大型集中式光伏电站安全管控一体化平台的建设

王家万

(大唐青海能源开发有限公司海西新能源事业部，格尔木 816000)

0 引言

中国自2011 年开始进行大型集中式光伏电站建设以来，光伏发电取得了突飞猛进的发展，特别是随着国家碳达峰、碳中和战略目标的提出，更是进一步推动光伏发电的蓬勃发展。根据2022 年3 月9 日国家能源局公布的2021 年光伏发电建设运行情况，截至2021 年底中国光伏发电累计并网装机容量达305.987 GW。大型集中式光伏电站一般建设在荒漠、戈壁、山间、废矿等环境恶劣的地方，由于这些场所存在风沙大、光照强烈、早晚温差大等情况，易造成光伏设备故障频繁发生，而光伏电站的设备众多，场区面积大，设备维护量及工作劳动强度均较大，运行检修成本增大，安全风险高。为了提升安全生产管理，避免安全事故，可通过采用5G 通信、人工智能、先进计算、工业互联网等新一代信息技术来提升光伏电站安全管理，解决光伏场站运维人员少、区域面积大、实时性差等导致的安全风险不可控问题，保证光伏电站安全、稳定、可靠运行，减少因安全防控不力造成的安全问题和经济损失。基于此，本文针对大型集中式光伏电站安全管控方面的不足，从作业人员管控、消防系统集中监视与定位、设备健康管理、现场可视化作业监督、现场安全问题告警督办、应急指挥系统等方面对大型集中式光伏电站安全管控一体化平台(下文简称为“安全管控一体化平台”)的建设进行论述，对此类平台的应用案例进行介绍，并提出了此类平台建设时需要注意的问题。

1 大型集中式光伏电站的安全现状分析

1.1 条件艰苦，人员短缺，技术水平低

大型集中式光伏电站多处于环境恶劣的区域，条件较为艰苦，导致难以留住专业技术人才，所以光伏电站的人员短缺、技术水平低也成为普遍现象。

1.2 设备故障频繁

光伏场区中布满了光伏发电设备，遍地敷设电缆，由于风沙大、光照强烈、早晚温差大等因素易加剧光伏发电设备积灰和电缆绝缘老化，导致光伏组件等设备频繁出现短路、漏电、发热等故障，且设备的维护工作量大，会降低投资收益。近年来，光伏电站触电、火灾、支架倾倒等事故时有发生。

1.3 自然灾害时有发生

由于大型集中式光伏电站所在地多为地形复杂且偏僻无人的区域，易遭受暴风、雷击、暴雪、冰雹、沙尘、岩石滚落、地质滑坡、地震、洪水及动物啃咬等自然及人为破坏，导致近年来已发生多起因大风引发支架倾倒、草原火灾从而产生的光伏组件烧毁等事故，而且光伏组件被盗窃也时有发生。杂草生长遮挡、鸟粪等易造成光伏组件局部产生热斑效应，使其发电量下降。

2 大型集中式光伏电站安全管控中的不足

大唐青海能源开发有限公司(下文简称为“大唐青海公司”)从2011 年就在青海省开始光伏电站的投资建设，目前其建设光伏电站的在役容量达750 MW，分22 期建设完成，电站数量共13 座，主要分布在青海省的海南州和海西州，电站之间的最远距离为700 km，投产时间跨度长达10 年之久。

由于大唐青海公司建设的这些光伏电站是不同时期、不同区域建设的，且存在门禁系统、消防报警、周界防护、现场作业监视管控、高压区域提示、非授权闯入报警、无人机巡检平台、人员定位管控、两票及其他生产管理等系统应用程度不同的情况，另外，这些系统都是独立安装，未有效整合成一体，不但未提升企业的管理，反而导致管理效率降低。安全管控中存在的不足主要体现在：系统不统一，不兼容，各个系统不能有效整合；平台建设商比较单一，目前还无实力强的多系统开发商；不同光伏电站中同种系统的设备配置不同，运行维护标准不统一，造成系统后期维护成本高，系统测点上传数据多，故障频繁。

3 安全管控一体化平台的建设

针对大型集中式光伏电站安全管控存在的问题，如何有效实现融合和主动防控功能，有效解决光伏电站运维人员少、防控范围大、实时性差的问题，保证光伏电站安全稳定运行，避免因安全防控不力出现的人员安全问题和经济损失，成为迫切需要解决的问题。下文从作业人员管控、消防系统集中监视与定位、设备健康管理、现场可视化作业监督、现场安全问题告警督办、应急指挥系统等方面对安全管控一体化平台的建设进行论述。

