集中式光伏電站安全管控一體化平臺(tái)建設(shè)研究

中電投（內(nèi)蒙古西部）新能源有限公司 馮 鋼 苗瑞軍 彭 宇 王國(guó)程

隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，光伏發(fā)電作為一種清潔、可持續(xù)的能源，已成為現(xiàn)代能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。自2011年以來，我國(guó)大型集中式光伏電站的建設(shè)和發(fā)展取得了顯著成就。截至2021年年底，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到305.987GW，標(biāo)志著國(guó)家在新能源領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步。

大型集中式光伏電站通常建設(shè)在環(huán)境惡劣的地區(qū)，如荒漠、戈壁、山間和廢棄礦區(qū)。這些地區(qū)的特殊環(huán)境條件（如強(qiáng)風(fēng)沙、強(qiáng)烈光照、晝夜溫差大）易造成光伏設(shè)備頻繁故障，提高了維護(hù)工作量和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)也帶來了較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于地理位置偏遠(yuǎn)，專業(yè)技術(shù)人員難以招聘，可能出現(xiàn)人員短缺和技術(shù)水平較低的現(xiàn)象，進(jìn)一步增加了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的難度。本文旨在分析和討論如何通過集成先進(jìn)的信息技術(shù)，如5G 通信、人工智能、先進(jìn)計(jì)算和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建大型集中式光伏電站的安全管控一體化平臺(tái)。該平臺(tái)不僅能提高電站的安全管理效率，還能減少因安全防控不力而造成的安全問題和經(jīng)濟(jì)損失，從而保障光伏電站的安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。

1 光伏電站的當(dāng)前安全現(xiàn)狀分析

1.1 環(huán)境挑戰(zhàn)

大型集中式光伏電站通常建設(shè)在地理環(huán)境惡劣的區(qū)域，如荒漠、戈壁、山間和廢棄礦區(qū)。這些地區(qū)的極端環(huán)境條件對(duì)光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

極端氣候條件：強(qiáng)烈的日照、高溫、大風(fēng)沙等自然因素可能導(dǎo)致光伏板積塵、散熱不良，甚至損壞設(shè)備。地理位置偏遠(yuǎn)：偏遠(yuǎn)的地理位置增加了運(yùn)維人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的難度，導(dǎo)致維護(hù)和故障處理的延遲。

1.2 技術(shù)和人員挑戰(zhàn)

設(shè)備故障頻繁：由于環(huán)境因素和設(shè)備老化，光伏電站的設(shè)備故障率相對(duì)較高，對(duì)設(shè)備的維護(hù)和更新提出了更高的要求。人員短缺和技術(shù)水平不足：專業(yè)技術(shù)人員的招募和留存是主要難題，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)。此外，由于光伏技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)工作人員的培訓(xùn)和技能提升也是一個(gè)重要問題。

1.3 自然災(zāi)害和其他風(fēng)險(xiǎn)

自然災(zāi)害：暴風(fēng)、雷電、洪水、地震等自然災(zāi)害可能損壞光伏設(shè)備，影響電站的穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)備損壞和人為因素：設(shè)備老化、設(shè)計(jì)缺陷、不當(dāng)操作或維護(hù)不足均可能導(dǎo)致重大故障，甚至引發(fā)安全事故。

2 光伏電站安全管控中存在的問題

隨著大型光伏電站的快速增長(zhǎng)，其安全管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)有一定的安全管控措施被實(shí)施，但仍存在不足[1]。不僅影響了電站的穩(wěn)定運(yùn)行，還可能對(duì)環(huán)境和人員安全構(gòu)成威脅。

2.1 反應(yīng)遲緩和效率低下

現(xiàn)有的安全管控措施，如人工巡查和監(jiān)控，在廣闊和偏遠(yuǎn)的光伏電站中效率極低。主要原因有以下幾點(diǎn)。

廣闊的區(qū)域和地形挑戰(zhàn)：光伏電站通常覆蓋廣泛區(qū)域，且地形復(fù)雜。這使得人工巡查耗時(shí)且勞動(dòng)強(qiáng)度大，導(dǎo)致對(duì)潛在安全問題的響應(yīng)速度和識(shí)別效率低下。人工監(jiān)控的局限性：依賴人工監(jiān)控容易受到人員疲勞、注意力分散等因素的影響，增加了遺漏或誤判安全風(fēng)險(xiǎn)的可能性。應(yīng)急響應(yīng)的延遲：在檢測(cè)到問題后，由于地理位置偏遠(yuǎn)，應(yīng)急響應(yīng)隊(duì)伍可能需要較長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，這延遲了問題的處理和解決。

2.2 技術(shù)和設(shè)備更新滯后

在快速發(fā)展的技術(shù)環(huán)境中，光伏電站的安全設(shè)備和控制系統(tǒng)往往難以及時(shí)更新，這主要體現(xiàn)在幾方面。

