水雨情遙測(cè)站采用PSTN備用信道的防雷設(shè)計(jì)

姚 東,陳浙梁,黃新建

(浙江省水文局,浙江 杭州 310009)

1 問題的提出

水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是各級(jí)防汛部門獲得水雨情實(shí)時(shí)信息的主要來源,能為防洪避災(zāi)工作的正確部署提供科學(xué)依據(jù),發(fā)揮重要作用。保證水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問題,通信信道的設(shè)計(jì)更是重中之重。

目前水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可選擇的通信信道有:超短波通信、公共電話網(wǎng)PSTN、移動(dòng)通信GSM/GPRS、衛(wèi)星通信等。

超短波水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)由于技術(shù)成熟,因此在國(guó)內(nèi)早期的系統(tǒng)中普遍應(yīng)用。中心站和中繼站是其重要環(huán)節(jié),是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵,因此系統(tǒng)對(duì)中心站、中繼站可靠性要求極高。超短波中心站、中繼站一般抗干擾能力差,在站點(diǎn)多、站網(wǎng)密的系統(tǒng)中容易發(fā)生同頻干擾(也叫同頻碰撞)現(xiàn)象,影響暢通率。中繼站一般建在高山上,正是雷電多發(fā)區(qū),如果遭受雷擊,會(huì)使信號(hào)中斷,造成系統(tǒng)大面積癱瘓。目前超短波通信方式已逐步退出主流應(yīng)用。

衛(wèi)星水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)領(lǐng)域的一支新軍,能夠解決流域內(nèi)偏遠(yuǎn)地區(qū)陸地公眾通信網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的通信問題,為水利部門實(shí)現(xiàn)全流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)提供重要手段。但衛(wèi)星通信設(shè)備昂貴、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高,只能作為備用手段。

GSM/GPRS移動(dòng)公網(wǎng)是近年來發(fā)展最快的公共通信資源,具有覆蓋面廣,信道可靠,費(fèi)用低廉,維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于浙江省水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中。

公共電話網(wǎng)PSTN是由國(guó)家電信部門建設(shè)和管理,具有覆蓋面廣、建設(shè)維護(hù)費(fèi)低等特點(diǎn)。為了達(dá)到信道傳輸?shù)目煽啃?可以作為備用信道使用。PSTN的缺點(diǎn)是:浙江省是雷電高發(fā)地區(qū),有線電話由于外部線路裸露,特別是線路架空,容易成為雷電感應(yīng)設(shè)備,通過線路雷電波入侵終端設(shè)備,造成設(shè)備損壞。目前,為防止雷擊所帶來的高壓過流信號(hào)進(jìn)入內(nèi)部電路,通常采用加入過壓、過流保護(hù)元器件加以保護(hù),如壓敏電阻、自恢復(fù)過流保險(xiǎn)絲、氣體放電管等。

雷擊通常以高壓脈沖形式出現(xiàn)在電話線兩端,因此需優(yōu)先采用電話線兩端跨接壓敏電阻的防雷措施。為了有效防止外部過流信號(hào)對(duì)內(nèi)部器件的影響,有必要在電話線入口處加入過流保護(hù)元件。但即使安裝了防雷裝置,雷擊所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)仍會(huì)形成高電壓沖擊波,使電子設(shè)備被擊壞。

2 常見的避雷措施

雷擊分為直接雷擊和感應(yīng)雷擊2種。直擊雷擊是帶電的云層對(duì)大地上的某一點(diǎn)之間發(fā)生的放電現(xiàn)象,即雷電直接擊中地面上的某一物體;而感應(yīng)雷擊是由于雷電引起的靜電感應(yīng)和電磁場(chǎng)感應(yīng)所產(chǎn)生的雷擊,又稱為二次雷擊。一般來說,一次雷閃可以在較大的范圍內(nèi)多個(gè)小局部同時(shí)發(fā)生感應(yīng)高電壓現(xiàn)象,并且這種感應(yīng)高電壓可以通過電力線、電話線、各種饋線及信號(hào)線等金屬導(dǎo)線傳輸很遠(yuǎn),致使雷害范圍擴(kuò)大。

防直擊雷電的避雷裝置一般由3部分組成:接閃器、引下線和接地體。接閃器分為避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)。防感應(yīng)雷電的避雷裝置主要是避雷器。對(duì)同一保護(hù)對(duì)象同時(shí)采用多種避雷裝置,稱為綜合性防雷電。

PSTN有線電話常遭受感應(yīng)雷電,一般采用防雷電避雷器,又稱電涌保護(hù)器。避雷器防雷電是把因雷電感應(yīng)而竄入電力線、信號(hào)傳輸線的高電壓限制在一定范圍內(nèi),保證用電設(shè)備不被擊穿。常用的避雷器可分為3大類:放電間歇型、閥型和傳輸線分流型。由于雷擊所形成的高電壓沖擊波,仍會(huì)使電子設(shè)備被擊壞。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

