林航毅 裴 曉 王 鵬 劉 菲 王仁濤

1）中國上海 200062 上海市地震局

2）中國上海 200062 上海佘山地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站

0 引言

上海地震臺的測震臺站經(jīng)過多次改造，整體的運行能力大幅度提升。但在智能供電能力方面，依舊有所欠缺，即電源系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，少則幾個小時，多則十幾個小時才能修復(fù)，這嚴重影響了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和系統(tǒng)的運行率。

目前，對于測震臺站的監(jiān)控水平仍停留在較初級的階段，遠未達到預(yù)期水平，有待進一步發(fā)展和完善（劉永剛等，2009）。例如，橫湖地震臺的某次電源故障，通信隨之中斷導(dǎo)致運維人員無法獲得臺站的的監(jiān)控信息，遠程無法及時判斷是光纜問題還是臺站電源問題，最終嚴重影響了搶修速度。又如，天平山地震臺的某次故障，運維人員調(diào)用天平山地震臺遠程監(jiān)控信息時，遠程監(jiān)控卻因電源問題無法正常工作。綜上所述，如果電源設(shè)備具有自修復(fù)功能的話，那么運維人員不僅可以及時獲得臺站的監(jiān)控信息，同時還可以大大減少斷記的時間。為此，我們在臺站電源自修復(fù)功能方面開展了研究及應(yīng)用，取得了較顯著的效果。

1 工作原理

研發(fā)的臺站電源系統(tǒng)原理如圖1（舒優(yōu)良，2000）所示。采用雙電源自動轉(zhuǎn)換器，對主、副電源進行監(jiān)控并采取對應(yīng)的供電輸出，從雙電源自動轉(zhuǎn)換器輸出的為220 V 交流電，同時為光端機和直流穩(wěn)壓電源供電；220 V 交流電經(jīng)過直流穩(wěn)壓電源，輸出13.6 V 直流電進入電源選擇控制器的CD 端口；同時，來自BAT1 蓄電池的12 V 直流電輸入電源選擇控制器的AB 端口；電源選擇控制器根據(jù)AB 和CD 的兩端電壓值，選擇優(yōu)勢電壓從EF 端輸出直流電，完成對后續(xù)的地震監(jiān)測系統(tǒng)的供電。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram

系統(tǒng)工作原理：

（1）主電源為UPS 供電系統(tǒng)，當市電和UPS 正常，UPS 輸出220 V 交流電至雙電源自動轉(zhuǎn)換器。

（2）副電源為可充電純正弦波輸出逆變器與蓄電池BAT1 組合。當市電正常時，此組合電源輸出220 V 交流至雙電源自動轉(zhuǎn)換器；當市電中斷時，此組合電源由蓄電池的12 V直流逆變?yōu)?20 V 交流電至雙電源自動轉(zhuǎn)換器。

（3）雙電源自動轉(zhuǎn)換器具有毫秒級切換功能，實時監(jiān)控主副電源的輸出狀態(tài)，選擇優(yōu)勢電源輸出220 V 交流電給光端機和直流穩(wěn)壓電源。

（4）直流穩(wěn)壓電源將雙電源自動轉(zhuǎn)換器輸出的220 V 交流電，轉(zhuǎn)換成13.6 V 直流電，輸入至電源選擇控制器的CD 端口。

（5）電源選擇控制器實時監(jiān)控來自BAT1 的12 V 直流電、直流穩(wěn)壓電源的13.6 V 直流電，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的選取規(guī)則進行直流電輸出：①當CD 端電壓為10—15 V 時，控制器中的繼電器不采取動作，EF 端與CD 端直通，由CD 電壓直接輸出至EF 端；②當CD端電壓小于10 V 時，控制器中的繼電器采取動作，EF 端與CD 端斷開，同時，AB 端與EF 端接通，蓄電池BAT1 通過EF 端輸出12 V 直流電，為后續(xù)的地震監(jiān)測系統(tǒng)供電。

2 器件及模塊

系統(tǒng)的3 個核心模塊為可充電純正弦輸出逆變器、雙電源自動轉(zhuǎn)換器和電源選擇控制器（李興泉等，2020）。

（1）可充電純正弦輸出逆變器。當正常輸入220 V 交流電時，逆變器不啟動逆變，直接將220 V 交流電輸出，同時通過充電電路對蓄電動池充電；當220 V 交流電輸入中斷時，逆變器停止充電并啟動逆變模式，將蓄電池電能轉(zhuǎn)換成220 V 純正弦波交流電輸出。

