风光互补供电摄像监控系统研究

张 青

（中国神华神朔铁路分公司，陕西 神木 719316）

随着科技的发展以及能源问题的日益严重，对可再生能源的综合利用对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着越来越重要的作用。太阳能和风能是应用广泛，也被看作是最具有代表性的新能源[1-2]。虽然风能和太阳能均受气象环境的制约，具有不确定性，但二者在时间上、季节上都具有很强的互补性，采用混合发电方式可有效弥补风力或太阳能独立发电系统在资源上的缺陷，实现连续、稳定地供电[3-4]。该供电方式在解决边远地区的能源供应问题中发挥着积极的作用。就目前风光互补发电系统的应用来看，如前所述，它多被作为独立的供电系统，用于远离电网的地区，如部队的边防哨所、邮电通信的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远山区及海岛[5-6]。

神华集团神朔铁路分公司神木北站位于陕西省神木县，由于车站为已投入多年运用站场，且铁路运输工作异常繁忙，基本上为列车全时段占道站场，因此常规的视频监控供电及数据传输方式在神木北站中无法顺利实现。本文根据站台值班监控工程的供电要求，结合站台实际情况，本着风能和太阳能综合利用的思想，设计了风光互补供电系统和摄像监控系统，系统采用风光互补供发电方式为摄像机及网络设备供电。此外，因监控地点处于站场中间，无法进行跨铁路布线操作，故视频数据无法传输，因此采用无线网桥设备和技术将视频数据传输到远端监控中心进行处理，同时还可以对摄像头进行远程控制。系统基本能满足所需具体要求，基本达到了预期目的。

1 系统总体组成

神木县位于陕西省北部榆林地区，当地多年年均气象资源参数如表1所示。

气候状况：神木县位于东经110度10分～110度11分，北纬38度49分～38度50分之间。

风力：神木县风能储量巨大，风能资源总储量为1.5亿kW，可开发量在4000万kW以上，年平均风速在3.5m/s以上，高于全国平均水平，同时风力分布均匀，无破坏性风力记录，非常适合发展风力发电项目。

日照：年平均日照时数为 4530h，日照百分率平均69%，5月份多达78%。

根据神木的太阳能资源和风力资源情况，系统实际配置如图1所示，该系统为一个独立的风光互补发电及无线数据传输摄像监控系统。

表1 神木县各种气象资源参数情况

图1 风光互补摄像监控系统构成

在图1中，风光互补发电子系统主要由风机、太阳电池板、充放电控制器、免维护铅酸蓄电池、灯杆、光源等组成。太阳能电池板安装在灯杆支架上，太阳能电池板利用光伏效应发电，并给蓄电池充电；当风力达到风力发电机组的切入风速时，风力发电机组开始给蓄电池充电；控制器控制蓄电池的充放电，蓄电池为贮能元件，能为无线数据传输摄像监控子系统提供稳定的输出电压。

无线数据传输摄像监控子系统由摄像监控系统主要由监控中心、数据传输、前端监控三部分组成，如图2所示。前端监控主要包括智能监控模块、通信传输模块、摄像机等部分。

图2 无线网络组网示意图

2 风光互补子系统选型

风力发电是利用风机将风能转化为机械能，然后通过发电机将机械能转换为电能，通常小型风力发电机采用永磁材料制成，具有体积小、发电效率高等特点，输出三相交流电，经过三相整流桥整流后变为直流电，输出功率受风速影响。而光伏发电是利用光伏阵列的光电效应将光能转换为电能，光伏阵列输出为直流电，其输出电压、电流随着光照强度和所接负载而变化。二者发出的电能经控制器处理后可向直流负载供电，通过充电控制器对蓄电池充电将电能储存，或经逆变器逆变后向交流负载供电。图3所示为风光互补发电系统的构成框图。图中各部分作用如下。

图3 风光互补发电系统构成框图

太阳能组件：由多个光伏板组成方阵，将光能变成电能，可单个或多个光伏板联接供电。

风机：将风能变成电能，与太阳能电池板协同工作。

风光互补控制器：控制蓄电池的充、放电电流和电压。快速、平稳、高效地为蓄电池充电，减少充电过程中的损耗，避免蓄电池过充电和过放电现象的发生，尽量延长蓄电池的使用寿命；控制蓄电池放电水平，保证负载工作有较稳定的直流电压。提供标准通信和报警端口。

