供電系統改造對靜樂地震臺前兆觀測數據的影響分析

郭 宇，程冬焱，劉金柱，劉俊芳，郭寶仁

(1.山西省地震局定襄地震臺，山西 定襄 035403；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震前兆臺站要想更好地為地震預報服務，必須產出準確、可靠的第一手觀測資料。其中，儀器的穩定運行是基礎，必須保證供電系統的正常運行。靜樂地震觀測臺(以下簡稱靜樂臺)為無人值守臺，一直采用“市電+UPS”的供電模式。由于交流供電為農電，運行質量較差，停電頻繁，電壓波動大。尤其是長時間停電后，蓄電池電量不足，整個臺站所有設備全部癱瘓，造成觀測資料中斷，數據丟失，其損失是無法挽回的[1]。為解決上述問題，臺站于2016年11月安裝太陽能供電系統[2]。太陽能供電系統全部為直流供電，電壓比較穩定，到目前儀器運行狀態良好。現將靜樂臺改造前后兩種不同的供電模式進行對比分析，進而選出一種較好的供電模式。

1 測點概況

靜樂臺位于靜樂縣娘子神鄉黑漢溝村以西2 km處，井區在東碾河南岸，東碾河屬黃河流域汾河水系。井區冬季長而寒冷，夏季短而炎熱，氣候干燥，氣溫多變，年平均氣溫7 ℃，最低溫1月零下9 ℃，最高溫7月21 ℃左右。年降水量450～500 mm，無霜期135～145 d，年雷暴日在40 d以上,屬高雷區。

2007年靜樂臺觀測項目進行數字化技術改造，架設交流電線路，新建避雷系統，新增數字化水位、水溫觀測。供電系統模式為“市電+UPS”，由附近村莊接入交流供電，明桿架設，總長度300 m，設置專用配電箱、漏電保護器及2級電源避雷防護。觀測系統構成如圖1所示。

圖1 市電+UPS觀測系統構成圖Fig.1 Composition of the city electricity +UPS

2016年11月臺站改造為太陽能供電系統，在觀測室頂部安裝10塊太陽能板，設計功率1 000 W，觀測室內放置一套太陽能控制器和6塊蓄電池。觀測系統構成圖如第50頁圖2所示。供電方式為日間太陽能板通過太陽能控制器給所有設備供電，同時給蓄電池充電；夜間蓄電池通過太陽能控制器給所有設備進行供電。

2 改造前后對比分析

2.1 運行穩定性

供電系統正常工作是儀器穩定運行的基礎，停電及電源故障都有可能造成儀器斷記并產生干擾數據，交直流切換等電源不穩也可造成數據產生單點突跳[3](見第50頁圖3)。現統計“市電+UPS”(2016年1月至10月)和“太陽能供電”(2017年1月至10月)兩種供電模式下各測項原始缺記及數據受電源干擾的情況(見第50頁表1)。

表1 不同供電系統下受電源影響情況統計表Table 1 Influence of power under different power supply systems

圖2 太陽能供電觀測系統構成圖Fig.2 Composition of the solar power supply observation system

圖3 靜樂水位分鐘值曲線圖Fig.3 Minute value of water level in Jingle

從表中看出，供電系統改造前因供電原因造成的原始缺測及受干擾影響較多(次數多、時間長)，改造后則較少(次數少、時間短)，尤其是因電源不穩造成的單點突跳明顯減少(由77次銳減為7次)。 分析認為，改造前測點經常長時間停電，UPS電瓶電量無法滿足儀器消耗，造成斷記，恢復供電后一定時間內會因電流沖擊影響儀器的觀測數據。太陽能供電系統改造后，基本減少了因供電不足造成儀器斷記及數據干擾，提供的直流電比較穩定，使系統運行穩定性得到明顯改善。但現階段太陽能供電系統蓄電池數量較少，續航存在一定的問題。

2.2 雷電影響

2.2.1 雷電災害

靜樂屬于高雷區，年雷暴日達40 d以上，經常發生臺站儀器設備遭雷擊事件，影響臺站的正常運行。其形式主要表現為感應雷、雷擊附近大地和建筑物、交流供電線路或空中雷電感應形成的沖擊電壓，通過與之相連的電源線、信號傳輸線或接地系統，侵入電子設備造成嚴重的干擾或事故。其中電源線路是引雷的主要因素之一。據統計，由供電線路引入的雷電對儀器設備的損壞率約占70%～80%[4]。

