集中式光伏電站安全管控一體化平臺建設(shè)研究

中電投（內(nèi)蒙古西部）新能源有限公司 馮 鋼 苗瑞軍 彭 宇 王國程

隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，光伏發(fā)電作為一種清潔、可持續(xù)的能源，已成為現(xiàn)代能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。自2011年以來，我國大型集中式光伏電站的建設(shè)和發(fā)展取得了顯著成就。截至2021年年底，我國光伏發(fā)電累計并網(wǎng)裝機容量達到305.987GW，標(biāo)志著國家在新能源領(lǐng)域取得了巨大進步。

大型集中式光伏電站通常建設(shè)在環(huán)境惡劣的地區(qū)，如荒漠、戈壁、山間和廢棄礦區(qū)。這些地區(qū)的特殊環(huán)境條件（如強風(fēng)沙、強烈光照、晝夜溫差大）易造成光伏設(shè)備頻繁故障，提高了維護工作量和運營成本，同時也帶來了較高的安全風(fēng)險。此外，由于地理位置偏遠，專業(yè)技術(shù)人員難以招聘，可能出現(xiàn)人員短缺和技術(shù)水平較低的現(xiàn)象，進一步增加了運營和維護的難度。本文旨在分析和討論如何通過集成先進的信息技術(shù)，如5G 通信、人工智能、先進計算和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建大型集中式光伏電站的安全管控一體化平臺。該平臺不僅能提高電站的安全管理效率，還能減少因安全防控不力而造成的安全問題和經(jīng)濟損失，從而保障光伏電站的安全、穩(wěn)定和可靠運行。

1 光伏電站的當(dāng)前安全現(xiàn)狀分析

1.1 環(huán)境挑戰(zhàn)

大型集中式光伏電站通常建設(shè)在地理環(huán)境惡劣的區(qū)域，如荒漠、戈壁、山間和廢棄礦區(qū)。這些地區(qū)的極端環(huán)境條件對光伏電站的穩(wěn)定運行構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

極端氣候條件：強烈的日照、高溫、大風(fēng)沙等自然因素可能導(dǎo)致光伏板積塵、散熱不良，甚至損壞設(shè)備。地理位置偏遠：偏遠的地理位置增加了運維人員到達現(xiàn)場的難度，導(dǎo)致維護和故障處理的延遲。

1.2 技術(shù)和人員挑戰(zhàn)

設(shè)備故障頻繁：由于環(huán)境因素和設(shè)備老化，光伏電站的設(shè)備故障率相對較高，對設(shè)備的維護和更新提出了更高的要求。人員短缺和技術(shù)水平不足：專業(yè)技術(shù)人員的招募和留存是主要難題，尤其是在偏遠地區(qū)。此外，由于光伏技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)場工作人員的培訓(xùn)和技能提升也是一個重要問題。

1.3 自然災(zāi)害和其他風(fēng)險

自然災(zāi)害：暴風(fēng)、雷電、洪水、地震等自然災(zāi)害可能損壞光伏設(shè)備，影響電站的穩(wěn)定運行。設(shè)備損壞和人為因素：設(shè)備老化、設(shè)計缺陷、不當(dāng)操作或維護不足均可能導(dǎo)致重大故障，甚至引發(fā)安全事故。

2 光伏電站安全管控中存在的問題

隨著大型光伏電站的快速增長，其安全管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)有一定的安全管控措施被實施，但仍存在不足[1]。不僅影響了電站的穩(wěn)定運行，還可能對環(huán)境和人員安全構(gòu)成威脅。

2.1 反應(yīng)遲緩和效率低下

現(xiàn)有的安全管控措施，如人工巡查和監(jiān)控，在廣闊和偏遠的光伏電站中效率極低。主要原因有以下幾點。

廣闊的區(qū)域和地形挑戰(zhàn)：光伏電站通常覆蓋廣泛區(qū)域，且地形復(fù)雜。這使得人工巡查耗時且勞動強度大，導(dǎo)致對潛在安全問題的響應(yīng)速度和識別效率低下。人工監(jiān)控的局限性：依賴人工監(jiān)控容易受到人員疲勞、注意力分散等因素的影響，增加了遺漏或誤判安全風(fēng)險的可能性。應(yīng)急響應(yīng)的延遲：在檢測到問題后，由于地理位置偏遠，應(yīng)急響應(yīng)隊伍可能需要較長時間才能到達現(xiàn)場，這延遲了問題的處理和解決。

