智能電源在自動氣象觀測站的應(yīng)用

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智能電源在自動氣象觀測站保障中的應(yīng)用隨著計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，氣象觀測設(shè)備自動化程度越來越高，研發(fā)氣象觀測設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，非設(shè)備損毀性故障通過相應(yīng)控制系統(tǒng)進行恢復就顯得尤為重要[1]。通過總結(jié)近幾年自動氣象站故障情況，供電是影響自動氣象站穩(wěn)定運行的重要原因之一。針對自動氣象站的電源系統(tǒng)進行的監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)也受到關(guān)注，如于子敏等，設(shè)計的國家級自動氣象站蓄電池智能控制監(jiān)測系統(tǒng)，就解決了國家級自動氣象站蓄電池狀態(tài)監(jiān)控及蓄電池維護問題[2]。智能電源作為高智能的電源監(jiān)控管理設(shè)備也被應(yīng)用到地震觀測站中，實現(xiàn)對地震臺站電源系統(tǒng)的遠程監(jiān)控[3]。

本文介紹了濱州本地自動氣象站故障情況及自動站供電現(xiàn)狀，詳細介紹了自動氣象站智能電源管理系統(tǒng)設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)組成、安裝方法，實現(xiàn)對自動氣象站電源的遠程監(jiān)控及控制，提高野外自動氣象站的維護效率。

1自動氣象站設(shè)備故障情況

濱州市地處魯北西部，全市擁有區(qū)域自動氣象站74座，這些區(qū)域站為地方政府提供氣象服務(wù)發(fā)揮著無可替代的作用。探測環(huán)境、傳感器、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等都是自動氣象站正常運行的影響因素，自動氣象站故障則會影響氣象觀測資料的代表性、準確性、比較性[4]。根據(jù)山東省區(qū)域自動站近3年故障單統(tǒng)計，區(qū)域自動氣象站因供電系統(tǒng)故障、采集器死機及其他通過重啟設(shè)備可以解決的故障約有425起，約占總故障量的25%。濱州市自動氣象觀測站（包括國家級氣象觀測站）因供電系統(tǒng)故障、采集器死機及其他通過重啟設(shè)備可以解決的故障約有59起，約占總故障量的26%。由此看出自動氣象站的穩(wěn)定運行，供電系統(tǒng)是一個重要因素。智能電源的在氣象區(qū)域站的安裝使用解決了因一個小問題造成的氣象區(qū)域站設(shè)備故障，維修效率顯著提高，節(jié)約了維護成本。

2自動氣象觀測站的供電現(xiàn)狀

濱州市氣象自動觀測站眾多，有大量的無人值守的區(qū)域自動站位于自然條件相對惡劣的室外，當前氣象區(qū)域站的電源系統(tǒng)采用的是12V直流蓄電池與太陽能供電的直流供電系統(tǒng)，這種供電系統(tǒng)由電源控制器、太陽能電池板、蓄電池等組成。由于區(qū)域站觀測要素少，采集器只具有生成數(shù)據(jù)文件的功能，無法生成自動站狀態(tài)文件，無法對自動站的傳感器采集狀態(tài)、電源充電、供電狀態(tài)進行監(jiān)視及控制。當自動站設(shè)備故障時，值班人員往往通過發(fā)現(xiàn)沒有觀測數(shù)據(jù)來判斷自動站故障，無法判斷具體故障點，然后在通知維護保障人員去現(xiàn)場去排查故障再維修，這樣維修時間長、維修成本較高，設(shè)備恢復正常運行周期較長。國家級氣象觀測站的電源系統(tǒng)采用交流供電系統(tǒng)，由市交流電、UPS不間斷電源、蓄電池等組成。國家級氣象觀測站較區(qū)域自動站相比，因有值班人員定期在臺站值班，探測環(huán)境更好、設(shè)備維護更加及時，再者其電源系統(tǒng)主要通過交流供電，因此其運行更加穩(wěn)定。但隨著綜合氣象觀測的現(xiàn)代化改革，有許多國家氣象觀測站將變?yōu)闊o人值守臺站，這樣無法及時對設(shè)備狀態(tài)無法實時監(jiān)控。以上兩種電源系統(tǒng)為傳統(tǒng)意義上的供電系統(tǒng)，都無法對設(shè)備的供電進行智能及時的管理、監(jiān)視及控制。