目前在浙江省水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)廣泛采用GSM/GPRS移動(dòng)公網(wǎng)進(jìn)行布網(wǎng),考慮到通信信道的安全性,需要一種可行的備用信道,根據(jù)公共電話網(wǎng)PSTN的特點(diǎn),可以優(yōu)先考慮采用PSTN作為備用信道,在經(jīng)費(fèi)充裕的情況下,則可以考慮采用衛(wèi)星信道作為備用信道。

由于PSTN電話線路設(shè)備易受雷擊損壞,為了解決這個(gè)問題,針對(duì)公共電話網(wǎng)PSTN作為水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)備用信道而新增設(shè)計(jì)一種避雷方式,達(dá)到減小雷電進(jìn)入電路設(shè)備幾率的效果。

為解決GSM/GPRS移動(dòng)公網(wǎng)作為主信道,PSTN作為備用信道,對(duì)PSTN電話線路進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)采用的技術(shù)方案是采用GPRS與PSTN雙信道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(見圖1)。

圖1 遙測(cè)站GPRS與PSTN雙信道結(jié)構(gòu)圖

圖1中把水文遙測(cè)站分為3個(gè)組成部分:PSTN信道、數(shù)據(jù)終端(含供電及傳感器)和GPRS信道,其中:數(shù)據(jù)終端通過水位、雨量等傳感器將采集到的數(shù)據(jù)按特定方式通過GPRS與PSTN信道進(jìn)行傳輸。工作過程如下:

3.1 正常工作狀態(tài)

平時(shí)正常工作狀態(tài)下,PSTN信道中的 “開閉裝置”(一般是指繼電器電路)脫離,數(shù)據(jù)終端中的 “數(shù)據(jù)終端設(shè)備”將要發(fā)送的水文數(shù)據(jù)通過GPRS信道中的“GPRS MODEM”無線通信方式進(jìn)行發(fā)送,此時(shí) PSTN信道中的“PSTN電話線端子”處于開路狀態(tài),不易與后面的電路形成雷電感應(yīng)回路,可以有效地阻擋雷電感應(yīng)。

PSTN信道中的 “開閉裝置”和 “PSTN調(diào)制解調(diào)控制電路”之間可以加入常規(guī)的“過流過壓保護(hù)電路”。

3.2 非正常工作狀態(tài)

在“數(shù)據(jù)終端設(shè)備”檢測(cè)到“GPRSMODEM”無法正常通信的情況下如:監(jiān)測(cè)不到移動(dòng)信號(hào)、GPRS MODEM本身工作異常等,觸發(fā) “PSTN調(diào)制解調(diào)控制電路”,接通“開閉裝置”,通過電話線路將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,“PSTN調(diào)制解調(diào)控制電路”即發(fā)出指令,斷開 “開閉裝置”,使電話線路與整個(gè)電路設(shè)備重新處于斷開狀態(tài),有效阻擋雷電感應(yīng)。

在設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)采用以移動(dòng)通信為主信道,有線電話作為備份信道的雙信道方式保障遠(yuǎn)程傳輸。這種設(shè)計(jì)對(duì)防雷的作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)正常狀態(tài)下,PSTN處于斷開狀態(tài),最容易引雷的電話線路與整個(gè)電路是斷開的,可以有效阻擋雷電感應(yīng)。當(dāng)GPRS無法正常通信時(shí),才啟動(dòng)PSTN有線電話通信。

(2)啟動(dòng)PSTN有線電話通信時(shí),只是在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)接通,由于水雨情的數(shù)據(jù)傳輸量小,傳輸時(shí)間短,因此,電話線路接通時(shí)間遠(yuǎn)小于斷開時(shí)間,設(shè)備遭雷擊的幾率很低。

(3)在電路中,可視情況設(shè)置一些過流過壓保護(hù)電路,即防雷電避雷器,保留常規(guī)的避雷措施,以增加防雷擊的可靠性。

4 結(jié) 語

浙江省是梅雨、臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū),完備的水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是各級(jí)防汛部門獲得水雨情實(shí)時(shí)信息的主要來源,因而,GSM/GPRS移動(dòng)公網(wǎng)和PSTN有線公網(wǎng)的雙信道設(shè)計(jì)可以充分保證水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常傳輸。浙江省是雷電多發(fā)區(qū),針對(duì)作為備用信道的PSTN有線電話必須采取避雷措施,雷電感應(yīng)會(huì)增加電路受損的可能性,威脅系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

該設(shè)計(jì)可以對(duì)作為備用信道的PSTN有線電話線路起到避雷作用,設(shè)計(jì)思路巧妙,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),對(duì)提高浙江省水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性具有重要的意義。