用于消防救援的光儲供電基站應(yīng)急通信保障研究

馮帥頎　常婕　陳哲　陶江濤

摘要：以2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害為例，闡述了消防基站應(yīng)急通信保障工作的重要性與必要性。研究設(shè)計(jì)了一種基于光儲供電的消防基站應(yīng)急保障系統(tǒng)，并對實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行了設(shè)計(jì)與模擬計(jì)算，最后對其在消防救援中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述和分析，明確了此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究思路。

關(guān)鍵詞：光儲供電系統(tǒng)；通信基站；應(yīng)急通信；保障方法；光伏發(fā)電

中圖分類號：X913.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）11-0029-03

近年來，我國很多地區(qū)遭遇了前所未有的極端天氣災(zāi)害，這些災(zāi)害造成的通訊中斷是搶險(xiǎn)救援工作中面臨的最主要困難，極大地影響了救援的速度和效率。例如：2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害，暴雨造成了長時(shí)間的基站斷電，使得通信網(wǎng)基本處于癱瘓狀態(tài)，消防救援隊(duì)伍無法及時(shí)了解到災(zāi)區(qū)信息，嚴(yán)重影響了災(zāi)后黃金時(shí)間救援工作的開展。因此，如何提升重大災(zāi)害條件下通信基站的抗災(zāi)容災(zāi)能力，做好消防應(yīng)急通信保障，是消防救援隊(duì)伍在新時(shí)期“全災(zāi)種、大應(yīng)急”任務(wù)背景下亟須解決的問題。近年來快速發(fā)展的光儲供電技術(shù)具有儲充一體、連續(xù)性強(qiáng)、電能質(zhì)量高、儲能方便快捷、建設(shè)成本低等特點(diǎn)[1]，適宜作為通信基站在突發(fā)情況下的應(yīng)急電源，可有效保障災(zāi)后第一時(shí)間的通信網(wǎng)絡(luò)暢通，從而大大提高了災(zāi)后黃金時(shí)間的救援效率。

1 課題背景及意義

1.1? 光儲供電技術(shù)應(yīng)用于消防應(yīng)急通信保障的必要性

近年來，我國很多地區(qū)遭遇了前所未有的極端天氣災(zāi)害，這些災(zāi)害會對電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害引起大范圍停電，進(jìn)而導(dǎo)致大量基站失去作用，使各級消防救援機(jī)構(gòu)的指揮中心通信中斷，無法及時(shí)接收出警信息并調(diào)度救援力量出警，極大地影響了救援的速度和效率[2-3]，同時(shí)，傳統(tǒng)的消防應(yīng)急通信保障技術(shù)存在保障時(shí)間較短、范圍較小等缺陷，本文提出的方案因其不擇環(huán)境、運(yùn)行成本低、實(shí)施方便、效果穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間長等優(yōu)勢成為了理想的解決方案。

1.2? 光儲供電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

概括來講，該系統(tǒng)主要集成了以下優(yōu)點(diǎn)：

①穩(wěn)定性和耐久性較好。即便長期暴露在室外環(huán)境下，經(jīng)歷風(fēng)吹雨淋、霜雪酷寒，光儲供電系統(tǒng)也很少出現(xiàn)故障，可以有效保證災(zāi)害應(yīng)急情況下持續(xù)向通信基站供電，使消防救援人員能在災(zāi)后第一時(shí)間構(gòu)建通信指揮網(wǎng)絡(luò)并及時(shí)了解受災(zāi)情況，迅速出動救援。耐用方面，當(dāng)前很多光儲供電系統(tǒng)的組件都采用高性能材料制作而成，可保證使用年限不低于25年，可作為常備應(yīng)急電源為消防通信提供保障。

②維護(hù)工作量少，附加投資少。器件運(yùn)行可靠，光儲供電系統(tǒng)不需要特意檢修與維護(hù)，只需做好日常檢查、定期維護(hù)等相關(guān)工作即可，維護(hù)成本投入不高。

③無能源費(fèi)用，無噪聲污染。光儲供電系統(tǒng)利用太陽光生成能量，不需要專門運(yùn)輸，因此大大減少了運(yùn)輸、儲存等方面的成本投入。另外，該系統(tǒng)運(yùn)行相對平穩(wěn)，不會產(chǎn)生過大聲音，所以對附近環(huán)境帶來的噪聲影響也可直接忽略不計(jì)。