3智能電源構(gòu)成及設(shè)計思路

智能電源由太陽能充電控制模塊、短信通訊模塊、控制器模塊、蓄電池模塊等組成的超低功耗集成模塊。太陽能充電控制模塊可以實現(xiàn)一路太陽能電池板產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)為穩(wěn)壓的13.8V的蓄電池充電電壓。短信通訊模塊可以定時接受用戶端發(fā)送的遠程指令并進行回復，完成無線通信。蓄電池模塊完成電能存儲和電能的釋放?？刂破髂K可以完成接受用戶端指令信息，檢測蓄電池電量儲存狀態(tài)，控制太陽能充電控制模塊、蓄電池模塊之間的電能傳輸，同時控制器還控制智能電源的休眠功能，降低智能電源使用功耗。智能電源的使用分兩種：一種是應(yīng)用于區(qū)域自動氣象站的智能電源，此電源的工作方式是把太陽能電池板輸出電壓轉(zhuǎn)換到適合蓄電池充電的電壓，白天智能電源對蓄電池充電，對采集器進行供電；夜晚控制蓄電池對采集器進行供電。智能電源通過控制器模塊對蓄電池的狀態(tài)進行監(jiān)控及通斷電控制，用戶端通過短信發(fā)送指令來遠程監(jiān)控或控制設(shè)備（圖1）。另一種是應(yīng)用于交流電的國家級自動氣象站。其工作方式是智能電源接在采集器或傳感器電源箱內(nèi)變壓器（交流變直流）的后端，直接對蓄電池進行監(jiān)控與控制。當收到監(jiān)控指令時，智能電源將蓄電池狀態(tài)發(fā)送給用戶端；當收到控制指令時，智能電源可直接斷開或關(guān)閉蓄電池與采集器的電路連接，達到控制、重啟采集器的目的（圖2）。智能電源在自動氣象站電源系統(tǒng)中的應(yīng)用是全新的具有重大意義的技術(shù)改造。它與氣象數(shù)據(jù)采集器的配套使用，使自動氣象站裝備保障管理更為全面智能。其監(jiān)控的電源系統(tǒng)變量主要包括:蓄電池供電參數(shù)、直流輸出參數(shù)、休眠時間等。同時，它可遠程對自動站電源系統(tǒng)進行控制，對采集器進行斷電重啟。

4智能電源管理系統(tǒng)的安裝

智能電源管理系統(tǒng)的安裝分為自動氣象站的硬件模塊安裝和智能電源管理平臺的軟件安裝。（1）區(qū)域自動氣象站智能電源模塊安裝?，F(xiàn)有區(qū)域自動氣象站都為太陽能方式供電。將太陽能板輸出線路接入太陽能電池板輸入接口，將蓄電池正負極接入電池充電輸出接口，將自動站采集器供電線路接入受控供電輸出接口（圖3）。（2）具有交流電的國家級自動氣象觀測站智能電源模塊安裝。智能電源模塊電池充電輸出接口連接蓄電池，自動站采集器供電線路接入受控供電輸出接口（圖4）。（3）智能電源管理系統(tǒng)平臺軟件應(yīng)用。所有安裝了智能電源模塊的自動氣象觀測站都通過該監(jiān)控軟件進行電源狀態(tài)的監(jiān)控，并且通過監(jiān)控軟件遠程對智能電源模塊進行斷電通電和復位操作。監(jiān)控軟件通過召測的方式進行監(jiān)控，即維護人員通過監(jiān)控軟件的召測功能向智能電源模塊發(fā)送命令短信，模塊受到命令后向平臺發(fā)送電源系統(tǒng)狀態(tài)信息，信息內(nèi)容包括:蓄電池的充放電電壓、負載電壓、負載電流。當蓄電池電量低于設(shè)置閾值時，智能電源模塊也會自動發(fā)送報警短信。（4）智能電源還可以采用移動手機發(fā)送短信的方式控制工作狀態(tài)，可以隨時掌握自動站電源系統(tǒng)的運行狀態(tài)和對設(shè)備遠程斷電復位。

5效益

經(jīng)過一段時間的試運行，智能電源對自動氣象站電源系統(tǒng)的監(jiān)測工作起到了積極的保障作用。（1）通過每天對智能電源管理平臺的各個自動氣象站的檢查，能夠提前發(fā)現(xiàn)自動站出現(xiàn)的問題，做到及早采取措施，提高了自動站穩(wěn)定運行率。（2）遠程解決自動站各類死機問題。自動氣象站的采集器、通訊模塊及有些智能傳感器分采會出現(xiàn)死機狀態(tài)，按照以往的情況就需要裝備保障人員前往自動站進行解決。安裝了智能電源模塊后，裝備保障人員就可以通過智能電源管理平臺或者手機對自動站端的設(shè)備進行遠程斷電復位，不但提高了工作效率，而且減少了去現(xiàn)場修復的次數(shù)，降低了維護成本。

6結(jié)束語

智能電源在濱州市自動氣象站試運行以來，對國家級自動氣象站的運行率和區(qū)域自動氣象站的運行維護效率都有了顯著提高。濱州市區(qū)域自動氣象站分布較廣，如果采取以往的方式去自動站現(xiàn)場進行維護，不但費時費力，而且維護成本較大。因此，區(qū)域或國家級自動氣象站安裝智能電源，裝備保障中心安裝智能電源管理系統(tǒng)就可以智能化管理各個無人值守的自動氣象站的電源系統(tǒng)，實時掌握臺站運行狀態(tài)，提高了工作效率，做到提前發(fā)現(xiàn)臺站問題、及時解決處理。

參考文獻

[1]石磊,劉靜,李鳳,尹宏偉.地震臺智能電源Android平臺控制系統(tǒng).地震地磁觀測與研究,2018:46-50.

[2]于子敏,常奮華,杜言霞,等.國家級自動氣象站蓄電池智能控制檢測系統(tǒng)設(shè)計.氣象科技,2018,04.

[3]趙永海,吳哲.智能電源管理系統(tǒng)在青海省觀測臺網(wǎng)中的應(yīng)用[J].高原地震，2018(03).

[4]盧雪勤,黃薈,鐘祥平.區(qū)域自動氣象站常見故障分析處理[J].氣象研究與應(yīng)用,2018,39(03):101-103,115.

作者:劉 非 田世芹 孫亞麗 單位:濱州市氣象局