超高海拔光伏電站生態(tài)治理數(shù)智化管理平臺(tái)的探討

沈興林，陳 濤，劉宏德，王曉東

(1.國(guó)家電投鄉(xiāng)城縣興川新能源投資開發(fā)有限公司，甘孜藏族自治州 627850；2.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100020)

0 引言

隨著中國(guó)提出碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)，其承諾到2030年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億kW以上；2021年3月，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議明確提出要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。上述舉措說(shuō)明中國(guó)已經(jīng)加入世界綠色低碳發(fā)展的行列。光伏發(fā)電作為新型電力系統(tǒng)的一種重要能源形式，在綠色低碳發(fā)展中發(fā)揮著愈加重要的作用。

在實(shí)現(xiàn)光伏電站大規(guī)模開發(fā)利用的同時(shí)，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，發(fā)揮光伏電站對(duì)生態(tài)治理的積極作用是十分必要的。本文基于四川省甘孜藏族自治州(下文簡(jiǎn)稱為“甘孜州”)正斗光伏實(shí)證實(shí)驗(yàn)基地項(xiàng)目，分析超高海拔光伏電站生態(tài)治理所面臨的問(wèn)題。根據(jù)基地自然條件，依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)可視化管理、數(shù)字化、智能化等技術(shù)，開展超高海拔光伏電站生態(tài)治理方案研究，提出針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)智化平臺(tái)，以提升超高海拔光伏電站的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和綜合效益。

1 項(xiàng)目概況

1.1 場(chǎng)地概況

甘孜州正斗光伏實(shí)證實(shí)驗(yàn)基地項(xiàng)目的總裝機(jī)規(guī)模約為400 MW，場(chǎng)址位于甘孜州鄉(xiāng)城縣正斗鄉(xiāng)，海拔高度3920～4280 m，為全球首個(gè)超高海拔大型光伏實(shí)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

該項(xiàng)目地處于高山草甸之上，此外氣候惡劣、晝夜溫差大，植物生長(zhǎng)期短、枯草期長(zhǎng)，植被總體稀疏，地質(zhì)狀況不佳，且場(chǎng)區(qū)降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量、降水時(shí)間分布不均，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境較脆弱、自我調(diào)節(jié)和自然恢復(fù)能力較差。惡劣的生態(tài)環(huán)境不僅對(duì)生態(tài)治理提出了更高要求，也成為光伏電站工作人員需要克服的困難。本文提出的生態(tài)治理數(shù)智化技術(shù)路線，不僅可提高生態(tài)治理的效率，還可改善工作人員的工作環(huán)境。

1.2 生態(tài)治理數(shù)智化技術(shù)路線

本研究充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，針對(duì)超高海拔光伏電站生態(tài)治理，建設(shè)以信息采集、傳輸、儲(chǔ)存、管理、服務(wù)、應(yīng)用為一體的安全、穩(wěn)定、可靠、高效的生態(tài)治理數(shù)智化平臺(tái)，完成信息化與自動(dòng)化及信息系統(tǒng)與生態(tài)治理的深度融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生態(tài)治理的新模式，提升超高海拔光伏電站生態(tài)治理質(zhì)量和智能化程度，為超高海拔光伏電站生態(tài)治理提供數(shù)字化、智能化標(biāo)準(zhǔn)和參考案例。

2 生態(tài)治理數(shù)智化建設(shè)內(nèi)容

生態(tài)治理數(shù)智化建設(shè)的目標(biāo)是通過(guò)數(shù)智化平臺(tái)，整合信息檔案管理系統(tǒng)、進(jìn)度管理系統(tǒng)、智能灌溉系統(tǒng)、生態(tài)巡護(hù)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能防火系統(tǒng)、車輛自動(dòng)化系統(tǒng)、GIS可視化管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及配套移動(dòng)端APP等工具，以中介平臺(tái)的方式將光伏電站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)整合，并以更好地方式呈現(xiàn)給光伏電站工作人員，從而提高生態(tài)治理水平。通過(guò)數(shù)智化手段，實(shí)現(xiàn)光伏電站管理的自動(dòng)化、智能化和可視化，提高生態(tài)治理的效率和質(zhì)量。

2.1 信息檔案管理系統(tǒng)

