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(fù)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(shí)踐出發(fā)，拋去復(fù)雜的理論說明，從簡單實(shí)用的角度，認(rèn)真分析了影響太陽能供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的幾個(gè)關(guān)鍵因素。筆者認(rèn)為，在項(xiàng)目建設(shè)初期，一是要充分考慮自然環(huán)境對(duì)太陽能板發(fā)電效率的影響；二是要認(rèn)真計(jì)算太陽能板發(fā)電量、蓄電池放電和儲(chǔ)能、設(shè)備負(fù)載之間的功率配合等諸多因素，確保發(fā)電量和儲(chǔ)能滿足負(fù)載運(yùn)行要求；三是盡量選擇低能耗、環(huán)保的新型負(fù)載設(shè)備；四是加強(qiáng)項(xiàng)目施工管理，抓好工程質(zhì)量是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)一步提高道路運(yùn)行的服務(wù)水平，加強(qiáng)道路運(yùn)行實(shí)時(shí)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(duì)2010年前已建成通車的路段進(jìn)行智能監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造，開始建設(shè)路段全程監(jiān)控。該項(xiàng)目外場監(jiān)控點(diǎn)多線長，除部分監(jiān)控點(diǎn)具備市電供電條件外，大部分監(jiān)控點(diǎn)均采用風(fēng)光互補(bǔ)太陽能供電。

目前，該項(xiàng)目已建成的全程外場監(jiān)控系統(tǒng)已運(yùn)行近5年。在這5年的運(yùn)行過程中，各年份均不同程度地出現(xiàn)攝像機(jī)掉電、圖像傳輸故障等問題；甚至一些遠(yuǎn)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(jì)的資料顯示，外場監(jiān)控圖像故障率超過50%。各路段實(shí)際統(tǒng)計(jì)情況見表1所示。

綜合分析圖像故障的原因，除了攝像機(jī)、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(rèn)識(shí)到太陽能供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)日后監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)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?。?/p>

2　太陽能供電系統(tǒng)故障的幾個(gè)原因

通過建設(shè)單位、設(shè)計(jì)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(shí)間。

2.2灰塵和污染造成太陽能板放電效率減低

霧霾、揚(yáng)塵對(duì)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(yán)重降低了發(fā)電量。白天產(chǎn)生電量除供攝像機(jī)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，電池溫度過高或過低，或受進(jìn)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(fù)載不匹配

本項(xiàng)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(diǎn)電池板數(shù)量3塊，45度斜面其平均日照為4.5 h，實(shí)際發(fā)電量約為1 404 Wh；負(fù)責(zé)功率約為78 W，負(fù)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(jī)選型功耗較大

本工程攝像機(jī)為一體化攝像機(jī)，且不帶自鎖功能，即攝像機(jī)在通電狀態(tài)下依靠云臺(tái)電機(jī)使攝像機(jī)保持位置不動(dòng)；當(dāng)攝像機(jī)斷電時(shí)由于沒有自鎖功能，電機(jī)失去動(dòng)力致使攝像機(jī)斷電且攝像頭立即槍機(jī)保持沖天狀態(tài)。由于云臺(tái)持續(xù)供電致使太陽能發(fā)出電能大部分被浪費(fèi)在維持云臺(tái)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(jī)可保證在云臺(tái)不運(yùn)作的情況下攝像機(jī)能自鎖在固定位置且云臺(tái)不損耗電能，使攝像機(jī)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(fù)擔(dān)。

3　太陽能供電系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)意的幾個(gè)問題

針對(duì)甘肅省高速公路外場監(jiān)控太陽能供電系統(tǒng)存在的實(shí)際問題，啟發(fā)我們?cè)谝院蟮奶柲芄╇娤到y(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(diǎn)要考慮太陽能板、蓄電池組、控制器和負(fù)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(diǎn)談?wù)剮讉€(gè)需要重點(diǎn)注意的問題。

3.1充分考慮不利因素，嚴(yán)格把關(guān)技術(shù)參數(shù)計(jì)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(shí)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(chǔ)能需求，電池組的儲(chǔ)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(xì)計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)際需要進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

3.1.2蓄電池組的需求容量計(jì)算

蓄電池的容量QX計(jì)算公式為：

QX=QL×A×NL×To/DOD

QL為負(fù)載日平均耗電量，單位為Ah，QL=WE/UE*TE（WE為負(fù)載額定功率，UE為額定電壓，TE日工作時(shí)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(fù)載實(shí)際功率為70 W，額定電壓24 V，按照7天連續(xù)陰雨天計(jì)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(yán)把關(guān)鍵設(shè)備選型關(guān)，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)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(dá)到，一旦外界條件改變就不能實(shí)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(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，不管哪一個(gè)質(zhì)量出問題，都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)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(yùn)用案例的產(chǎn)品；三是盡量采用適合控制機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量的招標(biāo)評(píng)標(biāo)辦法，防止低價(jià)中標(biāo)影響產(chǎn)品質(zhì)量；四是如有條件盡量搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，業(yè)主實(shí)際檢測關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行性能，防止設(shè)備選型不妥帶來項(xiàng)目功能瑕疵。

3.3加強(qiáng)太陽能供電系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，太陽能供電系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)，硬件設(shè)施的功能基本能實(shí)現(xiàn)，但在軟件建設(shè)和對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控方面卻不夠重視。這也與長期在項(xiàng)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(shí)，不知道具體哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，靠排除解決很費(fèi)力氣，在有些環(huán)節(jié)上也很不現(xiàn)實(shí)。只有在日常的運(yùn)行中做好監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，才能對(duì)有些具體問題有的放矢地進(jìn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，支持各種國際通用通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)信號(hào)測量和數(shù)據(jù)采集，并采用現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，利用計(jì)算機(jī)軟件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，完成數(shù)據(jù)處理。一是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示功能，實(shí)時(shí)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(fù)載電流等參數(shù)，并可以通過點(diǎn)擊設(shè)備號(hào)來查看每臺(tái)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(diǎn)的集中監(jiān)控與管理；二是實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警功能，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)站點(diǎn)的報(bào)警可以從異常報(bào)警界面中實(shí)時(shí)查看，當(dāng)異常排除后報(bào)警自動(dòng)解除，報(bào)警事件的具體情況會(huì)被記錄在數(shù)據(jù)庫中；三是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置和控制功能，在控制室可以遠(yuǎn)程查看和設(shè)置光電轉(zhuǎn)換供電系統(tǒng)中的各個(gè)站點(diǎn)的參數(shù)，如每個(gè)站點(diǎn)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(bǔ)償系數(shù)、控制器時(shí)鐘、下位機(jī)ID等，已達(dá)到各設(shè)備間以最佳參數(shù)配合運(yùn)行。

4　結(jié)束語

公路沿線外場監(jiān)控系統(tǒng)，一般運(yùn)行自然環(huán)境條件較差，要保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，就要充分考慮各種不利因素，加強(qiáng)施工工藝管理，詳細(xì)計(jì)算太陽能板、負(fù)載設(shè)備功率和蓄電池的儲(chǔ)能，加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行管理，確保太陽能供電系統(tǒng)穩(wěn)定、有效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維管理和高速公路機(jī)電工程項(xiàng)目管理工作。