論公路外場監(jiān)控太陽能供配電系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)注意的問題

王軍興

（甘肅省高速公路管理局，甘肅　蘭州　73000）

論公路外場監(jiān)控太陽能供配電系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)注意的問題

王軍興

（甘肅省高速公路管理局，甘肅蘭州73000）

公路沿線的監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備用電負荷較小，受地理位置和長距離供電壓降的影響，一般采用太陽能供電。筆者從工作實踐出發(fā)，拋去復(fù)雜的理論說明，從簡單實用的角度，認真分析了影響太陽能供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的幾個關(guān)鍵因素。筆者認為，在項目建設(shè)初期，一是要充分考慮自然環(huán)境對太陽能板發(fā)電效率的影響；二是要認真計算太陽能板發(fā)電量、蓄電池放電和儲能、設(shè)備負載之間的功率配合等諸多因素，確保發(fā)電量和儲能滿足負載運行要求；三是盡量選擇低能耗、環(huán)保的新型負載設(shè)備；四是加強項目施工管理，抓好工程質(zhì)量是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提條件。

太陽能；供配電系統(tǒng)；監(jiān)控

1　背景

2011年，甘肅省高速公路管理局為進一步提高道路運行的服務(wù)水平，加強道路運行實時監(jiān)控，提高突發(fā)公共事件的現(xiàn)場協(xié)調(diào)、監(jiān)測和處置能力，對2010年前已建成通車的路段進行智能監(jiān)控系統(tǒng)升級改造，開始建設(shè)路段全程監(jiān)控。該項目外場監(jiān)控點多線長，除部分監(jiān)控點具備市電供電條件外，大部分監(jiān)控點均采用風(fēng)光互補太陽能供電。

目前，該項目已建成的全程外場監(jiān)控系統(tǒng)已運行近5年。在這5年的運行過程中，各年份均不同程度地出現(xiàn)攝像機掉電、圖像傳輸故障等問題；甚至一些遠端傳輸設(shè)備掉電造成部分片區(qū)整條線路無視頻圖像的現(xiàn)象。根據(jù)省高管局交通調(diào)度指揮中心2015年12月份統(tǒng)計的資料顯示，外場監(jiān)控圖像故障率超過50%。各路段實際統(tǒng)計情況見表1所示。

綜合分析圖像故障的原因，除了攝像機、傳輸設(shè)備和傳輸介質(zhì)自身的故障外，約50%的故障設(shè)備其故障原因基本都是太陽能供電系統(tǒng)故障造成。這讓我們充分認識到太陽能供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對日后監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。

表1　省高管局交通調(diào)度指揮總中心路段已上傳數(shù)字化圖像巡檢表（部分截取）

2　太陽能供電系統(tǒng)故障的幾個原因

通過建設(shè)單位、設(shè)計單位和施工單位現(xiàn)場勘查和分析，太陽能供電系統(tǒng)故障主要有以下幾方面原因：

2.1太陽能供電系統(tǒng)自身的老化

太陽能光伏板和蓄電池隨著使用年限的延長，充放電性能也在逐步弱化，從而影響系統(tǒng)供電的持續(xù)時間。

2.2灰塵和污染造成太陽能板放電效率減低

霧霾、揚塵對太陽能板發(fā)電影響很大，太陽能板長期受污染，極大地影響太陽能電池板的發(fā)電效率，嚴重降低了發(fā)電量。白天產(chǎn)生電量除供攝像機正常工作外，剩余存入蓄電池的電量較少，造成蓄電池處于虧電狀態(tài)，也是造成太陽能供電系統(tǒng)不能持續(xù)供電的主要原因之一。

2.3電池箱施工不規(guī)范

電池箱安裝不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，電池溫度過高或過低，或受進水、泥土的損壞，充放電效率大幅減低。

2.4太陽能板、蓄電池和設(shè)備負載不匹配

本項目外場監(jiān)控系統(tǒng)太陽能電池組件基本采用標(biāo)準(zhǔn)功率為200 Wp、工作電壓36.5 V，單點電池板數(shù)量3塊，45度斜面其平均日照為4.5 h，實際發(fā)電量約為1 404 Wh；負責(zé)功率約為78 W，負載工作電壓為24 V直流，每天工作24 h，每日耗能1872 Wh。蓄電池基本配置12 V100 Ah的電池組6塊，如按最長連續(xù)陰雨天為7 d，應(yīng)需要電池容量為750.75 Ah，12V100 Ah需要8塊。