通過(guò)生態(tài)治理數(shù)智化平臺(tái)，將與生態(tài)治理相關(guān)的資料進(jìn)行收集和整理，形成完整的生態(tài)治理資料庫(kù)，為生態(tài)修復(fù)效果及結(jié)果的分析提供全套基礎(chǔ)信息資料。同時(shí)，結(jié)合檔案編碼及歸檔要求，對(duì)生態(tài)治理過(guò)程中各類文件、照片、聲像、數(shù)據(jù)等檔案進(jìn)行數(shù)字化組卷、編碼、歸檔，提升檔案管理效率及存儲(chǔ)質(zhì)量，保證檔案管理的全面性、完整性和實(shí)用性，方便管理人員快速檢索所需資料，避免因無(wú)序翻閱紙質(zhì)資料造成工作堆積和滯后，可極大提高工作效率。

2.2 進(jìn)度管理系統(tǒng)

提煉Project、Oracle Primavers P6等專業(yè)項(xiàng)目管理軟件的功能，以甘特圖的方式對(duì)生態(tài)治理工作的施工總進(jìn)度計(jì)劃、年進(jìn)度計(jì)劃、月進(jìn)度計(jì)劃、周進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行整理，并對(duì)每個(gè)任務(wù)的完成情況進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)進(jìn)度線自動(dòng)判斷滯后任務(wù)并突出顯示，輔助進(jìn)度決策的管理和判斷。同時(shí)，對(duì)生態(tài)治理過(guò)程中生成的周報(bào)、月報(bào)、季報(bào)和年報(bào)進(jìn)行整理，通過(guò)總結(jié)階段性工作及下階段任務(wù)情況來(lái)對(duì)生態(tài)治理工作進(jìn)度進(jìn)行分析及糾偏。此外，利用GIS可視化管理技術(shù)，將各區(qū)域生態(tài)治理工作進(jìn)行差異化顯示，在GIS地圖分別用不同顏色來(lái)顯示生態(tài)治理工作進(jìn)度(正常、滯后或提前完成)使管理者直觀了解工程現(xiàn)場(chǎng)生態(tài)治理工作進(jìn)度全貌，便于管理者查看進(jìn)度和糾偏。

2.3 智能灌溉系統(tǒng)

智能灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如圖1所示。在工程現(xiàn)場(chǎng)部署可遠(yuǎn)程控制的噴淋、滴灌控制系統(tǒng)，以及部署可監(jiān)測(cè)土壤溫濕度、空氣溫濕度、蒸發(fā)量、實(shí)時(shí)風(fēng)速的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而自動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)。同時(shí)，通過(guò)人工智能(AI)算法自動(dòng)控制各水管噴頭的開啟、關(guān)閉，水流速度等，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制。比如：當(dāng)濕度達(dá)到既定數(shù)值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉水閥，提高節(jié)水灌溉利用率。此外，將建設(shè)的蓄水池、管路系統(tǒng)、高位水箱等設(shè)施融合數(shù)智化先進(jìn)技術(shù)，以光伏電力為整個(gè)智能灌溉系統(tǒng)提供動(dòng)力，通過(guò)移動(dòng)端APP或PC端一鍵啟動(dòng)灌溉程序進(jìn)行自動(dòng)灌溉，也可自由設(shè)定灌溉時(shí)間、周期、用水量等灌溉參數(shù)[1]。

圖1 智能灌溉系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology intelligent irrigation system

2.4 生態(tài)巡護(hù)系統(tǒng)

生態(tài)巡護(hù)系統(tǒng)是指基于物聯(lián)網(wǎng)、GIS可視化管理及數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)和可視化展示。巡視人員可按照既定巡視路線或自由巡視路線進(jìn)行巡護(hù)，對(duì)巡視過(guò)程中的問(wèn)題通過(guò)移動(dòng)端APP一鍵反饋至生態(tài)治理數(shù)智化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保問(wèn)題在線記錄、反饋、整改和復(fù)查，強(qiáng)化綠色施工措施的實(shí)施效果。同時(shí)，配備智能化無(wú)人機(jī)定期、定時(shí)進(jìn)行廠區(qū)巡護(hù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)廠區(qū)情況進(jìn)行全方位監(jiān)護(hù)，對(duì)違規(guī)放牧、非法入侵、火災(zāi)隱患等情況及時(shí)預(yù)警，有效保護(hù)生態(tài)修復(fù)成果。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

