防雷裝置在線監測平臺的設計實現

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雷電具有強大的電流、熾熱的高溫、強烈的電磁輻射以及猛烈的沖擊波，具有巨大的破壞作用［１］，是“聯合國減災十年”公布的影響人類活動的嚴重災害之一［２］。廣東省各地基本全年均有雷暴發生［３］，防雷安全需求巨大。雷電防護裝置（簡稱“防雷裝置”）人工檢測人力成本高，且檢測周期長，無法做到實時監測［４］，不能及時發現防雷裝置出現的問題［５］，已無法滿足日益增長的防雷安全要求。隨著科技進步，社會進入萬物互聯的時代，防雷裝置在線監測技術作為智能防雷體系的關鍵技術之一［６］，通過對防雷裝置系統進行科學、準確的實時監測，結合數據統計分析功能，及時發現防雷裝置存在隱患問題，促進更好地做好防雷安全工作［７］。

１系統設計

１．１總體結構設計防雷裝置在線監測平臺由監測設備硬件系統和監測平臺軟件系統等組成。硬件系統包括數據采集設備、通訊網關設備、平臺運行服務器等；平臺軟件系統為支持Ｗｅｂ端訪問的應用程序。各數據采集設備實現對不同參數的計算采集，然后將采集的數據通過網關設備傳輸到監測平臺軟件系統。平臺軟件系統主要分為數據層和應用層，數據層主要完成數據的接收、數據解析、數據緩存和數據存儲；應用層主要完成數據的可視化展示、對比統計分析、告警管理、設備管理和用戶管理等功能。

１．２在線監測平臺設計１）參數測量原理。不同類型設備的數據測量原理各不相同，主要參數測量原理如下：

（１）接地電阻測量。接地電阻的采集基本原理與傳統人工檢測相同，采用直線三級法布設測量地極，采用恒流源電流測量法。數據采集器在電流極Ｃ和被測地Ｅ之間加上一個恒定電流Ａ，測量被測地Ｅ和電壓極Ｐ之間的電壓Ｕ，利用歐姆定律計算得到被測地Ｅ的接地電阻值。為抑制工頻干擾，通常采用明顯不同于５０Ｈｚ的交流電源進行測量。

（２）ＳＰＤ漏電流測量。與人工檢測采用０．７５倍直流參考電壓的測試方法［８］不同，ＳＰＤ在線監測是對正常工作狀態下的ＳＰＤ接地線中的電流進行測量，它能直接反映ＳＰＤ的實際運行狀態。測量采用零序微安級電流互感器，穿過傳感器的磁通量變化會引起相應的電流變化，經過整流及放大電路，將微小的電流信號線性轉換為電壓信號，微控制單元（ＭＣＵ）采集電壓信號，再換算成微安級電流。

（３）雷電流測量。羅氏線圈是雷電流參數測量的核心元件，可對雷電流峰值和能量進行還原［９］，測量原理是法拉第電磁感應定律和安培環路定律，當被測電流通過羅氏線圈時，由于線圈互感系數Ｍ為定值，線圈的輸出電壓與電流變化速率ｄｉ／ｄｔ成正比。雷電流參數測量模塊電路由羅氏線圈、電壓比較器、信號采樣單元、積分放大單元、峰值保持電路、數字化轉換處理單元組成。由于羅氏線圈感應出的電壓很小，首先要加一個反相積分電路進行放大，接著要對感應電壓進行積分，這是一個非常重要的環節，一方面通過積分便于測量微小的感應電壓量；另一方面，電容可以過濾掉不必要的干擾。通過對羅氏線圈感應電壓的放大和積分處理，可還原出所測量的交流電流。電壓比較器的作用是控制采樣時間，比較器設置一個采樣閾值，當感應電壓值大于該閾值時，開始采樣，感應電壓值小于該閾值時停止采樣。為取得較好采樣效果，采樣時間間隔應該在１～４μｓ之間。雷電流峰值的測量通過峰值保持電路（圖３）實現，可以得到最大值感應電壓值，從而計算得到雷電流的最大值。２）功能模塊設計。

（１）設備管理。設備管理模塊主要功能是實現設備管理、設備接入及數據解析。①設備管理。由設備類型管理和設備實例管理兩部分功能實現。設備類型管理功能是實現設備功能屬性配置和動態調整。設備實例管理功能是在平臺中創建實現與實際監測設備一一對應的設備實例，可以進行停止、啟用等管理。該平臺將同屬于同一個防雷裝置系統的在線監測設備，歸到同一個場所管理，因此，在平臺上展示的是一個個雷電防護綜合系統的在線監測。②設備接入及數據解析。設備接入在線監測平臺的關鍵是根據設備的通訊協議和數據格式，通過在平臺Ｗｅｂ端的二次開發實現不同設備的功能屬性、數據解析、登錄協議、數據分包等配置內容，實現平臺與設備連接、數據解析和交互控制等功能。

