超高海拔光伏电站生态治理数智化管理平台的探讨

沈兴林，陈 涛，刘宏德，王晓东

(1.国家电投乡城县兴川新能源投资开发有限公司，甘孜藏族自治州 627850；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100020)

0 引言

随着中国提出碳达峰、碳中和战略目标，其承诺到2030年风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上；2021年3月，中央财经委员会第九次会议明确提出要构建以新能源为主体的新型电力系统。上述举措说明中国已经加入世界绿色低碳发展的行列。光伏发电作为新型电力系统的一种重要能源形式，在绿色低碳发展中发挥着愈加重要的作用。

在实现光伏电站大规模开发利用的同时，加强生态环境保护，发挥光伏电站对生态治理的积极作用是十分必要的。本文基于四川省甘孜藏族自治州(下文简称为“甘孜州”)正斗光伏实证实验基地项目，分析超高海拔光伏电站生态治理所面临的问题。根据基地自然条件，依托互联网、物联网、地理信息系统(GIS)可视化管理、数字化、智能化等技术，开展超高海拔光伏电站生态治理方案研究，提出针对生态系统的数智化平台，以提升超高海拔光伏电站的生态环境质量和综合效益。

1 项目概况

1.1 场地概况

甘孜州正斗光伏实证实验基地项目的总装机规模约为400 MW，场址位于甘孜州乡城县正斗乡，海拔高度3920～4280 m，为全球首个超高海拔大型光伏实证实验项目。

该项目地处于高山草甸之上，此外气候恶劣、昼夜温差大，植物生长期短、枯草期长，植被总体稀疏，地质状况不佳，且场区降水量远小于蒸发量、降水时间分布不均，导致生态环境较脆弱、自我调节和自然恢复能力较差。恶劣的生态环境不仅对生态治理提出了更高要求，也成为光伏电站工作人员需要克服的困难。本文提出的生态治理数智化技术路线，不仅可提高生态治理的效率，还可改善工作人员的工作环境。

1.2 生态治理数智化技术路线

本研究充分利用现代信息技术，针对超高海拔光伏电站生态治理，建设以信息采集、传输、储存、管理、服务、应用为一体的安全、稳定、可靠、高效的生态治理数智化平台，完成信息化与自动化及信息系统与生态治理的深度融合，实现数据驱动生态治理的新模式，提升超高海拔光伏电站生态治理质量和智能化程度，为超高海拔光伏电站生态治理提供数字化、智能化标准和参考案例。

2 生态治理数智化建设内容

生态治理数智化建设的目标是通过数智化平台，整合信息档案管理系统、进度管理系统、智能灌溉系统、生态巡护系统、视频监控系统、智能防火系统、车辆自动化系统、GIS可视化管理、环境监测系统及配套移动端APP等工具，以中介平台的方式将光伏电站现场数据整合，并以更好地方式呈现给光伏电站工作人员，从而提高生态治理水平。通过数智化手段，实现光伏电站管理的自动化、智能化和可视化，提高生态治理的效率和质量。

2.1 信息档案管理系统

通过生态治理数智化平台，将与生态治理相关的资料进行收集和整理，形成完整的生态治理资料库，为生态修复效果及结果的分析提供全套基础信息资料。同时，结合档案编码及归档要求，对生态治理过程中各类文件、照片、声像、数据等档案进行数字化组卷、编码、归档，提升档案管理效率及存储质量，保证档案管理的全面性、完整性和实用性，方便管理人员快速检索所需资料，避免因无序翻阅纸质资料造成工作堆积和滞后，可极大提高工作效率。

2.2 进度管理系统

提炼Project、Oracle Primavers P6等专业项目管理软件的功能，以甘特图的方式对生态治理工作的施工总进度计划、年进度计划、月进度计划、周进度计划进行整理，并对每个任务的完成情况进行标记，通过进度线自动判断滞后任务并突出显示，辅助进度决策的管理和判断。同时，对生态治理过程中生成的周报、月报、季报和年报进行整理，通过总结阶段性工作及下阶段任务情况来对生态治理工作进度进行分析及纠偏。此外，利用GIS可视化管理技术，将各区域生态治理工作进行差异化显示，在GIS地图分别用不同颜色来显示生态治理工作进度(正常、滞后或提前完成)使管理者直观了解工程现场生态治理工作进度全貌，便于管理者查看进度和纠偏。

