閉環(huán)配電方式在氣象觀測場站的應(yīng)用

鄭棟棟

（福建省漳州市氣象局，福建 漳州 363000）

1 現(xiàn)狀分析

氣象觀測臺站一般要求選址在高地或周圍空曠的地方。臺站布署的采集設(shè)備較多，設(shè)備大多要求220 V電源配電，且信息采集傳感器對工作電源的質(zhì)量和抗浪涌的能力均要求很高。傳統(tǒng)的電源配送方式為：配電房送出220 V電源到測場的集中配電箱，從配電箱以星型連接方式在測場的地溝內(nèi)為分布在不同點(diǎn)位上的設(shè)備供電[1-2]。漳州各個國家級氣象觀測站的后備電源切換，均采用在地溝中布置線纜用以供電和通信，部分臺站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)局站分離，無人值守是業(yè)務(wù)運(yùn)行的主要方式，因此電源的安全有效成為業(yè)務(wù)無人值守的前提。目前漳州市氣象局所有基礎(chǔ)臺站的供電系統(tǒng)主要由市電、后備電池以及備用發(fā)電機(jī)組組成，測場內(nèi)的電源配電為集中式星型配電，原理如圖1所示。

圖1中，220 V集電配電箱中通過星型方式送電到各采集儀器。此配電模式存在以下缺點(diǎn)：一是在測場的地溝中，電源線信號線混在一起，線多、維護(hù)困難；二是由于電纜線路老化破損，如果老鼠、螞蟻等動物的破壞沒有被及時發(fā)現(xiàn)，人員在雷雨季節(jié)進(jìn)入測場，容易引發(fā)安全事故；三是在雷雨季節(jié)，由于電源均從集電配電箱送出，只要有一條電源線獲得感應(yīng)雷電，測場中大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備均會受到破壞；四是由于測場的地理環(huán)境原因，此種配電方式不管電源從測場內(nèi)還是測場外受到電源浪涌的突襲，測場內(nèi)的電子設(shè)備都會受到損傷，無任何隔離保護(hù)措施[3-4]。

圖1 原自動觀測場集中式星型配電原理

為此，設(shè)計(jì)一種新型220 V電源閉環(huán)配送模式。在測場內(nèi)形成總線狀的配電模式，各用電設(shè)備在最近的配電環(huán)上通過隔離器取電，減少地溝中線纜的數(shù)量。同時也阻斷了220 V電源線上的浪涌通道，形成浪涌隔離屏障，最大限度地保障了設(shè)備和入場人員的安全。原理如圖2所示。

圖2 中，配電房的220 V電源經(jīng)閉環(huán)送電設(shè)備送到測試場的閉環(huán)配電點(diǎn)1和閉環(huán)配電點(diǎn)2。測場通過環(huán)路總線模式進(jìn)行電源布線[5]。此新閉環(huán)配電模式有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）減少了測場中電源線纜的數(shù)量。測場內(nèi)各種用電設(shè)備通過隔離環(huán)接在閉環(huán)線路上，以環(huán)路總線方式配電，線纜地溝中的起線少，維護(hù)方便。

（2）220 V電源在測場中以浮地方式配送，220 V電源閉環(huán)輸送，形成220 V浮地電源。

（3）用電設(shè)備通過隔離器在電源環(huán)上取電，配電相互獨(dú)立，可以防止浪涌和相互干擾。各種用電設(shè)備通過隔離環(huán)在環(huán)線上取電，各采集設(shè)備的供電相互獨(dú)立、互不干擾，不管從測場外還是測試設(shè)備受到感應(yīng)浪涌的襲擊，在一定當(dāng)量內(nèi)不會互相影響。

本文核心內(nèi)容為220 V室外配電由開環(huán)（即L、N不能短路）改變?yōu)殚]環(huán)（沒有L、N線之分，一根閉環(huán)線）配電的方式在室外氣象自動觀測場中的 應(yīng)用。

