基于物联网的实时接地防雷监测系统与监测方法与流程

本发明涉及接地防雷技术领域，特别是涉及一种基于物联网的实时接地防雷监测系统与监测方法。

背景技术：

变电站，特别是大中型变电站的防雷与接地系统在保证保证电力设备的安全工作和人身安全方面起着决定性的作用。

对于接地系统，接地电阻值是变电站接地系统的重要技术指标。目前常见的接地电阻测量方法有两点法、三点法、电位降法、四极法等。其中两点法测的结果中包含电流极的接地电阻值，测量误差较大，不适合变电站接地电阻测量。三点法与两点法相比，理论上已消除电流极接地电阻对测量值的影响，但实际误差仍过大。电位降法引入了视在接地电阻曲线，找出曲线平坦段对应的接地电阻即为地网的实际接地电阻，测量值相对准确，因而在测量变电站接地网接地电阻多用此方法。四极法是电位降法的改进，在测量运行的变电站时，其能有效消除干扰电流的影响，理论上测量值比其它方法所得之值更为准确。但实际操作上过于复杂，中间步骤较多，不便于施工。而且各变电站普遍没有在线接地电阻监测功能，仅仅在新建变电站投运前做接地电阻的测量验收，在满足接地电阻要求时才可以投运，然后由专有检测部门每年进行接地电阻的复检，对电力人员的人力物力耗费较大。造成此现象的主要原因是电位降法需要大电流、电压辅助接地极往往距离较远，而且需要多次调整辅助接地极的位置以减小误差。

对于防雷系统，避雷器是保证电网安全可靠运行的关键设备之一。其性能优劣将影响整个电网的运行安全。避雷器作为输变电设备中的主要设备，在电网中运行时主要承受的电压有：雷电过电压、操作过电压、工频长期工作电压等。正常条件下，避雷器能承受上述电压而正常工作。但在运行环境污秽条件下，避雷器将会不同程度地降低其绝缘性能。在污秽条件下，在长期工作电压作用下会使绝缘下降，导致污秽闪络的大面积停电事故。工频污闪事故造成的危害比雷电事故严重的多，已经成为电力系统安全运行的大敌。因此避雷器自身的性能优劣直接关系到变电站的安全可靠运行，目前采用每年的避雷器停电检测，已成为检查避雷器性能优劣的主要手段。其不仅因需停电检测影响供电，也不能实时监测避雷器性能的变化。

技术实现要素：

针对以上存在的技术问题，本发明旨在解决变电站接地电阻与避雷器的在线监控问题，解决无线传输通讯问题、解决集中监控运行维护问题；提供一种基于物联网的实时接地防雷监测系统与监测方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于物联网的实时接地防雷监测系统，包括防雷接地监测装置和避雷器监测单元；

所述防雷接地监测装置，包括第一微处理器模块，大功率变频电流发生器、电流检测模块、电压检测模块、电压极、电流极、4g通讯模块、第一hmi显示及设置模块、zigbee通讯模块以及485通讯模块；第一微处理器模块与大功率变频电流发生器连接，所述大功率变频电流发生器包括电池、逆变桥、rc滤波电路、隔离变压器，所述电池连接逆变桥，逆变桥连接rc滤波电路，rc滤波电路连接隔离变压器，隔离变压器与接地网和电流极连接；在电流极返回端设置电流检测模块，电流检测模块的信号输出端经过滤波及调理电路连接至第一微处理器模块的a/d转换接口；所述电压检测模块与所述电压极连接，电压检测模块的信号输出端经过滤波及调理电路连接至第一微处理器模块的a/d转换接口；所述第一hmi显示及设置模块与第一微处理器模块相连，用于设置参数及显示信息；所述zigbee通讯模块与第一微处理器模块相连，用于与避雷器监测单元之间的zigbee通讯；所述485通讯模块与第一微处理器模块相连，第一微处理器模块通过485通讯模块与综保后台连接；所述4g通讯模块与第一微处理器模块相连，防雷接地监测装置通过4g通讯模块与云服务平台连接；

所述避雷器监测单元，包括检测器、第二微处理器模块以及zigbee通讯模块，所述检测器安装于避雷器下口与接地母排之间用于采集避雷器泄漏电流数据，检测器通过滤波及调理电路连接至第二微处理器模块的a/d转换接口；

避雷器监测单元的zigbee通讯模块与防雷接地监测装置的zigbee通讯模块通过zigbee网络连接，实现避雷器监测单元和防雷接地监测装置之间通讯。

在上述技术方案中，防雷接地监测装置与多套避雷器监测单元通过zigbee网络组网连接。

在上述技术方案中，所述避雷器监测单元的第二微处理器模块还连接有第二hmi显示及设置模块。

在上述技术方案中，避雷器监测单元的检测器采用穿心式电流互感器。

在上述技术方案中，第一微处理器模块与第二微处理器模块采用at89c51及其自带的io接口；zigbee通讯模块采用soc芯片cc2530f256；4g通讯模块采用sim7600ce芯片。