（2）雙電源自動轉(zhuǎn)換器（圖2）。主通道輸入來自UPS 的220 V 交流電，副通道輸入來自市電220 V 交流電或可充電逆變器將蓄電池電能轉(zhuǎn)換成的220 V 純正弦波交流電。當UPS 的220 V 交流電未斷，轉(zhuǎn)換器輸出的是主通道UPS 輸出220 V 的交流電，副通道的電源作為備用；當UPS 的220 V 交流電中斷時，轉(zhuǎn)換器會在15 ms 內(nèi)自動切換到副通道進行電壓輸出。由于切換時間小于15 ms，輸出供電不會發(fā)生中斷，保證了地震監(jiān)測系統(tǒng)有穩(wěn)定持續(xù)供電。

圖2 雙電源自動轉(zhuǎn)換器Fig.2 Dual power automatic converter

（3）電源選擇控制器（圖3）。該模塊可以同時接收2 道直流電輸入，繼電器根據(jù)預(yù)先的閾值設(shè)置進行相應(yīng)的動作，選取優(yōu)勢直流電壓輸出，完成1 次直流電源的自修復(fù)，保證了監(jiān)測系統(tǒng)的持續(xù)供電。

圖3 電源選擇控制器Fig.3 Power selection controller

3 測試

對系統(tǒng)的功能、性能進行了2 組模擬測試。

（1）模擬UPS 故障，以測試雙電源自動轉(zhuǎn)換器輸出端是否正常輸出220 V 交流電（圖4）。由圖4 可見，UPS 輸入故障，UPS 輸出不穩(wěn)定的交流電至雙電源自動轉(zhuǎn)換器（藍色曲線），但雙電源轉(zhuǎn)換器輸出穩(wěn)定的220 V 交流電（橙色曲線），未見切換時的電壓數(shù)據(jù)波動，性能正常穩(wěn)定。

圖4 模擬UPS 輸出故障測試數(shù)據(jù)Fig.4 Analog UPS output fault test data

模擬直流穩(wěn)壓電源輸出故障，以測試電源選擇控制器輸出端是否正常輸出12 V 直流電（圖5）。由圖5 可見，直流穩(wěn)壓電源輸出故障，輸出不穩(wěn)定的直流電至電源選擇控制器（藍色曲線），但電源選擇控制器輸出穩(wěn)定的12.0—13.6 V 區(qū)間的直流（橙色曲線），未見切換時的電壓數(shù)據(jù)低于10 V 或高于14 V，性能正常穩(wěn)定。

圖5 模擬直流穩(wěn)壓電源輸出故障Fig.5 Analog DC regulated power supply output fault

從上述功能測試結(jié)果來看，研發(fā)的系統(tǒng)可滿足預(yù)期的功能和效果。通過該系統(tǒng)，可以輸出穩(wěn)定的12 V 左右直流電給臺站地震監(jiān)測儀器、220 V 交流電給臺站光端機等傳輸設(shè)備。

4 運行情況

系統(tǒng)自2021 年3 月在測震臺站大洋山臺和天平山臺進行了野外測試，取得了較顯著的效果。2021 年3 月前大洋山地震臺和天平山地震臺常因電源故障造成斷記，大洋山地震臺安裝系統(tǒng)前平均運行率為99.80%，安裝后為99.95%；天平山地震臺安裝系統(tǒng)前平均運行率為99.88%，安裝后為99.97%。

5 后續(xù)系統(tǒng)改進計劃

由于項目時間有限，項目組針對目前的系統(tǒng)，提出了后續(xù)的改進計劃：①對逆變器的工作狀態(tài)和 UPS 增加檢測監(jiān)控和報警，以提高電源系統(tǒng)的可靠性；②只有當UPS 發(fā)生故障和市電也中斷時，逆變器才會啟動，這樣報警提醒后可以在蓄電池電力耗盡之前有足夠的時間恢復(fù)市電和UPS 故障，避免出現(xiàn)雙路均停電的故障。

6 結(jié)束語

研發(fā)的臺站電源系統(tǒng)在上海地震臺多個測震、地球物理臺站得到了應(yīng)用，為臺站專業(yè)儀器提供了穩(wěn)定電力資源，且運行穩(wěn)定，效果較顯著。