2.3 智能灌溉系统

智能灌溉系统的运行过程如图1所示。在工程现场部署可远程控制的喷淋、滴灌控制系统，以及部署可监测土壤温湿度、空气温湿度、蒸发量、实时风速的监测系统，从而自动监测环境参数。同时，通过人工智能(AI)算法自动控制各水管喷头的开启、关闭，水流速度等，并实时调节控制。比如：当湿度达到既定数值时，自动关闭水阀，提高节水灌溉利用率。此外，将建设的蓄水池、管路系统、高位水箱等设施融合数智化先进技术，以光伏电力为整个智能灌溉系统提供动力，通过移动端APP或PC端一键启动灌溉程序进行自动灌溉，也可自由设定灌溉时间、周期、用水量等灌溉参数[1]。

图1 智能灌溉系统的网络拓扑图Fig.1 Network topology intelligent irrigation system

2.4 生态巡护系统

生态巡护系统是指基于物联网、GIS可视化管理及数字化技术，实现生态环保数据的实时采集、监测和可视化展示。巡视人员可按照既定巡视路线或自由巡视路线进行巡护，对巡视过程中的问题通过移动端APP一键反馈至生态治理数智化平台，实现生态环保问题在线记录、反馈、整改和复查，强化绿色施工措施的实施效果。同时，配备智能化无人机定期、定时进行厂区巡护，通过无人机对厂区情况进行全方位监护，对违规放牧、非法入侵、火灾隐患等情况及时预警，有效保护生态修复成果。

2.5 视频监控系统

光伏场区占地面积较大，若全部采用人工巡视、人工督察的方式，难度较大，且项目所在地的海拔较高，高海拔工作条件不利于工作人员的身体健康。因此，引入视频监控系统，通过调控云台、切换摄像头、调整角度、变焦变倍等方式实现有针对性的监控和组合监控，通过大屏幕、PC端和移动端等多终端及网页、移动端APP等多媒介展示监控画面，便于作业人员全面掌控生态修复情况，并实时查看植被生长情况，降低人工巡视频次，辅助作业人员进行分析、决策。

此外，监控设备可设置自动警戒功能，对非法入侵、违法放牧等行为进行自动报警驱离。监控设备的摄像头具有语音通话功能，工作人员通过指挥中心或移动端APP利用监控设备向场区喊话，及时制止非法、违规行为[2]。视频监控系统提供的实时画面如图2所示。

图2 视频监控系统提供的实时画面Fig.2 Real-time images provided by video surveillance system

2.6 智能防火系统

在光伏场区部署智能防火红外监控系统，如图3所示，监控系统由监控设备收集信息，然后传输到数据处理中心，再由数据处理中心发送到工作人员使用的设备上。利用红外可见摄像头、红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统接收被测目标的温度产生的红外辐射能量，经过数据中心处理，对红外辐射能量的有效数据进行提取并成像，按照不同温度下的红外辐射能量分布进行冷暖色调渐变区分。通过红外热成像防火图像可直观察觉到高温异常区域，自动发出警报，便于作业人员及时做出响应。

图3 智能防火红外监控系统拓扑图Fig.3 Topology diagram of intelligent fire prevention infrared monitoring system

红外可见摄像头也可自主巡航，若监测目标温度异常则自动报警，管理人员可根据提示确定具体的报警位置信息，快速跟踪报警点，确认具体状况并排除隐患；也可将红外可见摄像头从自主巡航转为手动操作，自主对目标进行观察跟踪、定位、对焦，以便精准地进行观测分析[3]。

2.7 车辆自动化系统

对光伏场区作业车辆安装自动化控制芯片，通过PC端或移动端APP可一键启动、停止车辆，设定作业车辆的行驶路线和时间，使其按照既定路线自动行驶工作。车辆自主行驶路线图如图4所示。操作人员也可以通过PC端和移动端APP手动控制车辆的行驶路线，对车辆的行驶方向(前进、后退)、行驶速度、灯光开关、紧急制动等进行操作，完全实现智能远程控制。工作人员在控制中心就可以使车辆完成作业，完全不受天气等因素影响，减少司机户外作业的风险。