在上述技术方案中，电流极、电压极采用1.5米长紫铜棒，埋深不低于1米采用混凝土浇筑。

在上述技术方案中，电压极布置于0.618倍电流极与接地网距离附近位置。

所述基于物联网的实时接地防雷监测系统的接地电阻测定方法如下：

防雷接地监测装置的第一微处理器模块给定大功率变频电流发生器的频率值及电流值，电池直流电经逆变桥pwm脉宽调制生成固定频率的交流电流，经过rc滤波电路调理成正弦波，再经隔离变压器生成注入接地网的异频大电流，电流注入接地网并通过电流极返回，电流检测模块的检测电流经过滤波及调理后，输入至第一微处理器模块的a/d转换接口，经第一微处理器运算得出电流检测值，第一微处理器模块将给定值与该电流检测值进行比较，将差值作为逆变桥的电流负反馈输入值，通过电流负反馈控制将频率与电流值钳定为固定值ie；

电压检测模块检测的电压极的电压信号经过滤波及调理电路后，输入至第一微处理器模块的a/d转换接口，由第一微处理器模块运算出电压值u；计算出未校正的接地电阻值r测＝u/ie；

通过第三方接地电阻测量机构所检测的实际接地电阻值对本发明装置所测量的接地电阻进行第一次校正，校正值为δr1，将其通过第一hmi显示及设置模块输入到第一微处理器模块中，用于修正接地电阻阻值，经过校正值δr1修正后的接地电阻值为r’＝r测-δr1。

进一步的，系统运行后，云平台服务器存储有变电站及周边土壤电阻率、变电站运行情况、气候、土壤温度、湿度等参数变化情况，结合接地电阻历史数据情况对接地电阻进行第二次校正，得出电阻校正值δr2，并将电阻校正值δr2通过4g网络发送回防雷接地监测装置的第一微处理器模块，最终第一微处理器模块计算出修正后的接地电阻值r’＝r测-δr1-δr2。

进一步的，在检测接地电阻值r测时，第一微处理器模块给定至少两种不同频率值(例如48hz与52hz)的注入电流，然后分别测量每种频率值下的接地电阻阻值，再取均值得到r测，以减小工频干扰电流对测量结果的影响。

进一步的，在检测接地电阻值r测时，第一微处理器模块给定大功率变频电流发生器的电流值为100a～200a。

所述基于物联网的实时接地防雷监测系统的避雷器状态监测方法如下：

避雷器监测单元的检测器采集避雷器泄漏电流数据，采集的数据通过信号电缆引接至滤波及调理电路，然后输入至第二微处理器模块的a/d转换接口，经过第二微处理器处理分析并记录雷电极性、雷击峰值、雷击次数、泄漏电流有没有超标等信息，并通过与第二微处理器模块连接的第二hmi显示及设置模块实时显示；并且第二微处理器模块还会将以上避雷器状态信息通过zigbee网络传输至防雷接地监测装置。

本发明的优点和有益效果为：

1)通过变频、大电流电位降法进行接地电阻测量可有效避开噪声干扰提高测量准确性；

2)通过第三方检测校正与云计算校正方法、在提高精度的同时，可大大缩短电流极、电压极距离接地网的距离，方便工程实施；

3)可实现实时监测接地电阻及避雷器状态；

4)避雷器监测通过zigbee通讯自组网，方便日后维护、更换及系统升级；

5)智能化，通过监云服务平台超大计算能力不光可实现实时监控，并可实时行业大数据的比对与分析。

附图说明

图1为电流极布置对接地电阻的影响。

图2为电压极布置对接地电阻的影响。

图3为基于物联网的实时接地防雷监测系统框图。

图4为实时接地防雷监测装置结构图。

图5为变频电流发生器结构图。

图6为避雷器监测单元结构图。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

首先，以图1～2作为图示阐述检测接地电阻的原理及具体实施方法。图1为电压极与电流极的布置示意图，图2为不同电压极布置情况下的接地电阻值。根据《接地电阻测量导则gb/t17949.1-2000》，当电压极位于p1位置时，理论上存在一点a1使测量接地电阻等于真实接地电阻，但实际工程实施时，电压极的布置要远于电流极，当接地网较大时电压极与电流极甚至要布置于几千米之外，使施工难度巨大。同样，当电压极与电流极布置于接地网两侧时，电压极位于图1中的p2位置，理论上p2距离接地网越远测量接地电阻越接近真实接地电阻值，同样需要使电压极远离接地网，施工难度巨大。当电压极布置于接地网与电流极之间时理论上存在一点a2当电压极布置于此点时，测量接地电阻等于真实接地电阻，并且施工难度较小，此时：

ue＝reie+repip+recic(1)

up＝repie+rpip+rpcic(2)

uc＝recie+rpcip+rcic(3)

