水文监测系统电源故障分析与维修

莫炳建

（广西柳州市水文水资源局，广西 柳州 545001）

0 引言

广西柳州市水文监测系统由柳州市洪水预警预报，西江中下游预警预报，广西中小河流水文监测、墒情和地下水监测等系统组成，设有1个中心站和200多个遥测站，采用 GPRS/GSM 通信方式，实现各遥测站的雨、水情数据的自动采集和存贮，并向中心站发送；可接收中心站召测和远地编程指令，并通过 GPRS 信道远程批量提取水位和雨量数据。系统的建成大大提高了洪水预报精度和工作效率，保证及时准确地收集雨水情信息，为柳州市及下游防汛部门提供实时准确的水情信息和洪水预报，为防洪减灾发挥了十分重要的作用。

柳州市水文监测系统绝大多数遥测站分布在贵州黔东南，广西桂北、桂西的边远山区，人烟稀少，地形复杂，自然条件十分恶劣，有些地方没有交流电源或电源质量可靠性差，电压和频率极不稳定，且停电频繁，加上山区处于雷电高发区，电网容易引入雷电，击毁各种设备，甚至危及人身安全。山区海拔高，日照时间长，太阳能非常丰富，可利用太阳能电池板吸收光能然后转化为电能，但太阳能时强时弱，时有时无，具有很大的随机性，因此要用蓄电池作为贮能装置，以便在夜间或阴雨天气中保证负载用电，这样就会得到一个连续、稳定的电源供电系统。广西柳州市水文监测系统所有的遥测站全部采用太阳能电池板充电，蓄电池蓄电的电源系统，如图1所示。

图1 蓄电池蓄电的电源系统

1 遥测站电源系统存在的问题

广西柳州市水文监测系统运行十多年来，经过各种恶劣气候考验，太阳能电池板和蓄电池组共同组成的供电系统能满足所有遥测站的供电要求。具有维护方便，节约开支（除到期更换蓄电池外无需运行费），避免从交流电网引入雷电造成对遥测站设备的干扰和破坏等优点；但电源系统因太阳能电池板充电电压波动易引起电源电压波动，而电源系统电压波动会造成遥测设备故障。

2009年5月左右，安装光电水位计的中平、四排、对亭等水文站出现了1个共同的怪现象，遥测设备按时段准时发送雨水情报文，在采集发送雨量信息正常情况下，却常常采集不到水位信息，水位数据时有时无，随机性大，特别是阴雨天气及凌晨1点到上午8点，水位数据很不正常，上午9点以后又自动恢复正常，多次到现场检查都找不到故障原因。用万用表测量接口和连接线正常，测量蓄电池电压为 11.5～11.8V，略比额定电压12V 低一些，当时更换新的水位器，采集和发射水位数据正常，但过了一段时间又故障依旧。

2009年6月12日再次去四排水文站检修，当天是小雨天气， RTU 显示正常，雨量采集和发送正常，就是采集不到水位信息。经检查未发现异常，蓄电池电压为 11.5V，更换新的水位计后，仍采集不到水位数据。当时估计是水位连接线或水位计问题，拿1根2m 长的水位信号线与新的水位计连接，直接接入遥测终端水位端口，液晶显示器显示水位正常，换回原来水位计水位显示也正常，初步判断是，蓄电池内阻大，水位计电源线路长（20～80m），使负载电压降低造成水位计工作异常，更换新的蓄电池故障消除，水位和雨量数据采集和发射正常。

2 电源系统故障原因分析

2.1 检查不出电源系统故障的主要原因

主要原因有以下3条：

1）每次下站检修多数是晴天，且到站时间常常在上午8点以后，即使是旧的蓄电池蓄电能力较差，但有太阳能电池板充电，蓄电池电压降得也不多，水位计能间断工作，到现场正好是水位计正常工作时间。

2）只要遥测终端对雨量数据采集和发射正常，就误认为电源系统供电也正常，却忽略了有些电子元件对电源电压要求比较高，电压略有波动就不能正常工作，如光电和压力水位计等。

3）电压多数是在遥测终端和水位计不工作时测量的，空载电流 I ≈0A，从全电路欧姆定律 U＝E -I （r0＋R）算出，电源（蓄电池）电动势 E 约等于负载电压 U；当遥测终端和水位计工作，I＞0，负载电压小于电源电动势，随着蓄电池使用的年限增加，蓄电池内电阻 r0增大和水位计电源线加长，外线路电阻 R 增大，使得负载电压降低。