3.1 作业人员管控

升压站区域、配电室通过门禁系统对人员进出权限进行控制，只允许被授权人员通过，对非授权人员不允许放行[1]。

安全管控一体化平台需预留与门禁系统的接口，可根据人员编号从门禁系统读取该人员的进出记录和违章记录。

光伏场站园区通过智能安全帽GPS 定位和实际地图实现光伏场站园区人员定位。

所有人员(含厂内员工、外来人员等)进入生产区均需佩带定位标签(粘贴在安全帽上)。厂内员工根据两票任务及专业、职务的不同分配不同的角色，每种角色按工作需求来配置不同的权限，包括本系统的访问权限及场站区域的访问权限等。工作票办理后，系统根据票面工作地点和工作时间，自动授予相应作业人员(含外包人员)对应区域的访问权限和时间。还可以根据电站人员上班时间来配置权限，比如上班期间可以出入某些区域，下班时间则需要进行审批后才可以进入。

对现场作业人员信息进行管理。现场作业人员信息包括姓名、性别、年龄、安全帽编号、工种、进厂时间等基本信息。结合人员定位功能控制区域内人员数量，实现人员的安全管控。

通过门禁系统对作业人员进行人脸识别，控制进出权限，对非授权人员不允许放行。

通过周界安防系统实现外界人员闯入报警功能，实现地图实际显示，同时利用光伏场站园区内移动侦测摄像头，实现对闯入人员行为的实时监测。

3.2 消防系统集中监视与定位

各光伏场站消防系统通过安全管控一体化平台接入省级区域新能源集控中心，增加火灾自动报警系统控制器通信模块，实现控制器远程通信，采集消防报警系统信息。

通过安全管控一体化平台，实现全部光伏场站火灾自动报警系统集中运行监视、设备状态监测、火情集控监视、统一调度指挥；并定期实现远程巡检和报表功能。

报警、联动及定位功能。通过各光伏电站的火灾报警系统远传信息，实现各类火情信息报告，例如：烟雾报警、温度报警、手动报警等，报警信息实现语音播报方式和警铃方式，报警采用值班人员确认模式，并实现分级报警。按照实际地图，绘制现场火源监测点地图(如图1 所示)，实现火源监测点定位功能。

图1 火源监测点地图Fig. 1 Map of fire source monitoring point

3.3 设备健康管理

建立光伏电站无人机巡检系统，采用智能无人机配红外热成像摄像头，对光伏组件进行空中巡视、空中拍照、空中摄像，对光伏组件热斑、隐裂、龟裂、积灰等情况进行巡检，建立光伏组件安全风险点管理和巡查影像管理数据库，实现飞行控制、任务生成、信息传输、数据采集、数据存储、数据检索、数据分析及风险预警等功能。通过无人机采集的实时图像能快速便捷地检查光伏组件表面是否有破损、污渍、热斑等问题，并精准定位，便于及时进行组件的更换和维护，可大幅缩减光伏电站巡检所需人数及巡检时间，对电站内部巡检人员配备、巡检工作进行了优化，使其他设备的巡检计划、巡检事项、巡检内容更专注，提升了电站巡检频次，有效提高电站巡检效率与精确性。同时解决了光伏电站建设类型不同导致的光伏组件巡检难的问题，以及以往人工巡检可能带来的人员安全问题。

建立智能无线测温系统，在汇流箱、逆变器、配电柜、电缆头处安装无线测温设备，监测因电气线路或设备绝缘层老化破损、电气连接松动、空气潮湿、电流电压急剧升高等原因而引起的温度超限等电气故障。当监测到温度超限时，立即由设备自带的无线通信模块将报警信息上传至服务平台，实现温度超限告警，提醒运维人员进行设备的维护，及时消缺设备障碍，避免引起火灾等事故。

建立智能积灰检测系统，在逆变室区域部署积灰传感器，对该区域积灰状态进行实时监测。实现智能化自动识别积灰情况，当积灰到达阈值时自动触发后台报警接口，推送到前端界面，提醒运维人员进行设备清灰工作，避免积灰造成设备短路、放电、接地等故障。

3.4 现场可视化作业监督

通过作业现场部署临时用视频摄像机或布控球，实现作业现场监督。

为保证现场作业安全管控力度及现场作业规范性，降低作业风险，可通过现场作业全过程监控可视化平台，实现现场作业全过程实时监控。现场作业全过程监控可视化平台采用无线5G 网络，具有高清视频监控、视频会议、语音对讲、集群通话、互动交流、音视频资料存储、位置定位等功能，实现对所属单位全部作业现场的全过程监督，特别适合现场高风险区及其外围作业时应用。

