供电系统改造对静乐地震台前兆观测数据的影响分析

郭 宇，程冬焱，刘金柱，刘俊芳，郭宝仁

(1.山西省地震局定襄地震台，山西 定襄 035403；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震前兆台站要想更好地为地震预报服务，必须产出准确、可靠的第一手观测资料。其中，仪器的稳定运行是基础，必须保证供电系统的正常运行。静乐地震观测台(以下简称静乐台)为无人值守台，一直采用“市电+UPS”的供电模式。由于交流供电为农电，运行质量较差，停电频繁，电压波动大。尤其是长时间停电后，蓄电池电量不足，整个台站所有设备全部瘫痪，造成观测资料中断，数据丢失，其损失是无法挽回的[1]。为解决上述问题，台站于2016年11月安装太阳能供电系统[2]。太阳能供电系统全部为直流供电，电压比较稳定，到目前仪器运行状态良好。现将静乐台改造前后两种不同的供电模式进行对比分析，进而选出一种较好的供电模式。

1 测点概况

静乐台位于静乐县娘子神乡黑汉沟村以西2 km处，井区在东碾河南岸，东碾河属黄河流域汾河水系。井区冬季长而寒冷，夏季短而炎热，气候干燥，气温多变，年平均气温7 ℃，最低温1月零下9 ℃，最高温7月21 ℃左右。年降水量450～500 mm，无霜期135～145 d，年雷暴日在40 d以上,属高雷区。

2007年静乐台观测项目进行数字化技术改造，架设交流电线路，新建避雷系统，新增数字化水位、水温观测。供电系统模式为“市电+UPS”，由附近村庄接入交流供电，明杆架设，总长度300 m，设置专用配电箱、漏电保护器及2级电源避雷防护。观测系统构成如图1所示。

图1 市电+UPS观测系统构成图Fig.1 Composition of the city electricity +UPS

2016年11月台站改造为太阳能供电系统，在观测室顶部安装10块太阳能板，设计功率1 000 W，观测室内放置一套太阳能控制器和6块蓄电池。观测系统构成图如第50页图2所示。供电方式为日间太阳能板通过太阳能控制器给所有设备供电，同时给蓄电池充电；夜间蓄电池通过太阳能控制器给所有设备进行供电。

2 改造前后对比分析

2.1 运行稳定性

供电系统正常工作是仪器稳定运行的基础，停电及电源故障都有可能造成仪器断记并产生干扰数据，交直流切换等电源不稳也可造成数据产生单点突跳[3](见第50页图3)。现统计“市电+UPS”(2016年1月至10月)和“太阳能供电”(2017年1月至10月)两种供电模式下各测项原始缺记及数据受电源干扰的情况(见第50页表1)。

表1 不同供电系统下受电源影响情况统计表Table 1 Influence of power under different power supply systems

图2 太阳能供电观测系统构成图Fig.2 Composition of the solar power supply observation system

图3 静乐水位分钟值曲线图Fig.3 Minute value of water level in Jingle

从表中看出，供电系统改造前因供电原因造成的原始缺测及受干扰影响较多(次数多、时间长)，改造后则较少(次数少、时间短)，尤其是因电源不稳造成的单点突跳明显减少(由77次锐减为7次)。 分析认为，改造前测点经常长时间停电，UPS电瓶电量无法满足仪器消耗，造成断记，恢复供电后一定时间内会因电流冲击影响仪器的观测数据。太阳能供电系统改造后，基本减少了因供电不足造成仪器断记及数据干扰，提供的直流电比较稳定，使系统运行稳定性得到明显改善。但现阶段太阳能供电系统蓄电池数量较少，续航存在一定的问题。

2.2 雷电影响

2.2.1 雷电灾害

静乐属于高雷区，年雷暴日达40 d以上，经常发生台站仪器设备遭雷击事件，影响台站的正常运行。其形式主要表现为感应雷、雷击附近大地和建筑物、交流供电线路或空中雷电感应形成的冲击电压，通过与之相连的电源线、信号传输线或接地系统，侵入电子设备造成严重的干扰或事故。其中电源线路是引雷的主要因素之一。据统计，由供电线路引入的雷电对仪器设备的损坏率约占70%～80%[4]。

