集中式光伏电站安全管控一体化平台建设研究

中电投（内蒙古西部）新能源有限公司 冯 钢 苗瑞军 彭 宇 王国程

随着全球对可再生能源需求的不断增长，光伏发电作为一种清洁、可持续的能源，已成为现代能源结构的重要组成部分。自2011年以来，我国大型集中式光伏电站的建设和发展取得了显著成就。截至2021年年底，我国光伏发电累计并网装机容量达到305.987GW，标志着国家在新能源领域取得了巨大进步。

大型集中式光伏电站通常建设在环境恶劣的地区，如荒漠、戈壁、山间和废弃矿区。这些地区的特殊环境条件（如强风沙、强烈光照、昼夜温差大）易造成光伏设备频繁故障，提高了维护工作量和运营成本，同时也带来了较高的安全风险。此外，由于地理位置偏远，专业技术人员难以招聘，可能出现人员短缺和技术水平较低的现象，进一步增加了运营和维护的难度。本文旨在分析和讨论如何通过集成先进的信息技术，如5G 通信、人工智能、先进计算和工业互联网，构建大型集中式光伏电站的安全管控一体化平台。该平台不仅能提高电站的安全管理效率，还能减少因安全防控不力而造成的安全问题和经济损失，从而保障光伏电站的安全、稳定和可靠运行。

1 光伏电站的当前安全现状分析

1.1 环境挑战

大型集中式光伏电站通常建设在地理环境恶劣的区域，如荒漠、戈壁、山间和废弃矿区。这些地区的极端环境条件对光伏电站的稳定运行构成了巨大挑战。

极端气候条件：强烈的日照、高温、大风沙等自然因素可能导致光伏板积尘、散热不良，甚至损坏设备。地理位置偏远：偏远的地理位置增加了运维人员到达现场的难度，导致维护和故障处理的延迟。

1.2 技术和人员挑战

设备故障频繁：由于环境因素和设备老化，光伏电站的设备故障率相对较高，对设备的维护和更新提出了更高的要求。人员短缺和技术水平不足：专业技术人员的招募和留存是主要难题，尤其是在偏远地区。此外，由于光伏技术的快速发展，现场工作人员的培训和技能提升也是一个重要问题。

1.3 自然灾害和其他风险

自然灾害：暴风、雷电、洪水、地震等自然灾害可能损坏光伏设备，影响电站的稳定运行。设备损坏和人为因素：设备老化、设计缺陷、不当操作或维护不足均可能导致重大故障，甚至引发安全事故。

2 光伏电站安全管控中存在的问题

随着大型光伏电站的快速增长，其安全管理面临着前所未有的挑战。虽然已经有一定的安全管控措施被实施，但仍存在不足[1]。不仅影响了电站的稳定运行，还可能对环境和人员安全构成威胁。

2.1 反应迟缓和效率低下

现有的安全管控措施，如人工巡查和监控，在广阔和偏远的光伏电站中效率极低。主要原因有以下几点。

广阔的区域和地形挑战：光伏电站通常覆盖广泛区域，且地形复杂。这使得人工巡查耗时且劳动强度大，导致对潜在安全问题的响应速度和识别效率低下。人工监控的局限性：依赖人工监控容易受到人员疲劳、注意力分散等因素的影响，增加了遗漏或误判安全风险的可能性。应急响应的延迟：在检测到问题后，由于地理位置偏远，应急响应队伍可能需要较长时间才能到达现场，这延迟了问题的处理和解决。

2.2 技术和设备更新滞后

在快速发展的技术环境中，光伏电站的安全设备和控制系统往往难以及时更新，这主要体现在几方面。

一是技术升级的成本和复杂性：新技术的采纳和实施通常涉及高昂的成本和复杂的升级过程，尤其是在偏远和广阔的地区。二是设备兼容性问题：新技术的引入有时会与现有系统不兼容，导致整体安全管控系统的效能受限。三是持续的技术发展：随着技术的不断进步，现有系统很快可能会过时，这要求光伏电站持续投入资源以保持技术的最新性。

2.3 信息孤岛现象

在光伏电站的安全管理中，不同部门或电站之间的信息共享和协同工作常常不足，导致了信息孤岛现象。

一是数据共享不足：由于缺乏有效的数据共享机制，不同部门或电站间的信息流通受限，导致不能充分利用可用信息进行风险评估和决策。二是协同工作障碍：不同部门或电站之间协同工作的缺乏，减弱了安全事故预防和应对措施的有效性。三是决策过程的分散：信息孤岛导致决策过程分散，缺乏统一的视角和策略来应对跨区域或系统性的安全问题。

3 安全管控一体化平台的设计和建设

为了有效应对大型光伏电站在安全管理上的相关问题，设计和建设一个安全管控一体化平台至关重要。这一平台的设计理念基于融合最新的技术进展，如5G 通信、人工智能、先进计算和工业互联网，以提高安全管理的效率和准确性。

3.1 平台设计理念

利用5G 的高速率和低延迟特性，实现远程实时监控和快速数据传输，加强现场与控制中心之间的通信。通过AI 算法分析数据，实现对潜在风险的预测和预警，以及自动化的决策支持。先进计算，应用大数据分析和云计算技术，处理和分析大量由光伏电站收集的数据，提高数据处理的速度和准确性。工业互联网，通过构建一个全面互联的网络，将所有监控设备、传感器和系统集成到一个统一的平台，实现信息的无缝共享和协同工作。