图4 车辆自主行驶路线图Fig.4 Road map of autonomous vehicle driving

同时，作业车辆可搭载行驶记录监控仪，监控画面实时传至控制中心的大屏幕，能对工作人员远程操作车辆起到辅助作用。此外，可在作业车辆周身配备小型雷达监测器，当车辆行驶过程中遇到人员或其他障碍物时可以紧急制动，保障人员和设施安全。作业车辆自动化有助于为自动化研究提供指导[4]，为光伏电站等大面积场区的作业方式提出更高效的管理方式。

2.8 GIS可视化管理

针对该光伏电站，利用GIS获取工程区域信息，并与设计图图纸拟合。制作该项目的GIS地图，通过GIS空间查询、空间分析、符号化渲染等功能，实现监测设备精准定位及数据关联管理。

利用GIS实现可视化管理，效果图如图5所示。从图中可以看到作业场区内的各种监测仪器设备、监控设备、作业车辆分布位置、显示的施工进度，点击某个设备可以查看该设备的监测数据，使工作人员对场区进行更加直观化、全局化的管理。

图5 GIS可视化管理效果图Fig.5 Rendering of GIS visual management

2.9 环境监测系统

在光伏场区建立环境监测系统，包括微型气象站、土壤水分分析仪器、风速监测仪、风向监测设备、辐照度仪、雨量监测仪，监测生态修复过程和光伏阵列对气候、土壤、植被、水文等要素的影响。图6和图7分别为光伏阵列对风速和蒸发量产生的影响分析图。

图6 光伏阵列对风速的影响分析图Fig.6 Effect of PV arrays on wind speed

图7 光伏阵列对蒸发量的影响分析图Fig.7 Effect of PV array on evaporation

通过数据接口接入微型气象站和生态监测站的监测数据，并和GIS可视化管理技术融合，实时展示风速监测仪、风向监测设备、辐照度仪、雨量监测仪等设备的位置及实时监测到的数据，监测数据包括实时风速、空气温湿度、土壤温湿度等数据。同时，借助GIS跳转视点功能，快速定位到需要关注的设备，查看实时数据，并快速获取环境信息[5]。监测设备数据采用图表形式进行展示，如图8所示。图表形式可直观显示数据变化趋势，且支持多类数据检索，辅助管理人员更好地做出决策。

图8 部分监测数据展示图Fig.8 Pisplay image of partial monitoring data section

2.10 移动端APP

上述数智化平台所提供的功能，均可在移动端APP上实现操作。本研究开发了一款APP，可辅助现场作业人员开展生态治理工作，集成PC端系统常用功能，使现场作业人员利用移动端上的1个APP就能高效、便捷地进行生态治理工作，并全方位掌控生态治理工作情况。移动端APP的主要优势是充分利用移动互联网优势，与PC端联动完成生态治理数字化、智能化管控中的相关业务管理(如流程审批、巡护数据采集、数据展示、消息推送、信息查询等)，达到多端合一、多维度生态治理数字化、智能化管控目标。手机端APP部分内容的截图如图9所示。

图9 手机APP示意图Fig.9 Screenshot of some content in the mobile APP

3 结论

本文以甘孜州正斗光伏实证实验基地为例，为超高海拔地区的光伏电站生态治理提出了一种数智化管理方式。利用数智化管理平台，对信息技术与生态治理进行深度融合，并通过智能灌溉、生态巡护、视频监控、进度管理、智能防火等10种业务系统实现光伏电站生态治理工作的全过程、精细化、智能化管理。数智化平台的应用可以克服大部分恶劣环境对光伏电站人员和设备造成的作业困难，为超高海拔光伏电站生态治理工作提供全面、快捷、准确的信息服务和决策支持，有效提升生态治理工作质量和工作效率，推动超高海拔光伏电站生态治理数智化技术的标准化、模块化复制和推广，实现经济效益和生态效益共赢。该平台弥补了现阶段超高海拔地区光伏电站生态治理方面研究的空缺，为极端环境下光伏电站的管理提供了新思路。