蓄电池组：将太阳能电池板或风力发电机发出的直流电贮能起来，供负载使用。

逆变器：将蓄电池放电电压由直流逆变为交流220VAC（该端口为预留端口）。

2.1 负载功率计算

采用风光互补供电的主要用电设备为摄像机（含雨刷器、云台等），额定工作电压为24VDC。根据摄像机的使用特点，其负荷计算如下：

1）一般情况下，摄像机以某一方位实时监视为主，此时负荷组额定功率按10W计。

2）运行遥控云台时，负荷组最大功率按60W计，云台每天运行时间按不超过30min计。

3）系统全天功耗为10W×23.5h+60W×0.5h=0.265kW·h。

假设设备安装区域太阳能全年的平均有效利用时间为4h，低速（按可工作风速3m/s）风力平均有效利用时间为5h，既无可用风力又无可用光能的最不利连续时间为5天。

考虑太阳能组件设备的系统损耗和衰减率，取可靠系数为1.4。综合考虑最不利因素，太阳能电池板的功率应为265kWh×1.4×5/4h=463.75W。因此选择额定功率为480W的太阳能电池板。

考虑风力发电组件设备的系统损耗和衰减率，取可靠系数为1.4。综合考虑最不利因素，风力发电机的功率应为0.265kWh×1.4×5/5h=371W。因此选择额定功率为400W的风力发电机。

系统平均电流为0.265kWh/(24h×24V)=0.46A。考虑蓄电池的放电效率和衰减率，取可靠系数为3.5。综合考虑最不利因素，蓄电池的额定容量应为0.46A×3.5×24h×5=193.2AH。因此选择额定容量为200AH的蓄电池组。

2.2 部件选型

1）风力发电机组：型号为24V/400W。风力叶片由超高强度的工程塑料精密注塑成型，发电机采用优质高强永磁材料，体积小、重量轻而且发电效率极高。同时利用叶片失速及电磁制动，限制风轮最高转速；利用电磁制动防止发电机过载；输电方式采用集电环导电，保证电缆不缠绕、不扭断，确保风力发电机安装方便、运行安全。

2）太阳能电池板：型号为 CRMD120，由两块串联组成，在太阳光的照射下将太阳能转换成电能输出，是整个光伏系统的核心部件。太阳能电池板技术指标达到行业的领先水平，使用寿命达25年以上。

3）充放电控制器：功率等级为 24V/400W，对蓄电池充放电条件加以规定和控制，并按照负载的需求控制蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。本控制器采用微电脑芯片控制，通过对蓄电池的电压、环境温度、太阳能电池板的电压等参数的检测判断，控制各项功能动作的开通与关断。太阳能和风力机组的充电方式都采用微处理器和PWM脉宽调制充电方式，高效率地实现风能和太阳能对蓄电池的充电。

控制器具有蓄电池过充电、过放电保护；夜间防反充保护，太阳电池反接保护、风力机组的限速保护等保护功能，控制器使用寿命为8年。

4）免维护铅酸蓄电池：功率等级为12V/200AH，由两块串联组成，然后再并联。其作用是将太阳电池和风机产生的电能贮存起来，夜晚将贮存的电能释放以满足负载的能量需求，它是整个系统的贮能部件。本系统采用免维护铅酸蓄电池，具有效率高、使用方便、免维护、自放电小、寿命长的特点。本系统选用国内知名品牌蓄电池，使用寿命达5年以上。

5）灯杆：采用优质钢材焊接而成，设计抗风强度为10级以上，采用表面热镀锌＋喷塑处理防腐工艺，既美观又耐腐蚀、耐老化，能保证15年灯杆颜色不变色，使用寿命达20年以上。

