4G 太陽(yáng)能全天候監(jiān)控系統(tǒng)在山區(qū)水電站的應(yīng)用

李世杰

（阿壩水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 阿壩 623503）

1 引言

目前水電站基本采用光纖通信作為主要的通信手段，光纖通信由于造價(jià)成本相對(duì)較高，安裝時(shí)間長(zhǎng)、使用維護(hù)不方便等，適合于可靠性要求高的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程。而4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有使用靈活、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，再加上太陽(yáng)能發(fā)電儲(chǔ)能技術(shù)的普及運(yùn)用。4G 太陽(yáng)能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以作為水電站有線(xiàn)監(jiān)控的備用或拓展方式，極大提高了遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控的靈活性。

2 4G 太陽(yáng)能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成

4G 太陽(yáng)能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是基于4G 通信網(wǎng)絡(luò)的多媒體視頻監(jiān)控系統(tǒng)。將太陽(yáng)能作為能源供電的主要模式，給用電設(shè)備攝像機(jī)提供穩(wěn)定的電源，使圖像經(jīng)過(guò)視頻壓縮編碼模塊壓縮，通過(guò)智能無(wú)線(xiàn)通信終端發(fā)射到4G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的交互、發(fā)送/接收等功能。可以通過(guò)各種終端遠(yuǎn)程查看視頻監(jiān)控畫(huà)面、實(shí)時(shí)監(jiān)控管理[1]。太陽(yáng)能電池組件把白天吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽⑼ㄟ^(guò)充放電路等控制器將存儲(chǔ)在蓄電池中的電能提供給各種負(fù)載。該系統(tǒng)主要由高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭、太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器、儲(chǔ)能蓄電池、機(jī)箱支架等組成。4G 太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1 所示。

圖1 太陽(yáng)能視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理

2.1 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭是一款搭載4G 模塊的高清球機(jī)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸。內(nèi)置4G 物聯(lián)網(wǎng)卡，存儲(chǔ)卡，可實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)傳輸、視頻存儲(chǔ)，支持光學(xué)變焦，360°旋轉(zhuǎn)，具有遠(yuǎn)程紅外、夜視功能 。視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)選擇非常重要，需要根據(jù)具體使用場(chǎng)景、使用要求，選擇合適的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

2.2 太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中的核心部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，用于供給網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)使用，使用中根據(jù)負(fù)載大小，選用合適的太能電池板。在實(shí)際運(yùn)用中，太陽(yáng)能電池板要具有抵抗各種惡劣天氣條件，包括劇烈的溫差變化、潮濕、大風(fēng)、以及冰雹的撞擊。

2.3 太陽(yáng)能控制器

太陽(yáng)能控制器是用于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，控制太陽(yáng)能電池方陣對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給太陽(yáng)能逆變器負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備。它對(duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽(yáng)能電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出。太陽(yáng)能控制器控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)為各種負(fù)載提供與之相互匹配的電能（電壓和電流）并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

2.4 蓄電池

蓄電池主要存儲(chǔ)由太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的電能，白天蓄電池給負(fù)載供電，同時(shí)太陽(yáng)能組件還給蓄電池充電，晚上或者陰雨天負(fù)載用電全部由蓄電池供給。蓄電池的選用，主要根據(jù)負(fù)載大小和可靠性要求進(jìn)行配置。運(yùn)用在山區(qū)地方的太陽(yáng)能蓄電池容量選擇，至少要保證在無(wú)太陽(yáng)的情況下，使用2~3 d，確保供電可靠性。

2.5 機(jī)箱支架

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)安裝在攝像頭立柱上，機(jī)箱內(nèi)安裝蓄電池、控制器、光端機(jī)、終端盒，機(jī)箱具有保溫層，確保蓄電池工作溫度。機(jī)箱支架應(yīng)安裝牢固，適應(yīng)室外惡劣天氣條件下的使用。

3 4G 太陽(yáng)能全天候監(jiān)控的特點(diǎn)與運(yùn)用優(yōu)勢(shì)

3.1 4G 太陽(yáng)能全天候監(jiān)控的特點(diǎn)

采用太陽(yáng)能獨(dú)立供電，無(wú)線(xiàn)傳輸；組件靈活，小巧，方便安裝與組網(wǎng)；交直流供電方式，滿(mǎn)足多種負(fù)載用電的需要；安全性好，維護(hù)費(fèi)用少，造價(jià)低。實(shí)現(xiàn)快速安裝，施工時(shí)間短，投入低，效果好。可以擺脫山地、森林、河流、開(kāi)闊地等特殊地理環(huán)境的限制，無(wú)須考慮電源線(xiàn)及通信光纜的布線(xiàn)和施工問(wèn)題，解決布線(xiàn)工程周期長(zhǎng)，施工成本高昂甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的困難。

