風光互補供電系統的推廣應用

謝晨希，李明衛，李云峰

1.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550002

1 概論

輸水工程的閘(閥)門和前端的各類監測儀器對于工業、農業以及生活供水有著至關重要的作用，而且能為工程的安全運行以及配水的科學灌溉提供數據及決策判斷支撐，如何提高輸水工程檢測儀器的安全性與可靠性，一直是水利工程在實際生產中需要考慮的問題。其次，輸水工程由于其自身輸水距離長、分布區域廣、點位分散，作為一個相互影響、相互制約的龐大系統工程，為了充分提高輸水效率性與協調性，需要一個安全性、可靠性高的供電技術作為支撐，才能充分發揮供電及遠程控制技術在輸水工程管理服務中的作用。

2 傳統供電方式優缺點

2.1 傳統供電方式優點

傳統交流供電系統包含了發電、輸電、用電設備三個重要部分，是諸多發電廠、變電站、輸電線路、配電網絡以及用電客戶的一個有機統一體，是實現各子系統在電能生產、輸送、分配和使用實時一體化的有利保障。

交流電的發電效率高，便于生產，可通過變壓器升壓和降壓，便于遠距離傳輸；交流變電站設備簡單，造價低，配送電能方便。交流供電系統的電源是一個統一的電力系統，單個負荷在系統中所占比例很小，可對大功率連續負荷持續供電。

2.2 傳統供電方式缺點

根據金屬結構專業提供的灌區閘閥資料，本工程的負荷特點是：灌區電動閘閥數量多且布置較分散；地理位置偏遠，且交通不便；單個電動閘閥容量小且使用頻率低。

根據以上負荷特點，傳統供電方式缺點如下：①灌區閘閥布置位置較偏，遠離電網，采用傳統交流供電電源取自電力系統，需架設較長的輸電線路，輸電線路占地面積多，投資大，施工周期長、各方面協調極為繁瑣。②電動閘閥電源取自農網，供電可靠性低，且交流輸電線路受冰雨、雷電天氣影響較大，容易造成停電，影響供電可靠性。③為滿足供電可靠性，設置移動式柴油發電機作為輸水系統的閘門的備用電源，移動式柴油發電機體積和重量較大，對于交通不變的偏遠閘門，不便于運輸至現場。④灌區電動閘閥使用頻次低(最高頻率為2周1次+備用1次)，單次時間短，且其他24 h運行負荷容量較小，主變空載損耗大。⑤投入運行后，需向電力系統支付電費，且線路維護檢修費用高，人員專業技術要求高，運營成本增加。

3 風光互補直流自供電的優勢

目前風光互補發電系統在國內外用于水利工程非常少，地理環境對于傳統的水利工程的電力供應基礎設施的改造與建設影響較大，且改造成本較大。隨著水利供水工程的發展和水利自動化的要求的不斷提高，對遠離電網覆蓋地區的管道供水、渠道供水的運行控制及信息采集，都需要低成本、高可靠性的獨立供電系統。風光互補供電控系統在不破壞當地生態環境的前提下，能夠低成本地為偏遠地區提供高可靠性的電力供應，成為偏遠地區在水利工程方面的一項最優選擇。

風光互補直流供電系統，由直流智能電動裝置、BMS電池管理系統及儲能電池組、可編程PLC控制箱、數據通信模塊、光伏控制器及太陽能光伏電池板、風電控制器及風力發電機、太陽能板托架支杄以及至終端設備的所有電(線)纜等附屬設備組成。基于工業物聯網的風光互補直流供電系統是一種充分提高自然資源利用效率的新成果、新技術，在科學、技術、工程方面有如下優勢：

3.1 設計布置方面

①光互補發電系統能夠充分發揮太陽能與風能互補性強的優勢，是一種有效利用風能動能與光能熱能轉化為電能的新型裝置，能有效彌補單獨風能與太陽能發電系統在資源上的缺點，提高風光互補發電系統資源利用率、平衡性與穩定性，并且可根據用戶的用電情況與當地的資源優勢進行系統的合理配置，在保證供電的可靠性與降低系統的造價方面有著較大優勢，不受地域限制，既環保又節能。

②水利工程的引水管線及灌區多在偏遠山區，其存在管線分布、遠離電網，交流拉線成本高等諸多問題。風光互補發電系統在并入公共電網系統時，可根據其功能分為并網式風光互補發電系統以及離網式風光互補發電系統。在邊遠無電地區供電，離網風光互補發電系統特別適用于水利工程，獨立供電，無需外界供電；無需建變電站、架設高低壓線路等工程。

③經優化設計配置的風光互補發電系統可保證系統供電的可靠性，低成本投入。在提高系統的當地適用性與用電要求方面具有巨大優勢，且風光互補發電系統可根據用戶要求做出最優化的系統設計方案，在資源配方層面、技術層面以及成本投入層面都是一種最合理的獨立電源系統。且該系統的合理性體現了風光互補發電系統的高可靠性。

④風光互補發電系統能充分利用土地資源。在縱向上能充分利用高空風能，在橫向能充分利用太陽能，實現地面與高空的高效有機結合。并且可實現晝夜互補(中午太陽能發電，夜晚風能發電)、季節互補(夏秋季日照強烈，冬春季風能強盛)，供電穩定可靠。

⑤優化風光互補發電系統的設計和匹配的合理性，可實現系統可靠供電，電池組里面存著的電就是后備電源。緊急情況無需啟動備用電源如柴油機發電機組等，可獲得較好的社會效益和經濟效益，且系統采用直流低壓供電，運行安全，維護簡單。