对于系统配置的计算结合了当地的气象条件，能保证系统满足在任何季节都能满足负载用电的要求。

3 无线数据传输摄像监控子系统选型

摄像监控系统主要由监控中心、数据传输、前端监控三部分组成，前端监控主要包括智能监控模块、通信传输模块、网络摄像机等。

在站台SU端（图4）放置1台网络摄像机，网络摄像机将拍摄到的图像转换成数字方式传递到无线网络上，无线网络再通过车站的值班室网络接入到公司局域网内。在神朔公司大楼机房安装中心端监控中心（AU）设备（图5），在视频服务器安装视频服务软件，通过视频服务软件管理视频的浏览、使用等权限。

图4 前端监控点（SU）设备

图5 中心端监控中心（AU）设备

3.1 无线传输设备性能指标

无线传输采用以色列奥维通的 5.8GHz点对多点无线接入系统，主要技术性能如下：

1）提供了出色的非视距大容量点对多点接入能力，使用 5GHz频段为 5.725～5.850GHz、5.470～5.725GHz、5.150～5.350GHz和 4.900-5.100GHz。

2）采用 OFDM（正交频分多路复用）技术，确保高速数据速率、频谱利用率，并有优异的抗干扰和多路径效应的能力自适应调制方式（BPSK，QPSK，16QAM，64QAM）。

3）提供10MHz/20MHz的信道带宽。

4）采用10/100BaseT接口。

5）支持多种CPE速率：6Mbps和54Mbps。

6）支持自动发射功率控制（ATPC）。

7）提供了高级的接入特性组合，其中包括QoS，安全性与全面的管理能力。

8）灵活的设计，有机架型和独立型两款基站型号可供选择，可部署于使用不同天线的多扇区组网。

9）支持基于SNMP的配置和管理。

10）提供无线软件更新与配置上传/下载。

根据神木北站情况，在中心端采用独立接入单元，包括一个小型室内单元、抱杆安装的室外单元和一面 120°扇区天线，客户端采用集成天线的支持高达54M带宽的多用户单元。

3.2 网络摄像机性能指标

网络摄像机采用5寸中速智能网络球机，各项性能指标如下：

1）系统功能

（1）采用1/4"索尼高性能CCD，图像清晰。

（2）精密电机驱动，反应灵敏，运转平稳，精度偏差少于0.1度，在任何速度下图像无抖动。

（3）支持RS-485控制下对HIKVISION、Pelco-P/D协议的自动识别。

（4）支持多语言菜单及操作提示功能，用户界面友好。

（5）支持数据断电不丢失。

（6）支持断电状态记忆功能，上电后自动回到断电前的云台和镜头状态。

（7）支持光纤模块接入。

（8）支持内置温度感应器，可显示机内温度。

（9）支持防雷、防浪涌、防突波。

（10）室外球达到IP66防护等级。

2）机芯功能

支持自动光圈、自动聚焦、自动白平衡、背光补偿和低照度（彩色/黑白）自动/手动转换功能。

3）云台功能

（1）水平方向为360°连续旋转，垂直方向为-5°～185°，无监视盲区。

（2）水平预置点速度最高可达150°/s，垂直预置点速度最高可达100°/s。

（3）水平键控速度为（0.1°～150°）/s，垂直键控速度为（0.1°～100°）/s。

（4）支持比例变倍功能，旋转速度可以根据镜头变倍倍数自动调整。

4）网络功能

（1）采用H.264视频压缩算法和TI高性价比的最新达芬奇处理芯片和平台，性能可靠稳定。

（2）支持以太网控制，同时支持模拟接入。

（3）可通过IE浏览器和客户端软件观看图像并实现控制。

（4）支持多种网络协议，TCP/IP、HTTP、DHCP、DNS、RTP/RTCP、PPPoE（FTP、SMTP、NTP、SNMP可添加）。

4 结论

如何解决已建站场和困难地段的供电问题以及视频监控的数据传输问题，是目前铁路单位所面临的一个实际问题。本文通过对陕西神木县当地气象环境资源的统计，设计了风光互补供电摄像监控系统，并对系统所需部件进行了计算选型。系统采用风光互补的方式对摄像监控设备进行供电，采用无线传输的方式将视频数据传输到远端监控中心进行处理。系统基本能满足现场要求，达到了预期目的。图6和图7分别为系统外观和监控截屏图像。该系统为相关单位提供了解决类似问题的参考依据。

图6 风光互补供电摄像监控系统现场外观

图7 实际监控 截屏图像象

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