超高海拔光伏電站生態治理數智化管理平臺的探討

沈興林，陳 濤，劉宏德，王曉東

(1.國家電投鄉城縣興川新能源投資開發有限公司，甘孜藏族自治州 627850；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100020)

0 引言

隨著中國提出碳達峰、碳中和戰略目標，其承諾到2030年風電、太陽能發電總裝機容量達到12億kW以上；2021年3月，中央財經委員會第九次會議明確提出要構建以新能源為主體的新型電力系統。上述舉措說明中國已經加入世界綠色低碳發展的行列。光伏發電作為新型電力系統的一種重要能源形式，在綠色低碳發展中發揮著愈加重要的作用。

在實現光伏電站大規模開發利用的同時，加強生態環境保護，發揮光伏電站對生態治理的積極作用是十分必要的。本文基于四川省甘孜藏族自治州(下文簡稱為“甘孜州”)正斗光伏實證實驗基地項目，分析超高海拔光伏電站生態治理所面臨的問題。根據基地自然條件，依托互聯網、物聯網、地理信息系統(GIS)可視化管理、數字化、智能化等技術，開展超高海拔光伏電站生態治理方案研究，提出針對生態系統的數智化平臺，以提升超高海拔光伏電站的生態環境質量和綜合效益。

1 項目概況

1.1 場地概況

甘孜州正斗光伏實證實驗基地項目的總裝機規模約為400 MW，場址位于甘孜州鄉城縣正斗鄉，海拔高度3920～4280 m，為全球首個超高海拔大型光伏實證實驗項目。

該項目地處于高山草甸之上，此外氣候惡劣、晝夜溫差大，植物生長期短、枯草期長，植被總體稀疏，地質狀況不佳，且場區降水量遠小于蒸發量、降水時間分布不均，導致生態環境較脆弱、自我調節和自然恢復能力較差。惡劣的生態環境不僅對生態治理提出了更高要求，也成為光伏電站工作人員需要克服的困難。本文提出的生態治理數智化技術路線，不僅可提高生態治理的效率，還可改善工作人員的工作環境。

1.2 生態治理數智化技術路線

本研究充分利用現代信息技術，針對超高海拔光伏電站生態治理，建設以信息采集、傳輸、儲存、管理、服務、應用為一體的安全、穩定、可靠、高效的生態治理數智化平臺，完成信息化與自動化及信息系統與生態治理的深度融合，實現數據驅動生態治理的新模式，提升超高海拔光伏電站生態治理質量和智能化程度，為超高海拔光伏電站生態治理提供數字化、智能化標準和參考案例。

2 生態治理數智化建設內容

生態治理數智化建設的目標是通過數智化平臺，整合信息檔案管理系統、進度管理系統、智能灌溉系統、生態巡護系統、視頻監控系統、智能防火系統、車輛自動化系統、GIS可視化管理、環境監測系統及配套移動端APP等工具，以中介平臺的方式將光伏電站現場數據整合，并以更好地方式呈現給光伏電站工作人員，從而提高生態治理水平。通過數智化手段，實現光伏電站管理的自動化、智能化和可視化，提高生態治理的效率和質量。

2.1 信息檔案管理系統

通過生態治理數智化平臺，將與生態治理相關的資料進行收集和整理，形成完整的生態治理資料庫，為生態修復效果及結果的分析提供全套基礎信息資料。同時，結合檔案編碼及歸檔要求，對生態治理過程中各類文件、照片、聲像、數據等檔案進行數字化組卷、編碼、歸檔，提升檔案管理效率及存儲質量，保證檔案管理的全面性、完整性和實用性，方便管理人員快速檢索所需資料，避免因無序翻閱紙質資料造成工作堆積和滯后，可極大提高工作效率。

2.2 進度管理系統

提煉Project、Oracle Primavers P6等專業項目管理軟件的功能，以甘特圖的方式對生態治理工作的施工總進度計劃、年進度計劃、月進度計劃、周進度計劃進行整理，并對每個任務的完成情況進行標記，通過進度線自動判斷滯后任務并突出顯示，輔助進度決策的管理和判斷。同時，對生態治理過程中生成的周報、月報、季報和年報進行整理，通過總結階段性工作及下階段任務情況來對生態治理工作進度進行分析及糾偏。此外，利用GIS可視化管理技術，將各區域生態治理工作進行差異化顯示，在GIS地圖分別用不同顏色來顯示生態治理工作進度(正常、滯后或提前完成)使管理者直觀了解工程現場生態治理工作進度全貌，便于管理者查看進度和糾偏。