一是技術(shù)升級(jí)的成本和復(fù)雜性：新技術(shù)的采納和實(shí)施通常涉及高昂的成本和復(fù)雜的升級(jí)過程，尤其是在偏遠(yuǎn)和廣闊的地區(qū)。二是設(shè)備兼容性問題：新技術(shù)的引入有時(shí)會(huì)與現(xiàn)有系統(tǒng)不兼容，導(dǎo)致整體安全管控系統(tǒng)的效能受限。三是持續(xù)的技術(shù)發(fā)展：隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)有系統(tǒng)很快可能會(huì)過時(shí)，這要求光伏電站持續(xù)投入資源以保持技術(shù)的最新性。

2.3 信息孤島現(xiàn)象

在光伏電站的安全管理中，不同部門或電站之間的信息共享和協(xié)同工作常常不足，導(dǎo)致了信息孤島現(xiàn)象。

一是數(shù)據(jù)共享不足：由于缺乏有效的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，不同部門或電站間的信息流通受限，導(dǎo)致不能充分利用可用信息進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和決策。二是協(xié)同工作障礙：不同部門或電站之間協(xié)同工作的缺乏，減弱了安全事故預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施的有效性。三是決策過程的分散：信息孤島導(dǎo)致決策過程分散，缺乏統(tǒng)一的視角和策略來應(yīng)對(duì)跨區(qū)域或系統(tǒng)性的安全問題。

3 安全管控一體化平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建設(shè)

為了有效應(yīng)對(duì)大型光伏電站在安全管理上的相關(guān)問題，設(shè)計(jì)和建設(shè)一個(gè)安全管控一體化平臺(tái)至關(guān)重要。這一平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念基于融合最新的技術(shù)進(jìn)展，如5G 通信、人工智能、先進(jìn)計(jì)算和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，以提高安全管理的效率和準(zhǔn)確性。

3.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)理念

利用5G 的高速率和低延遲特性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速數(shù)據(jù)傳輸，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)與控制中心之間的通信。通過AI 算法分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)和預(yù)警，以及自動(dòng)化的決策支持。先進(jìn)計(jì)算，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算技術(shù)，處理和分析大量由光伏電站收集的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理的速度和準(zhǔn)確性。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，通過構(gòu)建一個(gè)全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，將所有監(jiān)控設(shè)備、傳感器和系統(tǒng)集成到一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的無縫共享和協(xié)同工作。

3.2 關(guān)鍵功能模塊

一是作業(yè)人員管控：利用位置追蹤和身份識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)人員的位置和活動(dòng)，確保其遵守安全規(guī)范。二是消防系統(tǒng)集中監(jiān)視與定位：集成先進(jìn)的火災(zāi)探測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控確?？焖夙憫?yīng)火災(zāi)等緊急情況。三是設(shè)備健康管理：應(yīng)用預(yù)測(cè)性維護(hù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，跟蹤設(shè)備的運(yùn)行狀況，預(yù)防故障發(fā)生。

3.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

技術(shù)框架：采用模塊化的設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)一個(gè)特定的功能，比如數(shù)據(jù)采集、處理、分析和報(bào)告。這些模塊通過高效的中間件集成，以保證平臺(tái)的高性能和可擴(kuò)展性。算法應(yīng)用：在人工智能方面，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，識(shí)別模式和異常，提供智能的預(yù)測(cè)和決策支持。同時(shí)，應(yīng)用優(yōu)化算法來提高能源管理和分配的效率。

4 案例分析：某公司的安全管控一體化平臺(tái)

某公司的探索和實(shí)踐在安全管控一體化平臺(tái)的建設(shè)上，提供了新能源行業(yè)的一個(gè)典型案例。自2018年起，該公司致力于打造省級(jí)區(qū)域新能源集控中心，該中心不僅標(biāo)志著管理模式的轉(zhuǎn)變，更是新能源安全管控技術(shù)應(yīng)用的躍進(jìn)。

4.1 集控中心的構(gòu)成與作用

集控中心的構(gòu)成見表1，通過融合了場(chǎng)站邊界安防、門禁系統(tǒng)、消防報(bào)警、視頻監(jiān)控等多項(xiàng)安全管理系統(tǒng)，配合智能安全帽和無人機(jī)巡檢系統(tǒng)，形成了一個(gè)綜合性的安全管控網(wǎng)絡(luò)。這種一體化的設(shè)計(jì)，有效解決了光伏電站在人員稀少、地域遼闊和實(shí)時(shí)監(jiān)控不足等方面的安全風(fēng)險(xiǎn)。

表1 省級(jí)區(qū)域新能源集控中心的構(gòu)成

4.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)的優(yōu)化

光伏系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)展示了如何通過大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警和安全態(tài)勢(shì)評(píng)估，如圖1所示。不僅提高了安全防控的及時(shí)性，還增強(qiáng)了主動(dòng)防御和聯(lián)動(dòng)預(yù)警的能力。此外，集控中心的建設(shè)還大幅降低了人力資源成本，提高了運(yùn)營(yíng)效率，并通過信息化應(yīng)用提升了管理水平，最終實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益的提升。

