黃河寧夏段干流水情視頻監(jiān)測站供電系統(tǒng)設(shè)計

陳生俊+李碩+王彥兵+茍在明+溫曉嶸

摘 要：供電系統(tǒng)是水情視頻監(jiān)測站建設(shè)的重要內(nèi)容。介紹了黃河寧夏段干流水情監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)概況和視頻監(jiān)測站點(diǎn)供電方案設(shè)計，并針對無法提供市電電源的視頻監(jiān)測站點(diǎn)，設(shè)計采用了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為其供電方式，為水情視頻監(jiān)測系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的供電，保障其在全天候條件下不間斷地工作。

關(guān)鍵詞：水情；視頻監(jiān)測；供電系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號：U223.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0111-03

水情視頻監(jiān)測系統(tǒng)必須在全天候條件下，長期不間斷地工作，所有的設(shè)計都應(yīng)考慮到高可靠性工作的要求。除了設(shè)備本身等因素外，可靠、穩(wěn)定的電源是水情視頻監(jiān)測站正常工作的必要條件。由于各站點(diǎn)的供電條件和要求差別很大，為了保證高可靠、穩(wěn)定的供電，需要對水情視頻監(jiān)測點(diǎn)供電系統(tǒng)進(jìn)行專門的設(shè)計。

1 建設(shè)概況

為了進(jìn)一步加強(qiáng)黃河汛情、凌情監(jiān)測的時效性和準(zhǔn)確性，充分發(fā)揮自動化建設(shè)成果在監(jiān)測工作中的作用，提高信息采集、傳輸、處理和防汛、防凌指揮調(diào)度決策的時效性和準(zhǔn)確性，寧夏水利廳建設(shè)覆蓋黃河寧夏段397kM干流的全區(qū)域水情監(jiān)測系統(tǒng)。水情視頻監(jiān)測站建設(shè)是黃河寧夏段干流水情監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)的重要內(nèi)容。

根據(jù)黃河寧夏段干流水情監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)規(guī)劃，新增建設(shè)水位視頻一體化監(jiān)測站13處、新增建設(shè)視頻監(jiān)測站18處。建成后，黃河寧夏段干流將有自動監(jiān)測水位站30處，視頻監(jiān)測站48處（其中水位視頻一體化監(jiān)測站30座、視頻監(jiān)測站18座），覆蓋黃河寧夏段干流主要工情、險情斷面。

2 總體設(shè)計

2.1 供電方案設(shè)計

根據(jù)黃河寧夏段干流水情監(jiān)測系統(tǒng)工程建設(shè)規(guī)劃，48處視頻監(jiān)測站中，原有11處測站已引入電源，其余37處監(jiān)測站均需配套建設(shè)電源供電系統(tǒng)。各測站的電源供電方式有4種可選方案：（1）由附近泵站、自有管理所、水管機(jī)構(gòu)電纜引入；（2）由附近建筑物、居民住所電纜引入；（3）附近有農(nóng)電線路、公用供電線路經(jīng)過的，可以協(xié)調(diào)相關(guān)供電部門采用電纜方式引入；（4）不滿足以上引入條件的，建設(shè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)研和勘察，確定黃河寧夏段干流水情監(jiān)測系統(tǒng)工程的供電設(shè)計方案如下：（1）測站附近有市電接入資源、可接入市電的站點(diǎn)共19處，按市電接入方式供電；采用KVV-3×2.5mm2電源電纜挖溝埋設(shè)的方式實(shí)現(xiàn)，埋設(shè)深度1.2m（凍土層以下）；經(jīng)測量，電纜總長度為5980m，最遠(yuǎn)的測點(diǎn)距離取電點(diǎn)2.1km。（2）其余18處站點(diǎn)無法接入市電，擬采用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)；其中電池組按照2塊200AH太陽能發(fā)電專用電池配置，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用400Wp垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，效率35%；太陽能供電采用300W（2×150Wp）單晶硅太陽能電池板發(fā)電，效率16.8%。（3）考慮在特殊天氣情況下，如無風(fēng)且陰雨天氣條件下供電系統(tǒng)能保障視頻監(jiān)測站3天正常工作。（4）風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)能夠抗擊沙塵暴的影響。（5）風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的電池在塔桿底部埋地安裝，埋深1.2m；塔桿底部存放電池的控制器箱采用防盜鎖設(shè)計。（6）供電系統(tǒng)都加裝防雷保護(hù)裝置。

