提升臺站供電持續性的方法研究

林航毅 裴 曉 王 鵬 劉 菲 王仁濤

1）中國上海 200062 上海市地震局

2）中國上海 200062 上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站

0 引言

上海地震臺的測震臺站經過多次改造，整體的運行能力大幅度提升。但在智能供電能力方面，依舊有所欠缺，即電源系統一旦發生故障，少則幾個小時，多則十幾個小時才能修復，這嚴重影響了數據的連續性和系統的運行率。

目前，對于測震臺站的監控水平仍停留在較初級的階段，遠未達到預期水平，有待進一步發展和完善（劉永剛等，2009）。例如，橫湖地震臺的某次電源故障，通信隨之中斷導致運維人員無法獲得臺站的的監控信息，遠程無法及時判斷是光纜問題還是臺站電源問題，最終嚴重影響了搶修速度。又如，天平山地震臺的某次故障，運維人員調用天平山地震臺遠程監控信息時，遠程監控卻因電源問題無法正常工作。綜上所述，如果電源設備具有自修復功能的話，那么運維人員不僅可以及時獲得臺站的監控信息，同時還可以大大減少斷記的時間。為此，我們在臺站電源自修復功能方面開展了研究及應用，取得了較顯著的效果。

1 工作原理

研發的臺站電源系統原理如圖1（舒優良，2000）所示。采用雙電源自動轉換器，對主、副電源進行監控并采取對應的供電輸出，從雙電源自動轉換器輸出的為220 V 交流電，同時為光端機和直流穩壓電源供電；220 V 交流電經過直流穩壓電源，輸出13.6 V 直流電進入電源選擇控制器的CD 端口；同時，來自BAT1 蓄電池的12 V 直流電輸入電源選擇控制器的AB 端口；電源選擇控制器根據AB 和CD 的兩端電壓值，選擇優勢電壓從EF 端輸出直流電，完成對后續的地震監測系統的供電。

圖1 系統原理圖Fig.1 System schematic diagram

系統工作原理：

（1）主電源為UPS 供電系統，當市電和UPS 正常，UPS 輸出220 V 交流電至雙電源自動轉換器。

（2）副電源為可充電純正弦波輸出逆變器與蓄電池BAT1 組合。當市電正常時，此組合電源輸出220 V 交流至雙電源自動轉換器；當市電中斷時，此組合電源由蓄電池的12 V直流逆變為220 V 交流電至雙電源自動轉換器。

（3）雙電源自動轉換器具有毫秒級切換功能，實時監控主副電源的輸出狀態，選擇優勢電源輸出220 V 交流電給光端機和直流穩壓電源。

（4）直流穩壓電源將雙電源自動轉換器輸出的220 V 交流電，轉換成13.6 V 直流電，輸入至電源選擇控制器的CD 端口。

（5）電源選擇控制器實時監控來自BAT1 的12 V 直流電、直流穩壓電源的13.6 V 直流電，根據預先設置的選取規則進行直流電輸出：①當CD 端電壓為10—15 V 時，控制器中的繼電器不采取動作，EF 端與CD 端直通，由CD 電壓直接輸出至EF 端；②當CD端電壓小于10 V 時，控制器中的繼電器采取動作，EF 端與CD 端斷開，同時，AB 端與EF 端接通，蓄電池BAT1 通過EF 端輸出12 V 直流電，為后續的地震監測系統供電。

2 器件及模塊

系統的3 個核心模塊為可充電純正弦輸出逆變器、雙電源自動轉換器和電源選擇控制器（李興泉等，2020）。

（1）可充電純正弦輸出逆變器。當正常輸入220 V 交流電時，逆變器不啟動逆變，直接將220 V 交流電輸出，同時通過充電電路對蓄電動池充電；當220 V 交流電輸入中斷時，逆變器停止充電并啟動逆變模式，將蓄電池電能轉換成220 V 純正弦波交流電輸出。

（2）雙電源自動轉換器（圖2）。主通道輸入來自UPS 的220 V 交流電，副通道輸入來自市電220 V 交流電或可充電逆變器將蓄電池電能轉換成的220 V 純正弦波交流電。當UPS 的220 V 交流電未斷，轉換器輸出的是主通道UPS 輸出220 V 的交流電，副通道的電源作為備用；當UPS 的220 V 交流電中斷時，轉換器會在15 ms 內自動切換到副通道進行電壓輸出。由于切換時間小于15 ms，輸出供電不會發生中斷，保證了地震監測系統有穩定持續供電。

圖2 雙電源自動轉換器Fig.2 Dual power automatic converter

（3）電源選擇控制器（圖3）。該模塊可以同時接收2 道直流電輸入，繼電器根據預先的閾值設置進行相應的動作，選取優勢直流電壓輸出，完成1 次直流電源的自修復，保證了監測系統的持續供電。

圖3 電源選擇控制器Fig.3 Power selection controller

3 測試

對系統的功能、性能進行了2 組模擬測試。

（1）模擬UPS 故障，以測試雙電源自動轉換器輸出端是否正常輸出220 V 交流電（圖4）。由圖4 可見，UPS 輸入故障，UPS 輸出不穩定的交流電至雙電源自動轉換器（藍色曲線），但雙電源轉換器輸出穩定的220 V 交流電（橙色曲線），未見切換時的電壓數據波動，性能正常穩定。

圖4 模擬UPS 輸出故障測試數據Fig.4 Analog UPS output fault test data

模擬直流穩壓電源輸出故障，以測試電源選擇控制器輸出端是否正常輸出12 V 直流電（圖5）。由圖5 可見，直流穩壓電源輸出故障，輸出不穩定的直流電至電源選擇控制器（藍色曲線），但電源選擇控制器輸出穩定的12.0—13.6 V 區間的直流（橙色曲線），未見切換時的電壓數據低于10 V 或高于14 V，性能正常穩定。

圖5 模擬直流穩壓電源輸出故障Fig.5 Analog DC regulated power supply output fault

從上述功能測試結果來看，研發的系統可滿足預期的功能和效果。通過該系統，可以輸出穩定的12 V 左右直流電給臺站地震監測儀器、220 V 交流電給臺站光端機等傳輸設備。

4 運行情況

系統自2021 年3 月在測震臺站大洋山臺和天平山臺進行了野外測試，取得了較顯著的效果。2021 年3 月前大洋山地震臺和天平山地震臺常因電源故障造成斷記，大洋山地震臺安裝系統前平均運行率為99.80%，安裝后為99.95%；天平山地震臺安裝系統前平均運行率為99.88%，安裝后為99.97%。

5 后續系統改進計劃

由于項目時間有限，項目組針對目前的系統，提出了后續的改進計劃：①對逆變器的工作狀態和 UPS 增加檢測監控和報警，以提高電源系統的可靠性；②只有當UPS 發生故障和市電也中斷時，逆變器才會啟動，這樣報警提醒后可以在蓄電池電力耗盡之前有足夠的時間恢復市電和UPS 故障，避免出現雙路均停電的故障。

6 結束語

研發的臺站電源系統在上海地震臺多個測震、地球物理臺站得到了應用，為臺站專業儀器提供了穩定電力資源，且運行穩定，效果較顯著。