵闸所处物理位置的特殊 性，地质、气象条件，均比较严酷，雷暴和各种电磁脉冲侵害的概率相对比较频繁， 强度较大，涵闸远程监控系统在雷雨季节来临时极易遭到雷击事故，设备损坏严重， 造成系统功能局部失效甚至瘫痪，经济损失较大，因此，对于有效防雷，保证设备及 人身安全，系统平稳运行，具有重要的意义。 雷叫l 】主要是在云闪和地闪时的一种火花放电现象，产生于由强烈垂直对流过程 中形成的积雨云中。根据大气反射原理，地面吸收的辐射热量比空气层大得多，尤其 在夏季，白天的温度升高更快更明显。根据大气膨胀原理，由于近地面的大气温度受 热传导和辐射的原因，温度也随着上升，气体温度升高的同时必然膨胀，密度也随之 减小，同时压强也随着降低，根据力学原理，膨胀气体就要上升，上方的空气层密度 相比于下方的密度较大，随之就要下沉。上升的热气体会膨胀降压，同时会与低温空 气进行热量交换。上升的气团由于水汽凝结而出现雾滴形成云，在雷雨云的形成过程 中，由于温差起点效应、大气电场、摩擦起电效应等共同原因的作用下，大气中就会 形成带负电和正电的对立云团。由于强大的带电云团的静电感应，使得地面或者建筑 物的表面产生异性对立电荷，类似一个强大的电容器。当电容器的电荷积累达到一定 的强度时，就会产生先导放电即不同云团之间或者大地与云之间的电场强度( 一般为 2 0 - - - - 3 0 k v c m ) 足可以击穿空气开始游离放电。云对地的先导放电时跳跃式发展的， 到达地表物体时，产生由地面向云团的逆导主放电，在放电的过程中，由于异性电荷 的剧烈中和，会形成巨大的电流，使得电流通过的地方由于做功的原因瞬间温度升高 3 0 0 0 0 摄氏度左右，产生强烈的火光，受气体的急剧膨胀产生隆隆的声音即雷声。 直击雷击是指雷云之间或雷云与地表建筑物的某一点放电，其主要危害有： ( 1 ) 由于强大的雷电流的热效应，当经过某一物体时，产生巨大的热量，这种 热量会使物体表面的温度突然上升，甚至引起突如其来的火灾； ( 2 ) 由于雷电流通道的电流会达到数十甚至数百千安，那么通道内空气会急剧 膨胀，并向四周扩散致使外围的冷空气被强烈压缩，形成剧烈的激波，最终会破坏附 近的人员、树木、建筑物等； 智能防雷绍制系统的开发j 研究 ( 3 ) 由于电磁场效应，当雷电流通过导体时会产生电磁场，同时产生电动力效 应，最终会使导体受力变形或者折断； 通过电磁感应或者静电感应对被雷击物体的损坏就是感应雷击，由于5 0 雷电流 直接流入大地，另外一部分电流流入各电器通道内( 金属管道、信号线、动力线) 。 当闪电产生放电或者击中输电线路时，剧烈的雷电流产生强烈的电磁场。所以感应雷 击的主要危害有以下几方面： ( 1 ) 当雷云形成后，局部地区高达数百千伏的感应地表电压会破坏接地不良的 电气系统； ( 2 ) 雷电磁场的破坏。根据雷电的特性，雷电本身会产生极大坡度和峰值，致 使周围产生剧烈变化的电磁场，那么处于这么强大的电磁场中的导体将会感应出较大 的电压，这个电压经由导线瞬间传至远距离的电器设备； ( 3 ) 雷地电位反击破坏。如果不同建筑物的接地系统被流入雷电流时，将会引 起接地电位的不均，高电位会反击低电位的地，最终损坏设备； 对于雷电防护来说，只有正确的认识和掌握了雷击事故的规律，才能取得良好的 防雷效果。在雷雨天气，地面上的物体和天空的雷云各携带不同的电荷，当电荷强度 达到一定的强度时，电场将会产生畸变而发生落地雷击。