安凱杰，程冬焱，李惠玲 ，穆慧敏

(1.山西省地震局太原地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 太原 030025；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

供電系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和遠(yuǎn)程管理對(duì)地震觀(guān)測(cè)儀器來(lái)說(shuō)至關(guān)重要[1]，運(yùn)行不穩(wěn)定會(huì)影響觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、可靠性和準(zhǔn)確性。針對(duì)北武當(dāng)?shù)卣鹩^(guān)測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)北武當(dāng)站)供電穩(wěn)定性存在的隱患和目前尚未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理的現(xiàn)狀，2020年山西省地震局安排“臺(tái)站智能電源及太陽(yáng)能遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)推廣應(yīng)用項(xiàng)目”，完成北武當(dāng)站智能電源及太陽(yáng)能遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)安裝任務(wù)，解決觀(guān)測(cè)系統(tǒng)供電不穩(wěn)定、續(xù)航時(shí)間短、易遭雷擊、無(wú)法遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題，提升了專(zhuān)業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)化運(yùn)維水平，降低臺(tái)站運(yùn)維成本，為今后地震臺(tái)站改革運(yùn)維模式，實(shí)現(xiàn)從人工到自動(dòng)化運(yùn)維提供參考[1-4]。

1 測(cè)點(diǎn)概況

北武當(dāng)站于2011年正式投入使用，位于呂梁市方山縣北武當(dāng)鎮(zhèn)曹家溝村東北1.2 km處的北武當(dāng)山腳下，距呂梁市區(qū)45 km，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，觀(guān)測(cè)環(huán)境較好，海拔高程1 475 m，洞深201 m，洞體平均覆蓋厚度60多米。北武當(dāng)觀(guān)測(cè)站布設(shè)有區(qū)域測(cè)震、水管傾斜儀、伸縮儀、數(shù)字水平擺傾斜儀、氣象三要素等觀(guān)測(cè)儀器，主要以形變觀(guān)測(cè)為主。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的臺(tái)站智能供電管理系統(tǒng)框架及功能

基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的臺(tái)站智能供電管理系統(tǒng)主要由臺(tái)站智能電源、大氣電場(chǎng)傳感器、多比云平臺(tái)、手機(jī)App等組成。臺(tái)站智能電源實(shí)時(shí)接收大氣電場(chǎng)傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)采集市電狀態(tài)、太陽(yáng)能狀態(tài)、輸出1至5路電壓及電流、蓄電池電壓及雷電狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)送到多比云平臺(tái)和手機(jī)App。當(dāng)檢測(cè)到雷電后，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉市電和太陽(yáng)能輸入，保護(hù)儀器室專(zhuān)業(yè)設(shè)備。通過(guò)云平臺(tái)和手機(jī)APP可遠(yuǎn)程單獨(dú)控制市電輸入、太陽(yáng)能輸入及1至5路輸出。系統(tǒng)框架如圖1所示，軟件界面如第44頁(yè)圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件界面Fig.2 Remote monitoring software interface

3 改造前后觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 運(yùn)行率對(duì)比

北武當(dāng)站屬無(wú)人值守臺(tái)站，建成時(shí)主要采用市電+UPS的供電方式，改造后采用市電+太陽(yáng)能+智能電源供電方式?，F(xiàn)對(duì)改造前后水平擺、水管儀、伸縮儀3套儀器的運(yùn)行率、連續(xù)率及有效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)。

表1 觀(guān)測(cè)儀器供電改造前后運(yùn)行率、連續(xù)率、有效率統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of operation rate,continuity rate and effective rate before and after power supply transformation of observation instruments

由表1看出，改造后水平擺、伸縮儀和水管儀的運(yùn)行率、連續(xù)率、有效率均高于改造前(水管儀2021年1月1日因數(shù)采EP-3故障，缺記14小時(shí)，數(shù)據(jù)低于改造前)，減小了因市電中斷、UPS供電不足造成的儀器斷記，為觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行提供保障。

3.2 穩(wěn)定性對(duì)比

UPS交流輸出不穩(wěn)定也會(huì)造成形變固體潮觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)畸變，UPS交流供電影響分值如第45頁(yè)圖3所示，統(tǒng)計(jì)供電改造前后交流供電的影響情況(見(jiàn)第45頁(yè)表2)，可以看出，在供電改造后，觀(guān)測(cè)儀器由于采用直流供電，各測(cè)項(xiàng)均未出現(xiàn)畸變、曲線(xiàn)抖動(dòng)變粗現(xiàn)象，表明太陽(yáng)能供電可較好地解決交流供電造成數(shù)據(jù)畸變影響的問(wèn)題，提高儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

表2 供電改造前后交流電源影響統(tǒng)計(jì)Table 2 Influence statistics of AC power supply before and after power supply transformation

圖3 水平擺交流供電影響分值圖Fig.3 Influence score map of AC power supply of horizontal pendulum

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比

參照地殼形變學(xué)科組擬定的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，采用全國(guó)形變臺(tái)站資料評(píng)比軟件，對(duì)數(shù)字化形變觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)分析。根據(jù)學(xué)科組每月的評(píng)比結(jié)果和臺(tái)站觀(guān)測(cè)日志，傾斜資料以調(diào)和分析波潮汐因子均方差值及相對(duì)噪聲水平作為質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)變觀(guān)測(cè)資料以調(diào)和分析波潮汐因子相對(duì)中誤差和相對(duì)噪聲水平作為評(píng)定內(nèi)精度指標(biāo)。