2.5攝像機選型功耗較大

本工程攝像機為一體化攝像機，且不帶自鎖功能，即攝像機在通電狀態(tài)下依靠云臺電機使攝像機保持位置不動；當(dāng)攝像機斷電時由于沒有自鎖功能，電機失去動力致使攝像機斷電且攝像頭立即槍機保持沖天狀態(tài)。由于云臺持續(xù)供電致使太陽能發(fā)出電能大部分被浪費在維持云臺帶電狀態(tài)，再加上冬天加熱設(shè)備的開啟，極大消耗太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能。經(jīng)過近幾年發(fā)展，一種新型節(jié)能型攝像機可保證在云臺不運作的情況下攝像機能自鎖在固定位置且云臺不損耗電能，使攝像機極大減少電能損耗，可有效降低太陽能發(fā)電設(shè)備的用電負擔(dān)。

3　太陽能供電系統(tǒng)在建設(shè)時意的幾個問題

針對甘肅省高速公路外場監(jiān)控太陽能供電系統(tǒng)存在的實際問題，啟發(fā)我們在以后的太陽能供電系統(tǒng)建設(shè)中，除了要考慮自然因素和施工因素給太陽能供電系統(tǒng)造成不利影響外，重點要考慮太陽能板、蓄電池組、控制器和負載功率的相互匹配，使其能夠發(fā)揮最大的工作效率。下面筆者重點談?wù)剮讉€需要重點注意的問題。

3.1充分考慮不利因素，嚴格把關(guān)技術(shù)參數(shù)計算和設(shè)備選型

太陽能供電系統(tǒng)由于受自然環(huán)境影響、發(fā)電和放電設(shè)備輸出效率的影響，實際的發(fā)電效率可能只有理論值的50%～60%；其次，太陽能板的發(fā)電量必須滿足設(shè)備用電量和電池組的儲能需求，電池組的儲能要滿足本地區(qū)連續(xù)陰雨天的能耗需求。這就要求我們充分考慮各種不利影響因素，詳細計算各關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。3.1.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求容量計算

Qf=Qg×H×N×KX

Qf為光伏組件發(fā)電量

Qg為單塊太陽能板發(fā)電量

H為根據(jù)地區(qū)的氣象情況確定的日照時間

N為太陽能板數(shù)量

KX為修正系數(shù)，主要考慮蓄電池組充電效率Kc（0.98），太陽能電池組件表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)Kw（0.9），太陽電池方陣組合損耗系數(shù)KS（0.96），控制器的轉(zhuǎn)換效率Kn（0.88），太陽能電池板公稱電壓和蓄電池電壓的匹配效率KP（蓄電池的公稱電壓/太陽能板的公稱電壓）。

例如：太陽能單板標(biāo)準(zhǔn)功率為200 Wp，工作電壓34 V，蓄電池組工作電壓為24 V，日照時長為4.5 h，組數(shù)采用4塊，則日發(fā)電量為：

Qf=Qg×H×N×KX=200×4.5×4×0.52=1 872 Wh

式中，KX=Kc×Kw×KS×Kn×KP=0.98×0.9×0.96×0.88× 24/34=52%

根據(jù)已知或需求條件，各參數(shù)間可根據(jù)工作實際需要進行相互轉(zhuǎn)換。

3.1.2蓄電池組的需求容量計算

蓄電池的容量QX計算公式為：

QX=QL×A×NL×To/DOD

QL為負載日平均耗電量，單位為Ah，QL=WE/UE*TE（WE為負載額定功率，UE為額定電壓，TE日工作時間）

A為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間；

NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)；

To為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；

DOD為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.7～0.8，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。