3.2 关键功能模块

一是作业人员管控：利用位置追踪和身份识别技术，实时监控作业人员的位置和活动，确保其遵守安全规范。二是消防系统集中监视与定位：集成先进的火灾探测和报警系统，通过实时监控确保快速响应火灾等紧急情况。三是设备健康管理：应用预测性维护和实时监测技术，跟踪设备的运行状况，预防故障发生。

3.3 技术实现

技术框架：采用模块化的设计，每个模块负责一个特定的功能，比如数据采集、处理、分析和报告。这些模块通过高效的中间件集成，以保证平台的高性能和可扩展性。算法应用：在人工智能方面，利用机器学习算法进行数据分析，识别模式和异常，提供智能的预测和决策支持。同时，应用优化算法来提高能源管理和分配的效率。

4 案例分析：某公司的安全管控一体化平台

某公司的探索和实践在安全管控一体化平台的建设上，提供了新能源行业的一个典型案例。自2018年起，该公司致力于打造省级区域新能源集控中心，该中心不仅标志着管理模式的转变，更是新能源安全管控技术应用的跃进。

4.1 集控中心的构成与作用

集控中心的构成见表1，通过融合了场站边界安防、门禁系统、消防报警、视频监控等多项安全管理系统，配合智能安全帽和无人机巡检系统，形成了一个综合性的安全管控网络。这种一体化的设计，有效解决了光伏电站在人员稀少、地域辽阔和实时监控不足等方面的安全风险。

表1 省级区域新能源集控中心的构成

4.2 业务架构的优化

光伏系统业务架构展示了如何通过大数据分析，实现了实时监控报警和安全态势评估，如图1所示。不仅提高了安全防控的及时性，还增强了主动防御和联动预警的能力。此外，集控中心的建设还大幅降低了人力资源成本，提高了运营效率，并通过信息化应用提升了管理水平，最终实现了经济效益的提升。

图1 光伏系统业务架构

4.3 实际运行成效

通过某公司通过对多年的事故发生频率进行统计分析，发现风险管理得到了显著提升，依托安全管控一体化平台，建立的安全监控评估系统，有效地降低了由暴风、雪压、动物破坏等自然因素，以及人为错误造成的安全事故[2]。通过实时集中监视和安全态势评估，确保了电站安全防控的及时性和准确性，显著提升了大型集中式光伏电站的安全防控能力。

4.4 总结

该公司的案例分析展示了安全管控一体化平台在提升大型集中式光伏电站安全管理水平方面的巨大潜力。通过集成先进技术和优化业务流程，实现了安全管理的现代化，为光伏电站的长期稳定运行提供了坚实保障。

5 面临的挑战和解决方案

在构建和实施大型集中式光伏电站的安全管控一体化平台过程中，企业将遇到一系列挑战。为了确保平台的有效运行和持续地改进，这些挑战需要通过具体的解决方案来克服。

5.1 技术集成复杂性

由于需要将多种技术（如5G、AI、物联网等）集成到单一平台，技术集成的复杂性成为一大挑战。解决方案如下。一是模块化设计：通过模块化设计允许各个技术组件以插件的形式集成，降低了整体系统的复杂性。二是专业团队合作：组建跨学科团队，包括IT 专家、工程师和运维人员，共同协作解决技术集成问题。

5.2 数据安全和隐私

在实施安全管控平台时，保护敏感数据不受未授权访问和攻击至关重要。解决方案如下。一是加强网络安全：实施最新的加密技术和防火墙，确保数据传输和存储的安全。二是定期安全审计：进行定期的系统安全审计和漏洞扫描，确保安全防护措施的时效性和有效性。

5.3 持续的技术培训和支持

技术的快速发展要求员工进行持续的培训，以适应新系统和工具。解决方案如下。一是建立培训计划：为员工提供定期的技术培训和专业发展机会。二是建立支持系统：设立内部支持系统，为员工在使用新系统时提供帮助和指导。

5.4 系统可扩展性和未来升级

随着光伏电站规模的扩大和新技术的出现，平台的可扩展性和未来升级能力成为关键考量。解决方案如下。

一是使用开源和标准化技术：选择开源解决方案和遵循行业标准，以便将来的技术升级和扩展。二是预留扩展接口：在平台设计初期就要预留出可扩展接口，方便将来添加新功能或集成新技术。

6 结语

本文深入探讨了大型集中式光伏电站在当前快速发展背景下，面临的安全管理挑战以及实施安全管控一体化平台的重要性。通过案例分析和理论探讨，确定了一体化安全管理平台在提高安全性、效率，以及降低成本方面的显著优势。一体化安全管理平台对于大型集中式光伏电站来说是一种创新且必要的解决方案。随着技术的不断进步和能源行业对安全性要求的提高，这样的平台将成为未来光伏电站安全管理的关键。为了实现这一目标，建议业界持续关注并投资于相关技术的研发，同时在政策和规范方面提供更多支持，以推动一体化安全管理平台的广泛应用和不断完善。