基于圖像監(jiān)視的大型光伏電站周界防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 靜,徐嘉瑞,于 佼,韓 源

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

近年來(lái)隨著清潔能源不斷發(fā)展，大型光伏電站的建設(shè)日益增多。大型光伏電站占地廣闊，巡檢區(qū)域大，防護(hù)成本高，普遍采用簡(jiǎn)易圍欄加巡檢方式或電子圍欄方式。但上述方案已不能滿足業(yè)主對(duì)電站晝夜24 h安全防范及遠(yuǎn)程監(jiān)視的發(fā)展需求，本文結(jié)合大型光伏電站特點(diǎn)，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，研究分析出一種針對(duì)大型光伏電站周界防護(hù)系統(tǒng)的新型應(yīng)用方案，即采用振動(dòng)光纜報(bào)警聯(lián)動(dòng)激光紅外攝像機(jī)實(shí)時(shí)查看報(bào)警位置監(jiān)控畫面，并觸發(fā)探照燈給予入侵者威懾的周界防護(hù)方案。以青海省某大型光伏園區(qū)為例，總結(jié)出基于圖像監(jiān)視的大型光伏電站周界防護(hù)系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方案，供后續(xù)工程參考。

1 周界防護(hù)方案選擇

結(jié)合大型光伏電站特點(diǎn)，對(duì)以下幾種周界防范方案進(jìn)行比較。

(1) 方案1,簡(jiǎn)易圍欄加巡檢。

防護(hù)成本低，是目前大型光伏電站周界防護(hù)系統(tǒng)選擇該方案的重要原因。

(2) 方案2,電子圍欄。

安裝于圍欄上方，當(dāng)強(qiáng)行入侵造成系統(tǒng)斷線或短路時(shí)，發(fā)出高壓脈沖信號(hào)和聲光信號(hào)，使入侵者產(chǎn)生電擊感而達(dá)到阻止入侵的目的，阻擋效果佳。以10 km周界為例，每500 m設(shè)置單防區(qū)造價(jià)如表1。

表1 電子圍欄方案每500 m設(shè)置單防區(qū)造價(jià)表

每200 m設(shè)置單防區(qū)設(shè)備和施工造價(jià)是每500 m設(shè)置單防區(qū)造價(jià)的2倍左右，因此周界較長(zhǎng)時(shí)，單防區(qū)長(zhǎng)度越短，防區(qū)總數(shù)量越多，設(shè)備成本及施工安裝成本越高。長(zhǎng)報(bào)警防區(qū)輔材及施工成本低，是大型光伏電站選擇該方案的重要原因，目前每500 m設(shè)置單防區(qū)。但該方案只能報(bào)警防區(qū)，需巡檢人員進(jìn)一步排查確定精確報(bào)警位置，長(zhǎng)防區(qū)增加了巡檢難度且施工復(fù)雜。

(3) 本文方案，振動(dòng)光纜。

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，提出以傳感光纜作為前端探測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)精確報(bào)警定位。當(dāng)傳感器受到外界干擾時(shí)，光纖中傳輸?shù)墓馓匦詴?huì)隨之改變，報(bào)警單元將接收到的光信號(hào)進(jìn)行分析和處理，區(qū)分第三方入侵行為與正常干擾[1-3]。以10 km周界為例，每500 m設(shè)置單防區(qū)造價(jià)如表2。

表2 振動(dòng)光纜方案每500 m設(shè)置單防區(qū)造價(jià)表

傳感光纜在傳輸過(guò)程中損耗小、穩(wěn)定性高，可精確定位，且無(wú)需供電，降低了施工復(fù)雜性。相同防區(qū)長(zhǎng)度，經(jīng)濟(jì)性比電子圍欄方案高。

以10 km周界、每500 m設(shè)置單防區(qū)為例，3個(gè)方案比較如表3 。

表3 3種周界防護(hù)方案特點(diǎn)比較表

上述可知，方案1不滿足業(yè)主需求；方案3比方案2在精確定位報(bào)警方面有很大優(yōu)勢(shì)，降低了巡檢難度且施工簡(jiǎn)單；方案3比方案2性價(jià)比更高。綜上，方案3更適合于大型光伏電站周界防護(hù)系統(tǒng)。同時(shí)由于場(chǎng)區(qū)面積大，攝像機(jī)數(shù)量多，立桿、電源和光纜敷設(shè)施工成本高，存儲(chǔ)設(shè)備造價(jià)高，是長(zhǎng)周界防護(hù)系統(tǒng)成本高的另一個(gè)原因。

由于光伏場(chǎng)區(qū)夜間光照0 Lux，攝像機(jī)需具備輔助照明功能。伴燈攝像機(jī)夜視距離50 m，長(zhǎng)周界架設(shè)數(shù)量過(guò)多。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，紅外攝像機(jī)夜視距離越來(lái)越遠(yuǎn)，由“照明源”功率大小決定夜視距離遠(yuǎn)近，目前“照明源”有LED和激光2種方式，對(duì)比如表4。