3.2 4G 太陽(yáng)能全天候監(jiān)控的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)

4G 太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)采用清潔能源太陽(yáng)能供電，環(huán)保節(jié)能，不消耗市電，能起到節(jié)約能源的作用。利用先進(jìn)的視頻遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)，使無(wú)法或者不方便得到電力供應(yīng)的地區(qū)遠(yuǎn)程不間斷全天候視頻監(jiān)控。無(wú)需敷設(shè)電源線(xiàn)、施工周期短、安裝方便、不受地里位置限制、維護(hù)成本較低。使用靈活，建設(shè)成本低，無(wú)需產(chǎn)生電費(fèi)，在山區(qū)小水電站具有一定的推廣價(jià)值。

4 4G 太陽(yáng)能全天候監(jiān)控系統(tǒng)在山區(qū)水電站的應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 輸電線(xiàn)路隱患監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)的輸電線(xiàn)路巡檢模式勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作條件惡劣，且效率低下，無(wú)法實(shí)時(shí)掌握輸電線(xiàn)路的運(yùn)行情況，特別是在極端天氣下，增大了輸電線(xiàn)路的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。山區(qū)水電站送出線(xiàn)路一般環(huán)境比較惡劣，輸電線(xiàn)路運(yùn)行保障很困難，為消除輸電線(xiàn)路目視巡視的“盲區(qū)”，采用電力4G 太陽(yáng)能全天候攝像機(jī)，擴(kuò)展和完善了輸電線(xiàn)路狀況采集、歷史圖像查看、線(xiàn)路異常提醒等功能，可以實(shí)現(xiàn)全天候、全覆蓋、全方位對(duì)輸電線(xiàn)路及塔基的視頻監(jiān)控。對(duì)于優(yōu)化架空線(xiàn)路的監(jiān)測(cè)模式，防范輸電線(xiàn)路地質(zhì)災(zāi)害，起到了十分重要的作用。

4.2 森林防火監(jiān)測(cè)

森林火災(zāi)的發(fā)生與氣象特點(diǎn)及地理地質(zhì)條件存在密切關(guān)系。山區(qū)電站的輸電線(xiàn)路途經(jīng)區(qū)域樹(shù)木、植被生長(zhǎng)茂密，秋冬季節(jié)極易發(fā)生森林火災(zāi)。一旦發(fā)生森林火災(zāi)將造成電網(wǎng)設(shè)施設(shè)備損毀和大面積停電外，還會(huì)造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。基于當(dāng)前政府對(duì)森林防火的要求級(jí)別越來(lái)越高，森林防火日常監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。山區(qū)輸電線(xiàn)路一般處于偏僻地帶，山高路遠(yuǎn)，在日常的巡查維護(hù)中，即使以一周一次的巡查，也需要耗費(fèi)大量的人力物力。在人為巡查過(guò)程中，還可能存在不及時(shí)、消極怠工等情況，因而采用高科技手段實(shí)現(xiàn)巡查監(jiān)管消滅禍患于萌芽中已凸現(xiàn)其必要性。

輸電線(xiàn)路森林防火監(jiān)控系統(tǒng)，采用4G 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)+攝像頭+太陽(yáng)能供電組合，將監(jiān)控點(diǎn)附近的相關(guān)視頻實(shí)時(shí)回傳至監(jiān)控中心，可實(shí)時(shí)了解輸電線(xiàn)路林區(qū)狀態(tài)，如有隱患或火災(zāi)，可第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，起到預(yù)防火災(zāi)的目的。

4.3 河道流量監(jiān)測(cè)

4G 太陽(yáng)能河道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于河道流量和水位的監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)于山區(qū)小水電站，支流和沖溝眾多，水文站未完全覆蓋，可以作為中小型水電站水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的冗余系統(tǒng)，也可以單獨(dú)使用。遙測(cè)終端采用超聲波流量計(jì)和雷達(dá)水位計(jì)，采用高清攝像機(jī)，并將流量和水位信息疊加到視頻畫(huà)面上，利用4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，可以在手機(jī)端和電腦端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、查詢(xún)歷史記錄、遠(yuǎn)程控制等。

特別是在汛期，4G 太陽(yáng)能河道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的重要組成部分，提高了水情信息的精準(zhǔn)度，對(duì)于指導(dǎo)防洪度汛、水庫(kù)調(diào)度具有十分重要的作用。

