提升台站供电持续性的方法研究

林航毅 裴 晓 王 鹏 刘 菲 王仁涛

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

上海地震台的测震台站经过多次改造，整体的运行能力大幅度提升。但在智能供电能力方面，依旧有所欠缺，即电源系统一旦发生故障，少则几个小时，多则十几个小时才能修复，这严重影响了数据的连续性和系统的运行率。

目前，对于测震台站的监控水平仍停留在较初级的阶段，远未达到预期水平，有待进一步发展和完善（刘永刚等，2009）。例如，横湖地震台的某次电源故障，通信随之中断导致运维人员无法获得台站的的监控信息，远程无法及时判断是光缆问题还是台站电源问题，最终严重影响了抢修速度。又如，天平山地震台的某次故障，运维人员调用天平山地震台远程监控信息时，远程监控却因电源问题无法正常工作。综上所述，如果电源设备具有自修复功能的话，那么运维人员不仅可以及时获得台站的监控信息，同时还可以大大减少断记的时间。为此，我们在台站电源自修复功能方面开展了研究及应用，取得了较显著的效果。

1 工作原理

研发的台站电源系统原理如图1（舒优良，2000）所示。采用双电源自动转换器，对主、副电源进行监控并采取对应的供电输出，从双电源自动转换器输出的为220 V 交流电，同时为光端机和直流稳压电源供电；220 V 交流电经过直流稳压电源，输出13.6 V 直流电进入电源选择控制器的CD 端口；同时，来自BAT1 蓄电池的12 V 直流电输入电源选择控制器的AB 端口；电源选择控制器根据AB 和CD 的两端电压值，选择优势电压从EF 端输出直流电，完成对后续的地震监测系统的供电。

图1 系统原理图Fig.1 System schematic diagram

系统工作原理：

（1）主电源为UPS 供电系统，当市电和UPS 正常，UPS 输出220 V 交流电至双电源自动转换器。

（2）副电源为可充电纯正弦波输出逆变器与蓄电池BAT1 组合。当市电正常时，此组合电源输出220 V 交流至双电源自动转换器；当市电中断时，此组合电源由蓄电池的12 V直流逆变为220 V 交流电至双电源自动转换器。

（3）双电源自动转换器具有毫秒级切换功能，实时监控主副电源的输出状态，选择优势电源输出220 V 交流电给光端机和直流稳压电源。

（4）直流稳压电源将双电源自动转换器输出的220 V 交流电，转换成13.6 V 直流电，输入至电源选择控制器的CD 端口。

（5）电源选择控制器实时监控来自BAT1 的12 V 直流电、直流稳压电源的13.6 V 直流电，根据预先设置的选取规则进行直流电输出：①当CD 端电压为10—15 V 时，控制器中的继电器不采取动作，EF 端与CD 端直通，由CD 电压直接输出至EF 端；②当CD端电压小于10 V 时，控制器中的继电器采取动作，EF 端与CD 端断开，同时，AB 端与EF 端接通，蓄电池BAT1 通过EF 端输出12 V 直流电，为后续的地震监测系统供电。

2 器件及模块

系统的3 个核心模块为可充电纯正弦输出逆变器、双电源自动转换器和电源选择控制器（李兴泉等，2020）。

（1）可充电纯正弦输出逆变器。当正常输入220 V 交流电时，逆变器不启动逆变，直接将220 V 交流电输出，同时通过充电电路对蓄电动池充电；当220 V 交流电输入中断时，逆变器停止充电并启动逆变模式，将蓄电池电能转换成220 V 纯正弦波交流电输出。

（2）双电源自动转换器（图2）。主通道输入来自UPS 的220 V 交流电，副通道输入来自市电220 V 交流电或可充电逆变器将蓄电池电能转换成的220 V 纯正弦波交流电。当UPS 的220 V 交流电未断，转换器输出的是主通道UPS 输出220 V 的交流电，副通道的电源作为备用；当UPS 的220 V 交流电中断时，转换器会在15 ms 内自动切换到副通道进行电压输出。由于切换时间小于15 ms，输出供电不会发生中断，保证了地震监测系统有稳定持续供电。

图2 双电源自动转换器Fig.2 Dual power automatic converter

（3）电源选择控制器（图3）。该模块可以同时接收2 道直流电输入，继电器根据预先的阈值设置进行相应的动作，选取优势直流电压输出，完成1 次直流电源的自修复，保证了监测系统的持续供电。

图3 电源选择控制器Fig.3 Power selection controller

3 测试

对系统的功能、性能进行了2 组模拟测试。

（1）模拟UPS 故障，以测试双电源自动转换器输出端是否正常输出220 V 交流电（图4）。由图4 可见，UPS 输入故障，UPS 输出不稳定的交流电至双电源自动转换器（蓝色曲线），但双电源转换器输出稳定的220 V 交流电（橙色曲线），未见切换时的电压数据波动，性能正常稳定。

图4 模拟UPS 输出故障测试数据Fig.4 Analog UPS output fault test data

模拟直流稳压电源输出故障，以测试电源选择控制器输出端是否正常输出12 V 直流电（图5）。由图5 可见，直流稳压电源输出故障，输出不稳定的直流电至电源选择控制器（蓝色曲线），但电源选择控制器输出稳定的12.0—13.6 V 区间的直流（橙色曲线），未见切换时的电压数据低于10 V 或高于14 V，性能正常稳定。

图5 模拟直流稳压电源输出故障Fig.5 Analog DC regulated power supply output fault

从上述功能测试结果来看，研发的系统可满足预期的功能和效果。通过该系统，可以输出稳定的12 V 左右直流电给台站地震监测仪器、220 V 交流电给台站光端机等传输设备。

4 运行情况

系统自2021 年3 月在测震台站大洋山台和天平山台进行了野外测试，取得了较显著的效果。2021 年3 月前大洋山地震台和天平山地震台常因电源故障造成断记，大洋山地震台安装系统前平均运行率为99.80%，安装后为99.95%；天平山地震台安装系统前平均运行率为99.88%，安装后为99.97%。

5 后续系统改进计划

由于项目时间有限，项目组针对目前的系统，提出了后续的改进计划：①对逆变器的工作状态和 UPS 增加检测监控和报警，以提高电源系统的可靠性；②只有当UPS 发生故障和市电也中断时，逆变器才会启动，这样报警提醒后可以在蓄电池电力耗尽之前有足够的时间恢复市电和UPS 故障，避免出现双路均停电的故障。

6 结束语

研发的台站电源系统在上海地震台多个测震、地球物理台站得到了应用，为台站专业仪器提供了稳定电力资源，且运行稳定，效果较显著。