改造之前，靜樂供電線路是在戶外架空明線，雷電感應的高電壓極易沿供電線路進入臺站，造成儀器設備的損壞。統計了靜樂臺供電系統改造前后雷害影響情況如表2所示。可以看出，在供電系統改造后，各測項均未出現雷擊現象，說明太陽能直流供電能很好地解決原交流供電易受到雷害影響的問題。

表2 靜樂臺供電系統改造前后雷害影響統計Table 2 Impact of lightning damage before and after renovation of power supply system at Jingle station

2.2.2 雷電干擾

雷電干擾分布廣泛，理論上只要有雷電天氣的地方，就會存在雷電干擾[5]。在長期的觀測中發現，靜樂水位雷電干擾主要表現為數據不同幅度的波動、臺階；水溫則為數據的突跳。供電系統改造前后的水位、水溫受雷電干擾的分鐘值曲線分別如第51頁圖4、圖5所示。可以看出，兩種供電模式下，水位、水溫受雷電干擾形態基本一致，說明與供電系統無關。

圖4 改造前靜樂水位、水溫分鐘值曲線圖Fig.4 Minute value of water level and water temperature before renovation

圖5 改造后靜樂水位、水溫分鐘值曲線圖Fig.5 Minute value of water level and water temperature after renovation

2.3 內在質量

判斷數據觀測質量好壞的一個重要指標是數據的內在質量(依據《地下流體評分標準》)，數字化水位的內在質量主要從潮汐因子和觀測精度兩方面來體現。數字化水溫的內在質量主要從一階差分標準差和超標個數來體現[5]。供電系統改造前后靜樂水位同期對比曲線如圖6所示。表3和表4分別列出靜樂水位及水溫供電系統改造前后內在質量統計結果。

從圖6看出，供電系統改造后數據曲線毛刺明顯減少，曲線更為光滑，數據質量得到改善；表3表明，2016和2017年水位同期潮汐因子基本無太大變化，觀測精度2017年明顯低于2016年，內在質量明顯提升；由表4看出，2016和2017年水溫同期整點值一階差分標準差(σ)基本無太大變化，均低于0.001 ℃，超標個數也無明顯差別，說明供電系統的改造對靜樂水溫數據內在質量無影響。

圖6 靜樂水位1月1-5日預處理同期對比曲線圖Fig.6 Comparison of the water level from January 1 to January 5

月份2016年2017年潮汐因子觀測精度得分潮汐因子觀測精度得分10.284 60.057 722.260.247 00.045 322.8620.313 60.064 921.920.251 90.044 222.9230.264 00.096 920.290.270 20.037 923.2440.313 60.090 920.610.279 20.036 323.3250.301 00.073 221.490.233 90.046 522.7960.284 20.057 822.250.257 60.054 022.4370.272 70.067 121.780.279 90.049 622.6680.235 90.069 621.640.267 10.037 623.2590.238 20.049 722.630.248 80.035 923.33100.267 00.045 422.860.255 50.038 123.22備注當觀測精度<0.01時,得20分,每增大0.01扣0.5分; 當觀測精度<0.4時,潮汐因子≥1.00,得5分,每降低0.1扣0.05分。

表4 靜樂水溫內在質量統計表Table 4 Internal quality statistics of water temperature in Jingle

3 結論與建議

靜樂臺在太陽能直流供電系統改造后，以下幾方面得到明顯改善。

(1) 儀器穩定性。一方面解決了之前農電長時間停電造成整個觀測系統癱瘓的問題；另一方面直流供電更穩定，電源不穩造成的干擾明顯減少。

(2) 較好地解決交流供電易受雷害影響的問題，保障了觀測系統的正常運行。

(3) 數據內在質量明顯提升。

蓄電池組是太陽能直流供電系統的保障，應配備足量的蓄電池，保證續航時間；定期檢查太陽能供電系統主要部件的工作狀態，配置備用件，出現故障可及時更換。