大型集中式光伏電站安全管控一體化平臺的建設

王家萬

(大唐青海能源開發有限公司海西新能源事業部，格爾木 816000)

0 引言

中國自2011 年開始進行大型集中式光伏電站建設以來，光伏發電取得了突飛猛進的發展，特別是隨著國家碳達峰、碳中和戰略目標的提出，更是進一步推動光伏發電的蓬勃發展。根據2022 年3 月9 日國家能源局公布的2021 年光伏發電建設運行情況，截至2021 年底中國光伏發電累計并網裝機容量達305.987 GW。大型集中式光伏電站一般建設在荒漠、戈壁、山間、廢礦等環境惡劣的地方，由于這些場所存在風沙大、光照強烈、早晚溫差大等情況，易造成光伏設備故障頻繁發生，而光伏電站的設備眾多，場區面積大，設備維護量及工作勞動強度均較大，運行檢修成本增大，安全風險高。為了提升安全生產管理，避免安全事故，可通過采用5G 通信、人工智能、先進計算、工業互聯網等新一代信息技術來提升光伏電站安全管理，解決光伏場站運維人員少、區域面積大、實時性差等導致的安全風險不可控問題，保證光伏電站安全、穩定、可靠運行，減少因安全防控不力造成的安全問題和經濟損失。基于此，本文針對大型集中式光伏電站安全管控方面的不足，從作業人員管控、消防系統集中監視與定位、設備健康管理、現場可視化作業監督、現場安全問題告警督辦、應急指揮系統等方面對大型集中式光伏電站安全管控一體化平臺(下文簡稱為“安全管控一體化平臺”)的建設進行論述，對此類平臺的應用案例進行介紹，并提出了此類平臺建設時需要注意的問題。

1 大型集中式光伏電站的安全現狀分析

1.1 條件艱苦，人員短缺，技術水平低

大型集中式光伏電站多處于環境惡劣的區域，條件較為艱苦，導致難以留住專業技術人才，所以光伏電站的人員短缺、技術水平低也成為普遍現象。

1.2 設備故障頻繁

光伏場區中布滿了光伏發電設備，遍地敷設電纜，由于風沙大、光照強烈、早晚溫差大等因素易加劇光伏發電設備積灰和電纜絕緣老化，導致光伏組件等設備頻繁出現短路、漏電、發熱等故障，且設備的維護工作量大，會降低投資收益。近年來，光伏電站觸電、火災、支架傾倒等事故時有發生。

1.3 自然災害時有發生

由于大型集中式光伏電站所在地多為地形復雜且偏僻無人的區域，易遭受暴風、雷擊、暴雪、冰雹、沙塵、巖石滾落、地質滑坡、地震、洪水及動物啃咬等自然及人為破壞，導致近年來已發生多起因大風引發支架傾倒、草原火災從而產生的光伏組件燒毀等事故，而且光伏組件被盜竊也時有發生。雜草生長遮擋、鳥糞等易造成光伏組件局部產生熱斑效應，使其發電量下降。

2 大型集中式光伏電站安全管控中的不足

大唐青海能源開發有限公司(下文簡稱為“大唐青海公司”)從2011 年就在青海省開始光伏電站的投資建設，目前其建設光伏電站的在役容量達750 MW，分22 期建設完成，電站數量共13 座，主要分布在青海省的海南州和海西州，電站之間的最遠距離為700 km，投產時間跨度長達10 年之久。

由于大唐青海公司建設的這些光伏電站是不同時期、不同區域建設的，且存在門禁系統、消防報警、周界防護、現場作業監視管控、高壓區域提示、非授權闖入報警、無人機巡檢平臺、人員定位管控、兩票及其他生產管理等系統應用程度不同的情況，另外，這些系統都是獨立安裝，未有效整合成一體，不但未提升企業的管理，反而導致管理效率降低。安全管控中存在的不足主要體現在：系統不統一，不兼容，各個系統不能有效整合；平臺建設商比較單一，目前還無實力強的多系統開發商；不同光伏電站中同種系統的設備配置不同，運行維護標準不統一，造成系統后期維護成本高，系統測點上傳數據多，故障頻繁。

3 安全管控一體化平臺的建設

針對大型集中式光伏電站安全管控存在的問題，如何有效實現融合和主動防控功能，有效解決光伏電站運維人員少、防控范圍大、實時性差的問題，保證光伏電站安全穩定運行，避免因安全防控不力出現的人員安全問題和經濟損失，成為迫切需要解決的問題。下文從作業人員管控、消防系統集中監視與定位、設備健康管理、現場可視化作業監督、現場安全問題告警督辦、應急指揮系統等方面對安全管控一體化平臺的建設進行論述。

