基于图像监视的大型光伏电站周界防护系统设计

孙 静,徐嘉瑞,于 佼,韩 源

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

近年来随着清洁能源不断发展，大型光伏电站的建设日益增多。大型光伏电站占地广阔，巡检区域大，防护成本高，普遍采用简易围栏加巡检方式或电子围栏方式。但上述方案已不能满足业主对电站昼夜24 h安全防范及远程监视的发展需求，本文结合大型光伏电站特点，通过技术经济比选，研究分析出一种针对大型光伏电站周界防护系统的新型应用方案，即采用振动光缆报警联动激光红外摄像机实时查看报警位置监控画面，并触发探照灯给予入侵者威慑的周界防护方案。以青海省某大型光伏园区为例，总结出基于图像监视的大型光伏电站周界防护系统具体实现方案，供后续工程参考。

1 周界防护方案选择

结合大型光伏电站特点，对以下几种周界防范方案进行比较。

(1) 方案1,简易围栏加巡检。

防护成本低，是目前大型光伏电站周界防护系统选择该方案的重要原因。

(2) 方案2,电子围栏。

安装于围栏上方，当强行入侵造成系统断线或短路时，发出高压脉冲信号和声光信号，使入侵者产生电击感而达到阻止入侵的目的，阻挡效果佳。以10 km周界为例，每500 m设置单防区造价如表1。

表1 电子围栏方案每500 m设置单防区造价表

每200 m设置单防区设备和施工造价是每500 m设置单防区造价的2倍左右，因此周界较长时，单防区长度越短，防区总数量越多，设备成本及施工安装成本越高。长报警防区辅材及施工成本低，是大型光伏电站选择该方案的重要原因，目前每500 m设置单防区。但该方案只能报警防区，需巡检人员进一步排查确定精确报警位置，长防区增加了巡检难度且施工复杂。

(3) 本文方案，振动光缆。

随着技术不断发展，提出以传感光缆作为前端探测传感器，实现精确报警定位。当传感器受到外界干扰时，光纤中传输的光特性会随之改变，报警单元将接收到的光信号进行分析和处理，区分第三方入侵行为与正常干扰[1-3]。以10 km周界为例，每500 m设置单防区造价如表2。

表2 振动光缆方案每500 m设置单防区造价表

传感光缆在传输过程中损耗小、稳定性高，可精确定位，且无需供电，降低了施工复杂性。相同防区长度，经济性比电子围栏方案高。

以10 km周界、每500 m设置单防区为例，3个方案比较如表3 。

表3 3种周界防护方案特点比较表

上述可知，方案1不满足业主需求；方案3比方案2在精确定位报警方面有很大优势，降低了巡检难度且施工简单；方案3比方案2性价比更高。综上，方案3更适合于大型光伏电站周界防护系统。同时由于场区面积大，摄像机数量多，立杆、电源和光缆敷设施工成本高，存储设备造价高，是长周界防护系统成本高的另一个原因。

由于光伏场区夜间光照0 Lux，摄像机需具备辅助照明功能。伴灯摄像机夜视距离50 m，长周界架设数量过多。随着技术不断发展，红外摄像机夜视距离越来越远，由“照明源”功率大小决定夜视距离远近，目前“照明源”有LED和激光2种方式，对比如表4。

表4 LED与激光红外摄像机对比表

激光红外摄像机比LED红外摄像机夜视距离远，10 km周界架设数量少，施工成本降低，终端存储容量降低，综合成本较低。因此选用激光红外球机作为周界防护系统的图像监视设备。

2 系统方案设计

2.1 系统构成

基于图像监视的大型光伏电站周界防护系统主要实现光伏场、变电站周界的全天候防范，系统由前端探测系统、信号传输系统和终端控制系统组成[9-10]。前端探测系统由传感器和报警单元组成；信号传输系统将采集的报警信号与图像信息等传送到控制终端，并将控制指令下达到前端摄像机；终端控制系统接收报警信息后联动摄像机显示报警画面，对入侵目标进行及时定位跟踪，并将报警、图像信息进行存储与显示。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2.2 前端系统设计

2.2.1 光伏场区周界防护

光伏场区周界防护系统采用振动光缆报警方案，每500 m设置1个报警防区，每4个报警防区设置1个四防区报警单元；每500 m立杆架设1台激光红外球机，监视2个报警防区。防区划分见图2。报警单元将接收到的信号进行分析、判断和处理，触发现场声光报警器，联动该防区摄像机对入侵位置进行精准定位，实时显示报警画面。

