论公路外场监控太阳能供配电系统建设中应注意的问题

王军兴

（甘肃省高速公路管理局，甘肃　兰州　73000）

论公路外场监控太阳能供配电系统建设中应注意的问题

王军兴

（甘肃省高速公路管理局，甘肃兰州73000）

公路沿线的监控系统，设备用电负荷较小，受地理位置和长距离供电压降的影响，一般采用太阳能供电。笔者从工作实践出发，抛去复杂的理论说明，从简单实用的角度，认真分析了影响太阳能供电系统稳定运行的几个关键因素。笔者认为，在项目建设初期，一是要充分考虑自然环境对太阳能板发电效率的影响；二是要认真计算太阳能板发电量、蓄电池放电和储能、设备负载之间的功率配合等诸多因素，确保发电量和储能满足负载运行要求；三是尽量选择低能耗、环保的新型负载设备；四是加强项目施工管理，抓好工程质量是保障系统稳定运行的前提条件。

太阳能；供配电系统；监控

1　背景

2011年，甘肃省高速公路管理局为进一步提高道路运行的服务水平，加强道路运行实时监控，提高突发公共事件的现场协调、监测和处置能力，对2010年前已建成通车的路段进行智能监控系统升级改造，开始建设路段全程监控。该项目外场监控点多线长，除部分监控点具备市电供电条件外，大部分监控点均采用风光互补太阳能供电。

目前，该项目已建成的全程外场监控系统已运行近5年。在这5年的运行过程中，各年份均不同程度地出现摄像机掉电、图像传输故障等问题；甚至一些远端传输设备掉电造成部分片区整条线路无视频图像的现象。根据省高管局交通调度指挥中心2015年12月份统计的资料显示，外场监控图像故障率超过50%。各路段实际统计情况见表1所示。

综合分析图像故障的原因，除了摄像机、传输设备和传输介质自身的故障外，约50%的故障设备其故障原因基本都是太阳能供电系统故障造成。这让我们充分认识到太阳能供电系统的稳定运行对日后监控系统的正常运行至关重要。

表1　省高管局交通调度指挥总中心路段已上传数字化图像巡检表（部分截取）

2　太阳能供电系统故障的几个原因

通过建设单位、设计单位和施工单位现场勘查和分析，太阳能供电系统故障主要有以下几方面原因：

2.1太阳能供电系统自身的老化

太阳能光伏板和蓄电池随着使用年限的延长，充放电性能也在逐步弱化，从而影响系统供电的持续时间。

2.2灰尘和污染造成太阳能板放电效率减低

雾霾、扬尘对太阳能板发电影响很大，太阳能板长期受污染，极大地影响太阳能电池板的发电效率，严重降低了发电量。白天产生电量除供摄像机正常工作外，剩余存入蓄电池的电量较少，造成蓄电池处于亏电状态，也是造成太阳能供电系统不能持续供电的主要原因之一。

2.3电池箱施工不规范

电池箱安装不符合设计标准，电池温度过高或过低，或受进水、泥土的损坏，充放电效率大幅减低。

2.4太阳能板、蓄电池和设备负载不匹配

本项目外场监控系统太阳能电池组件基本采用标准功率为200 Wp、工作电压36.5 V，单点电池板数量3块，45度斜面其平均日照为4.5 h，实际发电量约为1 404 Wh；负责功率约为78 W，负载工作电压为24 V直流，每天工作24 h，每日耗能1872 Wh。蓄电池基本配置12 V100 Ah的电池组6块，如按最长连续阴雨天为7 d，应需要电池容量为750.75 Ah，12V100 Ah需要8块。

2.5摄像机选型功耗较大

本工程摄像机为一体化摄像机，且不带自锁功能，即摄像机在通电状态下依靠云台电机使摄像机保持位置不动；当摄像机断电时由于没有自锁功能，电机失去动力致使摄像机断电且摄像头立即枪机保持冲天状态。由于云台持续供电致使太阳能发出电能大部分被浪费在维持云台带电状态，再加上冬天加热设备的开启，极大消耗太阳能发电系统所发电能。经过近几年发展，一种新型节能型摄像机可保证在云台不运作的情况下摄像机能自锁在固定位置且云台不损耗电能，使摄像机极大减少电能损耗，可有效降低太阳能发电设备的用电负担。

3　太阳能供电系统在建设时意的几个问题

针对甘肃省高速公路外场监控太阳能供电系统存在的实际问题，启发我们在以后的太阳能供电系统建设中，除了要考虑自然因素和施工因素给太阳能供电系统造成不利影响外，重点要考虑太阳能板、蓄电池组、控制器和负载功率的相互匹配，使其能够发挥最大的工作效率。下面笔者重点谈谈几个需要重点注意的问题。