表4 LED與激光紅外攝像機(jī)對(duì)比表

激光紅外攝像機(jī)比LED紅外攝像機(jī)夜視距離遠(yuǎn)，10 km周界架設(shè)數(shù)量少，施工成本降低，終端存儲(chǔ)容量降低，綜合成本較低。因此選用激光紅外球機(jī)作為周界防護(hù)系統(tǒng)的圖像監(jiān)視設(shè)備。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于圖像監(jiān)視的大型光伏電站周界防護(hù)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光伏場(chǎng)、變電站周界的全天候防范，系統(tǒng)由前端探測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和終端控制系統(tǒng)組成[9-10]。前端探測(cè)系統(tǒng)由傳感器和報(bào)警單元組成；信號(hào)傳輸系統(tǒng)將采集的報(bào)警信號(hào)與圖像信息等傳送到控制終端，并將控制指令下達(dá)到前端攝像機(jī)；終端控制系統(tǒng)接收?qǐng)?bào)警信息后聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)顯示報(bào)警畫面，對(duì)入侵目標(biāo)進(jìn)行及時(shí)定位跟蹤，并將報(bào)警、圖像信息進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 光伏場(chǎng)區(qū)周界防護(hù)

光伏場(chǎng)區(qū)周界防護(hù)系統(tǒng)采用振動(dòng)光纜報(bào)警方案，每500 m設(shè)置1個(gè)報(bào)警防區(qū)，每4個(gè)報(bào)警防區(qū)設(shè)置1個(gè)四防區(qū)報(bào)警單元；每500 m立桿架設(shè)1臺(tái)激光紅外球機(jī)，監(jiān)視2個(gè)報(bào)警防區(qū)。防區(qū)劃分見(jiàn)圖2。報(bào)警單元將接收到的信號(hào)進(jìn)行分析、判斷和處理，觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器，聯(lián)動(dòng)該防區(qū)攝像機(jī)對(duì)入侵位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，實(shí)時(shí)顯示報(bào)警畫面。

圖2 防區(qū)劃分示意圖

2.2.2 光伏場(chǎng)區(qū)內(nèi)部監(jiān)視

光伏場(chǎng)區(qū)道路由進(jìn)場(chǎng)主干道和陣列區(qū)道路組成，主干道多為集電線路走廊，陣列區(qū)道路為運(yùn)維檢修通道。對(duì)主干道及陣列區(qū)道路入口進(jìn)行布防，不僅可以有效監(jiān)視場(chǎng)區(qū)車輛及人員流動(dòng)情況，還可以對(duì)陣列區(qū)光伏組件設(shè)備安全進(jìn)行防護(hù)，達(dá)到安全警衛(wèi)需求。在主干道上借助集電線路鐵塔每500 m架設(shè)1臺(tái)激光紅外球機(jī)，監(jiān)視半徑1 km內(nèi)主干道及陣列區(qū)道路入口。

2.2.3 變電站周界防護(hù)及內(nèi)部監(jiān)視

選用電子圍欄系統(tǒng)，每100 m設(shè)置單防區(qū)報(bào)警主機(jī)，并在出入口裝設(shè)紅外對(duì)射入侵探測(cè)器聯(lián)動(dòng)帶跟蹤功能紅外攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站24 h實(shí)時(shí)監(jiān)視。場(chǎng)區(qū)內(nèi)重要場(chǎng)所及場(chǎng)區(qū)道路選用一體化紅外槍機(jī)進(jìn)行有效監(jiān)視，視頻、報(bào)警信號(hào)在主控室監(jiān)視終端顯示并報(bào)警。

2.3 傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著業(yè)主對(duì)圖像監(jiān)視清晰度的要求，周界防護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量上千兆，傳輸系統(tǒng)的重點(diǎn)即圖像信息。

傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分層分布式。光伏場(chǎng)區(qū)周界防護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息就近接入逆變器室光纖環(huán)網(wǎng)，采用與光伏場(chǎng)區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)同纜分芯方式將數(shù)據(jù)上送至35 kV匯集站環(huán)網(wǎng)交換機(jī)；場(chǎng)區(qū)內(nèi)部圖像信息直接上送至35 kV匯集站環(huán)網(wǎng)交換機(jī)；若干個(gè)匯集站環(huán)網(wǎng)交換機(jī)成環(huán)后以24芯光纜送至變電站，與變電站周界防護(hù)數(shù)據(jù)信息一起匯至變電站系統(tǒng)終端。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

2.4 終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

終端系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)由控制主機(jī)及客戶端組成，作為操作控制的核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)周界防護(hù)各系統(tǒng)的統(tǒng)一管理與控制，具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)查詢、操作維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)控制等功能。存儲(chǔ)設(shè)備用于圖像信息采集、壓縮與處理。顯示系統(tǒng)由解碼器與顯示屏組成[5]。