光伏場(chǎng)區(qū)占地面積較大，若全部采用人工巡視、人工督察的方式，難度較大，且項(xiàng)目所在地的海拔較高，高海拔工作條件不利于工作人員的身體健康。因此，引入視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)控云臺(tái)、切換攝像頭、調(diào)整角度、變焦變倍等方式實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的監(jiān)控和組合監(jiān)控，通過(guò)大屏幕、PC端和移動(dòng)端等多終端及網(wǎng)頁(yè)、移動(dòng)端APP等多媒介展示監(jiān)控畫面，便于作業(yè)人員全面掌控生態(tài)修復(fù)情況，并實(shí)時(shí)查看植被生長(zhǎng)情況，降低人工巡視頻次，輔助作業(yè)人員進(jìn)行分析、決策。

此外，監(jiān)控設(shè)備可設(shè)置自動(dòng)警戒功能，對(duì)非法入侵、違法放牧等行為進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警驅(qū)離。監(jiān)控設(shè)備的攝像頭具有語(yǔ)音通話功能，工作人員通過(guò)指揮中心或移動(dòng)端APP利用監(jiān)控設(shè)備向場(chǎng)區(qū)喊話，及時(shí)制止非法、違規(guī)行為[2]。視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)畫面如圖2所示。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)畫面Fig.2 Real-time images provided by video surveillance system

2.6 智能防火系統(tǒng)

在光伏場(chǎng)區(qū)部署智能防火紅外監(jiān)控系統(tǒng)，如圖3所示，監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控設(shè)備收集信息，然后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，再由數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送到工作人員使用的設(shè)備上。利用紅外可見攝像頭、紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)接收被測(cè)目標(biāo)的溫度產(chǎn)生的紅外輻射能量，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)中心處理，對(duì)紅外輻射能量的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并成像，按照不同溫度下的紅外輻射能量分布進(jìn)行冷暖色調(diào)漸變區(qū)分。通過(guò)紅外熱成像防火圖像可直觀察覺(jué)到高溫異常區(qū)域，自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，便于作業(yè)人員及時(shí)做出響應(yīng)。

圖3 智能防火紅外監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.3 Topology diagram of intelligent fire prevention infrared monitoring system

紅外可見攝像頭也可自主巡航，若監(jiān)測(cè)目標(biāo)溫度異常則自動(dòng)報(bào)警，管理人員可根據(jù)提示確定具體的報(bào)警位置信息，快速跟蹤報(bào)警點(diǎn)，確認(rèn)具體狀況并排除隱患；也可將紅外可見攝像頭從自主巡航轉(zhuǎn)為手動(dòng)操作，自主對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察跟蹤、定位、對(duì)焦，以便精準(zhǔn)地進(jìn)行觀測(cè)分析[3]。

2.7 車輛自動(dòng)化系統(tǒng)

對(duì)光伏場(chǎng)區(qū)作業(yè)車輛安裝自動(dòng)化控制芯片，通過(guò)PC端或移動(dòng)端APP可一鍵啟動(dòng)、停止車輛，設(shè)定作業(yè)車輛的行駛路線和時(shí)間，使其按照既定路線自動(dòng)行駛工作。車輛自主行駛路線圖如圖4所示。操作人員也可以通過(guò)PC端和移動(dòng)端APP手動(dòng)控制車輛的行駛路線，對(duì)車輛的行駛方向(前進(jìn)、后退)、行駛速度、燈光開關(guān)、緊急制動(dòng)等進(jìn)行操作，完全實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程控制。工作人員在控制中心就可以使車輛完成作業(yè)，完全不受天氣等因素影響，減少司機(jī)戶外作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 車輛自主行駛路線圖Fig.4 Road map of autonomous vehicle driving

同時(shí)，作業(yè)車輛可搭載行駛記錄監(jiān)控儀，監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)傳至控制中心的大屏幕，能對(duì)工作人員遠(yuǎn)程操作車輛起到輔助作用。此外，可在作業(yè)車輛周身配備小型雷達(dá)監(jiān)測(cè)器，當(dāng)車輛行駛過(guò)程中遇到人員或其他障礙物時(shí)可以緊急制動(dòng)，保障人員和設(shè)施安全。作業(yè)車輛自動(dòng)化有助于為自動(dòng)化研究提供指導(dǎo)[4]，為光伏電站等大面積場(chǎng)區(qū)的作業(yè)方式提出更高效的管理方式。

2.8 GIS可視化管理

針對(duì)該光伏電站，利用GIS獲取工程區(qū)域信息，并與設(shè)計(jì)圖圖紙擬合。制作該項(xiàng)目的GIS地圖，通過(guò)GIS空間查詢、空間分析、符號(hào)化渲染等功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備精準(zhǔn)定位及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)管理。