④組件積木化，便于設(shè)計(jì)安裝。光儲供電系統(tǒng)容量可根據(jù)基站功率靈活調(diào)整，而且安裝簡單、便捷。

⑤安全性高。不會應(yīng)用到燃料，只要規(guī)范設(shè)計(jì)、安裝合理，就能保障系統(tǒng)高安全運(yùn)行。

2 光儲供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

光儲供電系統(tǒng)具有布局緊湊、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，具體涵蓋了能源儲存系統(tǒng)、基站用電氣設(shè)備等重要部分，緊急時(shí)作為基站的應(yīng)急電源使用[4]。光伏模塊與電池儲能系統(tǒng)相連成為專門負(fù)責(zé)供電的光儲一體機(jī)，以確?；镜腄C穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2.2? 基站負(fù)荷

由于各種基站負(fù)載功率與覆蓋范圍區(qū)別較大，這里以街頭常見的宏基站為例。宏基站用電負(fù)荷主要體現(xiàn)在信號發(fā)射器和空調(diào)兩方面，它們的最大功率分別為5.8kW、1.5kW。

2.3? 基站光儲供電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)

在現(xiàn)實(shí)場景中，只需圍繞以下兩方面展開科學(xué)且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赜?jì)算與分析，就能快速、精準(zhǔn)地確定出光儲供電系統(tǒng)的最佳容量設(shè)計(jì)方案[5]。

①光伏板。光伏板總功率＝負(fù)載功率×用電時(shí)間（h）/日照峰值用電時(shí)間（h）/損耗系數(shù)（0.75～0.80）。在本設(shè)計(jì)中，已明確設(shè)備基于5000W下負(fù)載運(yùn)行，用電和日照峰值的用電時(shí)長分別為24h、3.54h，因此將這些已知參數(shù)套入公式中可直接確定出其總功率為45197W。

②蓄電池。蓄電池容量＝安全系數(shù)（通常取1.1）×負(fù)載日平均耗電量×最長連續(xù)陰雨天數(shù)（通常取3天）/蓄電池放電深度（通常磷酸鐵鋰電池取0.8）。結(jié)合上文提到的運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)公式計(jì)算得知其容量為10313Ah。

2.4? 光儲供電系統(tǒng)配置

光儲供電系統(tǒng)拓?fù)渚唧w涵蓋了光伏一體機(jī)、光伏組件等相關(guān)部分[6]。光儲供電系統(tǒng)配備5kW光儲一體機(jī)和5.12～10.24kWh磷酸鐵鋰電池組。即便以50%容量進(jìn)行深度放電，仍能保證供電時(shí)長達(dá)到9.4h以上。由于該系統(tǒng)日發(fā)電10.4kWh，因此可延長供電時(shí)長3.7h，足以滿足相關(guān)需求[7]。

2.5? 光儲一體機(jī)

2.5.1? 光儲一體機(jī)組成

光儲一體機(jī)涵蓋了電源、控制、通信等多模塊，具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局規(guī)范的特點(diǎn)，不僅能從源頭上保證光伏發(fā)電的高效性，還能大幅提高本地負(fù)載供電的可靠性，最大限度延長電池使用周期等。在實(shí)際應(yīng)用中，只要科學(xué)管理能量，就能將一體機(jī)功能優(yōu)勢發(fā)揮到極致[8]。

2.5.2? 光儲一體機(jī)功能

光儲一體機(jī)在保障系統(tǒng)正常啟動、穩(wěn)定可靠運(yùn)行方面發(fā)揮了舉足輕重的作用[9-10]。本質(zhì)上來講，它是光伏組件連接到光儲一體機(jī)的光伏端口。配置5kW光儲一體機(jī)，可支持并/離網(wǎng)切換、離網(wǎng)多機(jī)并聯(lián)、后備UPS、EMS能量管理系統(tǒng)、離網(wǎng)交流額定功率輸出等。

在受災(zāi)無電網(wǎng)場景下，系統(tǒng)采取微網(wǎng)工作模式，具體方式如下：①光伏組件和電池形成純離網(wǎng)系統(tǒng)。②如果光伏能量充足，光伏會優(yōu)先給負(fù)載，如果還有余量則提供給電池。③當(dāng)光伏電量不足時(shí)，電池將向負(fù)載供電。

3 光儲供電系統(tǒng)在消防通信保障中應(yīng)用的案例分析

本文以為河南省焦作市消防救援隊(duì)伍設(shè)置一套配置光儲供電系統(tǒng)的移動基站進(jìn)行消防通信保障為例，根據(jù)中國的太陽能資源分布可知，河南省是典型的三類地區(qū)，年太陽輻射量不低于5000MJ/m2，最高時(shí)則達(dá)到了5850MJ/m2。根據(jù)資料得知，焦作市每天日照時(shí)間不低于7h，年均氣溫穩(wěn)定在14℃左右，年均日照時(shí)長則達(dá)到了2293.7h，相當(dāng)于日輻射量3.8～4.5kWh/m2。