2.2 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計

寧夏回族自治區(qū)位于北緯35°14′～39°23′，東經(jīng)104°17′～107°39′之間，處在中國西部的黃河上游地區(qū)，太陽能資源為中級水平，風(fēng)能資源較為豐富，年日照時數(shù)約為2060h，太陽年輻射量5225年MJ/m2，3m/s以上風(fēng)速時數(shù)約為3850h/年。因此，無法提供市電電源的視頻監(jiān)測站點(diǎn)采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為其供電方式是切實(shí)可行的。

風(fēng)光互補(bǔ)供電設(shè)計應(yīng)該考慮：（1）風(fēng)資源和光資源的不穩(wěn)定性對風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能光伏板的發(fā)電量有影響，同時每個安裝立桿的微觀環(huán)境不同，風(fēng)、光資源有不同程度的差異，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏板的發(fā)電量在不同時間也有差異。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能光伏板、安裝立桿、監(jiān)控設(shè)備必須選擇合適的類型，并根據(jù)現(xiàn)場勘測實(shí)際情況，制定合適方案。

2.2.1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要求。（1）能充分利用風(fēng)能、太陽能可再生能源，保證常年不間斷供電。（2）適用的環(huán)境工作條件。溫度：-20℃～+50℃；濕度：95%；海拔：900m～1500m；太陽輻射總量：150千卡/cm2；年日照：2000h。（3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)。工作風(fēng)速：1～30m/s；安全風(fēng)速：瞬時極限風(fēng)速為60m/s。（4）太陽能光伏板。抗風(fēng)壓：60m/s（200kg/m2）；抗沖擊性能：抗冰雹；封裝方式：鋼化玻璃層壓。（5）控制器的工作溫度：-30℃～+50℃。（6）穩(wěn)定性保障：運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠，在無人值守條件下能全天候使用。（7）無電磁干擾：風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其充電控制器不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生有害的電磁影響（符合1EC CISRR11要求）。（8）產(chǎn)品質(zhì)量保障。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計、制造、產(chǎn)品質(zhì)量執(zhí)行國家和行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的質(zhì)量保證體系符合GB/T19001-2000、ISO9001：2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，符合Q/TM001-2010標(biāo)準(zhǔn)。太陽能光伏板符合CE、ROSH認(rèn)證。蓄電池組符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB13337.1-91固定型鉛酸蓄電池的規(guī)定，而且經(jīng)過已取得GB/T15481認(rèn)證資格的檢測機(jī)構(gòu)的測試。

2.2.2 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)具體要求。（1）在風(fēng)資源和光資源較為充裕時，供電系統(tǒng)要保證24小時全天候不間斷供電（DC12V供電）。（2）單系統(tǒng)常態(tài)發(fā)電量要大于系統(tǒng)的實(shí)際用電量960Wh/24小時。（3）在風(fēng)資源和光資源極度匱乏時段（包含20m/s以上強(qiáng)風(fēng)時段），供電系統(tǒng)的蓄電池保證攝像機(jī)要有72小時（3天）正常工作的供電容量。

2.2.3 風(fēng)機(jī)選型及技術(shù)要求。根據(jù)氣象資料以及寧夏的自然環(huán)境，黃河沿岸地段平均風(fēng)速為3～4級，風(fēng)速以3.4～7.9m/s為多見，取平均風(fēng)速為6m/s。

以目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家中性能較為優(yōu)良的400W垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，其風(fēng)速-輸出功率曲線如圖1：endprint

從圖1中可以得到平均風(fēng)速為6m/s時風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率約為50W，約為額定功率的12%，按轉(zhuǎn)換效率90%計，則日發(fā)電量為1080Wh，大于系統(tǒng)的實(shí)際用電量960Wh，基本能滿足系統(tǒng)的供電要求。

