風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

謝晨希，李明衛(wèi)，李云峰

1.貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002

1 概論

輸水工程的閘(閥)門和前端的各類監(jiān)測儀器對于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活供水有著至關(guān)重要的作用，而且能為工程的安全運(yùn)行以及配水的科學(xué)灌溉提供數(shù)據(jù)及決策判斷支撐，如何提高輸水工程檢測儀器的安全性與可靠性，一直是水利工程在實(shí)際生產(chǎn)中需要考慮的問題。其次，輸水工程由于其自身輸水距離長、分布區(qū)域廣、點(diǎn)位分散，作為一個(gè)相互影響、相互制約的龐大系統(tǒng)工程，為了充分提高輸水效率性與協(xié)調(diào)性，需要一個(gè)安全性、可靠性高的供電技術(shù)作為支撐，才能充分發(fā)揮供電及遠(yuǎn)程控制技術(shù)在輸水工程管理服務(wù)中的作用。

2 傳統(tǒng)供電方式優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)供電方式優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)包含了發(fā)電、輸電、用電設(shè)備三個(gè)重要部分，是諸多發(fā)電廠、變電站、輸電線路、配電網(wǎng)絡(luò)以及用電客戶的一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一體，是實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)在電能生產(chǎn)、輸送、分配和使用實(shí)時(shí)一體化的有利保障。

交流電的發(fā)電效率高，便于生產(chǎn)，可通過變壓器升壓和降壓，便于遠(yuǎn)距離傳輸；交流變電站設(shè)備簡單，造價(jià)低，配送電能方便。交流供電系統(tǒng)的電源是一個(gè)統(tǒng)一的電力系統(tǒng)，單個(gè)負(fù)荷在系統(tǒng)中所占比例很小，可對大功率連續(xù)負(fù)荷持續(xù)供電。

2.2 傳統(tǒng)供電方式缺點(diǎn)

根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)提供的灌區(qū)閘閥資料，本工程的負(fù)荷特點(diǎn)是：灌區(qū)電動(dòng)閘閥數(shù)量多且布置較分散；地理位置偏遠(yuǎn)，且交通不便；單個(gè)電動(dòng)閘閥容量小且使用頻率低。

根據(jù)以上負(fù)荷特點(diǎn)，傳統(tǒng)供電方式缺點(diǎn)如下：①灌區(qū)閘閥布置位置較偏，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，采用傳統(tǒng)交流供電電源取自電力系統(tǒng)，需架設(shè)較長的輸電線路，輸電線路占地面積多，投資大，施工周期長、各方面協(xié)調(diào)極為繁瑣。②電動(dòng)閘閥電源取自農(nóng)網(wǎng)，供電可靠性低，且交流輸電線路受冰雨、雷電天氣影響較大，容易造成停電，影響供電可靠性。③為滿足供電可靠性，設(shè)置移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)作為輸水系統(tǒng)的閘門的備用電源，移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)體積和重量較大，對于交通不變的偏遠(yuǎn)閘門，不便于運(yùn)輸至現(xiàn)場。④灌區(qū)電動(dòng)閘閥使用頻次低(最高頻率為2周1次+備用1次)，單次時(shí)間短，且其他24 h運(yùn)行負(fù)荷容量較小，主變空載損耗大。⑤投入運(yùn)行后，需向電力系統(tǒng)支付電費(fèi)，且線路維護(hù)檢修費(fèi)用高，人員專業(yè)技術(shù)要求高，運(yùn)營成本增加。

3 風(fēng)光互補(bǔ)直流自供電的優(yōu)勢

目前風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)外用于水利工程非常少，地理環(huán)境對于傳統(tǒng)的水利工程的電力供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的改造與建設(shè)影響較大，且改造成本較大。隨著水利供水工程的發(fā)展和水利自動(dòng)化的要求的不斷提高，對遠(yuǎn)離電網(wǎng)覆蓋地區(qū)的管道供水、渠道供水的運(yùn)行控制及信息采集，都需要低成本、高可靠性的獨(dú)立供電系統(tǒng)。風(fēng)光互補(bǔ)供電控系統(tǒng)在不破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的前提下，能夠低成本地為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供高可靠性的電力供應(yīng)，成為偏遠(yuǎn)地區(qū)在水利工程方面的一項(xiàng)最優(yōu)選擇。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電系統(tǒng)，由直流智能電動(dòng)裝置、BMS電池管理系統(tǒng)及儲(chǔ)能電池組、可編程PLC控制箱、數(shù)據(jù)通信模塊、光伏控制器及太陽能光伏電池板、風(fēng)電控制器及風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能板托架支杄以及至終端設(shè)備的所有電(線)纜等附屬設(shè)備組成?；诠I(yè)物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)光互補(bǔ)直流供電系統(tǒng)是一種充分提高自然資源利用效率的新成果、新技術(shù)，在科學(xué)、技術(shù)、工程方面有如下優(yōu)勢：

