風光互補發電系統多作為獨立的供電系統，用于遠離電網的地區。如部隊的邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路和鐵路的信號站、地質勘探和野外考察的工作站、偏遠山區及海島。

神華集團神朔鐵路分公司神木北站位于陜西省神木縣，由于車站為已投入多年運用站場，且鐵路運輸工作異常繁忙，基本上為列車全時段占道站場，因此常規的視頻監控供電及數據傳輸方式在神木北站中，無法順利實現。

本文根據站臺值班監控工程的供電要求，結合站臺實際情況，本著風能和太陽能綜合利用的思想，設計了風光互補供電系統和攝像監控系統，系統采用風光互補供發電方式為攝像機及網絡設備供電；此外因監控地點處于站場中間，無法進行跨鐵路布線操作，故視頻數據無法傳輸，因此采用無線網橋設備和技術將視頻數據傳輸到遠端監控中心進行處理，同時還可以對攝像頭進行遠程控制。系統基本能滿足所需具體要求，基本達到了預期目的。

系統總體組成

神木縣位于陜西省北部榆林地區，當地多年年均氣象資源參數如表1所示：

表1 神木縣各種氣象資源參數情況

• 氣候狀況：神木縣位于東經110度10分--110度11分，北緯38度49分--38度50分之間。
• 風力：神木縣風能儲量巨大，風能資源總儲量為1.5億千瓦，可開發量在4000萬千瓦以上，年平均風速在3.5米/秒以上，高于全國平均水平，同時風力分布均勻，無破壞性風力記錄，非常適合發展風力發電項目。
• 日照：年平均日照時數為4530小時，日照百分率平均69%，5月份多達78%。

根據神木的太陽能資源和風力資源情況，系統實際配置如圖1所示，該系統為一個獨立的風光互補發電及無線數據傳輸攝像監控系統。

圖1 風光互補攝像監控系統構成

圖1中，風光互補發電子系統主要由風機、太陽電池板、充放電控制器、免維護鉛酸蓄電池、燈桿、光源等組成。太陽能電池板安裝在燈桿支架上，太陽能電池板利用光伏效應發電，并給蓄電池充電；當風力達到風力發電機組的切入風速時，風力發電機組開始給蓄電池充電；控制器控制蓄電池的充放電，蓄電池為貯能元件，能為無線數據傳輸攝像監控子系統提供穩定的輸出電壓。

無線數據傳輸攝像監控子系統由攝像監控系統主要由監控中心、數據傳輸、前端監控三部分組成，入圖2所示。前端監控主要包括智能監控模塊、通信傳輸模塊、攝像機等部分組成。

圖2 無線網絡組網示意圖

風光互補子系統選型

風力發電是利用風機將風能轉化為機械能，然后通過發電機將機械能轉換為電能，通常小型風力發電機采用永磁材料制成，具有體積小、發電效率高等特點，輸出三相交流電，經過三相整流橋整流后變為直流電，輸出功率受風速影響。而光伏發電是利用光伏陣列的光電效應將光能轉換為電能，光伏陣列輸出為直流電，其輸出電壓、電流隨著光照強度和所接負載而變化。

二者發出的電能經控制器處理后可向直流負載供電，通過充電控制器對蓄電池充電將電能儲存，或經逆變器逆變后向交流負載供電。圖3所示為風光互補發電系統的構成框圖，圖中各部分作用如下：

圖3 風光互補發電系統構成框圖

• 太陽能組件：由多個光伏板組成方陣，將光能變成電能，可單個或多個光伏板聯接供電；
• 風機：將風能變成電能，與太陽能電池板協同工作；
• 風光互補控制器：控制蓄電池的充、放電電流和電壓。快速、平穩、高效地為蓄電池充電，減少充電過程中的損耗，避免蓄電池過充電和過放電現象的發生，盡量延長蓄電池的使用壽命；控制蓄電池放電水平，保證負載工作有較穩定的直流電壓。提供標準通信和報警端口；
• 蓄電池組：將太陽能電池板或風力發電機發出的直流電貯能起來，供負載使用；
• 逆變器：將蓄電池放電電壓由直流逆變為交流220VAC（該端口為預留端口）。

1 負載功率計算

采用風光互補供電的主要用電設備為攝像機（含雨刷器、云臺等），額定工作電壓為24VDC。根據攝像機的使用特點，其負荷計算如下：

1）一般情況下，攝像機以某一方位實時監視為主，此時負荷組額定功率按10W計；

2）運行遙控云臺時，負荷組最大功率按60W計，云臺每天運行時間按不超過30min計；

3）系統全天功耗為：10W×23.5h+60W × 0.5h=0.265kWh。

假設設備安裝區域太陽能全年的平均有效利用時間為4h，低速（按可工作風速3m／s）風力平均有效利用時間為5h，既無可用風力也無可用光能的最不利連續時間為5天。

考慮太陽能組件設備的系統損耗和衰減率，取可靠系數1.4，綜合考慮最不利因素，太陽能電池板的功率應為：265kWh×1.4 × 5／4h=463.75W。因此選擇額定功率480W的太陽能電池板。