水平軸槳葉式發(fā)電機(jī)由于隨風(fēng)向不同而擺動，需要的安裝空間較大；而垂直軸轉(zhuǎn)筒式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向不會受風(fēng)向影響，根據(jù)以往實(shí)際的應(yīng)用情況比對，小型水平軸槳葉式發(fā)電機(jī)價格低廉，但產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，普遍穩(wěn)定性一般，維護(hù)量大；垂直軸轉(zhuǎn)筒式發(fā)電機(jī)價格較高，但產(chǎn)品質(zhì)量能滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求，普遍穩(wěn)定性好，基本無需維護(hù)。黃河寧夏段干流水情監(jiān)測站點(diǎn)建設(shè)統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)水文塔架，塔架上安裝空間有限，統(tǒng)籌考慮安裝方式、產(chǎn)品應(yīng)用情況等各種因素，設(shè)計采用垂直軸磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

2.2.4 光伏發(fā)電設(shè)備配置復(fù)核及技術(shù)要求

按冬季日照時間短、光照強(qiáng)度弱的情況校核：根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和站點(diǎn)的自然環(huán)境，冬季晴天每天太陽光可有效發(fā)電的時長約7小時，其中可達(dá)到額定光照強(qiáng)度的時間約2小時/天，可達(dá)到60%額定光照強(qiáng)度的時間約2小時/天，其余3小時按可達(dá)到30%額定光照強(qiáng)度計，考慮冬季氣溫等因素，太陽能發(fā)電裝置的效率按80%計。每站設(shè)計配置單晶硅太陽能光伏板2片，峰值功率為150Wp/片，則全天的發(fā)電量為：

P=[（150W/片×2片×2小時）+（150W/片×2片×2小時×60%）+（150W/片×2片×3小時×30%）]×80%=984Wh/天，大于系統(tǒng)的實(shí)際用電量960Wh，基本滿足系統(tǒng)的供電要求。

2.2.5 風(fēng)光互補(bǔ)控制器技術(shù)要求

風(fēng)光互補(bǔ)控制器是發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制和負(fù)載匹配核心元件，風(fēng)機(jī)和太陽能板發(fā)出的電通過風(fēng)光互補(bǔ)控制器的PMMT跟蹤系統(tǒng)對蓄電池充電，蓄電池充滿后進(jìn)入間歇性浮充，斷開太陽能、風(fēng)機(jī)供電，當(dāng)設(shè)備用電時自動進(jìn)入充電狀態(tài)。風(fēng)機(jī)過速和發(fā)電機(jī)電壓過高時控制器自動發(fā)出制動指令，實(shí)行自動剎車，使風(fēng)機(jī)平穩(wěn)減速。風(fēng)光互補(bǔ)控制器應(yīng)滿足以下基本要求：（1）應(yīng)具備LED顯示功能，控制器采用專為風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計的液晶模塊，可以顯示蓄電池電壓、風(fēng)機(jī)電壓、太陽能電池電壓、風(fēng)機(jī)功率、太陽能電池功率、風(fēng)機(jī)電流、太陽能電池電流、蓄電池電量狀態(tài)。通過液晶上的按鍵，可以瀏覽顯示內(nèi)容。（2）應(yīng)具備風(fēng)機(jī)多極接入、太陽能電池可以同時多級接入功能。（3）采用PMMT控制方式，可使風(fēng)機(jī)及太陽能電池發(fā)出的電最大限度向蓄電池充電，效果大大提高。（4）各路充電壓檢測具有“回差”控制功能，可防止靜態(tài)開關(guān)進(jìn)入振蕩狀態(tài)。（5）應(yīng)具備過充、過放、過載、短路、接反保護(hù)功能。（6）能夠記錄最近30天的電量數(shù)據(jù)。（7）太陽能每天累計發(fā)電量，歷史累計發(fā)電量，掉電數(shù)據(jù)不丟失。（8）應(yīng)具有RTC功能，可以查尋當(dāng)前時間，在任何時候出現(xiàn)異常（過充、過放、過載、短路等），會把不同故障發(fā)生的時間分別記錄下來，送上位機(jī)顯示。（9）控制器內(nèi)置大功率風(fēng)機(jī)卸載電阻，無級調(diào)節(jié)，逐級投入，使蓄電池不會經(jīng)受突變大電流充電，以提高蓄電池使用壽命，另使風(fēng)機(jī)平穩(wěn)降速，有效防止風(fēng)機(jī)飛車。