利用GIS實(shí)現(xiàn)可視化管理，效果圖如圖5所示。從圖中可以看到作業(yè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的各種監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、作業(yè)車輛分布位置、顯示的施工進(jìn)度，點(diǎn)擊某個(gè)設(shè)備可以查看該設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使工作人員對(duì)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行更加直觀化、全局化的管理。

圖5 GIS可視化管理效果圖Fig.5 Rendering of GIS visual management

2.9 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在光伏場(chǎng)區(qū)建立環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括微型氣象站、土壤水分分析儀器、風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀、風(fēng)向監(jiān)測(cè)設(shè)備、輻照度儀、雨量監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)生態(tài)修復(fù)過(guò)程和光伏陣列對(duì)氣候、土壤、植被、水文等要素的影響。圖6和圖7分別為光伏陣列對(duì)風(fēng)速和蒸發(fā)量產(chǎn)生的影響分析圖。

圖6 光伏陣列對(duì)風(fēng)速的影響分析圖Fig.6 Effect of PV arrays on wind speed

圖7 光伏陣列對(duì)蒸發(fā)量的影響分析圖Fig.7 Effect of PV array on evaporation

通過(guò)數(shù)據(jù)接口接入微型氣象站和生態(tài)監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并和GIS可視化管理技術(shù)融合，實(shí)時(shí)展示風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀、風(fēng)向監(jiān)測(cè)設(shè)備、輻照度儀、雨量監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備的位置及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)風(fēng)速、空氣溫濕度、土壤溫濕度等數(shù)據(jù)。同時(shí)，借助GIS跳轉(zhuǎn)視點(diǎn)功能，快速定位到需要關(guān)注的設(shè)備，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并快速獲取環(huán)境信息[5]。監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采用圖表形式進(jìn)行展示，如圖8所示。圖表形式可直觀顯示數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，且支持多類數(shù)據(jù)檢索，輔助管理人員更好地做出決策。

圖8 部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示圖Fig.8 Pisplay image of partial monitoring data section

2.10 移動(dòng)端APP

上述數(shù)智化平臺(tái)所提供的功能，均可在移動(dòng)端APP上實(shí)現(xiàn)操作。本研究開發(fā)了一款A(yù)PP，可輔助現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員開展生態(tài)治理工作，集成PC端系統(tǒng)常用功能，使現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員利用移動(dòng)端上的1個(gè)APP就能高效、便捷地進(jìn)行生態(tài)治理工作，并全方位掌控生態(tài)治理工作情況。移動(dòng)端APP的主要優(yōu)勢(shì)是充分利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，與PC端聯(lián)動(dòng)完成生態(tài)治理數(shù)字化、智能化管控中的相關(guān)業(yè)務(wù)管理(如流程審批、巡護(hù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)展示、消息推送、信息查詢等)，達(dá)到多端合一、多維度生態(tài)治理數(shù)字化、智能化管控目標(biāo)。手機(jī)端APP部分內(nèi)容的截圖如圖9所示。

圖9 手機(jī)APP示意圖Fig.9 Screenshot of some content in the mobile APP

3 結(jié)論

本文以甘孜州正斗光伏實(shí)證實(shí)驗(yàn)基地為例，為超高海拔地區(qū)的光伏電站生態(tài)治理提出了一種數(shù)智化管理方式。利用數(shù)智化管理平臺(tái)，對(duì)信息技術(shù)與生態(tài)治理進(jìn)行深度融合，并通過(guò)智能灌溉、生態(tài)巡護(hù)、視頻監(jiān)控、進(jìn)度管理、智能防火等10種業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光伏電站生態(tài)治理工作的全過(guò)程、精細(xì)化、智能化管理。數(shù)智化平臺(tái)的應(yīng)用可以克服大部分惡劣環(huán)境對(duì)光伏電站人員和設(shè)備造成的作業(yè)困難，為超高海拔光伏電站生態(tài)治理工作提供全面、快捷、準(zhǔn)確的信息服務(wù)和決策支持，有效提升生態(tài)治理工作質(zhì)量和工作效率，推動(dòng)超高海拔光伏電站生態(tài)治理數(shù)智化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化復(fù)制和推廣，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益共贏。該平臺(tái)彌補(bǔ)了現(xiàn)階段超高海拔地區(qū)光伏電站生態(tài)治理方面研究的空缺，為極端環(huán)境下光伏電站的管理提供了新思路。