2 氣象自動觀測場220 V電源新型閉環(huán)配電原理

多年來，自動氣象觀測均采用24小時3班倒的模式進(jìn)行信息采集和設(shè)備維護(hù)。氣象自動觀測場中的電源和設(shè)備均可在第一時間得到維護(hù)。由于電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，無人值守的氣象自動測場正在大力推進(jìn)。電源安全、有效配送，是自動化信息采集質(zhì)量保障的前提。原測場220 V開環(huán)星型配送模式已嚴(yán)重不適應(yīng)無人值守自動觀測場的需要。新型閉環(huán)總線式、用電設(shè)備相互獨(dú)立的配電模式將進(jìn)一步提升測場的供電安全，保障數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。其設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 220 V電源新型閉環(huán)配電設(shè)計(jì)原理

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的配電參數(shù)采集與監(jiān)視設(shè)計(jì)

無人值守用電設(shè)備獨(dú)立供電可有效防止電源浪涌的串?dāng)_，但需要更進(jìn)一步，實(shí)時獲取配電系統(tǒng)的各用電設(shè)備的參數(shù)并提供預(yù)警信息，給維護(hù)保障人員一定的反應(yīng)時間，做到無人值守和24小時有人監(jiān)管一樣，能準(zhǔn)確及時保障測場電源的安全有效供給。閉環(huán)電源線上配電參數(shù)采集與監(jiān)視設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4中，以STM32F103為核心，對每個配電點(diǎn)的閉環(huán)上隔離取電點(diǎn)的交流電壓、電流進(jìn)行參數(shù)采集，對設(shè)備的直流用電電壓、電流進(jìn)行采集。500 mA 直流采集通過信號調(diào)理電路送MCU的AD1號通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。5 A交流采集通過信號調(diào)理電路送MCU的AD2號通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。220 V交流電壓采集通過信號調(diào)理電路送MCU的AD3號通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。12 V直流電壓采集通過信號調(diào)理電路送MCU的AD1號通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。4個LED指示燈與MCU的PC0～PC3管腳相連，且受MCU控制。5個按鍵與MCU的PC4～PC8管腳相連，且受MCU控制。MCU采集到的AD信息和5個按鍵信息經(jīng)MCU的UART1串口經(jīng)CPRS物聯(lián)網(wǎng)通信模塊傳入后端管理平臺。

圖4 配電參數(shù)采集原理

4 智能監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)

自動氣象觀測場220 V閉環(huán)安全配送系統(tǒng)中，閉環(huán)隔離器是核心的閉環(huán)解決方案設(shè)備。通過閉環(huán)電源升級改造，在無人值守過程中，即使線路老化、破損，輸電安全都有所提高。采用總線式閉環(huán)在測場布線，大大簡化測場布線方案，線纜維護(hù)更容易。各用電設(shè)備通過隔離器在閉環(huán)上取電，設(shè)備用電相互獨(dú)立、不管是從測場內(nèi)還是測場外受到電源浪涌干擾，都可以進(jìn)行有效的阻隔，大大降低電源浪涌相互干擾的可能性。為了配合無人值守，對測場配電閉環(huán)輸入升級改造的同時，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對各點(diǎn)的各種配電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集，并接入后端管理平臺，同時配以報(bào)警條件及時報(bào)警，在電源系統(tǒng)存在風(fēng)險(xiǎn)時，維護(hù)管理員能在第一時間維護(hù)。為此，需要在配電的同時，智能采集各種配電參數(shù)。采集軟件設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

圖5 智能監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)原理

5 結(jié) 語

通過氣象自動觀測場閉環(huán)電源升級改造、配電點(diǎn)各配電參數(shù)的實(shí)時獲取，通過硬件采集設(shè)備中的嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)了信息交換與報(bào)警管理。改造后的配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高壓浮地送電，可阻斷瞬間高壓脈沖、串?dāng)_通道，保障設(shè)備安全，解決室外無意闖入者的人身安全問題。系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，可實(shí)時在線掌控整個配電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，及時解除安全隱患。無人值守臺站可遠(yuǎn)程操作自動切換電源，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對UPS及油機(jī)的保養(yǎng)工作，實(shí)現(xiàn)了無人值守測場電源的安全配送與智能管理。