圖像信息存儲(chǔ)空間大小決定了存儲(chǔ)設(shè)備選擇。如一臺(tái)720 p和一臺(tái)1 080 p攝像機(jī)按30 d存儲(chǔ)，存儲(chǔ)空間如表5。

圖3 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

視頻格式存儲(chǔ)空間720 p4Mbps / 8×3600×24×30 / 0.9 / 10242=1.37TB1080 p8Mbps / 8×3600×24×30 / 0.9 / 10242=2.75TB

一臺(tái)1 080 p攝像機(jī)存儲(chǔ)空間占主流存儲(chǔ)單元4 TB硬盤的70%，一般容量為8×4 TB的網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)不能滿足大型光伏電站存儲(chǔ)空間需求。網(wǎng)絡(luò)視頻存儲(chǔ)服務(wù)器一般支持16～48塊4 TB存儲(chǔ)硬盤并可擴(kuò)展，與多臺(tái)硬盤錄像機(jī)組合配置方案對(duì)比如表6。

表6 不同存儲(chǔ)方案對(duì)比表

4臺(tái)硬盤錄像機(jī)組合配置雖價(jià)格便宜，但視頻存儲(chǔ)服務(wù)器省略了存儲(chǔ)服務(wù)器，用戶可直接從存儲(chǔ)設(shè)備調(diào)取、查閱數(shù)據(jù)，提高了性能和可靠性。綜合考慮采用網(wǎng)絡(luò)視頻存儲(chǔ)服務(wù)器。

3 工程實(shí)例

青海省某大型光伏園區(qū)終期建設(shè)2 500 WMp光伏電站，配套建設(shè)2座330 kV升壓變電站及若干35 kV匯集站，光伏園區(qū)周界長(zhǎng)35 km。光伏園區(qū)周界每500 m設(shè)置單防區(qū)，變電站每100 m設(shè)置單防區(qū)，周界防護(hù)系統(tǒng)配置如表7。

全站共設(shè)置90臺(tái)紅外攝像機(jī)，場(chǎng)區(qū)大門口設(shè)置紅外對(duì)射入侵探測(cè)器；每座變電站設(shè)置24臺(tái)紅外攝像機(jī)。每個(gè)35 kV匯集站設(shè)置1臺(tái)百兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)用于匯集站及光伏場(chǎng)區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，匯總后接入?yún)R集站千兆以太網(wǎng)交換機(jī)；每座變電站設(shè)置3臺(tái)百兆以太網(wǎng)交換機(jī)及1臺(tái)百兆POE交換機(jī)，用于變電站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，匯總后接入變電站千兆以太網(wǎng)交換機(jī)；匯集站及變電站千兆以太網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)信息均匯至變電站萬(wàn)兆以太網(wǎng)交換機(jī)。

表7 35 km周界防護(hù)系統(tǒng)配置表

終端控制系統(tǒng)采用分層管理方式，振動(dòng)光纜與電子圍欄系統(tǒng)分別設(shè)置管理主機(jī)對(duì)本系統(tǒng)信息進(jìn)行采集與處理，經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后接入系統(tǒng)；設(shè)置1臺(tái)周界防護(hù)系統(tǒng)控制主機(jī)對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制與管理。網(wǎng)絡(luò)視頻存儲(chǔ)服務(wù)器滿足不少于140路輸入(錄像+回放)，存儲(chǔ)容量不小于170 TB(存儲(chǔ)容量劃分為：變電站攝像機(jī)8 Mbps碼流，存儲(chǔ)30 d，占容量138 TB；光伏場(chǎng)區(qū)攝像機(jī)4 Mbps碼流，存儲(chǔ)7 d，占容量30 TB)。設(shè)置1臺(tái)65寸液晶大屏幕顯示設(shè)備，經(jīng)解碼器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警顯示。同時(shí)預(yù)留無(wú)人值班時(shí)在集控中心監(jiān)視的網(wǎng)絡(luò)接口。系統(tǒng)組網(wǎng)見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)組網(wǎng)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，研究分析出一種適用于大型光伏電站的周界防護(hù)系統(tǒng)新型應(yīng)用方案，采用振動(dòng)光纜方式進(jìn)行入侵檢測(cè)，實(shí)時(shí)預(yù)警，提升了報(bào)警精度，降低了施工難度；采用紅外激光攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離夜間監(jiān)視，減少了攝像機(jī)數(shù)量，彌補(bǔ)了長(zhǎng)周界防護(hù)系統(tǒng)成本高的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)主發(fā)展需求，給后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)提供了新思路。該方案得到了業(yè)主方的認(rèn)可，對(duì)后續(xù)工程有一定的參考作用。