2.2 造成系统电源故障的原因及后果

造成系统电源故障的原因如下：

1）太阳能电池板的输出功率、电压与温度和日照时间等因数有关，在冬季或长时间阴雨天气时，因太阳能电池板给蓄电池充电不足或蓄电能力下降而造成电源电压偏低。

2）太阳能充电控制器具有过充电、过放电保护功能，如图2所示。当太阳能充电电压过高或蓄电池电压过低时，充电控制器起保护作用，当蓄电池电压过高时断开太阳能充电，当蓄电池电压过低时断开给负载（RTU 等）供电。

图2 太阳能充电控制器原理

因电源系统故障造成遥测站的故障如下：

1）无水位和雨量数据，黑屏；晴天水位和雨量数据显示和发射正常，阴雨天气异常；白天水位和雨量数据显示和发射正常，晚上8时以后异常。

造成这些故障的主要原因是，当蓄电池电压低于额定值时，太阳充电控制器过放电保护功能动作，断开与遥测终端 RTU 连接，停止向 RTU 供电。

2）水位和雨量数据显示正常，无发射信号；雨量数据显示和发射正常，无水位数据。

引起这些故障的主要原因是，当蓄电池电压略低于额定值时，对电源电压要求较高的发射模块、压力水位计、光电编码型水位计等电子仪器不工作。

3 电源系统故障的解决办法

3.1 更换电池

蓄电池蓄电能力变差引起遥测设备故障，采用的应急办法如下：现场用交流电源给蓄电池补充电，但要彻底解决电源系统电压偏低问题，最简单、直接的办法是更换新的蓄电池，四排水文站水位计故障采用此方法处理。缺点是更换蓄电池费用比较高，水位站现在使用的蓄电池容量为 65～100A·h，免维护电池目前的市场价为900～1200元，如果电压稍微低些就更换蓄电池，会造成较大浪费。

3.2 更换太阳能充电控制器

因太阳能充电控制器性能变差引起的电源系统故障，采用的办法是更换新的且性能好的太阳能充电控制器。如果现场无备件更换，暂时可以采取的办法是，保留太阳能充电控制器的充电保护功能，取消过放电保护功能，直接把电池和负载并联起来，相当于蓄电池直接给负载供电。因为绝大部分遥测终端主板内部都有稳压装置，在许多遥测雨量站采用此方法，遥测终端都能正常运行。

3.3 加装直流稳压器

在蓄电池蓄电能力降得不太低时，可以在电源系统输出端稍微作一些改进，在电源系统输出端增加由1个7812型12V 三端稳压管、1个5Ω/10W电阻、1个1000μF/25V 电容组成的直流稳压器，如图3所示，可以解决电源系统电压偏低问题。采用此方法处理对亭、四排水文站的光电编码型浮子水位计因电源系统电压偏低引起的故障，取得了明显的效果，此后在许多水文站加装简单的电源稳压器，均取得满意的效果。

图3 增加稳压器的蓄电池蓄电的电源系统

4 结语

广西柳州市和来宾市水文水资源局多个水文站的电源系统采用上述方法维修后，设备运行多年未发生类似的故障。在仪器设备检修过程中一定要细心，不能放过任何一个细小环节，多问一些为什么？在排除其它故障情况下，怀疑是电源系统故障的，一定要用万用电表重点检查遥测终端的值守电流、工作电流和蓄电池电压，为防止测得的电压是虚电压，最好的办法是用电瓶测试仪测量或用1个充满电能的蓄电池代换，可以直接检验蓄电池的好坏，这样才可以免走弯路，每次下站修理要带足备品备件，做好维修记录和总结，这样才能使维修做到快、准、好。

[1] 冷长庾.太阳能及其利用[M].北京：科学出版社，1992:2-10.

[2] 范立南，张明，吴琼，等.模拟电子技术[M].北京：清华大学出版社，2013: 10-20.

[3] 孙晖，张治心，刘俊延.信号分析与处理[M].北京：清华大学出版社，2013: 40-50.

[4] 韩雪涛，韩广兴.电子元器件检测技能[M].北京：机械工业出版社，2012: 1-20.

[5] 莫炳建，徐杰联.柳洪系统卫星通信故障分析与检修[J].水利水文自动化，2006（2）: 15.

[6] 苏志诚，张海滨，屈艳萍.我国建立防旱抗旱减灾长效机制的思考[J].中国水利，2013（8B）: 17.