4.4 水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)

引水式水電站由于廠(chǎng)房和大壩分離，大壩和廠(chǎng)房之間普遍采用光纖進(jìn)行通信。由于山區(qū)水電站所處的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，地震、泥石流等自然災(zāi)害對(duì)通信設(shè)備極易造成破壞。特別是在汛期，站點(diǎn)至閘首的通信光纜有被落石砸斷，導(dǎo)致監(jiān)控及工業(yè)電視中斷的風(fēng)險(xiǎn)，遠(yuǎn)程集控中心監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)視閘首庫(kù)區(qū)水位。

4G 太陽(yáng)能庫(kù)水位全天候監(jiān)測(cè)攝像頭、利用4G網(wǎng)傳輸，移動(dòng)終端+PC 終端顯示、采用太陽(yáng)能供電，具備遠(yuǎn)紅外功能，可全天候監(jiān)測(cè)庫(kù)水位，極大保障了汛期水庫(kù)安全運(yùn)行。

4.5 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

每年汛期，山區(qū)容易發(fā)生山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)水電站水工建筑物及泄洪河道構(gòu)成了重大安全威脅。為確保水電站汛期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提高防災(zāi)、減災(zāi)的能力。運(yùn)用科技手段監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，十分必要。

基于4G 太陽(yáng)能供電的監(jiān)控系統(tǒng)可以很好解決地災(zāi)監(jiān)測(cè)面臨的問(wèn)題，一是采用4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，不需要敷設(shè)光纜；二是利用太陽(yáng)能供電，可以很好解決無(wú)法供電的問(wèn)題；三是安裝選址方便、靈活，可以根據(jù)需求靈活設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。特別適用于山區(qū)水電站大壩、庫(kù)區(qū)、行洪河道、塌方體等重點(diǎn)隱患監(jiān)測(cè)部位。

5 該系統(tǒng)在山區(qū)水電站的應(yīng)用實(shí)踐

5.1 4G 太陽(yáng)能庫(kù)水位全天候監(jiān)測(cè)在電站的運(yùn)用

柳坪、雅都電站位于阿壩州黑水河流域，兩站地處四川省阿壩州黑水縣，地質(zhì)災(zāi)害頻繁。特別是在汛期，給兩站安全運(yùn)行帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。基于4G太陽(yáng)能供電庫(kù)區(qū)全天候水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。一是解決內(nèi)部光纖中斷情況下的無(wú)線(xiàn)視頻傳輸，確保了集控中心對(duì)大壩的安全監(jiān)視；二是解決電源中斷情況下的水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)，提升監(jiān)測(cè)手段的靈活性，降低水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；三是提高了汛期防災(zāi)減災(zāi)的能力。

5.2 4G 太陽(yáng)能庫(kù)水位全天候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由海康威視高清攝像機(jī)、太陽(yáng)能電池板，儲(chǔ)能蓄電池以及支架組成。太陽(yáng)能電電池板最大發(fā)電功率為120 W，電池容量60 AH，可支持高清攝像頭在陰雨天氣無(wú)法充電情況下使用1~2 d。柳坪、雅都電站4G 太陽(yáng)能庫(kù)水位全天候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 4G 太陽(yáng)能庫(kù)水位全天候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

5.3 4G 太陽(yáng)能庫(kù)水位全天候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效果

該系統(tǒng)可支持手機(jī)終端和電腦終端同時(shí)監(jiān)控，與有線(xiàn)的工業(yè)電視攝像頭功能基本一致，支持遠(yuǎn)程操作，攝像頭旋轉(zhuǎn)、變焦，視頻錄像、存儲(chǔ)功能，遠(yuǎn)程紅外功能可實(shí)現(xiàn)24 h 全天候監(jiān)視。提升了電站應(yīng)急情況下的監(jiān)測(cè)手段，提高了應(yīng)急保障能力，降低了閘首光纖中斷帶來(lái)的水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。4G 太陽(yáng)能庫(kù)水位全天候監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效果圖如圖3 所示。

圖3 PC 端遠(yuǎn)程視頻畫(huà)面

6 結(jié)語(yǔ)

4G 太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是4G 技術(shù)在水電站的運(yùn)用，作為有線(xiàn)工業(yè)電視遠(yuǎn)程監(jiān)視的冗余系統(tǒng)，提高了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的可靠性和靈活性，同時(shí)也是水電站科技興安，防災(zāi)減災(zāi)的重要智能化設(shè)備，在中小型水電站安全運(yùn)行中發(fā)揮著十分重要的作用。