2.2 技術(shù)和設(shè)備更新滯后

在快速發(fā)展的技術(shù)環(huán)境中，光伏電站的安全設(shè)備和控制系統(tǒng)往往難以及時更新，這主要體現(xiàn)在幾方面。

一是技術(shù)升級的成本和復(fù)雜性：新技術(shù)的采納和實施通常涉及高昂的成本和復(fù)雜的升級過程，尤其是在偏遠和廣闊的地區(qū)。二是設(shè)備兼容性問題：新技術(shù)的引入有時會與現(xiàn)有系統(tǒng)不兼容，導(dǎo)致整體安全管控系統(tǒng)的效能受限。三是持續(xù)的技術(shù)發(fā)展：隨著技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)有系統(tǒng)很快可能會過時，這要求光伏電站持續(xù)投入資源以保持技術(shù)的最新性。

2.3 信息孤島現(xiàn)象

在光伏電站的安全管理中，不同部門或電站之間的信息共享和協(xié)同工作常常不足，導(dǎo)致了信息孤島現(xiàn)象。

一是數(shù)據(jù)共享不足：由于缺乏有效的數(shù)據(jù)共享機制，不同部門或電站間的信息流通受限，導(dǎo)致不能充分利用可用信息進行風(fēng)險評估和決策。二是協(xié)同工作障礙：不同部門或電站之間協(xié)同工作的缺乏，減弱了安全事故預(yù)防和應(yīng)對措施的有效性。三是決策過程的分散：信息孤島導(dǎo)致決策過程分散，缺乏統(tǒng)一的視角和策略來應(yīng)對跨區(qū)域或系統(tǒng)性的安全問題。

3 安全管控一體化平臺的設(shè)計和建設(shè)

為了有效應(yīng)對大型光伏電站在安全管理上的相關(guān)問題，設(shè)計和建設(shè)一個安全管控一體化平臺至關(guān)重要。這一平臺的設(shè)計理念基于融合最新的技術(shù)進展，如5G 通信、人工智能、先進計算和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，以提高安全管理的效率和準(zhǔn)確性。

3.1 平臺設(shè)計理念

利用5G 的高速率和低延遲特性，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控和快速數(shù)據(jù)傳輸，加強現(xiàn)場與控制中心之間的通信。通過AI 算法分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對潛在風(fēng)險的預(yù)測和預(yù)警，以及自動化的決策支持。先進計算，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和云計算技術(shù)，處理和分析大量由光伏電站收集的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理的速度和準(zhǔn)確性。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，通過構(gòu)建一個全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，將所有監(jiān)控設(shè)備、傳感器和系統(tǒng)集成到一個統(tǒng)一的平臺，實現(xiàn)信息的無縫共享和協(xié)同工作。

3.2 關(guān)鍵功能模塊

一是作業(yè)人員管控：利用位置追蹤和身份識別技術(shù)，實時監(jiān)控作業(yè)人員的位置和活動，確保其遵守安全規(guī)范。二是消防系統(tǒng)集中監(jiān)視與定位：集成先進的火災(zāi)探測和報警系統(tǒng)，通過實時監(jiān)控確保快速響應(yīng)火災(zāi)等緊急情況。三是設(shè)備健康管理：應(yīng)用預(yù)測性維護和實時監(jiān)測技術(shù)，跟蹤設(shè)備的運行狀況，預(yù)防故障發(fā)生。

3.3 技術(shù)實現(xiàn)

技術(shù)框架：采用模塊化的設(shè)計，每個模塊負責(zé)一個特定的功能，比如數(shù)據(jù)采集、處理、分析和報告。這些模塊通過高效的中間件集成，以保證平臺的高性能和可擴展性。算法應(yīng)用：在人工智能方面，利用機器學(xué)習(xí)算法進行數(shù)據(jù)分析，識別模式和異常，提供智能的預(yù)測和決策支持。同時，應(yīng)用優(yōu)化算法來提高能源管理和分配的效率。

4 案例分析：某公司的安全管控一體化平臺

某公司的探索和實踐在安全管控一體化平臺的建設(shè)上，提供了新能源行業(yè)的一個典型案例。自2018年起，該公司致力于打造省級區(qū)域新能源集控中心，該中心不僅標(biāo)志著管理模式的轉(zhuǎn)變，更是新能源安全管控技術(shù)應(yīng)用的躍進。

4.1 集控中心的構(gòu)成與作用

集控中心的構(gòu)成見表1，通過融合了場站邊界安防、門禁系統(tǒng)、消防報警、視頻監(jiān)控等多項安全管理系統(tǒng)，配合智能安全帽和無人機巡檢系統(tǒng)，形成了一個綜合性的安全管控網(wǎng)絡(luò)。這種一體化的設(shè)計，有效解決了光伏電站在人員稀少、地域遼闊和實時監(jiān)控不足等方面的安全風(fēng)險。