3.1充分考虑不利因素，严格把关技术参数计算和设备选型

太阳能供电系统由于受自然环境影响、发电和放电设备输出效率的影响，实际的发电效率可能只有理论值的50%～60%；其次，太阳能板的发电量必须满足设备用电量和电池组的储能需求，电池组的储能要满足本地区连续阴雨天的能耗需求。这就要求我们充分考虑各种不利影响因素，详细计算各关键设备的技术参数。3.1.1光伏发电系统的需求容量计算

Qf=Qg×H×N×KX

Qf为光伏组件发电量

Qg为单块太阳能板发电量

H为根据地区的气象情况确定的日照时间

N为太阳能板数量

KX为修正系数，主要考虑蓄电池组充电效率Kc（0.98），太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数Kw（0.9），太阳电池方阵组合损耗系数KS（0.96），控制器的转换效率Kn（0.88），太阳能电池板公称电压和蓄电池电压的匹配效率KP（蓄电池的公称电压/太阳能板的公称电压）。

例如：太阳能单板标准功率为200 Wp，工作电压34 V，蓄电池组工作电压为24 V，日照时长为4.5 h，组数采用4块，则日发电量为：

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%

根据已知或需求条件，各参数间可根据工作实际需要进行相互转换。

3.1.2蓄电池组的需求容量计算

蓄电池的容量QX计算公式为：

QX=QL×A×NL×To/DOD

QL为负载日平均耗电量，单位为Ah，QL=WE/UE*TE（WE为负载额定功率，UE为额定电压，TE日工作时间）

A为安全系数，取1.1～1.4之间；

NL为最长连续阴雨天数；

To为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；

DOD为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.7～0.8，碱性镍镉蓄电池取0.85。

例如：负载实际功率为70 W，额定电压24 V，按照7天连续阴雨天计算持续放电，则蓄电池的需求容量为：

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容量的电池，则理论至少需要7块。若采用12 V 100 Ah每2块串联组成电池组，需要8块。

3.2严把关键设备选型关，提高设备运行的可靠性和经济性

现在有部分厂商的产品，技术参数在理想状态下可以达到，一旦外界条件改变就不能实现其正常功能。在太阳能供电外场监控系统中，太阳能板、控制器、电池组和摄像机等关键设备，不管哪一个质量出问题，都会影响整个系统的高效运行。在产品的选型问题上，就怕货比货。一是尽量选用知名品牌；二是尽量选用市场占有率高、有较多成功运用案例的产品；三是尽量采用适合控制机电产品质量的招标评标办法，防止低价中标影响产品质量；四是如有条件尽量搭建实验平台，业主实际检测关键设备的运行性能，防止设备选型不妥带来项目功能瑕疵。

3.3加强太阳能供电系统的运行监控

根据以往的经验，太阳能供电系统在建设时，硬件设施的功能基本能实现，但在软件建设和对系统的运行监控方面却不够重视。这也与长期在项目建设中重视硬件建设而不重视软件管理的惯性思维有关。由于没有基础管理数据，在太阳能供电系统故障时，不知道具体哪个环节出了问题，靠排除解决很费力气，在有些环节上也很不现实。只有在日常的运行中做好监控数据的采集，才能对有些具体问题有的放矢地进行分析和解决。

外场监控图像的传输通道和介质为我们传输供电监控信息提供了较好的传输条件，这就要求我们的控制系统监控软件符合国际工业监控与开放式设计标准，支持各种国际通用通讯协议，实现信号测量和数据采集，并采用现代通信技术实现远程数据传输，利用计算机软件和数据库技术，完成数据处理。一是实现实时显示功能，实时显示光电转换系统阵列电压、阵列电流、蓄电池电压、蓄电池温度、蓄电池剩余容量、负载电流等参数，并可以通过点击设备号来查看每台设备的具体图标显示状况，这样便于网络内部的各光电转换站点的集中监控与管理；二是实现异常报警功能，监控网络中各个站点的报警可以从异常报警界面中实时查看，当异常排除后报警自动解除，报警事件的具体情况会被记录在数据库中；三是实现远程设置和控制功能，在控制室可以远程查看和设置光电转换供电系统中的各个站点的参数，如每个站点的蓄电池容量、恢复提升电压、过放电压、恢复过放电压、浮充电压、温度补偿系数、控制器时钟、下位机ID等，已达到各设备间以最佳参数配合运行。

4　结束语

公路沿线外场监控系统，一般运行自然环境条件较差，要保证系统的运行稳定，就要充分考虑各种不利因素，加强施工工艺管理，详细计算太阳能板、负载设备功率和蓄电池的储能，加强系统运行管理，确保太阳能供电系统稳定、有效、经济运行。

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U491.5+3

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.07.024

2016-3-26

王军兴（1971-），男，汉族，甘肃武威人，大学专科，工程师，主要从事高速公路机电系统运维管理和高速公路机电工程项目管理工作。