闭环配电方式在气象观测场站的应用

郑栋栋

（福建省漳州市气象局，福建 漳州 363000）

1 现状分析

气象观测台站一般要求选址在高地或周围空旷的地方。台站布署的采集设备较多，设备大多要求220 V电源配电，且信息采集传感器对工作电源的质量和抗浪涌的能力均要求很高。传统的电源配送方式为：配电房送出220 V电源到测场的集中配电箱，从配电箱以星型连接方式在测场的地沟内为分布在不同点位上的设备供电[1-2]。漳州各个国家级气象观测站的后备电源切换，均采用在地沟中布置线缆用以供电和通信，部分台站已经实现局站分离，无人值守是业务运行的主要方式，因此电源的安全有效成为业务无人值守的前提。目前漳州市气象局所有基础台站的供电系统主要由市电、后备电池以及备用发电机组组成，测场内的电源配电为集中式星型配电，原理如图1所示。

图1中，220 V集电配电箱中通过星型方式送电到各采集仪器。此配电模式存在以下缺点：一是在测场的地沟中，电源线信号线混在一起，线多、维护困难；二是由于电缆线路老化破损，如果老鼠、蚂蚁等动物的破坏没有被及时发现，人员在雷雨季节进入测场，容易引发安全事故；三是在雷雨季节，由于电源均从集电配电箱送出，只要有一条电源线获得感应雷电，测场中大部分数据采集设备均会受到破坏；四是由于测场的地理环境原因，此种配电方式不管电源从测场内还是测场外受到电源浪涌的突袭，测场内的电子设备都会受到损伤，无任何隔离保护措施[3-4]。

图1 原自动观测场集中式星型配电原理

为此，设计一种新型220 V电源闭环配送模式。在测场内形成总线状的配电模式，各用电设备在最近的配电环上通过隔离器取电，减少地沟中线缆的数量。同时也阻断了220 V电源线上的浪涌通道，形成浪涌隔离屏障，最大限度地保障了设备和入场人员的安全。原理如图2所示。

图2 中，配电房的220 V电源经闭环送电设备送到测试场的闭环配电点1和闭环配电点2。测场通过环路总线模式进行电源布线[5]。此新闭环配电模式有以下优点。

（1）减少了测场中电源线缆的数量。测场内各种用电设备通过隔离环接在闭环线路上，以环路总线方式配电，线缆地沟中的起线少，维护方便。

（2）220 V电源在测场中以浮地方式配送，220 V电源闭环输送，形成220 V浮地电源。

（3）用电设备通过隔离器在电源环上取电，配电相互独立，可以防止浪涌和相互干扰。各种用电设备通过隔离环在环线上取电，各采集设备的供电相互独立、互不干扰，不管从测场外还是测试设备受到感应浪涌的袭击，在一定当量内不会互相影响。

本文核心内容为220 V室外配电由开环（即L、N不能短路）改变为闭环（没有L、N线之分，一根闭环线）配电的方式在室外气象自动观测场中的 应用。

2 气象自动观测场220 V电源新型闭环配电原理

多年来，自动气象观测均采用24小时3班倒的模式进行信息采集和设备维护。气象自动观测场中的电源和设备均可在第一时间得到维护。由于电子技术和物联网技术的不断发展和应用，无人值守的气象自动测场正在大力推进。电源安全、有效配送，是自动化信息采集质量保障的前提。原测场220 V开环星型配送模式已严重不适应无人值守自动观测场的需要。新型闭环总线式、用电设备相互独立的配电模式将进一步提升测场的供电安全，保障数据采集质量。其设计原理如图3所示。

图3 220 V电源新型闭环配电设计原理

3 基于物联网的配电参数采集与监视设计

无人值守用电设备独立供电可有效防止电源浪涌的串扰，但需要更进一步，实时获取配电系统的各用电设备的参数并提供预警信息，给维护保障人员一定的反应时间，做到无人值守和24小时有人监管一样，能准确及时保障测场电源的安全有效供给。闭环电源线上配电参数采集与监视设计原理如图4所示。

图4中，以STM32F103为核心，对每个配电点的闭环上隔离取电点的交流电压、电流进行参数采集，对设备的直流用电电压、电流进行采集。500 mA 直流采集通过信号调理电路送MCU的AD1号通道进行AD转换。5 A交流采集通过信号调理电路送MCU的AD2号通道进行AD转换。220 V交流电压采集通过信号调理电路送MCU的AD3号通道进行AD转换。12 V直流电压采集通过信号调理电路送MCU的AD1号通道进行AD转换。4个LED指示灯与MCU的PC0～PC3管脚相连，且受MCU控制。5个按键与MCU的PC4～PC8管脚相连，且受MCU控制。MCU采集到的AD信息和5个按键信息经MCU的UART1串口经CPRS物联网通信模块传入后端管理平台。

图4 配电参数采集原理

4 智能监测软件设计

自动气象观测场220 V闭环安全配送系统中，闭环隔离器是核心的闭环解决方案设备。通过闭环电源升级改造，在无人值守过程中，即使线路老化、破损，输电安全都有所提高。采用总线式闭环在测场布线，大大简化测场布线方案，线缆维护更容易。各用电设备通过隔离器在闭环上取电，设备用电相互独立、不管是从测场内还是测场外受到电源浪涌干扰，都可以进行有效的阻隔，大大降低电源浪涌相互干扰的可能性。为了配合无人值守，对测场配电闭环输入升级改造的同时，采用物联网技术，对各点的各种配电参数进行实时采集，并接入后端管理平台，同时配以报警条件及时报警，在电源系统存在风险时，维护管理员能在第一时间维护。为此，需要在配电的同时，智能采集各种配电参数。采集软件设计原理如图5所示。

图5 智能监测软件设计原理

5 结 语

通过气象自动观测场闭环电源升级改造、配电点各配电参数的实时获取，通过硬件采集设备中的嵌入式软件实现了信息交换与报警管理。改造后的配电系统实现了高压浮地送电，可阻断瞬间高压脉冲、串扰通道，保障设备安全，解决室外无意闯入者的人身安全问题。系统具备远程监控功能，可实时在线掌控整个配电系统的工作状态，及时解除安全隐患。无人值守台站可远程操作自动切换电源，远程实现对UPS及油机的保养工作，实现了无人值守测场电源的安全配送与智能管理。