2.3 智能灌溉系統

智能灌溉系統的運行過程如圖1所示。在工程現場部署可遠程控制的噴淋、滴灌控制系統，以及部署可監測土壤溫濕度、空氣溫濕度、蒸發量、實時風速的監測系統，從而自動監測環境參數。同時，通過人工智能(AI)算法自動控制各水管噴頭的開啟、關閉，水流速度等，并實時調節控制。比如：當濕度達到既定數值時，自動關閉水閥，提高節水灌溉利用率。此外，將建設的蓄水池、管路系統、高位水箱等設施融合數智化先進技術，以光伏電力為整個智能灌溉系統提供動力，通過移動端APP或PC端一鍵啟動灌溉程序進行自動灌溉，也可自由設定灌溉時間、周期、用水量等灌溉參數[1]。

圖1 智能灌溉系統的網絡拓撲圖Fig.1 Network topology intelligent irrigation system

2.4 生態巡護系統

生態巡護系統是指基于物聯網、GIS可視化管理及數字化技術，實現生態環保數據的實時采集、監測和可視化展示。巡視人員可按照既定巡視路線或自由巡視路線進行巡護，對巡視過程中的問題通過移動端APP一鍵反饋至生態治理數智化平臺，實現生態環保問題在線記錄、反饋、整改和復查，強化綠色施工措施的實施效果。同時，配備智能化無人機定期、定時進行廠區巡護，通過無人機對廠區情況進行全方位監護，對違規放牧、非法入侵、火災隱患等情況及時預警，有效保護生態修復成果。

2.5 視頻監控系統

光伏場區占地面積較大，若全部采用人工巡視、人工督察的方式，難度較大，且項目所在地的海拔較高，高海拔工作條件不利于工作人員的身體健康。因此，引入視頻監控系統，通過調控云臺、切換攝像頭、調整角度、變焦變倍等方式實現有針對性的監控和組合監控，通過大屏幕、PC端和移動端等多終端及網頁、移動端APP等多媒介展示監控畫面，便于作業人員全面掌控生態修復情況，并實時查看植被生長情況，降低人工巡視頻次，輔助作業人員進行分析、決策。

此外，監控設備可設置自動警戒功能，對非法入侵、違法放牧等行為進行自動報警驅離。監控設備的攝像頭具有語音通話功能，工作人員通過指揮中心或移動端APP利用監控設備向場區喊話，及時制止非法、違規行為[2]。視頻監控系統提供的實時畫面如圖2所示。

圖2 視頻監控系統提供的實時畫面Fig.2 Real-time images provided by video surveillance system

2.6 智能防火系統

在光伏場區部署智能防火紅外監控系統，如圖3所示，監控系統由監控設備收集信息，然后傳輸到數據處理中心，再由數據處理中心發送到工作人員使用的設備上。利用紅外可見攝像頭、紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描系統接收被測目標的溫度產生的紅外輻射能量，經過數據中心處理，對紅外輻射能量的有效數據進行提取并成像，按照不同溫度下的紅外輻射能量分布進行冷暖色調漸變區分。通過紅外熱成像防火圖像可直觀察覺到高溫異常區域，自動發出警報，便于作業人員及時做出響應。

圖3 智能防火紅外監控系統拓撲圖Fig.3 Topology diagram of intelligent fire prevention infrared monitoring system

紅外可見攝像頭也可自主巡航，若監測目標溫度異常則自動報警，管理人員可根據提示確定具體的報警位置信息，快速跟蹤報警點，確認具體狀況并排除隱患；也可將紅外可見攝像頭從自主巡航轉為手動操作，自主對目標進行觀察跟蹤、定位、對焦，以便精準地進行觀測分析[3]。

2.7 車輛自動化系統

對光伏場區作業車輛安裝自動化控制芯片，通過PC端或移動端APP可一鍵啟動、停止車輛，設定作業車輛的行駛路線和時間，使其按照既定路線自動行駛工作。車輛自主行駛路線圖如圖4所示。操作人員也可以通過PC端和移動端APP手動控制車輛的行駛路線，對車輛的行駛方向(前進、后退)、行駛速度、燈光開關、緊急制動等進行操作，完全實現智能遠程控制。工作人員在控制中心就可以使車輛完成作業，完全不受天氣等因素影響，減少司機戶外作業的風險。

