供電系統(tǒng)改造對(duì)靜樂(lè)地震臺(tái)前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)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(tái)，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(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震前兆臺(tái)站要想更好地為地震預(yù)報(bào)服務(wù)，必須產(chǎn)出準(zhǔn)確、可靠的第一手觀測(cè)資料。其中，儀器的穩(wěn)定運(yùn)行是基礎(chǔ)，必須保證供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。靜樂(lè)地震觀測(cè)臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱靜樂(lè)臺(tái))為無(wú)人值守臺(tái)，一直采用“市電+UPS”的供電模式。由于交流供電為農(nóng)電，運(yùn)行質(zhì)量較差，停電頻繁，電壓波動(dòng)大。尤其是長(zhǎng)時(shí)間停電后，蓄電池電量不足，整個(gè)臺(tái)站所有設(shè)備全部癱瘓，造成觀測(cè)資料中斷，數(shù)據(jù)丟失，其損失是無(wú)法挽回的[1]。為解決上述問(wèn)題，臺(tái)站于2016年11月安裝太陽(yáng)能供電系統(tǒng)[2]。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)全部為直流供電，電壓比較穩(wěn)定，到目前儀器運(yùn)行狀態(tài)良好。現(xiàn)將靜樂(lè)臺(tái)改造前后兩種不同的供電模式進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而選出一種較好的供電模式。

1 測(cè)點(diǎn)概況

靜樂(lè)臺(tái)位于靜樂(lè)縣娘子神鄉(xiāng)黑漢溝村以西2 km處，井區(qū)在東碾河南岸，東碾河屬黃河流域汾河水系。井區(qū)冬季長(zhǎng)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(wú)霜期135～145 d，年雷暴日在40 d以上,屬高雷區(qū)。

2007年靜樂(lè)臺(tái)觀測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)字化技術(shù)改造，架設(shè)交流電線路，新建避雷系統(tǒng)，新增數(shù)字化水位、水溫觀測(cè)。供電系統(tǒng)模式為“市電+UPS”，由附近村莊接入交流供電，明桿架設(shè)，總長(zhǎng)度300 m，設(shè)置專用配電箱、漏電保護(hù)器及2級(jí)電源避雷防護(hù)。觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 市電+UPS觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Composition of the city electricity +UPS

2016年11月臺(tái)站改造為太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，在觀測(cè)室頂部安裝10塊太陽(yáng)能板，設(shè)計(jì)功率1 000 W，觀測(cè)室內(nèi)放置一套太陽(yáng)能控制器和6塊蓄電池。觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖如第50頁(yè)圖2所示。供電方式為日間太陽(yáng)能板通過(guò)太陽(yáng)能控制器給所有設(shè)備供電，同時(shí)給蓄電池充電；夜間蓄電池通過(guò)太陽(yáng)能控制器給所有設(shè)備進(jìn)行供電。

2 改造前后對(duì)比分析

2.1 運(yùn)行穩(wěn)定性

供電系統(tǒng)正常工作是儀器穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，停電及電源故障都有可能造成儀器斷記并產(chǎn)生干擾數(shù)據(jù)，交直流切換等電源不穩(wěn)也可造成數(shù)據(jù)產(chǎn)生單點(diǎn)突跳[3](見(jiàn)第50頁(yè)圖3)?，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)“市電+UPS”(2016年1月至10月)和“太陽(yáng)能供電”(2017年1月至10月)兩種供電模式下各測(cè)項(xiàng)原始缺記及數(shù)據(jù)受電源干擾的情況(見(jiàn)第50頁(yè)表1)。

表1 不同供電系統(tǒng)下受電源影響情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Influence of power under different power supply systems

圖2 太陽(yáng)能供電觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 Composition of the solar power supply observation system

圖3 靜樂(lè)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(tǒng)改造前因供電原因造成的原始缺測(cè)及受干擾影響較多(次數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng))，改造后則較少(次數(shù)少、時(shí)間短)，尤其是因電源不穩(wěn)造成的單點(diǎn)突跳明顯減少(由77次銳減為7次)。 分析認(rèn)為，改造前測(cè)點(diǎn)經(jīng)常長(zhǎng)時(shí)間停電，UPS電瓶電量無(wú)法滿足儀器消耗，造成斷記，恢復(fù)供電后一定時(shí)間內(nèi)會(huì)因電流沖擊影響儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)改造后，基本減少了因供電不足造成儀器斷記及數(shù)據(jù)干擾，提供的直流電比較穩(wěn)定，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性得到明顯改善。但現(xiàn)階段太陽(yáng)能供電系統(tǒng)蓄電池?cái)?shù)量較少，續(xù)航存在一定的問(wèn)題。