3 供電系統(tǒng)設(shè)計復(fù)核

3.1 供電負(fù)荷計算

視頻監(jiān)測站的主要負(fù)載包括：（1）攝像機(jī)。按不開加熱電源計，攝像機(jī)白天的負(fù)荷為22W，夜間開紅外燈情況下的負(fù)荷為28W。（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。通過光纖接入的站點(diǎn)采用防火墻，負(fù)荷為6W。通過無線網(wǎng)接入的站點(diǎn)采用無線AP，負(fù)荷為15W。所有監(jiān)測站點(diǎn)的通訊方式均按無線AP的方式考慮，則視頻監(jiān)測站白天最大供電負(fù)荷為37W，夜晚最大供電負(fù)荷為43W，日最大平均負(fù)荷為40W，則日最大平均耗電量為：

Qmax=40W×24H=960WH。

3.2 電纜供電系統(tǒng)壓降復(fù)核

19個可接入市電的站點(diǎn)采用KVV-3×2.5mm2電源電纜挖溝埋設(shè)的方式實(shí)現(xiàn)，埋設(shè)深度1.2米（凍土層以下）；經(jīng)現(xiàn)場測量，距離取電點(diǎn)最遠(yuǎn)的監(jiān)測站點(diǎn)為興惠泵站測點(diǎn)，取電線路長度為2.1km。

按取電線路最長、電纜壓降最大的工況為計算條件，配置的電纜規(guī)格為3×2.5mm2銅芯電纜，供電電壓U為AC220V，cos？準(zhǔn)取0.8，銅的電阻系數(shù)為0.0175Ω/mm2/m，系統(tǒng)全負(fù)荷工作時最大功率為43W，復(fù)核計算如下：

系統(tǒng)工作電流為：

標(biāo)準(zhǔn)工況下電纜電阻為：

標(biāo)準(zhǔn)工況下電纜壓降為：

零線和火線的總壓降合計為：

V=2×3.487=6.974V

根據(jù)以上計算，線路最長的興惠泵站測點(diǎn)在系統(tǒng)正常工作時，按夜間紅外照明啟動的峰值負(fù)荷43W考慮，供電系統(tǒng)工作在AC220V狀態(tài)下，電纜壓降約6.974V，約為系統(tǒng)電壓的3.2%，不影響系統(tǒng)運(yùn)行，滿足視頻監(jiān)測站的工況要求。

3.3 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的電池容量復(fù)核

18個無法接入市電的站點(diǎn)擬采用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，要求供電系統(tǒng)能夠保障在連續(xù)無風(fēng)且陰雨天的條件下至少續(xù)航3天。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的電池組設(shè)計配置了2塊200AH太陽能發(fā)電專用電池，極限電池放電深度按65%計。則風(fēng)光互補(bǔ)電池組的總電量為：

Q總=2塊×12V×200AH/塊×0.65=3120WH

電池供電效率？滋按95%計，電池組可供系統(tǒng)工作的天數(shù)為：

D=？滋Q總/Qmax=3120WH×95%÷960WH/天=3.0875天>3天

因此，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的電池容量可以保障視頻站在連續(xù)無風(fēng)且陰雨天條件下至少續(xù)航3天的要求。

4 結(jié)束語

供電系統(tǒng)是保障水情視頻監(jiān)測站點(diǎn)穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)。黃河寧夏段干流各監(jiān)測站點(diǎn)的現(xiàn)場供電條件和要求具有很大的差異，因此，根據(jù)不同現(xiàn)場條件和供電要求設(shè)計供電系統(tǒng)，對保障可靠、穩(wěn)定的供電是非常有必要的。針對無法提供市電電源的黃河寧夏段干流的水情視頻監(jiān)測站點(diǎn)，由于寧夏地區(qū)具有豐富的風(fēng)力資源和太陽能資源，經(jīng)設(shè)計論證，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為其供電方式是切實(shí)可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]金福一.基于開關(guān)電容變換器的水文遙測站供電系統(tǒng)設(shè)計[J].中國水能及電氣化，2015（02）：58-62.

[2]姚永熙，陸燕.水文自動測報系統(tǒng)測站的供電設(shè)計[J].水利水文自動化，2005（02）：5-10.

[3]戰(zhàn)需文.水文遙測站的太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計[J].水文，1989（03）：60-61.

[4]戰(zhàn)需文.水文自動測報系統(tǒng)太陽能供電的設(shè)計[J].水利水文自動化，1988（04）：6-9.

[5]張大鈞，徐衛(wèi)東.水文遙測系統(tǒng)的供電設(shè)計[J].水文，1988（02）：32-37.endprint