改造之前，静乐供电线路是在户外架空明线，雷电感应的高电压极易沿供电线路进入台站，造成仪器设备的损坏。统计了静乐台供电系统改造前后雷害影响情况如表2所示。可以看出，在供电系统改造后，各测项均未出现雷击现象，说明太阳能直流供电能很好地解决原交流供电易受到雷害影响的问题。

表2 静乐台供电系统改造前后雷害影响统计Table 2 Impact of lightning damage before and after renovation of power supply system at Jingle station

2.2.2 雷电干扰

雷电干扰分布广泛，理论上只要有雷电天气的地方，就会存在雷电干扰[5]。在长期的观测中发现，静乐水位雷电干扰主要表现为数据不同幅度的波动、台阶；水温则为数据的突跳。供电系统改造前后的水位、水温受雷电干扰的分钟值曲线分别如第51页图4、图5所示。可以看出，两种供电模式下，水位、水温受雷电干扰形态基本一致，说明与供电系统无关。

图4 改造前静乐水位、水温分钟值曲线图Fig.4 Minute value of water level and water temperature before renovation

图5 改造后静乐水位、水温分钟值曲线图Fig.5 Minute value of water level and water temperature after renovation

2.3 内在质量

判断数据观测质量好坏的一个重要指标是数据的内在质量(依据《地下流体评分标准》)，数字化水位的内在质量主要从潮汐因子和观测精度两方面来体现。数字化水温的内在质量主要从一阶差分标准差和超标个数来体现[5]。供电系统改造前后静乐水位同期对比曲线如图6所示。表3和表4分别列出静乐水位及水温供电系统改造前后内在质量统计结果。

从图6看出，供电系统改造后数据曲线毛刺明显减少，曲线更为光滑，数据质量得到改善；表3表明，2016和2017年水位同期潮汐因子基本无太大变化，观测精度2017年明显低于2016年，内在质量明显提升；由表4看出，2016和2017年水温同期整点值一阶差分标准差(σ)基本无太大变化，均低于0.001 ℃，超标个数也无明显差别，说明供电系统的改造对静乐水温数据内在质量无影响。

图6 静乐水位1月1-5日预处理同期对比曲线图Fig.6 Comparison of the water level from January 1 to January 5

月份2016年2017年潮汐因子观测精度得分潮汐因子观测精度得分10.284 60.057 722.260.247 00.045 322.8620.313 60.064 921.920.251 90.044 222.9230.264 00.096 920.290.270 20.037 923.2440.313 60.090 920.610.279 20.036 323.3250.301 00.073 221.490.233 90.046 522.7960.284 20.057 822.250.257 60.054 022.4370.272 70.067 121.780.279 90.049 622.6680.235 90.069 621.640.267 10.037 623.2590.238 20.049 722.630.248 80.035 923.33100.267 00.045 422.860.255 50.038 123.22备注当观测精度<0.01时,得20分,每增大0.01扣0.5分; 当观测精度<0.4时,潮汐因子≥1.00,得5分,每降低0.1扣0.05分。

表4 静乐水温内在质量统计表Table 4 Internal quality statistics of water temperature in Jingle

3 结论与建议

静乐台在太阳能直流供电系统改造后，以下几方面得到明显改善。

(1) 仪器稳定性。一方面解决了之前农电长时间停电造成整个观测系统瘫痪的问题；另一方面直流供电更稳定，电源不稳造成的干扰明显减少。

(2) 较好地解决交流供电易受雷害影响的问题，保障了观测系统的正常运行。

(3) 数据内在质量明显提升。

蓄电池组是太阳能直流供电系统的保障，应配备足量的蓄电池，保证续航时间；定期检查太阳能供电系统主要部件的工作状态，配置备用件，出现故障可及时更换。