臺站電源監控及自處置系統的研發與應用

裴 曉 林航毅

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

在上海地球物理臺網的電源系統升級改造中，根據臺站實際情況配備了不間斷供電系統或者交直流隔離電源系統。從升級改造后的運行情況來看，該臺網的年運行率由約98%上升至99.5%。為了進一步提升臺網運行質量，擬采取電源系統實時監控的方式，提升臺站智能化水平，從而有效減少供電故障引起的數據斷記現象。

若地球物理臺站觀測數據未實現實時傳輸，臺站發生故障不能及時發現，將嚴重影響數據的完整性。例如，2020年2月12日，因市電故障，查山臺監測設備無法正常工作，運維人員在故障發生后18 h才發現問題，2月14日設備經搶修恢復正常，斷記缺數48 h。又如上海大學臺和鳳城中學臺，儀器房均安置在校園內，為了安全起見，學校在節假日關閉校內電閘，臺站設備因此中斷運行，2019年4月19日鳳城中學臺因電閘關閉導致當月臺網運行率下降0.5個百分點。對于只有10個臺站、39套儀器的上海地球物理臺網來說，一個臺站、一套儀器的數據中斷都將嚴重影響臺網的整體運行質量（李興泉等，2020）。

為此研發臺站電源監控及自處置系統，對臺站電源進行實時監控及自動處置。通過本系統可及時獲得臺站供電信息，基于系統的自處置功能，斷記現象減少，提高了觀測設備運行質量，在臺站觀測實驗中效果較顯著。

1 工作原理

系統擬實現供電監控及自動處置地震儀器供電故障的雙重功能：通過物聯網和4G雙通道監控模塊，對市電和UPS輸出的220 V電壓進行監控；通過物聯網監控模塊控制線引出的執行開關電路，對地震儀器進行重啟，或者選取對地震儀器的供電方式（市電或UPS供電）實現遠程自處置功能。系統工作原理見圖1。

圖1 系統工作原理Fig.1 Schematic of the system

系統由3個核心模塊組成：4G短信監控模塊、物聯網監控模塊、執行開關電路。系統同時采用“物聯網”和“4G短信”2種通信模式，因二者各有優勢，可更好解決臺站無線信號差異造成的通信問題。

4G短信監控模塊是通過短信的方式將實時監測到的異常信息發送至觀測人員。這種方式對于持有非智能手機的觀測人員比較友好，但缺點是綁定的觀測人員數量和組網的臺站數量會顯著增加進而增加資費負擔。

物聯網監控模塊是通過物聯網將實時監測到的異常信息發送至觀測人員。每臺設備年運行資費僅15元，此優勢在后期組網觀測時更明顯，且該通信方式不受觀測人員數量限制，缺點是需通過手機App發送信息，可能會存在因觀測人員未在線而錯失報警信息的情況。

執行開關電路，采用繼電器的元器件，最大工作電流為7 A，最大切換電流為10 A，能夠滿足臺站地震觀測儀器的控制要求（劉永剛等，2009）。系統通過對邏輯控制上下限、工作模式和報警模式進行設置，從而實現與監控模塊的聯動。

系統的3個核心模塊工作原理如下：物聯網監控模塊和4G短信監控模塊同時對市電和UPS電源進行監控；當臺站供電異常時，物聯網監控模塊將以App告警信息方式通知運維人員；當臺站供電異常時，4G短信監控模塊將以短信方式通知運維人員；物聯網監控模塊配置直流UPS，即使交流UPS出現供電異常等故障，模塊仍可繼續工作；同樣，短信監控模塊內置蓄電池，續航時間4 h；系統中執行開關電路，通過預先設置，在發生供電異常時，繼電器自動采取對應措施，或者由觀測人員遠程控制，實現臺站供電方式的選取，或觀測儀器的重啟等功能。

2 系統運行

此系統具有移動終端App，可進行參數設置、組網觀測、狀態查詢、遠程控制等操作（圖2），同時可實時接收臺站的報警信息（圖3）。系統短信監控模塊可將監測到的異常信息以短信方式發送至觀測人員手機，如圖4。

圖2 移動終端工作界面Fig.2 Work interface for mobile terminal

圖3 移動終端App報警界面Fig.3 App alarm interface for mobile terminal

圖4 手機短信報警界面Fig.4 Alarm interface for mobile SMS

觀測人員對系統進行多類型情景模擬測試：市電、UPS斷電，移動終端均能夠及時接收App及短信的斷電報警；在模擬地震專業儀器死機的情況時，觀測人員通過移動終端App成功重啟了發生異常的儀器。通過多次模擬測試，認為本系統實現了對臺站供電系統的實時監控，并能夠對臺站儀器進行重啟操作。

在2020年12月4日至2021年7月課題驗收階段，上海大學臺進行運行測試，結果良好，效果顯著，主要體現在：①上海大學臺運行率與往年同期相比，由99.8023%（2019-12-05—2020-06-11）上升至99.9491%（2020-12-05—2021-06-11）；②系統在2021年4月30日成功監測到上海大學臺市電中斷，觀測人員同時收到移動終端App和短信的報警信息（圖5）。經排查，斷電原因為學校勞動節安全檢查，觀測人員在3 h內及時恢復供電。

圖5 2021年4月30日上海大學臺市電供電故障報警信息Fig.5 Alarm information of power supply failure at Shanghai University Station on April 30,2021

供電故障為臺站觀測故障之一。該系統從供電監控著手，配合臺站前期供電升級改造，從短期測試結果來看，研發系統可顯著降低故障率，并提升臺站儀器運行率。

3 結束語

在上海地震臺網地球物理臺站的應用，臺站電源監控及自處理系統為專業儀器穩定運行提供保障，且其具備反向操作功能，運行穩定，效果顯著。

在實際運用中，發現系統存在一定升級空間：逆變器和 UPS工作狀態需增加檢測監控和報警功能，以提高電源系統的可靠性（舒優良等，2000）；只有當UPS發生故障和市電中斷時，逆變器才會啟動，報警提醒后在蓄電池電力耗盡前有足夠時間恢復市電或解決UPS故障，避免造成雙路均停電故障。