表1 省級區(qū)域新能源集控中心的構(gòu)成

4.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)的優(yōu)化

光伏系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)展示了如何通過大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了實時監(jiān)控報警和安全態(tài)勢評估，如圖1所示。不僅提高了安全防控的及時性，還增強了主動防御和聯(lián)動預(yù)警的能力。此外，集控中心的建設(shè)還大幅降低了人力資源成本，提高了運營效率，并通過信息化應(yīng)用提升了管理水平，最終實現(xiàn)了經(jīng)濟效益的提升。

圖1 光伏系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)

4.3 實際運行成效

通過某公司通過對多年的事故發(fā)生頻率進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險管理得到了顯著提升，依托安全管控一體化平臺，建立的安全監(jiān)控評估系統(tǒng)，有效地降低了由暴風(fēng)、雪壓、動物破壞等自然因素，以及人為錯誤造成的安全事故[2]。通過實時集中監(jiān)視和安全態(tài)勢評估，確保了電站安全防控的及時性和準(zhǔn)確性，顯著提升了大型集中式光伏電站的安全防控能力。

4.4 總結(jié)

該公司的案例分析展示了安全管控一體化平臺在提升大型集中式光伏電站安全管理水平方面的巨大潛力。通過集成先進技術(shù)和優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)了安全管理的現(xiàn)代化，為光伏電站的長期穩(wěn)定運行提供了堅實保障。

5 面臨的挑戰(zhàn)和解決方案

在構(gòu)建和實施大型集中式光伏電站的安全管控一體化平臺過程中，企業(yè)將遇到一系列挑戰(zhàn)。為了確保平臺的有效運行和持續(xù)地改進，這些挑戰(zhàn)需要通過具體的解決方案來克服。

5.1 技術(shù)集成復(fù)雜性

由于需要將多種技術(shù)（如5G、AI、物聯(lián)網(wǎng)等）集成到單一平臺，技術(shù)集成的復(fù)雜性成為一大挑戰(zhàn)。解決方案如下。一是模塊化設(shè)計：通過模塊化設(shè)計允許各個技術(shù)組件以插件的形式集成，降低了整體系統(tǒng)的復(fù)雜性。二是專業(yè)團隊合作：組建跨學(xué)科團隊，包括IT 專家、工程師和運維人員，共同協(xié)作解決技術(shù)集成問題。

5.2 數(shù)據(jù)安全和隱私

在實施安全管控平臺時，保護敏感數(shù)據(jù)不受未授權(quán)訪問和攻擊至關(guān)重要。解決方案如下。一是加強網(wǎng)絡(luò)安全：實施最新的加密技術(shù)和防火墻，確保數(shù)據(jù)傳輸和存儲的安全。二是定期安全審計：進行定期的系統(tǒng)安全審計和漏洞掃描，確保安全防護措施的時效性和有效性。

5.3 持續(xù)的技術(shù)培訓(xùn)和支持

技術(shù)的快速發(fā)展要求員工進行持續(xù)的培訓(xùn)，以適應(yīng)新系統(tǒng)和工具。解決方案如下。一是建立培訓(xùn)計劃：為員工提供定期的技術(shù)培訓(xùn)和專業(yè)發(fā)展機會。二是建立支持系統(tǒng)：設(shè)立內(nèi)部支持系統(tǒng)，為員工在使用新系統(tǒng)時提供幫助和指導(dǎo)。

5.4 系統(tǒng)可擴展性和未來升級

隨著光伏電站規(guī)模的擴大和新技術(shù)的出現(xiàn)，平臺的可擴展性和未來升級能力成為關(guān)鍵考量。解決方案如下。

一是使用開源和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)：選擇開源解決方案和遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以便將來的技術(shù)升級和擴展。二是預(yù)留擴展接口：在平臺設(shè)計初期就要預(yù)留出可擴展接口，方便將來添加新功能或集成新技術(shù)。

6 結(jié)語

本文深入探討了大型集中式光伏電站在當(dāng)前快速發(fā)展背景下，面臨的安全管理挑戰(zhàn)以及實施安全管控一體化平臺的重要性。通過案例分析和理論探討，確定了一體化安全管理平臺在提高安全性、效率，以及降低成本方面的顯著優(yōu)勢。一體化安全管理平臺對于大型集中式光伏電站來說是一種創(chuàng)新且必要的解決方案。隨著技術(shù)的不斷進步和能源行業(yè)對安全性要求的提高，這樣的平臺將成為未來光伏電站安全管理的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，建議業(yè)界持續(xù)關(guān)注并投資于相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，同時在政策和規(guī)范方面提供更多支持，以推動一體化安全管理平臺的廣泛應(yīng)用和不斷完善。