（２）防雷裝置綜合監測。防雷裝置的在線監測包含外部防雷裝置監測和內部防雷裝置監測，是一個綜合監測系統。主要監測內容有：①接地裝置監測。監測參數包括接地裝置的接地電阻、地電壓等。接地電阻的大小能反映泄放雷電流的快慢程度；地電壓能有效監測地網存在漏電流情況，有助于發現雷擊和漏電情況。②電涌保護器（ＳＰＤ）監測。ＳＰＤ監測的參數包括：對地漏電流、遙信狀態、斷路器狀態、溫度（溫升）、報警輸出、相電壓、環境參數等等。其中，對地漏電流參數是判斷ＳＰＤ劣化損壞的關鍵指標。通過對漏電流大小可以初步判斷ＳＰＤ是否正常運行，通過漏電流平均值的趨勢變化可以進行ＳＰＤ的劣化預警。空氣開關或斷路器狀態，可以判斷ＳＰＤ是否接入電路進而起到保護作用；由于ＳＰＤ的劣化和損壞大部分都會出現溫度升高的情況，因此關注ＳＰＤ的溫度變化有助于提前發現ＳＰＤ的異常狀態。③接閃器監測。主要監測參數有接地電阻、雷電流參數。接閃器的接地電阻能夠表征從接閃器到引下線再到接地裝置的電氣貫連通情況和泄放電流能力。雷電流監測參數包括雷電流極性、峰值、能量、波頭時間、半峰時間等，這對雷電防護研究、雷擊事故分析有一定幫助［１０］。

（３）數據展示與查詢統計。①基于ＧＩＳ的數據展示。該平臺以ＧＩＳ地圖作為可視化依托，根據設備經緯度信息將設備和數據在地圖上的進行直觀展示，并可通過點擊跳轉到相應數據表格或曲線圖等展示界面。②查詢與統計。該平臺除了常規的條件查詢，還對監測數據、告警信息進行多維度數據統計與分析，結合柱狀圖、餅狀圖、數據表格等多種方式展現。統計內容有地電壓非零次數、接地電阻的年平均值和波動幅度、雷電流峰值平均值、雷擊次數、空氣開關斷開次數、接地狀態異常等。（４）告警管理。告警管理功能通過設置告警規則，當監測設備或監測平臺出現異常情況時自動發出告警信息。通過監測登錄信息、終端實時數據上報信息、心跳包信息等內容監測設備及平臺的異常狀態；通過設置防雷裝置監測數據的告警閾值，可以實現對防雷裝置異常狀態的監測告警。

２關鍵技術

２．１開發工具為保證可移植性和可擴展性，平臺嚴格按照Ｊ２ＥＥ規范進行純ＪＡＶＡ語言開發。前端開發工具采用ＶｉｓｕａｌｓｔｕｄｉｏＣｏｄｅ，具有插件豐富、簡潔高效的特點。后端開發工具使用ＩｎｔｅｌｌｉＪＩＤＥＡ，其主要優點有３個：（１）對Ｇｉｔ、Ｍａｖｅｎ、Ｓｐｒｉｎｇ具有良好的支持整合，其中Ｍａｖｅｎ用來構建項目，Ｇｉｔ用來管理項目代碼，并采用分模塊的方式基于ＳｐｒｉｎｇＢｏｏｔ框架進行技術整合；（２）調試功能快捷強大；（３）前端使用簡潔高效；這些特點都大大提高項目管理和開發效率。