3.1 作業人員管控

升壓站區域、配電室通過門禁系統對人員進出權限進行控制，只允許被授權人員通過，對非授權人員不允許放行[1]。

安全管控一體化平臺需預留與門禁系統的接口，可根據人員編號從門禁系統讀取該人員的進出記錄和違章記錄。

光伏場站園區通過智能安全帽GPS 定位和實際地圖實現光伏場站園區人員定位。

所有人員(含廠內員工、外來人員等)進入生產區均需佩帶定位標簽(粘貼在安全帽上)。廠內員工根據兩票任務及專業、職務的不同分配不同的角色，每種角色按工作需求來配置不同的權限，包括本系統的訪問權限及場站區域的訪問權限等。工作票辦理后，系統根據票面工作地點和工作時間，自動授予相應作業人員(含外包人員)對應區域的訪問權限和時間。還可以根據電站人員上班時間來配置權限，比如上班期間可以出入某些區域，下班時間則需要進行審批后才可以進入。

對現場作業人員信息進行管理。現場作業人員信息包括姓名、性別、年齡、安全帽編號、工種、進廠時間等基本信息。結合人員定位功能控制區域內人員數量，實現人員的安全管控。

通過門禁系統對作業人員進行人臉識別，控制進出權限，對非授權人員不允許放行。

通過周界安防系統實現外界人員闖入報警功能，實現地圖實際顯示，同時利用光伏場站園區內移動偵測攝像頭，實現對闖入人員行為的實時監測。

3.2 消防系統集中監視與定位

各光伏場站消防系統通過安全管控一體化平臺接入省級區域新能源集控中心，增加火災自動報警系統控制器通信模塊，實現控制器遠程通信，采集消防報警系統信息。

通過安全管控一體化平臺，實現全部光伏場站火災自動報警系統集中運行監視、設備狀態監測、火情集控監視、統一調度指揮；并定期實現遠程巡檢和報表功能。

報警、聯動及定位功能。通過各光伏電站的火災報警系統遠傳信息，實現各類火情信息報告，例如：煙霧報警、溫度報警、手動報警等，報警信息實現語音播報方式和警鈴方式，報警采用值班人員確認模式，并實現分級報警。按照實際地圖，繪制現場火源監測點地圖(如圖1 所示)，實現火源監測點定位功能。

圖1 火源監測點地圖Fig. 1 Map of fire source monitoring point

3.3 設備健康管理

建立光伏電站無人機巡檢系統，采用智能無人機配紅外熱成像攝像頭，對光伏組件進行空中巡視、空中拍照、空中攝像，對光伏組件熱斑、隱裂、龜裂、積灰等情況進行巡檢，建立光伏組件安全風險點管理和巡查影像管理數據庫，實現飛行控制、任務生成、信息傳輸、數據采集、數據存儲、數據檢索、數據分析及風險預警等功能。通過無人機采集的實時圖像能快速便捷地檢查光伏組件表面是否有破損、污漬、熱斑等問題，并精準定位，便于及時進行組件的更換和維護，可大幅縮減光伏電站巡檢所需人數及巡檢時間，對電站內部巡檢人員配備、巡檢工作進行了優化，使其他設備的巡檢計劃、巡檢事項、巡檢內容更專注，提升了電站巡檢頻次，有效提高電站巡檢效率與精確性。同時解決了光伏電站建設類型不同導致的光伏組件巡檢難的問題，以及以往人工巡檢可能帶來的人員安全問題。

建立智能無線測溫系統，在匯流箱、逆變器、配電柜、電纜頭處安裝無線測溫設備，監測因電氣線路或設備絕緣層老化破損、電氣連接松動、空氣潮濕、電流電壓急劇升高等原因而引起的溫度超限等電氣故障。當監測到溫度超限時，立即由設備自帶的無線通信模塊將報警信息上傳至服務平臺，實現溫度超限告警，提醒運維人員進行設備的維護，及時消缺設備障礙，避免引起火災等事故。

建立智能積灰檢測系統，在逆變室區域部署積灰傳感器，對該區域積灰狀態進行實時監測。實現智能化自動識別積灰情況，當積灰到達閾值時自動觸發后臺報警接口，推送到前端界面，提醒運維人員進行設備清灰工作，避免積灰造成設備短路、放電、接地等故障。

3.4 現場可視化作業監督

通過作業現場部署臨時用視頻攝像機或布控球，實現作業現場監督。

為保證現場作業安全管控力度及現場作業規范性，降低作業風險，可通過現場作業全過程監控可視化平臺，實現現場作業全過程實時監控。現場作業全過程監控可視化平臺采用無線5G 網絡，具有高清視頻監控、視頻會議、語音對講、集群通話、互動交流、音視頻資料存儲、位置定位等功能，實現對所屬單位全部作業現場的全過程監督，特別適合現場高風險區及其外圍作業時應用。