3.1 設(shè)計(jì)布置方面

①光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮太陽能與風(fēng)能互補(bǔ)性強(qiáng)的優(yōu)勢，是一種有效利用風(fēng)能動(dòng)能與光能熱能轉(zhuǎn)化為電能的新型裝置，能有效彌補(bǔ)單獨(dú)風(fēng)能與太陽能發(fā)電系統(tǒng)在資源上的缺點(diǎn)，提高風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)資源利用率、平衡性與穩(wěn)定性，并且可根據(jù)用戶的用電情況與當(dāng)?shù)氐馁Y源優(yōu)勢進(jìn)行系統(tǒng)的合理配置，在保證供電的可靠性與降低系統(tǒng)的造價(jià)方面有著較大優(yōu)勢，不受地域限制，既環(huán)保又節(jié)能。

②水利工程的引水管線及灌區(qū)多在偏遠(yuǎn)山區(qū)，其存在管線分布、遠(yuǎn)離電網(wǎng)，交流拉線成本高等諸多問題。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在并入公共電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)其功能分為并網(wǎng)式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以及離網(wǎng)式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。在邊遠(yuǎn)無電地區(qū)供電，離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)特別適用于水利工程，獨(dú)立供電，無需外界供電；無需建變電站、架設(shè)高低壓線路等工程。

③經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)配置的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可保證系統(tǒng)供電的可靠性，低成本投入。在提高系統(tǒng)的當(dāng)?shù)剡m用性與用電要求方面具有巨大優(yōu)勢，且風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)用戶要求做出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在資源配方層面、技術(shù)層面以及成本投入層面都是一種最合理的獨(dú)立電源系統(tǒng)。且該系統(tǒng)的合理性體現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的高可靠性。

④風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能充分利用土地資源。在縱向上能充分利用高空風(fēng)能，在橫向能充分利用太陽能，實(shí)現(xiàn)地面與高空的高效有機(jī)結(jié)合。并且可實(shí)現(xiàn)晝夜互補(bǔ)(中午太陽能發(fā)電，夜晚風(fēng)能發(fā)電)、季節(jié)互補(bǔ)(夏秋季日照強(qiáng)烈，冬春季風(fēng)能強(qiáng)盛)，供電穩(wěn)定可靠。

⑤優(yōu)化風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和匹配的合理性，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠供電，電池組里面存著的電就是后備電源。緊急情況無需啟動(dòng)備用電源如柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組等，可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，且系統(tǒng)采用直流低壓供電，運(yùn)行安全，維護(hù)簡單。

3.2 運(yùn)行管理方面

風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，集風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備管理、BMS電池管理、直流負(fù)載設(shè)備管控、視頻監(jiān)控、流量/壓力/液位傳感器信號采集以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊為一體?，F(xiàn)場的各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)及數(shù)據(jù)，不僅可在現(xiàn)場查看和編程控制，還可通過提供的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和管控。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管控運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集數(shù)據(jù)采集、云端存儲(chǔ)、智能分發(fā)、遠(yuǎn)程控制、權(quán)限認(rèn)證和多終端可視化展示于一體的數(shù)字化綜合數(shù)據(jù)管控平臺(tái)。系統(tǒng)集成無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，安裝便捷、使用靈活，在信號覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何位置都可方便地接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，還具有經(jīng)濟(jì)節(jié)約、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢。

遠(yuǎn)程管控平臺(tái)分別提供基于WEB和移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用客戶端，向遠(yuǎn)程控制室提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。不僅可以通過平臺(tái)查看前端設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，調(diào)閱歷史運(yùn)行記錄和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，亦可調(diào)用平臺(tái)提供的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，訪問和管理前端設(shè)備，為客戶進(jìn)行系統(tǒng)集成、二次開發(fā)和智能化管理提供數(shù)據(jù)支撐，為智能水務(wù)調(diào)度積累原始運(yùn)行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)一次性投入，后期免維護(hù)，極大減少運(yùn)行維護(hù)成本。

4 傳統(tǒng)交流供電與風(fēng)光互補(bǔ)直流自供電對比分析

目前針對風(fēng)光互補(bǔ)直流直供電系統(tǒng)在貴州水利項(xiàng)目中的具體應(yīng)用，從可靠性、操作的實(shí)用性、施工難度、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、維護(hù)管理工作量等多方面進(jìn)行比較，得出下列對比結(jié)果。

4.1 按負(fù)荷特點(diǎn)比較

傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)包含了發(fā)電、輸電、用電設(shè)備三個(gè)部分，交流電的發(fā)電效率高，便于生產(chǎn)，可通過變壓器升壓和降壓，便于遠(yuǎn)距離傳輸，配送電能方便。但根據(jù)本工程負(fù)荷特點(diǎn)，灌區(qū)閘閥數(shù)量多，布置分散，單個(gè)電動(dòng)閘閥容量小且使用頻率較低，采用交流供電需架設(shè)較長的輸電線路，電力線路所經(jīng)之處占用的土地較多，投資大。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電方案是獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，無需外界供電；無需建變電站、架設(shè)高低壓線路等工程。特別適用于水利工程中閘、閥的使用頻次低、布置分散的特點(diǎn)。

