台站电源监控及自处置系统的研发与应用

裴 晓 林航毅

1）中国上海 200062上海市地震局

2）中国上海 200062上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站

0 引言

在上海地球物理台网的电源系统升级改造中，根据台站实际情况配备了不间断供电系统或者交直流隔离电源系统。从升级改造后的运行情况来看，该台网的年运行率由约98%上升至99.5%。为了进一步提升台网运行质量，拟采取电源系统实时监控的方式，提升台站智能化水平，从而有效减少供电故障引起的数据断记现象。

若地球物理台站观测数据未实现实时传输，台站发生故障不能及时发现，将严重影响数据的完整性。例如，2020年2月12日，因市电故障，查山台监测设备无法正常工作，运维人员在故障发生后18 h才发现问题，2月14日设备经抢修恢复正常，断记缺数48 h。又如上海大学台和凤城中学台，仪器房均安置在校园内，为了安全起见，学校在节假日关闭校内电闸，台站设备因此中断运行，2019年4月19日凤城中学台因电闸关闭导致当月台网运行率下降0.5个百分点。对于只有10个台站、39套仪器的上海地球物理台网来说，一个台站、一套仪器的数据中断都将严重影响台网的整体运行质量（李兴泉等，2020）。

为此研发台站电源监控及自处置系统，对台站电源进行实时监控及自动处置。通过本系统可及时获得台站供电信息，基于系统的自处置功能，断记现象减少，提高了观测设备运行质量，在台站观测实验中效果较显著。

1 工作原理

系统拟实现供电监控及自动处置地震仪器供电故障的双重功能：通过物联网和4G双通道监控模块，对市电和UPS输出的220 V电压进行监控；通过物联网监控模块控制线引出的执行开关电路，对地震仪器进行重启，或者选取对地震仪器的供电方式（市电或UPS供电）实现远程自处置功能。系统工作原理见图1。

图1 系统工作原理Fig.1 Schematic of the system

系统由3个核心模块组成：4G短信监控模块、物联网监控模块、执行开关电路。系统同时采用“物联网”和“4G短信”2种通信模式，因二者各有优势，可更好解决台站无线信号差异造成的通信问题。

4G短信监控模块是通过短信的方式将实时监测到的异常信息发送至观测人员。这种方式对于持有非智能手机的观测人员比较友好，但缺点是绑定的观测人员数量和组网的台站数量会显著增加进而增加资费负担。

物联网监控模块是通过物联网将实时监测到的异常信息发送至观测人员。每台设备年运行资费仅15元，此优势在后期组网观测时更明显，且该通信方式不受观测人员数量限制，缺点是需通过手机App发送信息，可能会存在因观测人员未在线而错失报警信息的情况。

执行开关电路，采用继电器的元器件，最大工作电流为7 A，最大切换电流为10 A，能够满足台站地震观测仪器的控制要求（刘永刚等，2009）。系统通过对逻辑控制上下限、工作模式和报警模式进行设置，从而实现与监控模块的联动。

系统的3个核心模块工作原理如下：物联网监控模块和4G短信监控模块同时对市电和UPS电源进行监控；当台站供电异常时，物联网监控模块将以App告警信息方式通知运维人员；当台站供电异常时，4G短信监控模块将以短信方式通知运维人员；物联网监控模块配置直流UPS，即使交流UPS出现供电异常等故障，模块仍可继续工作；同样，短信监控模块内置蓄电池，续航时间4 h；系统中执行开关电路，通过预先设置，在发生供电异常时，继电器自动采取对应措施，或者由观测人员远程控制，实现台站供电方式的选取，或观测仪器的重启等功能。

2 系统运行

此系统具有移动终端App，可进行参数设置、组网观测、状态查询、远程控制等操作（图2），同时可实时接收台站的报警信息（图3）。系统短信监控模块可将监测到的异常信息以短信方式发送至观测人员手机，如图4。

图2 移动终端工作界面Fig.2 Work interface for mobile terminal

图3 移动终端App报警界面Fig.3 App alarm interface for mobile terminal

图4 手机短信报警界面Fig.4 Alarm interface for mobile SMS

观测人员对系统进行多类型情景模拟测试：市电、UPS断电，移动终端均能够及时接收App及短信的断电报警；在模拟地震专业仪器死机的情况时，观测人员通过移动终端App成功重启了发生异常的仪器。通过多次模拟测试，认为本系统实现了对台站供电系统的实时监控，并能够对台站仪器进行重启操作。

在2020年12月4日至2021年7月课题验收阶段，上海大学台进行运行测试，结果良好，效果显著，主要体现在：①上海大学台运行率与往年同期相比，由99.8023%（2019-12-05—2020-06-11）上升至99.9491%（2020-12-05—2021-06-11）；②系统在2021年4月30日成功监测到上海大学台市电中断，观测人员同时收到移动终端App和短信的报警信息（图5）。经排查，断电原因为学校劳动节安全检查，观测人员在3 h内及时恢复供电。

图5 2021年4月30日上海大学台市电供电故障报警信息Fig.5 Alarm information of power supply failure at Shanghai University Station on April 30,2021

供电故障为台站观测故障之一。该系统从供电监控着手，配合台站前期供电升级改造，从短期测试结果来看，研发系统可显著降低故障率，并提升台站仪器运行率。

3 结束语

在上海地震台网地球物理台站的应用，台站电源监控及自处理系统为专业仪器稳定运行提供保障，且其具备反向操作功能，运行稳定，效果显著。

在实际运用中，发现系统存在一定升级空间：逆变器和 UPS工作状态需增加检测监控和报警功能，以提高电源系统的可靠性（舒优良等，2000）；只有当UPS发生故障和市电中断时，逆变器才会启动，报警提醒后在蓄电池电力耗尽前有足够时间恢复市电或解决UPS故障，避免造成双路均停电故障。