專家利用監控攝像頭、手機、智能眼鏡，遠程實時督導、指導，實現現場的實時可視化管理。

3.5 現場安全問題告警督辦

基于遠程集控運行模式的積灰、滅火、無人機巡檢、匯流箱超溫、現場安全隱患隨手拍上傳等告警模塊，自動告警。

告警的同時觸發生成督辦單，形成告警及安全隱患問題督辦庫，并與省級區域新能源集控中心側智慧化應用平臺實現工單對接。

告警產生后自動配備工單，通過逐級管理人員接收、制定措施、明確責任人、整改時間、驗收等環節的在線管控，檢修人員可通過手機APP接收工單任務，現場處理完成后，通過隨手拍記錄并上傳提交處理情況，從而形成告警及隱患的閉環管理。

對各類檢查、管理工作中發現的安全生產問題及時錄入問題庫進行管理，并使問題庫中的各種問題得到及時整改，實現動態閉環管理，并可按多種維度統計問題數據。

系統需能接收各類接入的報警信號，響應并上送報警信息，包括模擬量越限、梯度越限、開關量狀變和計算機監控系統自診斷故障等各種信息；告警彈窗后可以通過點擊告警信息一鍵關聯查到相關的實時信息，實現告警快速定位。

告警產生后，在每個終端工作站上的音響實現報警。當出現報警信息時，裝置實現中文語音報警和信息展示功能，報警內容可自定義，需確認后手動或自動解除。

3.6 應急指揮系統

應急指揮系統通過建立集團分公司與其下屬電站的數據、話音、視頻等業務聯絡，快速處理現場突發緊急事件，提高場站系統預防和處置突發事件的能力，降低事故風險，減少損失，并預留與集團級應急指揮系統對接的接口。

新一代應急指揮系統應充分利用現代信息與網絡技術、智能多媒體技術、大數據分析功能，聚合各類資源數據庫，根據場站地理信息，以數據分析、信息傳輸呈現為手段，實現對突發事件數據的采集、大數據分析判斷，以及對應急指揮的輔助決策，并實現應急資源的協調、管理。出現突發事件時，快速為事故指揮者層和現場處置層提供詳細可靠的信息服務，為應急事件提供決策輔助依據、可量化的風險數據，以及準確的處置方案。能精準有效地調集應急資源，實施現場處置。在分公司級的集控中心，指揮者可以通過場站的視頻監控和移動終端回傳的實時畫面，以及集控中心的實時數據平臺，準確掌握現場的實時信息，指揮調度各類應急資源，決策于千里之外。

4 安全管控一體化平臺的應用實例

大唐青海公司從2018 年就開始探索安全管控一體化平臺的建設，成立了省級區域新能源集控中心，全面提升新能源發電企業的安全管控水平，通過引進先進的技術手段和管理手段，實現新能源生產管理精細化。通過省級區域新能源集控中心的建設，改變了大唐青海公司分散式生產管理模式，實現了新能源產業集中式一體化管控，建立了統一的管理標準，大幅降低了人力資源成本，提高了運營效率，提升了管理水平，增強了信息化應用，增加了經濟效益，全面提高了工作效率，提升了新能源產業的管控水平。

大唐青海公司針對大型集中式光伏電站建設的安全管控一體化平臺是依托“遠程集控，就地檢維”的省級區域新能源集控中心，打造“無人值班、少人值守”的智能光伏電站。本安全管控一體化平臺是省級區域新能源集控中心的重要組成部分，二者之間的關系如圖2 所示。

圖2 省級區域新能源集控中心的構成Fig. 2 Composition of provincial-level regional new energy centralized control centers

根據現代企業的安全管理理念，本安全管控一體化平臺主要是用于現場作業管控監督、作業環境監控和場站區域安全監控等，先整合場站邊界安防、門禁系統、消防報警、視頻監控，再增加智能安全帽、無人機巡檢系統，實現對光伏電站“人、設備、環境、管理”的全面安全管控，解決光伏電站運維人員少、區域面積大、實時性差的安全風險不可控等問題，實現光伏電站無人值守式的關門運行。省級區域新能源集控中心通過安全管控一體化平臺進行大數據分析，對光伏場站安全防控進行實時監控報警、安全態勢評估和信息遠程輸送，從而實現光伏場站安防自動監控報警和安全態勢評估，實現對光伏電站現場安全運行狀態監視和把控，保證光伏電站安全、穩定、可靠運行，減少因安全防控不力出現安全問題和經濟損失。安全管控一體化平臺的業務架構如圖3 所示。

圖3 安全管控一體化平臺的業務架構Fig. 3 Business architecture of integrated platform for safety management and control