本基站利用太陽能電池為蓄電池充電，多余能量用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行室溫調(diào)控，采用直流配電方式為各設(shè)備運(yùn)行提供穩(wěn)定、持續(xù)的電能。基站內(nèi)全部采用直流電源燈具，并通過移動逆變器提供的交流電源來保障檢修維護(hù)工作穩(wěn)定開展。

3.1? 基站基本情況

正常情況下，通信基站運(yùn)行在直流20A、電壓48V的連續(xù)負(fù)載狀態(tài)下。①負(fù)載情況：其年耗電量為8432.64kWh；②總線結(jié)構(gòu)：因?yàn)槭侵绷鬟B續(xù)負(fù)載，所以搭建了直流總線結(jié)構(gòu)；③總線電壓：因?yàn)橄到y(tǒng)基于48V環(huán)境下運(yùn)行，所以配備了48V總線。

3.2? 實(shí)際運(yùn)行效果

通信基站接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后，經(jīng)過26天的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，在15天晴天、4天陰天、7天雨天的條件下，總發(fā)電量不低于139.7kWh，日均發(fā)電量為5.3kWh，晴天時(shí)系統(tǒng)可發(fā)電8.22kWh。以日照8h為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，光伏板的環(huán)境因子為0.9，日發(fā)電量可達(dá)到12.1kWh，在日照有效6.9h的情況下，日平均發(fā)電量為10.4kWh，當(dāng)受災(zāi)斷電時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。即便在受災(zāi)情況下以50%容量進(jìn)行深度放電，仍能保證供電時(shí)長9.4h以上。由于該系統(tǒng)日發(fā)電為10.4kWh，供電時(shí)長可增加3.7h，達(dá)到12h以上。根據(jù)相關(guān)資料可知，12h的通信保障時(shí)間可以滿足消防救援人員在災(zāi)后黃金時(shí)間進(jìn)行救援的通信需要。

4 光儲供電基站在消防救援中的應(yīng)用分析

在特大自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，自然環(huán)境一般十分惡劣，并且還存在許多不確定因素，通信條件也較為復(fù)雜。受到許多因素的干擾，災(zāi)情也是瞬息萬變的，如果通信不暢，將會給消防救援人員的救援造成不必要的資源和人力浪費(fèi)。如果在相應(yīng)區(qū)域設(shè)置光儲供電基站，一旦發(fā)生災(zāi)害斷電，可以在受災(zāi)初期維持消防救援所需的通信，幫助消防人員迅速構(gòu)建起多級通信指揮網(wǎng)絡(luò)，領(lǐng)導(dǎo)指揮機(jī)關(guān)可以迅速下達(dá)各種命令并及時(shí)了解受災(zāi)情況進(jìn)而使指揮中心做出正確有效的決策來支持救援工作，防止因通信問題而延誤救援最佳時(shí)機(jī)。同時(shí)，可為相關(guān)應(yīng)急專用通信網(wǎng)絡(luò)的布置架設(shè)爭取寶貴時(shí)間，能夠組織建立服務(wù)于應(yīng)急救援的消防救援專用通訊網(wǎng)絡(luò)，可以在災(zāi)害現(xiàn)場快速建立上下貫通并且獨(dú)立的應(yīng)急通信指揮調(diào)度網(wǎng)，提高應(yīng)急通信的能力，從而構(gòu)建起一個(gè)三維立體無縫覆蓋的、多元化的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)體系，對應(yīng)急通信保障形成強(qiáng)有力的支持。

5 結(jié)語

當(dāng)前，日益嚴(yán)峻的極端天氣災(zāi)害形勢對消防應(yīng)急通信保障提出了越來越高的要求[11]，而本文設(shè)計(jì)的基于光儲供電的基站應(yīng)急保障系統(tǒng)可為消防通信保障體系的完善提供新思路，該技術(shù)有望在消防應(yīng)急通信保障上實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用，切實(shí)提高消防救援隊(duì)伍基層隊(duì)站在受災(zāi)條件下的應(yīng)急通信能力。

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Research on emergency communication

support of optical storage and power

supply base station for fire rescue

Feng Shuaiqi1，Chang Jie2，Chen Zhe3，Tao Jiangtao3

（1.China Fire and Rescue Academy Cadet Team 5，Beijing 102202;2.Henan Water Conservancy Research Institute，Henan Zhengzhou 450003;3.Henan Shunshui Engineering Inspection Co.，Henan Zhengzhou 451450）

Abstract：The importance and necessity of the emergency communication security of firefighting base stations are explained with the example of the "7-20" special rainstorm disaster in Zhengzhou， Henan Province in 2021. The research designs an emergency protection system for firefighting base stations based on optical storage and power supply， and designs and simulates the actual operation effect， and finally explains and analyzes its application in firefighting and rescue and clarifies the design and research ideas of this system.

Keywords：optical storage power supply system; communication base station; emergency communication; guarantee method; photovoltaic power generation