式中，ie、ip、ic为流入接地网、电压极、电流极的电流；re为接地网被测的接地电阻真实值；rp、re为电压极、电流极的自电阻；rep、rec、rpc、为接地网与电压极、接地网与电流极、电压极与电流极间的互阻，其中，测试电流由接地网流入大地，由电流极流出回到变频电流发生器。

流过电压极的电流极小，简化为ip＝0、ie＝-ic，同时忽略埋入土壤中金属物所转移的测试电流，式(1)、(2)、(3)可化简为：

ue＝reie-recie(4)

up＝repie-rpcie(5)

uc＝recie-rcie(6)

化简得：u＝ie(re+rpc-rep-rec)(7)

其中，u为电压测量值，r为电阻测量值，re为接地网被测的接地电阻真实值，因此，合理的配置电压极与电流极的位置可使：

rpc-rep-rec＝0(9)

如果电极周围土壤电阻率是均匀的，则互电阻与土壤电阻率成反比，若设α＝x/d，其中x为电压极与接地网的距离，d为电流极与接地网的距离,则：

式(9)可化简为：α²+α-1＝0，求解得α＝0.618，即存在一点，电压极布置于0.618倍的接地网与电流极间距离时，可使电阻测量值等于真实的接地电阻值。

以上的结论基于以下假设条件：忽略埋入土壤中其他金属物对注入电流的分流；电极周围的土壤电阻率是均匀的；忽略变电站及周围其他配电系统工频及谐波电流的干扰；接地网所处的环境温度及湿度不会有较大的变化。

考虑以上条件引起的误差，引入误差校正因子δr1与δr2，将接地电阻修正为r’：

r’＝r测-δr1-δr2(10)

由式(10)，为使测量电阻与真实接地电阻更加逼近，从提高r测精度角度，本发明采用变频、大电流法；从提高校正精度角度，本发明采用第三方检测校正与云计算校正方法。具体处理方法如下：

1、由于接地网尤其是大接地网的接地电阻较小，较小的干扰电流即可产生较大的误差，因此本发明采用大电流(100a～200a)注入法，可减小干扰电流对接地电阻测量的影响。

2、采用至少两种不同频率的注入电流，分别测量接地电阻，取均值从而减小工频干扰电流对测量结果的影响。

3、在新建变电站投运前，合理布置电流极位置，将电压极布置于0.618倍电流极与接地网距离附近位置；在变电站投运接地电阻验收时，通过第三方接地电阻测量机构所检测的实际接地电阻值对本发明装置所测量的接地电阻进行第一次校正，校正值为式(10)中的δr1。

4、在变电站投运后，云平台服务器存储有变电站及周边土壤电阻率、变电站运行情况、气候、土壤温度、湿度等参数变化情况，结合接地电阻历史数据情况对接地电阻进行第二次校正，校正值为式(10)中的δr2。

在具体实施时，电流极、电压极采用1.5米长紫铜棒，埋深不低于1米采用混凝土浇筑，为提高可实施性，电流极布置于较近的距离内(1.5～2倍的接地网对角线距离)，电压极布置于0.618倍电流极与接地网距离附近位置，电压极引线采用10mm²与铜芯铠装屏蔽电缆，电流极引线采用50mm²与铜芯铠装屏蔽电缆。

实施例二

如图3所示，本实施例提供了一种使用上述接地电阻检测方法的基于物联网的实时接地防雷监测系统，该系统包括防雷接地监测装置和避雷器监测单元两部分。

所述防雷接地监测装置，包括第一微处理器模块、大功率变频电流发生器、电流检测模块、电压检测模块、电流极、电压极、4g通讯模块、第一hmi显示及设置模块、zigbee通讯模块以及485通讯模块。

参见附图4和5，第一微处理器模块与大功率变频电流发生器连接，所述大功率变频电流发生器包括电池、逆变桥、rc滤波电路、隔离变压器，所述电池连接逆变桥，逆变桥连接rc滤波电路，rc滤波电路连接隔离变压器，隔离变压器与接地网连接点e和电流极c连接；具体工作时，图4中的第一微处理器模块给定大功率变频电流发生器的频率值及电流值，图5中电池直流电经逆变桥pwm脉宽调制生成固定频率的交流电流，经过rc滤波电路调理成正弦波，再经隔离变压器生成注入接地网的异频大电流，电流注入接地网并通过电流极返回，在电流极返回端设置电流检测模块，该电流检测模块的检测电流经过图4的滤波及调理电路后，输入至第一微处理器模块的a/d转换接口，经第一微处理器运算得出电流检测值，第一微处理器模块将给定值与该电流检测值进行比较，将差值作为图5中逆变桥的输入值(电流负反馈)，通过电流负反馈控制将频率与电流值钳定为固定值ie。