通過對大唐青海公司光伏電站多年運行事故發生頻率進行統計，發現各種風險因素中，暴風、雪壓、動物啃咬破壞、冰雹等因素造成的電站安全運行風險約占19%，過電壓和技術性故障因素約占5%，人為損壞和人為誤操作造成的安全風險約為16%，火災造成的風險約為8%，設備材料造成的風險達7%。依托安全管控一體化平臺，建立光伏場站安全監控評估系統，定期開展光伏電站安防實時集中監視和安全態勢評估，根據風險度提示來采取相應措施，保證安全防控的及時性、主動防御性和聯動預警性，可極大提升大型集中式光伏電站的安全防控能力，解決其因少人值守造成的安全防控困難等問題。

5 安全管控一體化平臺建設應注意的問題

5.1 平臺建設要考慮系統的業務擴展

平臺采用分層架構，有利于系統的業務擴展與遷移，能實現基于已部署的系統進行二次研發部署，節約資源成本，迅速實現新業務上線運行，從而凸顯一體化平臺部署優勢，解決多系統形成的數據和應用的孤島問題。

5.2 平臺建設易采用模塊化建設

遵循模塊內高內聚、模塊間低耦合標準，基于小模塊、大構件思想，每個單獨的功能點獨立封裝功能模塊，根據業務實際特點進行功能模塊組合，形成完整的業務模塊[2]。

5.3 分層設計

數據層、業務層、界面操作邏輯全部分離，采用MVC 框架標準封裝，界面根據實際業務的情況可實現Web 與窗口程序、小型Flash、Silverlight 等同步顯示；業務邏輯以服務方式提供，復用性高，系統部署更加靈活；數據層采用成熟的ORMAP 技術，實現數據層的組態建模管理[3]。

5.4 企業面向服務架構(SOA)的設計

基于SOA 的企業應用集成技術，將資源與業務功能暴露為服務，服務以標準化結構構建，實現資源共享和系統之間互操作性，支持新的應用快速以服務形式加入已有環境；基于XML 數據交換格式，滿足數據資源共享。

5.5 安全設計原則

系統建設應滿足電力監控系統安全防護相關規定，實現生產管理大區和信息管理大區的物理隔離，以及系統與其他外部網絡的安全隔離；安全性設計采取有效的身份鑒別、訪問控制、安全審計、抗抵賴、軟件兼容和資源控制措施，增強監控中心安全防護能力。安全管控一體化平臺的網絡拓撲圖如圖4 所示。

圖4 安全管控一體化平臺的網絡拓撲圖Fig. 4 Network topology diagram of integrated platform for safety management and control

5.6 平臺建設要考慮系統的先進性

系統建設理念應站在發電企業戰略發展的高度，力求高起點、高標準，滿足發電企業復雜外部形勢及發展需求。在建設中充分借鑒國內外現代企業最新技術成果及管理創新成果，采用國內外先進的計算機技術及信息技術，避免建設完成后過一段時間就被淘汰。

5.7 統一標準，數據融合

統一編制采集數據標準、建設和驗收技術標準、招標文件技術標準，由公司組織專家進行評審后發布。滿足現有與將來公司集中部署的相關系統接口、數據及業務流程集成融合的要求及標準，實現公司及基層單位信息化管理縱向貫通、橫向協同。提高數據融合能力，通過數據應用提升人員決策分析能力。

5.8 加強系統平臺的維護

平臺系統建設技術性強、牽涉面廣、新理念多，需要有專業的維護人員，定期進行系統的維護和不斷改進，需要從講求實效出發，圍繞安全生產管理的需求，充分考慮當前及遠期各業務層次、各環節數據處理的便利性和可行性，認真消化理解實際需求和技術難點，保證系統切實滿足業務需求，既解決了基層單位的實際問題，也能沉淀出公司管理所需要的數據。

6 結論

本文針對大型集中式光伏電站安全管控方面的不足，從作業人員管控、消防系統集中監視與定位、設備健康管理、現場可視化作業監督、現場安全問題告警督辦、應急指揮系統等方面論述了大型集中式光伏電站安全管控一體化平臺的建設，介紹了此類平臺的應用案例，并提出了此類平臺建設時需要注意的問題。該平臺實現了人員定位管控、現場安全作業管控、邊界闖入實時報警、消防遠程監視等安全相關功能，全面實現了遠程監視功能，滿足了大型光伏電站現場少人值守的要求，夯實了光伏電站關門運行的本質性安全基礎，提升了光伏電站安全穩定運行的可靠性，并可通過量化指標評估的辦法對光伏電站場站進行安全態勢評估，實現了光伏電站精細化管理要求，為目前迅速發展的光伏電站安全管理提供了可借鑒的模式。