假如没有足够大的上行先导， 就不会发生落地雷。那么容易受雷击的地方主要是以下几个方面： ( 1 ) 金属屋顶易受雷击； ( 2 ) 高大的烟囱和工厂的排气管最易接闪； ( 3 ) 高大的树木和屋顶旗杆容易落雷。 ( 4 ) 局部漏雨或局部房角新修缮且十分潮湿的建筑物易受雷击； ( 5 ) 收音机天线、电视共用天线易受雷击； ( 6 ) 突出高或孤立的建筑物易受雷击； ( 7 ) 地下管线多或管线交叉处易落雷； ( 8 ) 曾经遭受过雷击的地区和建筑物容易再落雷。 从雷击规律看，当电荷积累到一定的程度，就会产生电场畸变而发生落地雷击， 当空气湿度变大，闸室周围环境越来越潮湿，闸室更容易遭到雷击，所以检测电荷( 雷 电感应强度) 和空气湿度非常重要。检测雷声和闪电光是为了进一步得确认雷电的产 生。 2 济南人学硕i j 学俯论文 1 2 防雷设备现状、防雷情况及存在的缺点 山东黄河引黄涵闸监控系统目前防雷情况是：2 0 0 3 年安装时采用的电源防雷器 【2 1 ，型号为：z y s p d 2 0 k ( t - 3 8 5 u c ：3 8 5 vi s n ：2 0 k ai m a x ：4 0 k a u p ：1 6 k v ) 防雷方式为被动防雷，对感应电压1 6 0 0 0 v 以下感应雷无防护，防中等强度直击雷概 率为1 0 ，防中等强度侧击雷概率为8 ，防感应雷概率为0 ，合并建筑物防雷设施 计算防雷概率分别为1 2 、1 0 和8 ，按山东2 0 0 8 年平均5 0 个雷暴日，有雷击可 能的3 次雷击过程计算，设备被雷击的概率为1 0 0 ，当然大部分雷击的强度都是强 度比较小的，且9 0 都是感应雷，但也会造成设备不同程度的损坏。2 0 0 8 年供水局对 涵闸远程监控系统现地站进行地线改造，在闸室安装了等电位箱，安装了信号防雷器， 型号是z y s p d c b n c ，技术参数：u c ：1 2 vi s n ：5 k a u p ：2 0 v ，但被动防雷的方 式没有改变，经计算，改造后设备被雷击的概率降低为8 0 。可见设备被雷击的概率 还是相当高的，只能被动的依靠设备元器件的抗过电压、过电流的能力和抗电磁感应 能力以及侥幸躲过强雷电天气。 现有的防雷器z y s p d 2 0 k ( t - 3 8 5u c ：3 8 5 v i s n ：2 0 k ai m a x ：4 0 k a u p ：1 6 k v ) ， 在2 0 0 3 年至2 0 0 8 年间经上百次实验该种防雷器在电源感应雷电电压超过1 6 k v 是才 能动作，而后端设备在低于该电压时就已经被击穿损坏，其防雷效果不高，在信号端 安装的信号避雷器型号为z y s p d 。c b n c ，技术参数：u c ：1 2 vi s n ：5 k au p ：2 0 v ， 其防雷原理同电源防雷器，具有同样缺点，防雷概率很低，是非智能被动在线防雷系 统，具有被动防雷系统的普遍致命缺点，安装此类防雷设备的涵闸监控系统在雷击天 气下是非常不安全的。 1 3 国内、国际的雷电监测现状 1 3 。1 电磁法闪电定位系统 电磁法闪电定位主要是在监测闪电放电过程中，利用其产生的电磁场确定闪电定 位。短时的辐射来源主要是频带较宽的电磁脉冲，那么电磁脉冲的频率范围从甚低频 延伸到超高频。 ( 1 ) 低频段定位技术的原理 甚低频低频磁向定位法【3 卅主要通过东西方向和南北方向交叉垂直放置的正交天 线，其目的是来测量闪电发生的方位角，并结合水平放置的电场天线。最终，通过以 上的组合，鉴别地闪波形的特征。根据以上的分析，利用多个探测子站来测量闪电方 3 智能防雷拧制系统的开发0 研究 位角的交汇处，确定雷电发生时，闪电发生的水平位置。 甚低频低频段时差法定位的方法主要是通过测量时间差( 电磁脉冲到达各个测站 的时间) 进行定位的。为避免磁向法本身具有的随距离误差线性增大，通过精确测量 闪电回击辐射场到测站的时间。由于传播的距离和路径的不同，从而产生时间测量的 误差，为了进一步提高精度，把以上分析的两种方法有效地结合起来，即产生联合闪 电定位，利用联合技术的定位方法，每个子站可精确的检测到时间和方位角。那么中 心站进行数据分析，最后实现联合定位。 ( 2 ) 高频段定位技术的原理 随着时代的发展，甚低频不能提供有效的闪电快速变化过程的信息，在上世纪7 0 年代后期，科学家们提出了时差定位技术和甚高频干涉定位技术，并对其进行了实践 分析。 甚高频干涉法利用干涉法测定闪电辐射源位置的技术。那么这种技术主要采 用足够波程差的可接收天线振子排列形成天线阵列，对每次发生的闪电，我们主要通 过检测各个振子接收信号的的相位差，以此计算辐射源相对于天线真的方位。那么对 于这种技术，采用的策略是窄带甚高频长基线时差法，对于打闪时的闪电辐射源以较 高的空间和时间进行精确地定位。 1 3 2 光电法闪电定位系统 光电法闪电探测技术首先借助于卫星技术得n t 发展和应用【 】。2 0 世纪9 0 年 代以来，随着电子、信息技术、卫星观测技术的迅猛发展，人们对云顶闪电光学辐射的 时空特征及光谱特性有了新的认识，研制了新一代星载光学闪电探测系统并发射入轨 运行。文中研究的光电法闪电定位系统，是一种基于光电检测技术的新型地基定位系 统。 定位系统的主要硬件组成和采集过程如下所示： ( 1 ) 闪电光信号采集 由于闪电的频谱较宽，况且产生较强的紫外光，但由于紫外线的自然干扰源非常 少，所以可以通过检测紫外光光波段的光信号，对闪电光信号进行识别，g d b 2 1 5 2 b 检 测带宽主要是在紫外光波段，又由于其灵敏度高、噪声小，不仅可探nj j i 页变的微辐射 源，也可以探测恒定的辐射源。 ( 2 ) 雷声采集 4 济雨人辱：硕卜，w ：1 一论文 对于雷声信号的信号的采集主要考虑功率谱的频带范围，一般情况下，在4 1 2 5 h z 频率范围内。同时，自然现场产生能够产生强次生的声源较少，在传播的过程中不易 被其他物体吸收，并且波长长、频率低，所以通过检测次声雷，能够对雷声进行识别。 在现实中，电容式传声器( h y 2 0 5 ) 主要用于雷声检测，它具有性能稳定、线性好、 灵敏度高的优点。因此，通过此电容式传声器可以对雷声进行识别。 ( 3 ) 模拟数字信号转换模块 整个定位系统主要是将雷声信号采集和光信号采集，然后传送到计算机上，对其 进行计算分析。利用a d 转换的技术，采用速度快、实时性强，支持l a b v i e w 软件 的驱动函数。更有效方便的基于此软件对雷声信号进行相关处理分析。 1 3 3 其他方法 ( 1 ) l d 2 i i 型定向时差综合雷电定位系统 l d 2 i i 型定向时差综合雷电定位系统是基于多站系统的具有高新技术的全自动 智能化雷电定位技术，他的检测手段时利用甚低频闪电脉冲到达不同基站的时间差作 为定位手段，能精确定位闪电发生的物理位置。