基于圖像監視的大型光伏電站周界防護系統設計

孫 靜,徐嘉瑞,于 佼,韓 源

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

近年來隨著清潔能源不斷發展，大型光伏電站的建設日益增多。大型光伏電站占地廣闊，巡檢區域大，防護成本高，普遍采用簡易圍欄加巡檢方式或電子圍欄方式。但上述方案已不能滿足業主對電站晝夜24 h安全防范及遠程監視的發展需求，本文結合大型光伏電站特點，通過技術經濟比選，研究分析出一種針對大型光伏電站周界防護系統的新型應用方案，即采用振動光纜報警聯動激光紅外攝像機實時查看報警位置監控畫面，并觸發探照燈給予入侵者威懾的周界防護方案。以青海省某大型光伏園區為例，總結出基于圖像監視的大型光伏電站周界防護系統具體實現方案，供后續工程參考。

1 周界防護方案選擇

結合大型光伏電站特點，對以下幾種周界防范方案進行比較。

(1) 方案1,簡易圍欄加巡檢。

防護成本低，是目前大型光伏電站周界防護系統選擇該方案的重要原因。

(2) 方案2,電子圍欄。

安裝于圍欄上方，當強行入侵造成系統斷線或短路時，發出高壓脈沖信號和聲光信號，使入侵者產生電擊感而達到阻止入侵的目的，阻擋效果佳。以10 km周界為例，每500 m設置單防區造價如表1。

表1 電子圍欄方案每500 m設置單防區造價表

每200 m設置單防區設備和施工造價是每500 m設置單防區造價的2倍左右，因此周界較長時，單防區長度越短，防區總數量越多，設備成本及施工安裝成本越高。長報警防區輔材及施工成本低，是大型光伏電站選擇該方案的重要原因，目前每500 m設置單防區。但該方案只能報警防區，需巡檢人員進一步排查確定精確報警位置，長防區增加了巡檢難度且施工復雜。

(3) 本文方案，振動光纜。

隨著技術不斷發展，提出以傳感光纜作為前端探測傳感器，實現精確報警定位。當傳感器受到外界干擾時，光纖中傳輸的光特性會隨之改變，報警單元將接收到的光信號進行分析和處理，區分第三方入侵行為與正常干擾[1-3]。以10 km周界為例，每500 m設置單防區造價如表2。

表2 振動光纜方案每500 m設置單防區造價表

傳感光纜在傳輸過程中損耗小、穩定性高，可精確定位，且無需供電，降低了施工復雜性。相同防區長度，經濟性比電子圍欄方案高。

以10 km周界、每500 m設置單防區為例，3個方案比較如表3 。

表3 3種周界防護方案特點比較表

上述可知，方案1不滿足業主需求；方案3比方案2在精確定位報警方面有很大優勢，降低了巡檢難度且施工簡單；方案3比方案2性價比更高。綜上，方案3更適合于大型光伏電站周界防護系統。同時由于場區面積大，攝像機數量多，立桿、電源和光纜敷設施工成本高，存儲設備造價高，是長周界防護系統成本高的另一個原因。

由于光伏場區夜間光照0 Lux，攝像機需具備輔助照明功能。伴燈攝像機夜視距離50 m，長周界架設數量過多。隨著技術不斷發展，紅外攝像機夜視距離越來越遠，由“照明源”功率大小決定夜視距離遠近，目前“照明源”有LED和激光2種方式，對比如表4。

表4 LED與激光紅外攝像機對比表

激光紅外攝像機比LED紅外攝像機夜視距離遠，10 km周界架設數量少，施工成本降低，終端存儲容量降低，綜合成本較低。因此選用激光紅外球機作為周界防護系統的圖像監視設備。

2 系統方案設計

2.1 系統構成

基于圖像監視的大型光伏電站周界防護系統主要實現光伏場、變電站周界的全天候防范，系統由前端探測系統、信號傳輸系統和終端控制系統組成[9-10]。前端探測系統由傳感器和報警單元組成；信號傳輸系統將采集的報警信號與圖像信息等傳送到控制終端，并將控制指令下達到前端攝像機；終端控制系統接收報警信息后聯動攝像機顯示報警畫面，對入侵目標進行及時定位跟蹤，并將報警、圖像信息進行存儲與顯示。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.2 前端系統設計

2.2.1 光伏場區周界防護

光伏場區周界防護系統采用振動光纜報警方案，每500 m設置1個報警防區，每4個報警防區設置1個四防區報警單元；每500 m立桿架設1臺激光紅外球機，監視2個報警防區。防區劃分見圖2。報警單元將接收到的信號進行分析、判斷和處理，觸發現場聲光報警器，聯動該防區攝像機對入侵位置進行精準定位，實時顯示報警畫面。