专家利用监控摄像头、手机、智能眼镜，远程实时督导、指导，实现现场的实时可视化管理。

3.5 现场安全问题告警督办

基于远程集控运行模式的积灰、灭火、无人机巡检、汇流箱超温、现场安全隐患随手拍上传等告警模块，自动告警。

告警的同时触发生成督办单，形成告警及安全隐患问题督办库，并与省级区域新能源集控中心侧智慧化应用平台实现工单对接。

告警产生后自动配备工单，通过逐级管理人员接收、制定措施、明确责任人、整改时间、验收等环节的在线管控，检修人员可通过手机APP接收工单任务，现场处理完成后，通过随手拍记录并上传提交处理情况，从而形成告警及隐患的闭环管理。

对各类检查、管理工作中发现的安全生产问题及时录入问题库进行管理，并使问题库中的各种问题得到及时整改，实现动态闭环管理，并可按多种维度统计问题数据。

系统需能接收各类接入的报警信号，响应并上送报警信息，包括模拟量越限、梯度越限、开关量状变和计算机监控系统自诊断故障等各种信息；告警弹窗后可以通过点击告警信息一键关联查到相关的实时信息，实现告警快速定位。

告警产生后，在每个终端工作站上的音响实现报警。当出现报警信息时，装置实现中文语音报警和信息展示功能，报警内容可自定义，需确认后手动或自动解除。

3.6 应急指挥系统

应急指挥系统通过建立集团分公司与其下属电站的数据、话音、视频等业务联络，快速处理现场突发紧急事件，提高场站系统预防和处置突发事件的能力，降低事故风险，减少损失，并预留与集团级应急指挥系统对接的接口。

新一代应急指挥系统应充分利用现代信息与网络技术、智能多媒体技术、大数据分析功能，聚合各类资源数据库，根据场站地理信息，以数据分析、信息传输呈现为手段，实现对突发事件数据的采集、大数据分析判断，以及对应急指挥的辅助决策，并实现应急资源的协调、管理。出现突发事件时，快速为事故指挥者层和现场处置层提供详细可靠的信息服务，为应急事件提供决策辅助依据、可量化的风险数据，以及准确的处置方案。能精准有效地调集应急资源，实施现场处置。在分公司级的集控中心，指挥者可以通过场站的视频监控和移动终端回传的实时画面，以及集控中心的实时数据平台，准确掌握现场的实时信息，指挥调度各类应急资源，决策于千里之外。

4 安全管控一体化平台的应用实例

大唐青海公司从2018 年就开始探索安全管控一体化平台的建设，成立了省级区域新能源集控中心，全面提升新能源发电企业的安全管控水平，通过引进先进的技术手段和管理手段，实现新能源生产管理精细化。通过省级区域新能源集控中心的建设，改变了大唐青海公司分散式生产管理模式，实现了新能源产业集中式一体化管控，建立了统一的管理标准，大幅降低了人力资源成本，提高了运营效率，提升了管理水平，增强了信息化应用，增加了经济效益，全面提高了工作效率，提升了新能源产业的管控水平。

大唐青海公司针对大型集中式光伏电站建设的安全管控一体化平台是依托“远程集控，就地检维”的省级区域新能源集控中心，打造“无人值班、少人值守”的智能光伏电站。本安全管控一体化平台是省级区域新能源集控中心的重要组成部分，二者之间的关系如图2 所示。

图2 省级区域新能源集控中心的构成Fig. 2 Composition of provincial-level regional new energy centralized control centers

根据现代企业的安全管理理念，本安全管控一体化平台主要是用于现场作业管控监督、作业环境监控和场站区域安全监控等，先整合场站边界安防、门禁系统、消防报警、视频监控，再增加智能安全帽、无人机巡检系统，实现对光伏电站“人、设备、环境、管理”的全面安全管控，解决光伏电站运维人员少、区域面积大、实时性差的安全风险不可控等问题，实现光伏电站无人值守式的关门运行。省级区域新能源集控中心通过安全管控一体化平台进行大数据分析，对光伏场站安全防控进行实时监控报警、安全态势评估和信息远程输送，从而实现光伏场站安防自动监控报警和安全态势评估，实现对光伏电站现场安全运行状态监视和把控，保证光伏电站安全、稳定、可靠运行，减少因安全防控不力出现安全问题和经济损失。安全管控一体化平台的业务架构如图3 所示。

图3 安全管控一体化平台的业务架构Fig. 3 Business architecture of integrated platform for safety management and control