例如：負載實際功率為70 W，額定電壓24 V，按照7天連續(xù)陰雨天計算持續(xù)放電，則蓄電池的需求容量為：

QX=QL×A×NL×To/DOD=WE/UE×TE×A×NL×To/DOD

=70/24×24×7×1.1/0.8=673.75 Ah

如采用100 Ah容量的電池，則理論至少需要7塊。若采用12 V 100 Ah每2塊串聯(lián)組成電池組，需要8塊。

3.2嚴把關(guān)鍵設(shè)備選型關(guān)，提高設(shè)備運行的可靠性和經(jīng)濟性

現(xiàn)在有部分廠商的產(chǎn)品，技術(shù)參數(shù)在理想狀態(tài)下可以達到，一旦外界條件改變就不能實現(xiàn)其正常功能。在太陽能供電外場監(jiān)控系統(tǒng)中，太陽能板、控制器、電池組和攝像機等關(guān)鍵設(shè)備，不管哪一個質(zhì)量出問題，都會影響整個系統(tǒng)的高效運行。在產(chǎn)品的選型問題上，就怕貨比貨。一是盡量選用知名品牌；二是盡量選用市場占有率高、有較多成功運用案例的產(chǎn)品；三是盡量采用適合控制機電產(chǎn)品質(zhì)量的招標(biāo)評標(biāo)辦法，防止低價中標(biāo)影響產(chǎn)品質(zhì)量；四是如有條件盡量搭建實驗平臺，業(yè)主實際檢測關(guān)鍵設(shè)備的運行性能，防止設(shè)備選型不妥帶來項目功能瑕疵。

3.3加強太陽能供電系統(tǒng)的運行監(jiān)控

根據(jù)以往的經(jīng)驗，太陽能供電系統(tǒng)在建設(shè)時，硬件設(shè)施的功能基本能實現(xiàn)，但在軟件建設(shè)和對系統(tǒng)的運行監(jiān)控方面卻不夠重視。這也與長期在項目建設(shè)中重視硬件建設(shè)而不重視軟件管理的慣性思維有關(guān)。由于沒有基礎(chǔ)管理數(shù)據(jù)，在太陽能供電系統(tǒng)故障時，不知道具體哪個環(huán)節(jié)出了問題，靠排除解決很費力氣，在有些環(huán)節(jié)上也很不現(xiàn)實。只有在日常的運行中做好監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集，才能對有些具體問題有的放矢地進行分析和解決。

外場監(jiān)控圖像的傳輸通道和介質(zhì)為我們傳輸供電監(jiān)控信息提供了較好的傳輸條件，這就要求我們的控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件符合國際工業(yè)監(jiān)控與開放式設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，支持各種國際通用通訊協(xié)議，實現(xiàn)信號測量和數(shù)據(jù)采集，并采用現(xiàn)代通信技術(shù)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，利用計算機軟件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，完成數(shù)據(jù)處理。一是實現(xiàn)實時顯示功能，實時顯示光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)陣列電壓、陣列電流、蓄電池電壓、蓄電池溫度、蓄電池剩余容量、負載電流等參數(shù)，并可以通過點擊設(shè)備號來查看每臺設(shè)備的具體圖標(biāo)顯示狀況，這樣便于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的各光電轉(zhuǎn)換站點的集中監(jiān)控與管理；二是實現(xiàn)異常報警功能，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中各個站點的報警可以從異常報警界面中實時查看，當(dāng)異常排除后報警自動解除，報警事件的具體情況會被記錄在數(shù)據(jù)庫中；三是實現(xiàn)遠程設(shè)置和控制功能，在控制室可以遠程查看和設(shè)置光電轉(zhuǎn)換供電系統(tǒng)中的各個站點的參數(shù)，如每個站點的蓄電池容量、恢復(fù)提升電壓、過放電壓、恢復(fù)過放電壓、浮充電壓、溫度補償系數(shù)、控制器時鐘、下位機ID等，已達到各設(shè)備間以最佳參數(shù)配合運行。

4　結(jié)束語

公路沿線外場監(jiān)控系統(tǒng)，一般運行自然環(huán)境條件較差，要保證系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，就要充分考慮各種不利因素，加強施工工藝管理，詳細計算太陽能板、負載設(shè)備功率和蓄電池的儲能，加強系統(tǒng)運行管理，確保太陽能供電系統(tǒng)穩(wěn)定、有效、經(jīng)濟運行。

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U491.5+3

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.07.024

2016-3-26

王軍興（1971-），男，漢族，甘肅武威人，大學(xué)專科，工程師，主要從事高速公路機電系統(tǒng)運維管理和高速公路機電工程項目管理工作。