圖1 光伏系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)

4.3 實(shí)際運(yùn)行成效

通過某公司通過對(duì)多年的事故發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理得到了顯著提升，依托安全管控一體化平臺(tái)，建立的安全監(jiān)控評(píng)估系統(tǒng)，有效地降低了由暴風(fēng)、雪壓、動(dòng)物破壞等自然因素，以及人為錯(cuò)誤造成的安全事故[2]。通過實(shí)時(shí)集中監(jiān)視和安全態(tài)勢(shì)評(píng)估，確保了電站安全防控的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，顯著提升了大型集中式光伏電站的安全防控能力。

4.4 總結(jié)

該公司的案例分析展示了安全管控一體化平臺(tái)在提升大型集中式光伏電站安全管理水平方面的巨大潛力。通過集成先進(jìn)技術(shù)和優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)了安全管理的現(xiàn)代化，為光伏電站的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。

5 面臨的挑戰(zhàn)和解決方案

在構(gòu)建和實(shí)施大型集中式光伏電站的安全管控一體化平臺(tái)過程中，企業(yè)將遇到一系列挑戰(zhàn)。為了確保平臺(tái)的有效運(yùn)行和持續(xù)地改進(jìn)，這些挑戰(zhàn)需要通過具體的解決方案來克服。

5.1 技術(shù)集成復(fù)雜性

由于需要將多種技術(shù)（如5G、AI、物聯(lián)網(wǎng)等）集成到單一平臺(tái)，技術(shù)集成的復(fù)雜性成為一大挑戰(zhàn)。解決方案如下。一是模塊化設(shè)計(jì)：通過模塊化設(shè)計(jì)允許各個(gè)技術(shù)組件以插件的形式集成，降低了整體系統(tǒng)的復(fù)雜性。二是專業(yè)團(tuán)隊(duì)合作：組建跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，包括IT 專家、工程師和運(yùn)維人員，共同協(xié)作解決技術(shù)集成問題。

5.2 數(shù)據(jù)安全和隱私

在實(shí)施安全管控平臺(tái)時(shí)，保護(hù)敏感數(shù)據(jù)不受未授權(quán)訪問和攻擊至關(guān)重要。解決方案如下。一是加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全：實(shí)施最新的加密技術(shù)和防火墻，確保數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的安全。二是定期安全審計(jì)：進(jìn)行定期的系統(tǒng)安全審計(jì)和漏洞掃描，確保安全防護(hù)措施的時(shí)效性和有效性。

5.3 持續(xù)的技術(shù)培訓(xùn)和支持

技術(shù)的快速發(fā)展要求員工進(jìn)行持續(xù)的培訓(xùn)，以適應(yīng)新系統(tǒng)和工具。解決方案如下。一是建立培訓(xùn)計(jì)劃：為員工提供定期的技術(shù)培訓(xùn)和專業(yè)發(fā)展機(jī)會(huì)。二是建立支持系統(tǒng)：設(shè)立內(nèi)部支持系統(tǒng)，為員工在使用新系統(tǒng)時(shí)提供幫助和指導(dǎo)。

5.4 系統(tǒng)可擴(kuò)展性和未來升級(jí)

隨著光伏電站規(guī)模的擴(kuò)大和新技術(shù)的出現(xiàn)，平臺(tái)的可擴(kuò)展性和未來升級(jí)能力成為關(guān)鍵考量。解決方案如下。

一是使用開源和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)：選擇開源解決方案和遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以便將來的技術(shù)升級(jí)和擴(kuò)展。二是預(yù)留擴(kuò)展接口：在平臺(tái)設(shè)計(jì)初期就要預(yù)留出可擴(kuò)展接口，方便將來添加新功能或集成新技術(shù)。

6 結(jié)語

本文深入探討了大型集中式光伏電站在當(dāng)前快速發(fā)展背景下，面臨的安全管理挑戰(zhàn)以及實(shí)施安全管控一體化平臺(tái)的重要性。通過案例分析和理論探討，確定了一體化安全管理平臺(tái)在提高安全性、效率，以及降低成本方面的顯著優(yōu)勢(shì)。一體化安全管理平臺(tái)對(duì)于大型集中式光伏電站來說是一種創(chuàng)新且必要的解決方案。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和能源行業(yè)對(duì)安全性要求的提高，這樣的平臺(tái)將成為未來光伏電站安全管理的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，建議業(yè)界持續(xù)關(guān)注并投資于相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)在政策和規(guī)范方面提供更多支持，以推動(dòng)一體化安全管理平臺(tái)的廣泛應(yīng)用和不斷完善。