圖2 防區劃分示意圖

2.2.2 光伏場區內部監視

光伏場區道路由進場主干道和陣列區道路組成，主干道多為集電線路走廊，陣列區道路為運維檢修通道。對主干道及陣列區道路入口進行布防，不僅可以有效監視場區車輛及人員流動情況，還可以對陣列區光伏組件設備安全進行防護，達到安全警衛需求。在主干道上借助集電線路鐵塔每500 m架設1臺激光紅外球機，監視半徑1 km內主干道及陣列區道路入口。

2.2.3 變電站周界防護及內部監視

選用電子圍欄系統，每100 m設置單防區報警主機，并在出入口裝設紅外對射入侵探測器聯動帶跟蹤功能紅外攝像機，實現對電站24 h實時監視。場區內重要場所及場區道路選用一體化紅外槍機進行有效監視，視頻、報警信號在主控室監視終端顯示并報警。

2.3 傳輸系統設計

隨著業主對圖像監視清晰度的要求，周界防護系統數據量上千兆，傳輸系統的重點即圖像信息。

傳輸系統網絡結構采用分層分布式。光伏場區周界防護系統數據信息就近接入逆變器室光纖環網，采用與光伏場區監控系統同纜分芯方式將數據上送至35 kV匯集站環網交換機；場區內部圖像信息直接上送至35 kV匯集站環網交換機；若干個匯集站環網交換機成環后以24芯光纜送至變電站，與變電站周界防護數據信息一起匯至變電站系統終端。組網結構見圖3。

2.4 終端系統設計

終端系統主要由控制系統、存儲系統及顯示系統組成。控制系統由控制主機及客戶端組成，作為操作控制的核心設備，實現周界防護各系統的統一管理與控制，具備數據統計、數據查詢、操作維護、網絡控制等功能。存儲設備用于圖像信息采集、壓縮與處理。顯示系統由解碼器與顯示屏組成[5]。

圖像信息存儲空間大小決定了存儲設備選擇。如一臺720 p和一臺1 080 p攝像機按30 d存儲，存儲空間如表5。

圖3 組網結構圖

視頻格式存儲空間720 p4Mbps / 8×3600×24×30 / 0.9 / 10242=1.37TB1080 p8Mbps / 8×3600×24×30 / 0.9 / 10242=2.75TB

一臺1 080 p攝像機存儲空間占主流存儲單元4 TB硬盤的70%，一般容量為8×4 TB的網絡硬盤錄像機不能滿足大型光伏電站存儲空間需求。網絡視頻存儲服務器一般支持16～48塊4 TB存儲硬盤并可擴展，與多臺硬盤錄像機組合配置方案對比如表6。

表6 不同存儲方案對比表

4臺硬盤錄像機組合配置雖價格便宜，但視頻存儲服務器省略了存儲服務器，用戶可直接從存儲設備調取、查閱數據，提高了性能和可靠性。綜合考慮采用網絡視頻存儲服務器。

3 工程實例

青海省某大型光伏園區終期建設2 500 WMp光伏電站，配套建設2座330 kV升壓變電站及若干35 kV匯集站，光伏園區周界長35 km。光伏園區周界每500 m設置單防區，變電站每100 m設置單防區，周界防護系統配置如表7。

全站共設置90臺紅外攝像機，場區大門口設置紅外對射入侵探測器；每座變電站設置24臺紅外攝像機。每個35 kV匯集站設置1臺百兆環網交換機用于匯集站及光伏場區內數據傳輸，匯總后接入匯集站千兆以太網交換機；每座變電站設置3臺百兆以太網交換機及1臺百兆POE交換機，用于變電站內數據傳輸，匯總后接入變電站千兆以太網交換機；匯集站及變電站千兆以太網交換機將數據信息均匯至變電站萬兆以太網交換機。

表7 35 km周界防護系統配置表

終端控制系統采用分層管理方式，振動光纜與電子圍欄系統分別設置管理主機對本系統信息進行采集與處理，經規約轉換后接入系統；設置1臺周界防護系統控制主機對各系統進行統一控制與管理。網絡視頻存儲服務器滿足不少于140路輸入(錄像+回放)，存儲容量不小于170 TB(存儲容量劃分為：變電站攝像機8 Mbps碼流，存儲30 d，占容量138 TB；光伏場區攝像機4 Mbps碼流，存儲7 d，占容量30 TB)。設置1臺65寸液晶大屏幕顯示設備，經解碼器轉換成模擬信號后進行實時報警顯示。同時預留無人值班時在集控中心監視的網絡接口。系統組網見圖4。

圖4 系統組網圖

4 結 語

本文通過技術經濟比選，研究分析出一種適用于大型光伏電站的周界防護系統新型應用方案，采用振動光纜方式進行入侵檢測，實時預警，提升了報警精度，降低了施工難度；采用紅外激光攝像機進行遠距離夜間監視，減少了攝像機數量，彌補了長周界防護系統成本高的缺點，實現了業主發展需求，給后續相關設計提供了新思路。該方案得到了業主方的認可，對后續工程有一定的參考作用。