采用Venedikow調(diào)和分析方法[5]，對(duì)水平擺、水管儀、伸縮儀傾斜應(yīng)變觀(guān)測(cè)資料整點(diǎn)值進(jìn)行調(diào)和分析，求得各測(cè)項(xiàng)的潮汐因子、傾斜測(cè)項(xiàng)的潮汐因子中誤差值和應(yīng)變測(cè)項(xiàng)的潮汐因子相對(duì)中誤差σα/α。北武當(dāng)站3套數(shù)字化傾斜觀(guān)測(cè)儀器改造前后觀(guān)測(cè)資料潮汐因子及中誤差如表3所示。

表3 形變儀器各分量潮汐因子及中誤差Table 3 Tide factor and root mean square error of each component of deformation instrument

相對(duì)噪聲水平M1是衡量?jī)A斜潮汐形變觀(guān)測(cè)資料穩(wěn)定性的質(zhì)量指標(biāo)。應(yīng)用契比雪夫多項(xiàng)式，即一個(gè)年度觀(guān)測(cè)資料的73個(gè)5日均值作30階擬合，計(jì)算公式為：

式中：Tn(X)=cos(narccosX)(n=1,2,3,…,m)；Tn(X)為契比雪夫多項(xiàng)式；X為五日均值；C0為常數(shù)；Cn為擬合系數(shù)；n為系列號(hào)；m為提取的五日均值總個(gè)數(shù)。通過(guò)計(jì)算得到北武當(dāng)站3套儀器的相對(duì)噪聲水平M1(見(jiàn)表4)。

表4 形變儀器各分量相對(duì)噪聲水平Table 4 Relative noise level of each component of deformation instrument

由表3、4看出，水平擺、水管儀、伸縮儀改造后的潮汐因子與改造前的差別不大，僅水平擺兩分量的潮汐因子中誤差Mr值和水平擺EW分量、伸縮儀NS分量的相對(duì)噪聲水平低于改造前，表明供電系統(tǒng)改造后，北武當(dāng)站形變儀器觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量未明顯改善。

4 遠(yuǎn)程故障處置

據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字化觀(guān)測(cè)設(shè)備死機(jī)較為常見(jiàn)[1]。近年來(lái)，北武當(dāng)站儀器的主要故障為死機(jī)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)儀器死機(jī)后，維護(hù)人員需到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行斷電重啟，維護(hù)成本較高，維修效率較低，儀器斷記時(shí)間較長(zhǎng)。在進(jìn)行供電系統(tǒng)改造后，安裝智能電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀(guān)測(cè)儀器供電輸入的遠(yuǎn)程監(jiān)控。2020年10月16日09:00，北武當(dāng)站水管儀數(shù)采出現(xiàn)死機(jī)，無(wú)法ping通儀器。水管儀數(shù)采接入臺(tái)站智能供電管理系統(tǒng),通過(guò)操作軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)水管儀數(shù)采進(jìn)行斷電重啟，數(shù)采恢復(fù)正常。

基于物聯(lián)網(wǎng)的臺(tái)站智能供電管理系統(tǒng)投入運(yùn)行后，狀態(tài)穩(wěn)定,在無(wú)人值守臺(tái)站設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)中發(fā)揮出重要作用。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方式相比,通過(guò)該系統(tǒng),可對(duì)儀器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)儀器出現(xiàn)死機(jī)時(shí),通過(guò)遠(yuǎn)程斷電重啟即可解決,降低了維護(hù)成本，減少工作量，提高數(shù)據(jù)連續(xù)率；同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備電壓及環(huán)境的監(jiān)測(cè),為觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)異常核實(shí)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)論與建議

基于物聯(lián)網(wǎng)的臺(tái)站智能供電管理系統(tǒng)在北武當(dāng)站使用后，取得如下效果：

(1) 有效解決因交流供電中斷或不穩(wěn)定產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，提高儀器運(yùn)行率及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

(2) 具備直流輸入、輸出電壓和電流的監(jiān)控功能，支持遠(yuǎn)程控制負(fù)載供電通斷，智能控制電池組充放電等功能，降低臺(tái)站維護(hù)成本，提高維護(hù)人員工作效率，建議在其他觀(guān)測(cè)站推廣應(yīng)用。

(3) 通過(guò)統(tǒng)計(jì)雷電影響固體潮曲線(xiàn)次數(shù)和對(duì)儀器觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的分析發(fā)現(xiàn)，供電系統(tǒng)改造對(duì)儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、內(nèi)在質(zhì)量無(wú)明顯改善和提升。

(4) 改造后，觀(guān)測(cè)站出現(xiàn)兩次較長(zhǎng)時(shí)間的停電，且均發(fā)生在晚上，造成儀器缺記。主要原因是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)蓄電池?cái)?shù)量較少，使用年限長(zhǎng)，續(xù)航能力較差，直接影響儀器運(yùn)行率、連續(xù)率。因此，建議配備足量高性能蓄電池，保證續(xù)航時(shí)間，減少因停電造成的儀器斷記。