臺站電源監(jiān)控及自處置系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)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(xué)觀測研究站

0 引言

在上海地球物理臺網(wǎng)的電源系統(tǒng)升級改造中，根據(jù)臺站實際情況配備了不間斷供電系統(tǒng)或者交直流隔離電源系統(tǒng)。從升級改造后的運行情況來看，該臺網(wǎng)的年運行率由約98%上升至99.5%。為了進一步提升臺網(wǎng)運行質(zhì)量，擬采取電源系統(tǒng)實時監(jiān)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(shù)據(jù)斷記現(xiàn)象。

若地球物理臺站觀測數(shù)據(jù)未實現(xiàn)實時傳輸，臺站發(fā)生故障不能及時發(fā)現(xiàn)，將嚴重影響數(shù)據(jù)的完整性。例如，2020年2月12日，因市電故障，查山臺監(jiān)測設(shè)備無法正常工作，運維人員在故障發(fā)生后18 h才發(fā)現(xiàn)問題，2月14日設(shè)備經(jīng)搶修恢復(fù)正常，斷記缺數(shù)48 h。又如上海大學(xué)臺和鳳城中學(xué)臺，儀器房均安置在校園內(nèi)，為了安全起見，學(xué)校在節(jié)假日關(guān)閉校內(nèi)電閘，臺站設(shè)備因此中斷運行，2019年4月19日鳳城中學(xué)臺因電閘關(guān)閉導(dǎo)致當(dāng)月臺網(wǎng)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(wǎng)來說，一個臺站、一套儀器的數(shù)據(jù)中斷都將嚴重影響臺網(wǎng)的整體運行質(zhì)量（李興泉等，2020）。

為此研發(fā)臺站電源監(jiān)控及自處置系統(tǒng)，對臺站電源進行實時監(jiān)控及自動處置。通過本系統(tǒng)可及時獲得臺站供電信息，基于系統(tǒng)的自處置功能，斷記現(xiàn)象減少，提高了觀測設(shè)備運行質(zhì)量，在臺站觀測實驗中效果較顯著。

1 工作原理

系統(tǒng)擬實現(xiàn)供電監(jiān)控及自動處置地震儀器供電故障的雙重功能：通過物聯(lián)網(wǎng)和4G雙通道監(jiān)控模塊，對市電和UPS輸出的220 V電壓進行監(jiān)控；通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊控制線引出的執(zhí)行開關(guān)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(xiàn)遠程自處置功能。系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig.1 Schematic of the system

系統(tǒng)由3個核心模塊組成：4G短信監(jiān)控模塊、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊、執(zhí)行開關(guān)電路。系統(tǒng)同時采用“物聯(lián)網(wǎng)”和“4G短信”2種通信模式，因二者各有優(yōu)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(jiān)控模塊是通過短信的方式將實時監(jiān)測到的異常信息發(fā)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(shù)量和組網(wǎng)的臺站數(shù)量會顯著增加進而增加資費負擔(dān)。

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊是通過物聯(lián)網(wǎng)將實時監(jiān)測到的異常信息發(fā)送至觀測人員。每臺設(shè)備年運行資費僅15元，此優(yōu)勢在后期組網(wǎng)觀測時更明顯，且該通信方式不受觀測人員數(shù)量限制，缺點是需通過手機App發(fā)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(zhí)行開關(guān)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(tǒng)通過對邏輯控制上下限、工作模式和報警模式進行設(shè)置，從而實現(xiàn)與監(jiān)控模塊的聯(lián)動。

系統(tǒng)的3個核心模塊工作原理如下：物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊和4G短信監(jiān)控模塊同時對市電和UPS電源進行監(jiān)控；當(dāng)臺站供電異常時，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊將以App告警信息方式通知運維人員；當(dāng)臺站供電異常時，4G短信監(jiān)控模塊將以短信方式通知運維人員；物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊配置直流UPS，即使交流UPS出現(xiàn)供電異常等故障，模塊仍可繼續(xù)工作；同樣，短信監(jiān)控模塊內(nèi)置蓄電池，續(xù)航時間4 h；系統(tǒng)中執(zhí)行開關(guān)電路，通過預(yù)先設(shè)置，在發(fā)生供電異常時，繼電器自動采取對應(yīng)措施，或者由觀測人員遠程控制，實現(xiàn)臺站供電方式的選取，或觀測儀器的重啟等功能。

2 系統(tǒng)運行

此系統(tǒng)具有移動終端App，可進行參數(shù)設(shè)置、組網(wǎng)觀測、狀態(tài)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(tǒng)短信監(jiān)控模塊可將監(jiān)測到的異常信息以短信方式發(fā)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(tǒng)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(yè)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(fā)生異常的儀器。通過多次模擬測試，認為本系統(tǒng)實現(xiàn)了對臺站供電系統(tǒng)的實時監(jiān)控，并能夠?qū)ε_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(xué)臺進行運行測試，結(jié)果良好，效果顯著，主要體現(xiàn)在：①上海大學(xué)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(tǒng)在2021年4月30日成功監(jiān)測到上海大學(xué)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(jīng)排查，斷電原因為學(xué)校勞動節(jié)安全檢查，觀測人員在3 h內(nèi)及時恢復(fù)供電。

圖5 2021年4月30日上海大學(xué)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(tǒng)從供電監(jiān)控著手，配合臺站前期供電升級改造，從短期測試結(jié)果來看，研發(fā)系統(tǒng)可顯著降低故障率，并提升臺站儀器運行率。

3 結(jié)束語

在上海地震臺網(wǎng)地球物理臺站的應(yīng)用，臺站電源監(jiān)控及自處理系統(tǒng)為專業(yè)儀器穩(wěn)定運行提供保障，且其具備反向操作功能，運行穩(wěn)定，效果顯著。

在實際運用中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在一定升級空間：逆變器和 UPS工作狀態(tài)需增加檢測監(jiān)控和報警功能，以提高電源系統(tǒng)的可靠性（舒優(yōu)良等，2000）；只有當(dāng)UPS發(fā)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(fù)市電或解決UPS故障，避免造成雙路均停電故障。