3.2 運行管理方面

風光互補直流系統采用模塊化設計，集風光互補發電設備管理、BMS電池管理、直流負載設備管控、視頻監控、流量/壓力/液位傳感器信號采集以及遠程數據通訊為一體。現場的各個設備的狀態及數據，不僅可在現場查看和編程控制，還可通過提供的標準通訊接口進行遠程數據傳輸和管控。

遠程數據管控運用無線網絡技術，集數據采集、云端存儲、智能分發、遠程控制、權限認證和多終端可視化展示于一體的數字化綜合數據管控平臺。系統集成無線網絡傳輸技術，安裝便捷、使用靈活，在信號覆蓋區域內的任何位置都可方便地接入網絡進行數據通信，還具有經濟節約、易于擴展等優勢。

遠程管控平臺分別提供基于WEB和移動設備的應用客戶端，向遠程控制室提供標準的數據服務接口。不僅可以通過平臺查看前端設備的實時運行工況，調閱歷史運行記錄和統計分析結果，亦可調用平臺提供的統一的數據接口，訪問和管理前端設備，為客戶進行系統集成、二次開發和智能化管理提供數據支撐，為智能水務調度積累原始運行數據。系統一次性投入，后期免維護，極大減少運行維護成本。

4 傳統交流供電與風光互補直流自供電對比分析

目前針對風光互補直流直供電系統在貴州水利項目中的具體應用，從可靠性、操作的實用性、施工難度、系統運行穩定性、維護管理工作量等多方面進行比較，得出下列對比結果。

4.1 按負荷特點比較

傳統交流供電系統包含了發電、輸電、用電設備三個部分，交流電的發電效率高，便于生產，可通過變壓器升壓和降壓，便于遠距離傳輸，配送電能方便。但根據本工程負荷特點，灌區閘閥數量多，布置分散，單個電動閘閥容量小且使用頻率較低，采用交流供電需架設較長的輸電線路，電力線路所經之處占用的土地較多，投資大。

風光互補直流供電方案是獨立的發電系統，無需外界供電；無需建變電站、架設高低壓線路等工程。特別適用于水利工程中閘、閥的使用頻次低、布置分散的特點。

4.2 供電可靠性比較

傳統交流供電方案閘閥電源引自農網，供電不穩定。農網普遍存在設備老化，供電半徑長，線經小，分段少，抗災能力差，供電可靠率低。在遇到斷電情況下，需要開應急發電車去現場供電，極為不便。

風光互補直流供電方案電池里面存著的電就是后備電源，還可以根據需要設定電池電量的報警，預留備用電量應急使用。而且在連續陰雨無風的極端天氣情況下，若電池電量用盡，可攜帶移動電池到現場，接上電池的正負極兩根線即可實現供電，移動電池可以在雨中安全使用。

4.3 施工安裝比較

傳統交流供電方案供電線路施工周期長、每個供電點均需到現場實地踏勘，根據電網情況設計，并向供電局申請，還需征地向農民賠償土地費，各方面協調繁瑣。

風光互補直流供電系統是專業為智能水務開發，全模塊化設計，標準化生產，不存在兼容問題，便于安裝維修。可以根據工程進度，自主決定設備安裝時間，節約大量人力物力。

4.4 閘門(閥門)控制比較

輸水工程中閘門、閥門使用頻次較低，管徑不大，且設置在地理位偏遠、人煙稀少的鄉村、交通不便等地區，閘(閥)門啟閉的動力來源若采用架設交流電網線路的方式，則需架設很長的輸電線路，電力線路所經之處占用的土地較多，協調工作復雜，賠付費用較高，其本身線路供電造價高，需要花費大量的人力物力及財力去建設電力供應基礎設施，其次后期投入運行后維護檢修費用及電費較高，增加了運營成本，其經濟性很差，所以在管道上的閥門原均考慮采用手動控制。

但輸水工程作為一個龐大的系統工程，不但具有線長、面廣、點多、分散的特點，而且還具有相互影響、相互制約的特點，要使這樣一個龐大的系統能夠有效地運作、協調地運轉，沒有安全可靠的操作方式是完全不可能的，效保證工程的操作性，將灌區閥門操作形式由手動改為手電兩用。操作性提高、運行方便，適應水利自動化發展的要求，且整體投資未超過原傳統交流供電方案。

風光互補系統的智能測控系統采用模塊化設計，不僅可在現場查看和編程控制，還可通過提供的標準通訊接口進行遠程數據傳輸和管控。

4.5 運行管理比較

傳統交流供電方案輸電線路長，線路維護檢修工作量大，專業性強，管理難度大。

風光互補直流供電系統方案應用前景廣闊，可視實際需要隨時隨地投入使用，整個過程綠色環保(可再生自然能源)、施工安裝簡便、安全無隱患、節能無消耗、自動控制免維護、一次投入、長期受益，性價比相當明顯。后期30 a運行維修保養的費用極大降低。

4.6 檢修維護、故障率比較

采用傳統交流供電方案線路維護檢修費用高，時間長，易受低溫雨雪天氣影響，產生覆冰，受冰凍危害，雷雨天氣雷擊易導致出現跳閘和停電。

風光互補直流供電方案PLC控制箱為鋁壓鑄件，防盜，防塵，可以放在水中使用，防護等級IP68。PLC控制箱表面上沒實體開關，采用磁力筆，紅外藍牙遙控器，防止誤操作，還可現場編程。

5 結語

綜合上述原因，長距離輸水輸管線采用風光互補系統不僅僅提高了閥門供電的安全可靠性，為管道閥門安全平穩運行提供了相應的保障，同時有效地降低了建設和運營成本，提高了工程建設進度，從一定程度上也達到節能環保的目的。采用風光互補系統極大地推進了水利工程的控制水平，從規范化、科學化、智能化等方面改善和提高了工程的管理水平，值得在類似的長距離輸水輸管線建設中推廣應用。