图2 防区划分示意图

2.2.2 光伏场区内部监视

光伏场区道路由进场主干道和阵列区道路组成，主干道多为集电线路走廊，阵列区道路为运维检修通道。对主干道及阵列区道路入口进行布防，不仅可以有效监视场区车辆及人员流动情况，还可以对阵列区光伏组件设备安全进行防护，达到安全警卫需求。在主干道上借助集电线路铁塔每500 m架设1台激光红外球机，监视半径1 km内主干道及阵列区道路入口。

2.2.3 变电站周界防护及内部监视

选用电子围栏系统，每100 m设置单防区报警主机，并在出入口装设红外对射入侵探测器联动带跟踪功能红外摄像机，实现对电站24 h实时监视。场区内重要场所及场区道路选用一体化红外枪机进行有效监视，视频、报警信号在主控室监视终端显示并报警。

2.3 传输系统设计

随着业主对图像监视清晰度的要求，周界防护系统数据量上千兆，传输系统的重点即图像信息。

传输系统网络结构采用分层分布式。光伏场区周界防护系统数据信息就近接入逆变器室光纤环网，采用与光伏场区监控系统同缆分芯方式将数据上送至35 kV汇集站环网交换机；场区内部图像信息直接上送至35 kV汇集站环网交换机；若干个汇集站环网交换机成环后以24芯光缆送至变电站，与变电站周界防护数据信息一起汇至变电站系统终端。组网结构见图3。

2.4 终端系统设计

终端系统主要由控制系统、存储系统及显示系统组成。控制系统由控制主机及客户端组成，作为操作控制的核心设备，实现周界防护各系统的统一管理与控制，具备数据统计、数据查询、操作维护、网络控制等功能。存储设备用于图像信息采集、压缩与处理。显示系统由解码器与显示屏组成[5]。

图像信息存储空间大小决定了存储设备选择。如一台720 p和一台1 080 p摄像机按30 d存储，存储空间如表5。

图3 组网结构图

视频格式存储空间720 p4Mbps / 8×3600×24×30 / 0.9 / 10242=1.37TB1080 p8Mbps / 8×3600×24×30 / 0.9 / 10242=2.75TB

一台1 080 p摄像机存储空间占主流存储单元4 TB硬盘的70%，一般容量为8×4 TB的网络硬盘录像机不能满足大型光伏电站存储空间需求。网络视频存储服务器一般支持16～48块4 TB存储硬盘并可扩展，与多台硬盘录像机组合配置方案对比如表6。

表6 不同存储方案对比表

4台硬盘录像机组合配置虽价格便宜，但视频存储服务器省略了存储服务器，用户可直接从存储设备调取、查阅数据，提高了性能和可靠性。综合考虑采用网络视频存储服务器。

3 工程实例

青海省某大型光伏园区终期建设2 500 WMp光伏电站，配套建设2座330 kV升压变电站及若干35 kV汇集站，光伏园区周界长35 km。光伏园区周界每500 m设置单防区，变电站每100 m设置单防区，周界防护系统配置如表7。

全站共设置90台红外摄像机，场区大门口设置红外对射入侵探测器；每座变电站设置24台红外摄像机。每个35 kV汇集站设置1台百兆环网交换机用于汇集站及光伏场区内数据传输，汇总后接入汇集站千兆以太网交换机；每座变电站设置3台百兆以太网交换机及1台百兆POE交换机，用于变电站内数据传输，汇总后接入变电站千兆以太网交换机；汇集站及变电站千兆以太网交换机将数据信息均汇至变电站万兆以太网交换机。

表7 35 km周界防护系统配置表

终端控制系统采用分层管理方式，振动光缆与电子围栏系统分别设置管理主机对本系统信息进行采集与处理，经规约转换后接入系统；设置1台周界防护系统控制主机对各系统进行统一控制与管理。网络视频存储服务器满足不少于140路输入(录像+回放)，存储容量不小于170 TB(存储容量划分为：变电站摄像机8 Mbps码流，存储30 d，占容量138 TB；光伏场区摄像机4 Mbps码流，存储7 d，占容量30 TB)。设置1台65寸液晶大屏幕显示设备，经解码器转换成模拟信号后进行实时报警显示。同时预留无人值班时在集控中心监视的网络接口。系统组网见图4。

图4 系统组网图

4 结 语

本文通过技术经济比选，研究分析出一种适用于大型光伏电站的周界防护系统新型应用方案，采用振动光缆方式进行入侵检测，实时预警，提升了报警精度，降低了施工难度；采用红外激光摄像机进行远距离夜间监视，减少了摄像机数量，弥补了长周界防护系统成本高的缺点，实现了业主发展需求，给后续相关设计提供了新思路。该方案得到了业主方的认可，对后续工程有一定的参考作用。