論公路外場監控太陽能供配電系統建設中應注意的問題

王軍興

（甘肅省高速公路管理局，甘肅　蘭州　73000）

論公路外場監控太陽能供配電系統建設中應注意的問題

王軍興

（甘肅省高速公路管理局，甘肅蘭州73000）

公路沿線的監控系統，設備用電負荷較小，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，拋去復雜的理論說明，從簡單實用的角度，認真分析了影響太陽能供電系統穩定運行的幾個關鍵因素。筆者認為，在項目建設初期，一是要充分考慮自然環境對太陽能板發電效率的影響；二是要認真計算太陽能板發電量、蓄電池放電和儲能、設備負載之間的功率配合等諸多因素，確保發電量和儲能滿足負載運行要求；三是盡量選擇低能耗、環保的新型負載設備；四是加強項目施工管理，抓好工程質量是保障系統穩定運行的前提條件。

太陽能；供配電系統；監控

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水平，加強道路運行實時監控，提高突發公共事件的現場協調、監測和處置能力，對2010年前已建成通車的路段進行智能監控系統升級改造，開始建設路段全程監控。該項目外場監控點多線長，除部分監控點具備市電供電條件外，大部分監控點均采用風光互補太陽能供電。

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

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

表1　省高管局交通調度指揮總中心路段已上傳數字化圖像巡檢表（部分截取）

2　太陽能供電系統故障的幾個原因

通過建設單位、設計單位和施工單位現場勘查和分析，太陽能供電系統故障主要有以下幾方面原因：

2.1太陽能供電系統自身的老化

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，從而影響系統供電的持續時間。

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電效率，嚴重降低了發電量。白天產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，也是造成太陽能供電系統不能持續供電的主要原因之一。

2.3電池箱施工不規范

電池箱安裝不符合設計標準，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、蓄電池和設備負載不匹配

本項目外場監控系統太陽能電池組件基本采用標準功率為200 Wp、工作電壓36.5 V，單點電池板數量3塊，45度斜面其平均日照為4.5 h，實際發電量約為1 404 Wh；負責功率約為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，如按最長連續陰雨天為7 d，應需要電池容量為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下依靠云臺電機使攝像機保持位置不動；當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。由于云臺持續供電致使太陽能發出電能大部分被浪費在維持云臺帶電狀態，再加上冬天加熱設備的開啟，極大消耗太陽能發電系統所發電能。經過近幾年發展，一種新型節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電設備的用電負擔。

3　太陽能供電系統在建設時意的幾個問題

針對甘肅省高速公路外場監控太陽能供電系統存在的實際問題，啟發我們在以后的太陽能供電系統建設中，除了要考慮自然因素和施工因素給太陽能供電系統造成不利影響外，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，使其能夠發揮最大的工作效率。下面筆者重點談談幾個需要重點注意的問題。

3.1充分考慮不利因素，嚴格把關技術參數計算和設備選型

太陽能供電系統由于受自然環境影響、發電和放電設備輸出效率的影響，實際的發電效率可能只有理論值的50%～60%；其次，太陽能板的發電量必須滿足設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連續陰雨天的能耗需求。這就要求我們充分考慮各種不利影響因素，詳細計算各關鍵設備的技術參數。3.1.1光伏發電系統的需求容量計算

Qf=Qg×H×N×KX

Qf為光伏組件發電量

Qg為單塊太陽能板發電量

H為根據地區的氣象情況確定的日照時間

N為太陽能板數量

KX為修正系數，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Kw（0.9），太陽電池方陣組合損耗系數KS（0.96），控制器的轉換效率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：太陽能單板標準功率為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，組數采用4塊，則日發電量為：

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%

根據已知或需求條件，各參數間可根據工作實際需要進行相互轉換。

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，取1.1～1.4之間；

NL為最長連續陰雨天數；

To為溫度修正系數，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天連續陰雨天計算持續放電，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塊串聯組成電池組，需要8塊。

3.2嚴把關鍵設備選型關，提高設備運行的可靠性和經濟性

現在有部分廠商的產品，技術參數在理想狀態下可以達到，一旦外界條件改變就不能實現其正常功能。在太陽能供電外場監控系統中，太陽能板、控制器、電池組和攝像機等關鍵設備，不管哪一個質量出問題，都會影響整個系統的高效運行。在產品的選型問題上，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品；三是盡量采用適合控制機電產品質量的招標評標辦法，防止低價中標影響產品質量；四是如有條件盡量搭建實驗平臺，業主實際檢測關鍵設備的運行性能，防止設備選型不妥帶來項目功能瑕疵。

3.3加強太陽能供電系統的運行監控

根據以往的經驗，太陽能供電系統在建設時，硬件設施的功能基本能實現，但在軟件建設和對系統的運行監控方面卻不夠重視。這也與長期在項目建設中重視硬件建設而不重視軟件管理的慣性思維有關。由于沒有基礎管理數據，在太陽能供電系統故障時，不知道具體哪個環節出了問題，靠排除解決很費力氣，在有些環節上也很不現實。只有在日常的運行中做好監控數據的采集，才能對有些具體問題有的放矢地進行分析和解決。

外場監控圖像的傳輸通道和介質為我們傳輸供電監控信息提供了較好的傳輸條件，這就要求我們的控制系統監控軟件符合國際工業監控與開放式設計標準，支持各種國際通用通訊協議，實現信號測量和數據采集，并采用現代通信技術實現遠程數據傳輸，利用計算機軟件和數據庫技術，完成數據處理。一是實現實時顯示功能，實時顯示光電轉換系統陣列電壓、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，并可以通過點擊設備號來查看每臺設備的具體圖標顯示狀況，這樣便于網絡內部的各光電轉換站點的集中監控與管理；二是實現異常報警功能，監控網絡中各個站點的報警可以從異常報警界面中實時查看，當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據庫中；三是實現遠程設置和控制功能，在控制室可以遠程查看和設置光電轉換供電系統中的各個站點的參數，如每個站點的蓄電池容量、恢復提升電壓、過放電壓、恢復過放電壓、浮充電壓、溫度補償系數、控制器時鐘、下位機ID等，已達到各設備間以最佳參數配合運行。

4　結束語

公路沿線外場監控系統，一般運行自然環境條件較差，要保證系統的運行穩定，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、負載設備功率和蓄電池的儲能，加強系統運行管理，確保太陽能供電系統穩定、有效、經濟運行。

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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，大學專科，工程師，主要從事高速公路機電系統運維管理和高速公路機電工程項目管理工作。