作者：胡旻（陕西省突发事件预警信息发布中心）
摘要：为解决现有电力系统中雷电数据安全存储、快速计算等方面的技术瓶颈，创建了基于云计算和互联网的智能雷电防御系统，从 3 个层次具体介绍了系统的平台架构，详细阐述了系统的硬件设计和软件设计，最后总结了系统的应用价值。此平台重点为防雷安全各行业的数据应用和共享，应用到特殊高建筑物中，能够为研究雷电科学提供雷电流特征等数据，提高社会性防雷减灾工作的效率。
全文发表在《设备监理》2023.2
雷电监测技术为雷电科学研究中的重点，雷电监测系统在雷电防护和检测中具有重要作用。在雷电监测系统研究中存在大型雷电检测场，但成本比较高。闪电定位网定位方法是以实际经验估计或者探测资料实现统计分析，主观性比较大。一般监测系统只能够对雷电次数单一记录，无法对强度进行测量，影响了雷电科学研究。相关研究设计了大型罗氏线圈对建筑物监测的雷电流监测系统，但是罗氏线圈体积比较大，无法实际操作 [1]。
1 系统的平台架构
本文所设计的智能雷电防御系统是以现有定位系统为基础，合理使用雷电探测站设计。雷电云平台能够在计算分析中心发送实时监测数据，对雷电数据进行计算。创建的雷电云平台是以互联网为基础，以软件方式将事故诊断、预警预报、实况监测等信息提供给用户。图 1 为雷电云平台架构，包括基础设施层、应用软件层和平台支撑层 [2]。
1.1 基础设施层
通过虚拟化技术转变物力资源，对资源管理进行优化，使硬件资源使用率得到提高。主要包括：1) 物理设备，包括服务器、存储设备、网络资源等；2）虚拟化部署，利用开源软件转变物理设备为虚拟资源池；3）集成设备，对存储、硬件等资源池进行管理，还能够提供资源监控、负载均衡和虚拟管理等服务[3]。
1.2 平台支撑层
支撑层能够对数据进行存储、收集、计算等，将软件资源为中心创建易用平台，为系统提供支撑服务。为了提高平台安全性、易用性和通用性，所创建的平台支撑层主要包括资源层、采集层、应用层、存储层等。利用互联网实现雷电云平台的创建，整合核心通用技术资源为服务平台，从而促进软件的开发 [4]。
1.3 应用软件层
应用软件层是将平台支撑层为基础的软件，能够实现实况监测、事故诊断、预警预报等功能，使用面向服务的体系结构进行访问。另外，在运营模式方面，能够使用户通过租用方式根据实际需求得到防雷应用服务，使防雷应用成本得到降低 [5]。
2 系统的详细设计
2.1 硬件设计
1）主控芯片设计。主控芯片使用 STM32F103 微控制器，主要特点为实时性、低功耗和高性能，主要包括 80 个 I/O 接口，还具备 3 种低功耗模式。使用此微控制器能够使外围模块降低，使系统稳定性得到提高，还能够将微控制器进入低功耗模式中，使系统功能降低。
2）雷电信号采集。通过罗氏线圈和分流器采集雷电信号，罗氏线圈的主要优势为：测量线圈自身和被测电流回路并没有电联系，利用电磁场耦合和主回路实现电气绝缘。另外，测量范围比较宽，频率为0.1 ～ 100MHz，方便数字量输出。输出雷电电流为 0 ～ 3.5 A，假如采样电阻为 1Ω 的精密电流，那么采样电压为 0 ～ 3.5 V，使雷电测量需求得到满足。图 2 为雷电信号采集模块的电路，前端利用合理设计罗氏线圈采样收集雷电流，利用防电流过大的保护电阻和滤波电路、整流电路，使电流转变为主流，之后通过精密电阻得出雷电电压量。滤波电路使用一个铁芯电感和2个电容构成滤波电路，此种类型电路具有较强的电路适应性，对于整流管具有比较小的冲击电流，输出电流平滑 [6]。
DVcc- 电压差动电流传输器；INT- 输入电路；GND-电线接地端
因为此采集信号装置在雷电环境中设置，为了对电路进行保护，要隔离光耦。使用高性能 HCNR201线性光耦，实现光电隔离转换电路。收集的电压信号分为两路利用光耦在微控制器中传输，一路在有雷电电压的时候使输出一个下降沿，使微控制器中断触发，微控制器工作，其他时间都是在低功耗状态中，使系统功耗得到降低。
3）存储模块。本文系统中的微控制器集成安全数字输入输出（SDIO）通信接口，使用方便。所以，本文设计中的底层驱动存储（SD）卡方式为SDIO 模式。在对 SD卡驱动时，首先要初始化 SDIO，之后实现SD卡初始化和上电识别，随意利用读写函数读写SD 卡。
4）上位机通信。因为系统在设计后是在雷电环境中应用，所以要使用可靠的通信方式。RS485 通信技术使用差分方式和平衡式方式得到数据接收和发送，实现 2 条电缆传输。所以，此总线为工业运用中数据传输的重点。在通信电路中使用防雷手段，图3 为上位机通信电路。使用字节生态（TUB）技术，在大电压通过AB处进入的时候，TUB 在1ub 内将电路断开，TUB 之后的残余电压利用瞬态二极管（TVS）引入大地中，TUB 前端残余电压利用气体放电管引入大地，避免影响通信电路，对通信电路进行保护。RS485通过防雷保护输出信号在个人计算机（PC）上位机接入前转变为TS232通信方式，利用串口接入PC 上位机，实现 PC 上位机和微控制器的通信[7]。
RXD- 接收端；VCC- 模拟电源；RO- 外电路电阻；DI- 数字开关量输入；FDG- 放电管；COMA- 互补金属氧化物半导体；COMB- 组合逻辑回路
2.2 软件设计