当雷闪发生时，会产生以光速向四周 辐射的电磁脉冲。定位仪以信号的峰值作为到达参考点，记下接收的时间点，那么天 线接受的电场极性作为判别标准。同时可以对三个以上的定位仪数据进行双曲定位分 析，不但可以得到具体位置，还可以得到雷电流的大小和相应的极性。 ( 2 ) 电网雷电定位监测系统 将各省雷电监测系统的位置分析得出的雷电探测信息全部反馈到华中总电力公 司的网格式位置分析仪上，进行全面的分析和计算，总结出雷电参数和雷击的次数， 实时检测华中地区的雷暴天气活动，为华中地区的安全生产、稳定运行提供很好的服 务。本身具有的优点是：不仅可以提高雷电探测的精度和效率，还可以优化边界交际 处的探测盲点布置。为全国的雷电监测提供了优质、可靠、稳定的服务。 ( 3 ) 光电测雹仪 光电雹仪是在气象上探测闪电和冰雹的仪器，它本身具有的特征就是由记录显示 控制和光电遥感两部分组成，它们两者之间主要是采用屏蔽电缆连接。记录显示器由 报警器、自动控制器、计数器、衰减器、热比记录器、前后级放大器组成。光遥感器 由电动扫描、跟踪器、滤光片、光导器组成。 5 智能防雷控制系统的开发。j 研究 1 4 本文主要工作 1 4 1 课题来源 目前，随着国家投入巨资为涵闸安装了计算机远程监控系统，使黄河水资源管理 与水量调度更为科学，确保该系统平稳运行尤其重要。但由于涵闸所处物理位置的特 殊性，地质、气象条件，均比较严酷，雷暴和各种电磁脉冲侵害的概率相对比较频繁， 强度较大，涵闸远程监控系统在雷雨季节来临时极易遭到雷击事故 6 - 9 ，设备损坏严重， 造成系统功能局部失效甚至瘫痪，经济损失较大，因此，对于有效防雷，保证设备及 人身安全，系统平稳运行，具有重要的意义。 为此，研制开发一种智能防雷控制系统，在雷雨来临之前从物理层面即在电源、 信号、控制线间采用智能主动切断的防雷方式非常必要。原因如下： ( 1 ) 涵闸远程监控系统均安装在黄河大堤上，地势较高，不但容易遭受直击雷的 损害，还容易遭受感应雷的损害，而且直击雷又必然产生感应损害； ( 2 ) 涵闸远程监控系统现用的是被动防雷系统，缺乏物理层面的自动智能主动防 雷系统，容易遭受感应雷的损害，而涵闸监控系统大部分设备都工作在弱电状态，抗 感应雷的能力极差，事实上大部分雷击都是感应雷造成的。为此，开发研究z n f l 0 2 型涵闸远程监控系统现地站智能防雷系统克服原有防雷系统的缺点，提高涵闸远程监 控系统的防雷安全系数是非常有必要的。 鉴于以上情况，山东黄河河务局供水局申请了“智能防雷控制系统的开发与研究 项目，其目标是以微型计算机技术、自动化技术及智能控制技术为依托【1 0 1 2 】，在保证 性能要求和产品品质的前提下，结合雷电产生的特点及控制要求，利用威论触摸屏、 a b ba c 5 0 0p l c 等设备，就是在这种背景下，用集成的方法研制出z n f l 0 2 型智能 防雷控制系统的实验平台。 1 4 2 本文主要内容 本文主要是根据雷暴天气产生的物理原理，分析了雷暴产生的物理条件因素，同 时分析了国内外雷电监测的现状，以及现有的雷电监测的原理。从中抽出了大气相对 湿度和雷暴天气的统计关系、雷暴产生时电场强度的时间积累性、雷声识别和闪电光 的进一步确定性，为下几章