永胜地震台远程防雷控制装置的设计与应用

李 璘 汤长江 杨学慧

1.云南省地震局，云南昆明 650224；2.云南省地震局永胜地震台，云南昆明 674200

地震监测台站经“九五”、“十五”改造后，地震监测设备发生了很大变化，由以模拟物理量为主的监测设备逐步转变为微电子化、网络化、集成度高的监测设备，监测设备数字化以后，减少了人为操作，监测设备更加的精密、监测数据更加准确。地震台多处于偏远地区，通常存在台站易断电、电压波动范围大、电源和信号线易遭受雷击等问题[1]。当台站信号中断时，维护人员无法远程了解故障原因，导致信号恢复延误。当前，能否尽快确定故障类型，迅速采取积极有效的维修手段，显得越来越重要[2]。据统计，地震监测仪器的电源线路、数据采集线及通信线路引雷是雷击仪器的主要原因[3]。我们针对永胜地震台洞体形变观测的情况，研制一套实用性强、使用简便、成本低廉、可靠性高的台站远程监控装置，远程对地震台站设备提前进行相关操作，减少雷击等事故的发生，并能做到第一时间仪器故障报警并及时抢修，对于地震监测和台站维护工作具有保障作用。希望能对其他地震台远程网络监控系统建设起到一定参考作用。

1 永胜地震台山洞供电系统常见问题

永胜地震台洞体形变观测山洞位于云南永胜盆地东缘，即程海断裂北段山脚下，距离台站值班室路程400m，从值班室到观测山洞需经过陡坡，穿过一条环山公路。永胜地震台日常工作中常见的问题有：（1）无报警，永胜地震台供电系统无监控和仪器故障无报警，在实际工作中经常出现台站值班人员巡视检查仪器时，仪器工作正常，但刚检查完离开后供电就发生故障，特别是夜间仪器发生故障，造成数据长时间缺记。（2）防雷效果差，防雷方面由高灵敏的电源3级防雷系统，各种主动防雷措施，如：放电器、浪涌二极管、快恢复二极管、压敏电阻、过压保险，以及UPS等设备构成。在市电不稳定、过压、过流或者雷击时烧毁防雷元器件来保护仪器。但由于供电方式不能做到完全物理隔离，地震观测仪器与电源等辅助设备总是不同程度地受到雷击损坏。目前的解决方法是在发生雷电时手动切断市电，仪器由UPS供电使雷电不能从电力线路入侵。缺点是工作人员不能及时快速地到达山洞现场拉闸断电，夜晚常常人起床到山洞，仪器已被雷击坏。而且工作人员中途有被雷击和山体落石砸伤的安全隐患。

供电系统无监控、仪器故障无报警及雷击灾害直接影响了数据连续率、完整率及数据质量，同时也增大了工作人员的心理压力。

2 装置结构及工作原理

在日常生活中，远程监测装置已在各行业得到广泛应用。鉴于地震台站的实际需求，基于GSM技术的远程监控装置引入无线、远程、双向操作的理念，不仅可以收发台站的监控信息，也可以远程控制设备[4]。通过远程监控，可将无人值守台站仪器供电状态反馈到工作人员手中，也可做到仪器设备电源供电系统故障前早预警、早干预，及时有效的确保地震观测仪器稳定可靠的连续运行[5]。

我们针对永胜台的实际工作情况研发了本装置，见图1。该装置通过工作人员日常用手机24h监控各仪器及供电设备的供电状态，通过手机发送短信控制市电与备用电源的切换，完全独立于观测山洞的供电系统，不参与改变仪器内部结构，安全可靠。该装置与工作人员的通信方式为GSM通讯。该装置由3个模块组成：短信远程控制模块、供电监控模块、装置供电模块，见图2。

图1 供电远程监控、防雷控制器应用图

图2 装置设计原理图

2.1 短信远程控制模块

本装置核心模块是由Donghaosen公司生产的型号为GL4-GSM短信远程控制模块， 主要由Modem TC35手机模块和STC89C52单片机组成，见图3。TC35手机模块的核心部件是GSM/GPRS基带处理器，相当于协议处理器，其外部集成了通用的RS232串行数据通信接口。STC89C52单片机，该单片机是新一代高速、功耗低、超强抗干扰的单片机。TC35手机模块的RS232串口与STC89C52单片机的串口相连，通过AT指令进行信息通信。TC35手机模块负责短信的收发，STC89C52单片机核心单元来读取TC35收到的短信，并执行相应的监控操作。