1）雷电临近预警模块。系统在接收雷电预警信息后实现预警信息的发送，和自动升降杆结合实现主动防御，在宽带接入服务器（BAS）系统中实现预警信息的上传，根据运营部门启动雷电防护预案。在对一级预警信息接收之后，计算机终端能够在BAS 系统中实现预警信息的传输，通知运营部门进入预警，重视雷电预警状态。在对二级预警信息接收后，计算机终端能够在 BAS 系统中实现预警信息的上传，输出控制信号，控制自动升降杆，利用独立地网和引下线实现雷电的主动预防，使雷电流定向外放，避免雷电流出现入侵和反击。另外，计算机终端能够上传预警信息，通知运营部门设置雷电预警预案，通知户外作业人员并撤离，避免出现威胁。运营人员要重视雷电预警状态，使预警解除后输出控制信号，对自动升降接闪器装置进行控制，进一步降低接闪器，使动作得到实现。
在对三级预警信号接收后，计算机终端能够输出控制信号，使重要负荷切换自备电源，切断外电网和负荷的联系，避免雷电入侵。在接触预警后对信号输出进行控制，利用重要负荷对控制装置切换，在外网中接入重要负荷后，使系统能够正常运行。
2）自动升降接闪器模块。此模块接收二级和三级防雷预警时，将接闪器自动升起，利用独立、专用的引下线连接电流，实现雷电的主动防护。在接触防雷指令之后，使接闪器降低。自动升降接闪器装置设置到系统中，根据实际需求进行设置，常在建筑物边缘设置，从而实现良好防雷效果，还能够重视建筑物整体外观，避免使建筑物美观程度受到影响。
3）后备保护模块。系统回路前端串联电流保护装置，避免因为回路异常造成地漏流增加导致人员伤亡。设置专用后备保护装置能够保证雷电通过时没有出现误动作，从而使防雷持续有效。如果线路出现暂态过电压或者工频电流的时候要速断，避免起火。装备实现遥信开关的设置，系统能够对每路装置工作位置进行查询，出现变位之后输出告警信号，系统在监控界面中自动切换，还能够记录报警事件，及时上传系统并且告知运营部门。
4）重要负荷切换模块。利用控制程序与可编程逻辑控制器（PLC）设计重要负荷切换模块，利用计算机终端与 RS485 总线连接。在计算机终端根据雷电预警级别实现重要负荷切换指令的发送，通过PLC 输出节点切换电源。双电源切换装置能够切换自备电源，自备电源能够对不间断电源（UPS）和快速发电机进行保护，使重要负荷与外网断开，对负荷设备与系统安全性进行保证。在雷电预警解除后，重要负荷切换控制装置操作相反，在电网系统中接入重要负荷，使正常运行恢复。
3 系统的应用价值
3.1 防雷业务综合化
对比现有雷电定位系统，此平台功能转变为事前预警、事中监控和事后评估等全方位业务，能够实现一平台多应用的防雷服务模式。系统从已有防雷业务实现普适性应用开发，从而以更加完整、全面的方式实现雷电全过程风险管控。
3.2 计算处理高效率
全国雷电监测网在雷暴期间每小时所产生的数据有上万条，传统雷电定位系统的计算能力有限，会导致数据出现丢失的问题，所以，要通过后续数据的补齐得出精准雷电定位数据。对于已经创建好的编程计算模型与虚拟化设备，满足雷电数据的实时计算需求。其次，通过单一容量架构设计雷电定位系统，无法实现大规模数据的高并发访问，雷电云平台是将 Nginx代理服务器集群进行软件均衡负载，促进大规模的用户集中访问。
3.3 数据服务开放化
系统除了能够向传统电力信息内网用户提供防雷服务，还能够基于信息安全的内外网隔离装置使用安全、共享、开放的模式对多行业用户提供防雷综合应用服务和雷电数据。雷电数据在信息外网中部署，针对被防护设备的数据实现脱敏、偏移等处理，使全社会各行业防雷应用需求得到满足。
4 结束语
在人工智能技术和通信技术不断发展的过程中，5G 移动通信技术已经在各行业中应用，北斗导航系统的设计使物联网技术引领防雷技术转变为智能化防雷模式。流程工业现场出现泄漏、闪爆和火灾爆炸的危险，为了保证人们生命财产安全和社会安定，要基于智能技术的发展，使传统防雷防静电模式的问题得到解决，而智能化预警控制系统已经逐渐成为防雷的主要选择。
参考文献
[1] 王斌,李鸿飞,许少蔚.人工智能技术在通信安全防御系统中的应用与研究[J].电子测试, 2022(01):125-127.
[2] 刘云香.基于大数据及人工智能技术的计算机网络安全防御系统设计 [J].数码设计（下）, 2020,9(06):10-11.
[3] 钟国梁,蔡思婕,李帅杰，等.基于云计算的智能交通信息采集系统设计与实现 [J].电脑知识与技术, 2022,18(04):1-6.
[4] 张文聪,姚奕,郑潇,等.基于云计算的智能装备远程运维管控系统设计 [J].科技创新与应用, 2021,11(28):54-56.
[5] 钟建栩,余少锋,廖崇阳，等.基于云计算的电力设备智能监测系统 [J].云南师范大学学报 (自然科学版 ), 2022,42(03):37-41.
[6] 李宁,蒋宁宁.基于云计算的大数据智能运维系统设计 [J].数字技术与应用, 2020,38(10):134-135.
[7] 李远.基于大数据的云计算中心智能运维系统的应用[J].电力设备管理, 2021(08):37-38+41.
自然界中的雷电不可能消失
人类对技术进步的向往和冲动也不可能终止
技术进步带来的潜在威胁
只能靠技术的继续进步来解决