4.2 供電可靠性比較

傳統(tǒng)交流供電方案閘閥電源引自農(nóng)網(wǎng)，供電不穩(wěn)定。農(nóng)網(wǎng)普遍存在設(shè)備老化，供電半徑長，線經(jīng)小，分段少，抗災(zāi)能力差，供電可靠率低。在遇到斷電情況下，需要開應(yīng)急發(fā)電車去現(xiàn)場供電，極為不便。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電方案電池里面存著的電就是后備電源，還可以根據(jù)需要設(shè)定電池電量的報(bào)警，預(yù)留備用電量應(yīng)急使用。而且在連續(xù)陰雨無風(fēng)的極端天氣情況下，若電池電量用盡，可攜帶移動(dòng)電池到現(xiàn)場，接上電池的正負(fù)極兩根線即可實(shí)現(xiàn)供電，移動(dòng)電池可以在雨中安全使用。

4.3 施工安裝比較

傳統(tǒng)交流供電方案供電線路施工周期長、每個(gè)供電點(diǎn)均需到現(xiàn)場實(shí)地踏勘，根據(jù)電網(wǎng)情況設(shè)計(jì)，并向供電局申請，還需征地向農(nóng)民賠償土地費(fèi)，各方面協(xié)調(diào)繁瑣。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電系統(tǒng)是專業(yè)為智能水務(wù)開發(fā)，全模塊化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，不存在兼容問題，便于安裝維修。可以根據(jù)工程進(jìn)度，自主決定設(shè)備安裝時(shí)間，節(jié)約大量人力物力。

4.4 閘門(閥門)控制比較

輸水工程中閘門、閥門使用頻次較低，管徑不大，且設(shè)置在地理位偏遠(yuǎn)、人煙稀少的鄉(xiāng)村、交通不便等地區(qū)，閘(閥)門啟閉的動(dòng)力來源若采用架設(shè)交流電網(wǎng)線路的方式，則需架設(shè)很長的輸電線路，電力線路所經(jīng)之處占用的土地較多，協(xié)調(diào)工作復(fù)雜，賠付費(fèi)用較高，其本身線路供電造價(jià)高，需要花費(fèi)大量的人力物力及財(cái)力去建設(shè)電力供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，其次后期投入運(yùn)行后維護(hù)檢修費(fèi)用及電費(fèi)較高，增加了運(yùn)營成本，其經(jīng)濟(jì)性很差，所以在管道上的閥門原均考慮采用手動(dòng)控制。

但輸水工程作為一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，不但具有線長、面廣、點(diǎn)多、分散的特點(diǎn)，而且還具有相互影響、相互制約的特點(diǎn)，要使這樣一個(gè)龐大的系統(tǒng)能夠有效地運(yùn)作、協(xié)調(diào)地運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有安全可靠的操作方式是完全不可能的，效保證工程的操作性，將灌區(qū)閥門操作形式由手動(dòng)改為手電兩用。操作性提高、運(yùn)行方便，適應(yīng)水利自動(dòng)化發(fā)展的要求，且整體投資未超過原傳統(tǒng)交流供電方案。

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的智能測控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，不僅可在現(xiàn)場查看和編程控制，還可通過提供的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和管控。

4.5 運(yùn)行管理比較

傳統(tǒng)交流供電方案輸電線路長，線路維護(hù)檢修工作量大，專業(yè)性強(qiáng)，管理難度大。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電系統(tǒng)方案應(yīng)用前景廣闊，可視實(shí)際需要隨時(shí)隨地投入使用，整個(gè)過程綠色環(huán)保(可再生自然能源)、施工安裝簡便、安全無隱患、節(jié)能無消耗、自動(dòng)控制免維護(hù)、一次投入、長期受益，性價(jià)比相當(dāng)明顯。后期30 a運(yùn)行維修保養(yǎng)的費(fèi)用極大降低。

4.6 檢修維護(hù)、故障率比較

采用傳統(tǒng)交流供電方案線路維護(hù)檢修費(fèi)用高，時(shí)間長，易受低溫雨雪天氣影響，產(chǎn)生覆冰，受冰凍危害，雷雨天氣雷擊易導(dǎo)致出現(xiàn)跳閘和停電。

風(fēng)光互補(bǔ)直流供電方案PLC控制箱為鋁壓鑄件，防盜，防塵，可以放在水中使用，防護(hù)等級IP68。PLC控制箱表面上沒實(shí)體開關(guān)，采用磁力筆，紅外藍(lán)牙遙控器，防止誤操作，還可現(xiàn)場編程。

5 結(jié)語

綜合上述原因，長距離輸水輸管線采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)不僅僅提高了閥門供電的安全可靠性，為管道閥門安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了相應(yīng)的保障，同時(shí)有效地降低了建設(shè)和運(yùn)營成本，提高了工程建設(shè)進(jìn)度，從一定程度上也達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)極大地推進(jìn)了水利工程的控制水平，從規(guī)范化、科學(xué)化、智能化等方面改善和提高了工程的管理水平，值得在類似的長距離輸水輸管線建設(shè)中推廣應(yīng)用。