２．２開發技術為保證在線監測平臺的兼容性和系統性能，采用多種先進的開發技術與設計方法，關鍵開發技術有５個方面。１）多線程Ｒｅａｃｔｏｒ設計模式（Ｒｅａｔｏｒ＋Ｅｐｏｌｌ的設計模式）。ＴＣＰ服務器采用多線程Ｒｅａｃｔｏｒ模式設計。它是基于非阻塞ＩＯ和ＩＯ多路復用的處理模式，是一種典型的事件驅動的編程模型。Ｒｅａｃｔｏｒ逆置了程序處理的流程，其基本的思想將對于ＩＯ的處理轉化為對事件的處理。事件分發器捕獲ＩＯ就緒事件，然后將就緒事件分發到對應的事件處理器，由處理器完成實際的ＩＯ操作。Ｅｐｏｌｌ函數通過一個事件表直接管理用戶感興趣的事件，采用回調的方式檢測就緒的事件，ｅｐｏｌｌ＿ｗａｉｔ函數的的參數ｅｖｅｎｔ用來反饋就緒的事件。通過ＩＯ復用引入ｅｐｏｌｌ函數對忙監聽客戶端的接入，不需要主程序阻塞著去監聽事件，大大提高ＣＰＵ的使用率。２）ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ重定向技術。ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ是物聯網通信的后端，用于實現設備端和服務器之間的連接。平臺使設備端服務與Ｗｅｂ端服務程序分離，以實現“高內聚、低耦合”的設計，確保ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ高效處理數據上傳。同時，通過ＩｏＴＳｅｒｖｅｒ采用Ｒｅａｃｔｏｒ設計模式，利用代理轉發功能進行負載均衡，通過配置ｆａｉｒ策略，可以智能地根據后端服務器的響應時間來分配請求，以實現多個服務器之間負載均衡。３）數據緩存技術。（１）為滿足頻繁訪問的業務數據，采用一級緩存和二級緩存的策略，對上一次的訪問結果進行緩存，同時對緩存設定有效期，避免出現緩存數據過多的問題；（２）對于實時性非常高的熱點數據，采用ｒｅｄｉｓ內存數據庫做數據緩存，將當前的登錄信息、設備影子數據等熱點數據保存在ｒｅｄｉｓ中，由此，Ｗｅｂ端不需要經常直接訪問ＭｙＳＱＬ數據庫，大大提高數據查詢系統運行效率。４）系統二次開發擴展。該平臺支持二次開發，使用ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ語言，支持ＥＣＭＡＳｃｒｉｐｔ５．１規范，通過編寫ＪＳ腳本，將設備登錄、實時上報數據解析出檢測數據值，并按平臺的標準格式存儲到數據庫中?？梢詫崿F將不同廠商、不同類型的設備接入到本平臺中，大大提高了平臺對監測設備的兼容性，也使平臺對硬件的升級可快速調整，提高系統的可用性。５）其他技術。安全性方面，該平臺從應用安全、數據安全、主機安全和網絡安全４個方面進行設計，采用身份鑒別、訪問控制、安全審計、剩余信息保護、通信完整性、通信保密性、抗抵賴、軟件容錯、資源控制、數據備份和回復、代碼安全等多種安全技術，保證了平臺的安全性。高性能方面，平臺采用差異化硬件配置、服務器分級策略、數據緩存技術、索引技術、數據庫分表分庫、前后端分離技術、分布式架構等先進技術，多方面保證平臺運行穩定高效。

３系統使用效果

３．１系統運行效果該平臺自２０２０年８月在韶關新豐、河源紫金、惠州龍門的氣象觀測場安裝防雷裝置在線監測設備并在平臺上線以來，平臺運行流暢、安全、穩定。

３．２系統應用效果防雷裝置在線監測平臺上線以來，取得良好應用效果。主要體現在以下幾個方面：（１）為更好做好防雷安全工作提供的技術保障。平臺已經為部分普通建筑物、氣象觀測場、通信鐵塔等場所提供在線監測服務，實現防雷裝置運行狀態和主要性能參數的３６５×２４ｈ實時監測，多次及時發現空氣開關斷開、設備斷電等異常狀態，為防雷安全工作提供技術保障。（２）已經有多家設備廠商設備接入該平臺，共同推動防雷裝置在線監測技術的健康高質量發展。（３）平臺實現的分鐘級監測數據，已嘗試應用于雷電科學研究。該平臺實現了對防雷裝置系統的綜合實時監測，同時具備設備管理、告警管理、統計分析等重要功能，在防雷裝置在線監測領域處于國內領先水平。其設計理念、設計策略和開發技術，為防雷裝置在線監測技術發展乃至智能防雷技術發展提供了有價值的參考。

參考文獻：

［１］陳紹東，陳綠文，杜賽，等．廣東省中部地區雷暴團特征的初步分析［Ｊ］．廣東氣象，２０２１，４３（５）：２８－３１．

［２］劉世宇，高攀亮．新型雷電防護在線監測系統的研究與應用［Ｊ］．儀器儀表用戶，２０１９（２６）：２７－３２．

［３］毛慧琴，宋麗莉，劉愛君，等．廣東省雷暴天氣氣候特征分析［Ｊ］．廣東氣象，２００５，２７（２）：７－９．

［４］羅志勇，于明洋，許暉．電源ＳＰＤ在線接地狀態監測路徑與方法的研究［Ｊ］．價值工程，２０１９，３８（１７）：１９５－１９８．

作者:周文生 戴巍 陳紹東 許銳文 劉三梅 葉澤文 陳子君 單位:廣東省氣候中心 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所