2.2 雷電影響

2.2.1 雷電災(zāi)害

靜樂(lè)屬于高雷區(qū)，年雷暴日達(dá)40 d以上，經(jīng)常發(fā)生臺(tái)站儀器設(shè)備遭雷擊事件，影響臺(tái)站的正常運(yùn)行。其形式主要表現(xiàn)為感應(yīng)雷、雷擊附近大地和建筑物、交流供電線路或空中雷電感應(yīng)形成的沖擊電壓，通過(guò)與之相連的電源線、信號(hào)傳輸線或接地系統(tǒng)，侵入電子設(shè)備造成嚴(yán)重的干擾或事故。其中電源線路是引雷的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由供電線路引入的雷電對(duì)儀器設(shè)備的損壞率約占70%～80%[4]。

改造之前，靜樂(lè)供電線路是在戶外架空明線，雷電感應(yīng)的高電壓極易沿供電線路進(jìn)入臺(tái)站，造成儀器設(shè)備的損壞。統(tǒng)計(jì)了靜樂(lè)臺(tái)供電系統(tǒng)改造前后雷害影響情況如表2所示。可以看出，在供電系統(tǒng)改造后，各測(cè)項(xiàng)均未出現(xiàn)雷擊現(xiàn)象，說(shuō)明太陽(yáng)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(wèn)題。

表2 靜樂(lè)臺(tái)供電系統(tǒng)改造前后雷害影響統(tǒng)計(jì)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(huì)存在雷電干擾[5]。在長(zhǎng)期的觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，靜樂(lè)水位雷電干擾主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)不同幅度的波動(dòng)、臺(tái)階；水溫則為數(shù)據(jù)的突跳。供電系統(tǒng)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(yè)圖4、圖5所示?？梢钥闯觯瑑煞N供電模式下，水位、水溫受雷電干擾形態(tài)基本一致，說(shuō)明與供電系統(tǒng)無(wú)關(guān)。

圖4 改造前靜樂(lè)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(lè)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(nèi)在質(zhì)量

判斷數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)是數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量(依據(jù)《地下流體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)》)，數(shù)字化水位的內(nèi)在質(zhì)量主要從潮汐因子和觀測(cè)精度兩方面來(lái)體現(xiàn)。數(shù)字化水溫的內(nèi)在質(zhì)量主要從一階差分標(biāo)準(zhǔn)差和超標(biāo)個(gè)數(shù)來(lái)體現(xiàn)[5]。供電系統(tǒng)改造前后靜樂(lè)水位同期對(duì)比曲線如圖6所示。表3和表4分別列出靜樂(lè)水位及水溫供電系統(tǒng)改造前后內(nèi)在質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

從圖6看出，供電系統(tǒng)改造后數(shù)據(jù)曲線毛刺明顯減少，曲線更為光滑，數(shù)據(jù)質(zhì)量得到改善；表3表明，2016和2017年水位同期潮汐因子基本無(wú)太大變化，觀測(cè)精度2017年明顯低于2016年，內(nèi)在質(zhì)量明顯提升；由表4看出，2016和2017年水溫同期整點(diǎn)值一階差分標(biāo)準(zhǔn)差(σ)基本無(wú)太大變化，均低于0.001 ℃，超標(biāo)個(gè)數(shù)也無(wú)明顯差別，說(shuō)明供電系統(tǒng)的改造對(duì)靜樂(lè)水溫?cái)?shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量無(wú)影響。

圖6 靜樂(lè)水位1月1-5日預(yù)處理同期對(duì)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(cè)精度得分潮汐因子觀測(cè)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(dāng)觀測(cè)精度<0.01時(shí),得20分,每增大0.01扣0.5分; 當(dāng)觀測(cè)精度<0.4時(shí),潮汐因子≥1.00,得5分,每降低0.1扣0.05分。

表4 靜樂(lè)水溫內(nèi)在質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Table 4 Internal quality statistics of water temperature in Jingle

3 結(jié)論與建議

靜樂(lè)臺(tái)在太陽(yáng)能直流供電系統(tǒng)改造后，以下幾方面得到明顯改善。

(1) 儀器穩(wěn)定性。一方面解決了之前農(nóng)電長(zhǎng)時(shí)間停電造成整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)癱瘓的問(wèn)題；另一方面直流供電更穩(wěn)定，電源不穩(wěn)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(wèn)題，保障了觀測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(3) 數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量明顯提升。

蓄電池組是太陽(yáng)能直流供電系統(tǒng)的保障，應(yīng)配備足量的蓄電池，保證續(xù)航時(shí)間；定期檢查太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要部件的工作狀態(tài)，配置備用件，出現(xiàn)故障可及時(shí)更換。