通过对大唐青海公司光伏电站多年运行事故发生频率进行统计，发现各种风险因素中，暴风、雪压、动物啃咬破坏、冰雹等因素造成的电站安全运行风险约占19%，过电压和技术性故障因素约占5%，人为损坏和人为误操作造成的安全风险约为16%，火灾造成的风险约为8%，设备材料造成的风险达7%。依托安全管控一体化平台，建立光伏场站安全监控评估系统，定期开展光伏电站安防实时集中监视和安全态势评估，根据风险度提示来采取相应措施，保证安全防控的及时性、主动防御性和联动预警性，可极大提升大型集中式光伏电站的安全防控能力，解决其因少人值守造成的安全防控困难等问题。

5 安全管控一体化平台建设应注意的问题

5.1 平台建设要考虑系统的业务扩展

平台采用分层架构，有利于系统的业务扩展与迁移，能实现基于已部署的系统进行二次研发部署，节约资源成本，迅速实现新业务上线运行，从而凸显一体化平台部署优势，解决多系统形成的数据和应用的孤岛问题。

5.2 平台建设易采用模块化建设

遵循模块内高内聚、模块间低耦合标准，基于小模块、大构件思想，每个单独的功能点独立封装功能模块，根据业务实际特点进行功能模块组合，形成完整的业务模块[2]。

5.3 分层设计

数据层、业务层、界面操作逻辑全部分离，采用MVC 框架标准封装，界面根据实际业务的情况可实现Web 与窗口程序、小型Flash、Silverlight 等同步显示；业务逻辑以服务方式提供，复用性高，系统部署更加灵活；数据层采用成熟的ORMAP 技术，实现数据层的组态建模管理[3]。

5.4 企业面向服务架构(SOA)的设计

基于SOA 的企业应用集成技术，将资源与业务功能暴露为服务，服务以标准化结构构建，实现资源共享和系统之间互操作性，支持新的应用快速以服务形式加入已有环境；基于XML 数据交换格式，满足数据资源共享。

5.5 安全设计原则

系统建设应满足电力监控系统安全防护相关规定，实现生产管理大区和信息管理大区的物理隔离，以及系统与其他外部网络的安全隔离；安全性设计采取有效的身份鉴别、访问控制、安全审计、抗抵赖、软件兼容和资源控制措施，增强监控中心安全防护能力。安全管控一体化平台的网络拓扑图如图4 所示。

图4 安全管控一体化平台的网络拓扑图Fig. 4 Network topology diagram of integrated platform for safety management and control

5.6 平台建设要考虑系统的先进性

系统建设理念应站在发电企业战略发展的高度，力求高起点、高标准，满足发电企业复杂外部形势及发展需求。在建设中充分借鉴国内外现代企业最新技术成果及管理创新成果，采用国内外先进的计算机技术及信息技术，避免建设完成后过一段时间就被淘汰。

5.7 统一标准，数据融合

统一编制采集数据标准、建设和验收技术标准、招标文件技术标准，由公司组织专家进行评审后发布。满足现有与将来公司集中部署的相关系统接口、数据及业务流程集成融合的要求及标准，实现公司及基层单位信息化管理纵向贯通、横向协同。提高数据融合能力，通过数据应用提升人员决策分析能力。

5.8 加强系统平台的维护

平台系统建设技术性强、牵涉面广、新理念多，需要有专业的维护人员，定期进行系统的维护和不断改进，需要从讲求实效出发，围绕安全生产管理的需求，充分考虑当前及远期各业务层次、各环节数据处理的便利性和可行性，认真消化理解实际需求和技术难点，保证系统切实满足业务需求，既解决了基层单位的实际问题，也能沉淀出公司管理所需要的数据。

6 结论

本文针对大型集中式光伏电站安全管控方面的不足，从作业人员管控、消防系统集中监视与定位、设备健康管理、现场可视化作业监督、现场安全问题告警督办、应急指挥系统等方面论述了大型集中式光伏电站安全管控一体化平台的建设，介绍了此类平台的应用案例，并提出了此类平台建设时需要注意的问题。该平台实现了人员定位管控、现场安全作业管控、边界闯入实时报警、消防远程监视等安全相关功能，全面实现了远程监视功能，满足了大型光伏电站现场少人值守的要求，夯实了光伏电站关门运行的本质性安全基础，提升了光伏电站安全稳定运行的可靠性，并可通过量化指标评估的办法对光伏电站场站进行安全态势评估，实现了光伏电站精细化管理要求，为目前迅速发展的光伏电站安全管理提供了可借鉴的模式。