圖4 車輛自主行駛路線圖Fig.4 Road map of autonomous vehicle driving

同時，作業車輛可搭載行駛記錄監控儀，監控畫面實時傳至控制中心的大屏幕，能對工作人員遠程操作車輛起到輔助作用。此外，可在作業車輛周身配備小型雷達監測器，當車輛行駛過程中遇到人員或其他障礙物時可以緊急制動，保障人員和設施安全。作業車輛自動化有助于為自動化研究提供指導[4]，為光伏電站等大面積場區的作業方式提出更高效的管理方式。

2.8 GIS可視化管理

針對該光伏電站，利用GIS獲取工程區域信息，并與設計圖圖紙擬合。制作該項目的GIS地圖，通過GIS空間查詢、空間分析、符號化渲染等功能，實現監測設備精準定位及數據關聯管理。

利用GIS實現可視化管理，效果圖如圖5所示。從圖中可以看到作業場區內的各種監測儀器設備、監控設備、作業車輛分布位置、顯示的施工進度，點擊某個設備可以查看該設備的監測數據，使工作人員對場區進行更加直觀化、全局化的管理。

圖5 GIS可視化管理效果圖Fig.5 Rendering of GIS visual management

2.9 環境監測系統

在光伏場區建立環境監測系統，包括微型氣象站、土壤水分分析儀器、風速監測儀、風向監測設備、輻照度儀、雨量監測儀，監測生態修復過程和光伏陣列對氣候、土壤、植被、水文等要素的影響。圖6和圖7分別為光伏陣列對風速和蒸發量產生的影響分析圖。

圖6 光伏陣列對風速的影響分析圖Fig.6 Effect of PV arrays on wind speed

圖7 光伏陣列對蒸發量的影響分析圖Fig.7 Effect of PV array on evaporation

通過數據接口接入微型氣象站和生態監測站的監測數據，并和GIS可視化管理技術融合，實時展示風速監測儀、風向監測設備、輻照度儀、雨量監測儀等設備的位置及實時監測到的數據，監測數據包括實時風速、空氣溫濕度、土壤溫濕度等數據。同時，借助GIS跳轉視點功能，快速定位到需要關注的設備，查看實時數據，并快速獲取環境信息[5]。監測設備數據采用圖表形式進行展示，如圖8所示。圖表形式可直觀顯示數據變化趨勢，且支持多類數據檢索，輔助管理人員更好地做出決策。

圖8 部分監測數據展示圖Fig.8 Pisplay image of partial monitoring data section

2.10 移動端APP

上述數智化平臺所提供的功能，均可在移動端APP上實現操作。本研究開發了一款APP，可輔助現場作業人員開展生態治理工作，集成PC端系統常用功能，使現場作業人員利用移動端上的1個APP就能高效、便捷地進行生態治理工作，并全方位掌控生態治理工作情況。移動端APP的主要優勢是充分利用移動互聯網優勢，與PC端聯動完成生態治理數字化、智能化管控中的相關業務管理(如流程審批、巡護數據采集、數據展示、消息推送、信息查詢等)，達到多端合一、多維度生態治理數字化、智能化管控目標。手機端APP部分內容的截圖如圖9所示。

圖9 手機APP示意圖Fig.9 Screenshot of some content in the mobile APP

3 結論

本文以甘孜州正斗光伏實證實驗基地為例，為超高海拔地區的光伏電站生態治理提出了一種數智化管理方式。利用數智化管理平臺，對信息技術與生態治理進行深度融合，并通過智能灌溉、生態巡護、視頻監控、進度管理、智能防火等10種業務系統實現光伏電站生態治理工作的全過程、精細化、智能化管理。數智化平臺的應用可以克服大部分惡劣環境對光伏電站人員和設備造成的作業困難，為超高海拔光伏電站生態治理工作提供全面、快捷、準確的信息服務和決策支持，有效提升生態治理工作質量和工作效率，推動超高海拔光伏電站生態治理數智化技術的標準化、模塊化復制和推廣，實現經濟效益和生態效益共贏。該平臺彌補了現階段超高海拔地區光伏電站生態治理方面研究的空缺，為極端環境下光伏電站的管理提供了新思路。