水雨情遥测站采用PSTN备用信道的防雷设计

姚 东,陈浙梁,黄新建

(浙江省水文局,浙江 杭州 310009)

1 问题的提出

水雨情自动监测系统是各级防汛部门获得水雨情实时信息的主要来源,能为防洪避灾工作的正确部署提供科学依据,发挥重要作用。保证水雨情自动监测系统的正常运行,是系统设计中需要重点考虑的问题,通信信道的设计更是重中之重。

目前水雨情自动监测系统可选择的通信信道有:超短波通信、公共电话网PSTN、移动通信GSM/GPRS、卫星通信等。

超短波水雨情自动测报系统由于技术成熟,因此在国内早期的系统中普遍应用。中心站和中继站是其重要环节,是确保系统正常运行的关键,因此系统对中心站、中继站可靠性要求极高。超短波中心站、中继站一般抗干扰能力差,在站点多、站网密的系统中容易发生同频干扰(也叫同频碰撞)现象,影响畅通率。中继站一般建在高山上,正是雷电多发区,如果遭受雷击,会使信号中断,造成系统大面积瘫痪。目前超短波通信方式已逐步退出主流应用。

卫星水情自动测报系统是水情自动测报领域的一支新军,能够解决流域内偏远地区陆地公众通信网络无法覆盖的通信问题,为水利部门实现全流域水情自动测报提供重要手段。但卫星通信设备昂贵、运行维护费用较高,只能作为备用手段。

GSM/GPRS移动公网是近年来发展最快的公共通信资源,具有覆盖面广,信道可靠,费用低廉,维护简单等特点,广泛地应用于浙江省水情自动测报系统中。

公共电话网PSTN是由国家电信部门建设和管理,具有覆盖面广、建设维护费低等特点。为了达到信道传输的可靠性,可以作为备用信道使用。PSTN的缺点是:浙江省是雷电高发地区,有线电话由于外部线路裸露,特别是线路架空,容易成为雷电感应设备,通过线路雷电波入侵终端设备,造成设备损坏。目前,为防止雷击所带来的高压过流信号进入内部电路,通常采用加入过压、过流保护元器件加以保护,如压敏电阻、自恢复过流保险丝、气体放电管等。

雷击通常以高压脉冲形式出现在电话线两端,因此需优先采用电话线两端跨接压敏电阻的防雷措施。为了有效防止外部过流信号对内部器件的影响,有必要在电话线入口处加入过流保护元件。但即使安装了防雷装置,雷击所产生的电磁感应和静电感应仍会形成高电压冲击波,使电子设备被击坏。

2 常见的避雷措施

雷击分为直接雷击和感应雷击2种。直击雷击是带电的云层对大地上的某一点之间发生的放电现象,即雷电直接击中地面上的某一物体;而感应雷击是由于雷电引起的静电感应和电磁场感应所产生的雷击,又称为二次雷击。一般来说,一次雷闪可以在较大的范围内多个小局部同时发生感应高电压现象,并且这种感应高电压可以通过电力线、电话线、各种馈线及信号线等金属导线传输很远,致使雷害范围扩大。

防直击雷电的避雷装置一般由3部分组成:接闪器、引下线和接地体。接闪器分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。防感应雷电的避雷装置主要是避雷器。对同一保护对象同时采用多种避雷装置,称为综合性防雷电。

PSTN有线电话常遭受感应雷电,一般采用防雷电避雷器,又称电涌保护器。避雷器防雷电是把因雷电感应而窜入电力线、信号传输线的高电压限制在一定范围内,保证用电设备不被击穿。常用的避雷器可分为3大类:放电间歇型、阀型和传输线分流型。由于雷击所形成的高电压冲击波,仍会使电子设备被击坏。

3 系统设计方法

目前在浙江省水情自动测报系统广泛采用GSM/GPRS移动公网进行布网,考虑到通信信道的安全性,需要一种可行的备用信道,根据公共电话网PSTN的特点,可以优先考虑采用PSTN作为备用信道,在经费充裕的情况下,则可以考虑采用卫星信道作为备用信道。

由于PSTN电话线路设备易受雷击损坏,为了解决这个问题,针对公共电话网PSTN作为水雨情自动监测系统备用信道而新增设计一种避雷方式,达到减小雷电进入电路设备几率的效果。

为解决GSM/GPRS移动公网作为主信道,PSTN作为备用信道,对PSTN电话线路进行防雷设计采用的技术方案是采用GPRS与PSTN双信道结构设计(见图1)。

图1 遥测站GPRS与PSTN双信道结构图

图1中把水文遥测站分为3个组成部分:PSTN信道、数据终端(含供电及传感器)和GPRS信道,其中:数据终端通过水位、雨量等传感器将采集到的数据按特定方式通过GPRS与PSTN信道进行传输。工作过程如下:

3.1 正常工作状态

平时正常工作状态下,PSTN信道中的 “开闭装置”(一般是指继电器电路)脱离,数据终端中的 “数据终端设备”将要发送的水文数据通过GPRS信道中的“GPRS MODEM”无线通信方式进行发送,此时 PSTN信道中的“PSTN电话线端子”处于开路状态,不易与后面的电路形成雷电感应回路,可以有效地阻挡雷电感应。

PSTN信道中的 “开闭装置”和 “PSTN调制解调控制电路”之间可以加入常规的“过流过压保护电路”。

3.2 非正常工作状态

在“数据终端设备”检测到“GPRSMODEM”无法正常通信的情况下如:监测不到移动信号、GPRS MODEM本身工作异常等,触发 “PSTN调制解调控制电路”,接通“开闭装置”,通过电话线路将数据发送出去。数据发送完毕后,“PSTN调制解调控制电路”即发出指令,断开 “开闭装置”,使电话线路与整个电路设备重新处于断开状态,有效阻挡雷电感应。

在设计中,数据采用以移动通信为主信道,有线电话作为备份信道的双信道方式保障远程传输。这种设计对防雷的作用体现在以下几个方面:

(1)正常状态下,PSTN处于断开状态,最容易引雷的电话线路与整个电路是断开的,可以有效阻挡雷电感应。当GPRS无法正常通信时,才启动PSTN有线电话通信。

(2)启动PSTN有线电话通信时,只是在数据传输时接通,由于水雨情的数据传输量小,传输时间短,因此,电话线路接通时间远小于断开时间,设备遭雷击的几率很低。

(3)在电路中,可视情况设置一些过流过压保护电路,即防雷电避雷器,保留常规的避雷措施,以增加防雷击的可靠性。

4 结 语

浙江省是梅雨、台风灾害频发的地区,完备的水雨情自动监测系统是各级防汛部门获得水雨情实时信息的主要来源,因而,GSM/GPRS移动公网和PSTN有线公网的双信道设计可以充分保证水情自动监测系统数据的正常传输。浙江省是雷电多发区,针对作为备用信道的PSTN有线电话必须采取避雷措施,雷电感应会增加电路受损的可能性,威胁系统的可靠运行。

该设计可以对作为备用信道的PSTN有线电话线路起到避雷作用,设计思路巧妙,结构简单,容易实现,对提高浙江省水雨情自动监测系统的可靠性具有重要的意义。