所述电压极接至图4的电压检测模块，电压检测模块检测的电压极的电压信号经过滤波及调理电路后，输入至第一微处理器模块的a/d转换接口，由第一微处理器模块运算出电压值u；最后根据式(8)即可计算出未校正的接地电阻值r测(r测＝u/ie)。

进一步的说，在检测接地电阻值r测时，第一微处理器模块给定至少两种不同频率值(例如48hz与52hz)的注入电流，然后分别测量每种频率值下的接地电阻阻值，再取均值得到r测，以减小工频干扰电流对测量结果的影响。

进一步的说，在检测接地电阻值r测时，第一微处理器模块给定大功率变频电流发生器的电流值为100a～200a。

所述4g通讯模块与第一微处理器模块相连，数据可通过4g网络发送至云服务平台，云平台服务器可充分利用气象、地质有关部门及互联网公布的本变电站地区的土壤温度、湿度等数据，可根据季节、环境情况对土壤电阻率进行计算修正，同时通过变电站测量电阻值的历史数据、环境参数、运行情况以及变电站周边电阻率等参数进行分析对比，最终得出电阻校正值δr2并将电阻校正值δr2通过4g网络发送回防雷接地监测装置的第一微处理器模块，第一微处理器模块调整接地电阻阻值(根据公式10)；进一步的，变电站投运前经第三方检测及验收单位所测量的δr1，通过第一hmi显示及设置模块输入到第一微处理器模块中，用于调整接地电阻阻值(根据公式10)，使测量电阻值更加逼近真实值。最终修正后的接地电阻值r’＝r测-δr1-δr2。

所述第一hmi显示及设置模块与第一微处理器模块相连，用于设置参数及显示信息。

所述zigbee通讯模块与第一微处理器模块相连，用于与避雷器监测单元之间的zigbee通讯。

所述485通讯模块与第一微处理器模块相连，第一微处理器模块通过485通讯模块与综保后台(综合保护后台系统)连接。

参见附图6，所述避雷器监测单元，包括检测器、滤波及调理电路、第二微处理器模块、第二hmi显示及设置模块以及zigbee通讯模块，所述检测器采用穿心式电流互感器，安装于避雷器下口与接地母排之间用于采集避雷器泄漏电流数据，通过信号电缆引接至滤波及调理电路，然后输入至第二微处理器模块的a/d转换接口，经过第二微处理器处理分析并记录雷电极性、雷击峰值、雷击次数、泄漏电流有没有超标等信息，并通过与第二微处理器模块连接的第二hmi显示及设置模块实时显示；所述zigbee通讯模块与第二微处理器模块连接，利用避雷器监测单元的zigbee通讯模块与图4中防雷接地监测装置的zigbee通讯模块进行通讯，实现将以上避雷器状态信息传输至防雷接地监测装置。

进一步的，在一个变电站工程中，有多套避雷器监测单元，其通过zigbee通讯模块实现无线通讯及自组网。

本发明可通过第一hmi显示及设置单元实时显示接地电阻阻值以及避雷器监测单元传送过来的各个避雷器的状态信息，当不满足要求时，以声光形式进行报警(防雷接地监测装置的第一微处理器模块还连接有报警器)；同时防雷接地监测装置还会通过485通讯模块将监测信息和报警信息发送给变电站的综合保护后台系统。

本发明云服务平台部分主要由防火墙、应用管理服务器、数据库服务器、web服务器组成及移动终端组成。

系统运行后，防雷接地监测装置通过其4g通讯模块与云服务平台通讯，将检测到的接地电阻及避雷器状态信息定时发送给云平台服务器，同时，云服务平台将变电站接地电阻数据进行大数据分析，定期对接地电阻测量值进行修正，当接地电阻不符合要求或避雷器有老化、损坏等故障时，云服务平台将报警数据发送至运行管理人员手机等移动终端，同时移动终端可对接地电阻及避雷器状态实时监测显示。

实施例三

在实施例二的基础上，进一步的说，图4的第一微处理器模块与图6的第二微处理器模块采用at89c51及其自带的io接口。zigbee通讯模块采用soc芯片cc2530f256，同时，结合at89c51mcu内核并集成的板载pcb天线。4g芯片采用sim7600ce。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。