当工作人员手机发送一条短信，短信远程控制模块中的Modem TC35接收地震台站工作人员发来的短消息，将收到的短消息以AT指令的格式，送到单片机，单片机按事先编好的程序对收到的短消息进行逻辑判断，根据处理结果输出相应的控制信号，控制中间继电器，由中间继电器驱动交流接触器来实现对山洞电源的接通和断开。单片机中的程序进行逻辑判断来确定需要操作的事件。同样，STC89C52单片机接收监控部分的电平信号，经过逻辑判断发送到Modem TC35模块，再发送到工作人员手机，工作人员就了解了当前仪器工作状态。

图3 短信远程控制模块硬件组成

2.2 供电监控模块

控制器监控信息采集采用完全外挂式不改变现行仪器，和仪器完全物理隔离。由光敏二极管和光电隔离开关量检测电路完成信号采集，光敏二极管只需固定在要监控的设备LED工作指示灯上，为使装置简易易用将各光敏二极管串联，设备故障时其中一个LED灭，此时光敏二极管给出低电平，单片机开关量检测低电平信号，程序进行逻辑判断，通过AT指令发送到Modem TC35T，马上向管理人员手机发送短信和拨打电话两种方式告知工作人员仪器供电故障。

2.3 装置供电模块

该装置电源由UPS提供的220V交流电经电源适配器转换为12V直流，再经DC/DC隔离模块后提供。后备12V锂电池8800mA，即使断电也可以工作6～8h。本装置完全采用外挂式，不改变现有的供电系统的物理链路，即使本装置故障关机，不会影响仪器正常工作。安全可靠。

3 装置应用

该装置研发后，在永胜台进行了使用。我们在该装置正面设置了“装置开关”按钮、“市电”状态显示灯、“防雷启动”显示灯、“水管仪”供电显示灯、“伸缩仪”供电显示灯、“垂直摆”供电显示灯及“SET”设置按键；背面设置了12V电源插孔、SIM卡插槽、天线插孔、4组接线开关。该装置输入电压：12V；输入功率：0.9W；输出电压：AC 10A/220V 15A/125V/30V；输出功率：2000W/路感性负载减半；工作电流：＜10A；GSM频率：850/900/1800/1900MHz。

3.1 应用实验

插入SIM卡后接通电源即可使用。该装置可设置5个主人号码，只有这5个主人号码才能与之通信，号码具有掉电记忆功能。我们通过实验的方法来测试该装置的性能。实验内容及结果见表1。

表1 实验表

3.2 应用案例

防雷应用：在雷电到来前台站管理人员用短信的形式随时随地发送指令控制12V继电器吸合（控制时间1～90min有延时自动恢复功能）。交流接触器得电吸合，常闭端断开，断开市电输入切断雷电从电力线路入侵途径，仪器由UPS供电，同时控制器向管理人员手机发送短信和拨打呼叫2种模式反馈状态信息。下面是2016年10月18日成功防雷案例，见图4，2016年10月18日02：00分台站观测人员察觉雷雨危险天气，02：00分通过手机发送短信“关市电600”，交流接触器常闭端断开，断开市电输入切断雷电从电力线路入侵途径，由于雷电超高电压影响，洞体应变仪器原始数据出现阶跃和突跳，若未切断市电，超高电压将会对仪器设备产生严重的破坏，损失惨重。

图4 2016年10月18日永胜地震台原始数据曲线

4 结语

自从2014年使用以来，台站工作人员时刻关注当地天气情况，并结合当地天气预报，在雷电来临之前，多次通过短信提前关闭市电，从根本上切断了雷击灾害的途径，防止了雷击事故的发生。实现了全天24h对台站供电系统的监控。其完全外挂式的设计保证了台站观测系统安全性。该装置减轻了工作人员的负担，提高了工作效率，更为产出连续、准确、可靠的地震监测数据提供了保障，达到了预期设计要求。