考慮風力發電組件設備的系統損耗和衰減率，取可靠系數1.4。綜合考慮最不利因素，風力發電機的功率應為：0.265kWh×1.4×5／5h=371W。因此選擇額定功率400W的風力發電機。

系統平均電流為：0.265kWh／（24h×24V）=0.46A。考慮蓄電池的放電效率和衰減率，取可靠系數3.5。綜合考慮最不利因素，蓄電池的額定容量應為：0.46A×3.5×24h× 5=193.2AH。因此選擇額定容量200 AH的蓄電池組。

2 部件選型

1）風力發電機組：型號為：24V/400W。風力葉片由超高強度的工程塑料精密注塑成型，發電機采用優質高強永磁材料，體積小、重量輕而且發電效率極高。同時利用葉片失速及電磁制動，限制風輪最高轉速；利用電磁制動防止發電機過載；輸電方式采用集電環導電，保證電纜不纏繞、不扭斷，確保風力發電機安裝方便、運行安全。

2）太陽能電池板：型號為CRMD120，兩塊串聯組成，在太陽光的照射下將太陽能轉換成電能輸出，是整個光伏系統的核心部件。太陽能電池板技術指標達到行業的領先水平，使用壽命25年以上。

3）充放電控制器：功率等級為24V/400W，對蓄電池充放電條件加以規定和控制，并按照負載的需求控制蓄電池對負載的電能輸出，是整個系統的核心控制部分。本控制器采用微電腦芯片控制，通過對蓄電池的電壓、環境溫度、太陽能電池板的電壓等參數的檢測判斷，控制各項功能動作的開通與關斷。太陽能和風力機組的充電方式都采用微處理器和PWM脈寬調制充電方式，高效率地實現風能和太陽能對蓄電池的充電。

控制器具有蓄電池過充電、過放電保護；夜間防反充保護，太陽電池反接保護、風力機組的限速保護等保護功能，控制器使用壽命為8年。

4）免維護鉛酸蓄電池：功率等級為12V/200AH，兩塊串聯組成，然后再并聯。其作用是將太陽電池和風機產生的電能貯存起來，夜晚將貯存的電能釋放以滿足負載的能量需求，它是整個系統的貯能部件。本系統采用免維護鉛酸蓄電池，具有效率高、使用方便、免維護、自放電小、壽命長的特點。本系統選用國內知名品牌蓄電池，使用壽命5年以上。

5）燈桿：采用優質鋼材焊接而成，設計抗風強度為10級以上，采用表面熱鍍鋅＋噴塑處理防腐工藝，既美觀，又能耐腐蝕、耐老化，能保證15年燈桿顏色不變色，使用壽命20年以上。

對于系統配置的計算結合了當地的氣象條件，能保證系統滿足在任何季節都能滿足負載用電的要求。

無線數據傳輸攝像監控子系統選型

攝像監控系統主要由監控中心、數據傳輸、前端監控三部分組成，前端監控主要包括智能監控模塊、通信傳輸模塊、網絡攝像機等。

圖4 前端監控點(SU)設備

圖5 中心端監控中心(AU)設備

站臺SU端（圖4）放置1臺網絡攝像機，網絡攝像機將拍攝到的圖像轉換成數字方式傳遞到無線網絡上，無線網絡再通過車站的值班室網絡接入到公司局域網內。在神朔公司大樓機房安裝中心端監控中心（AU）設備（圖5），在視頻服務器安裝視頻服務軟件，通過視頻服務軟件管理視頻的瀏覽、使用等權限。

1無線傳輸設備性能指標

無線傳輸采用以色列奧維通的5.8GHZ點對多點無線接入系統，主要技術性能如下：

（1）提供了出色的非視距大容量點對多點接入能力，使用5GHz頻段：5.725—5.850GHz、5.470—5.725GHz、5.150—5.350GHz和4.900-5.100 GHz ；

（2）采用OFDM(正交頻分多路復用)技術，確保高速數據速率、頻譜利用率，并有優異的抗干擾和多路徑效應的能力自適應調制方式（BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM）；

（3）提供10MHz/20MHz的信道帶寬 ；

（4）采用10/100 BaseT接口 ；

（5）支持多種CPE速率：6Mbps和54Mbps ；

（6）支持自動發射功率控制(ATPC) ；

（7）提供了高級的接入特性組合，其中包括QoS，安全性與全面的管理能力；

（8）靈活的設計，有機架型和獨立型兩款基站型號可供選擇，可部署于使用不同天線的多扇區組網；

（9）支持基于SNMP的配置和管理；

（10）提供無線軟件更新與配置上載/下。

根據神木北站情況，在中心端采用獨立接入單元，包括一個小型室內單元、抱桿安裝的室外單元和一面120度扇區天線；客戶端采用集成天線的支持高達54M帶寬的多用戶單元。

2 網絡攝像機性能指標

網絡攝像機采用5寸中速智能網絡球機，各項性能指標如下。

系統功能: 采用1/4"索尼高性能CCD, 圖像清晰；精密電機驅動, 反應靈敏, 運轉平穩, 精度偏差少于0.1度, 在任何速度下圖像無抖動；支持RS-485控制下對HIKVISION、Pelco-P/D協議的自動識別；支持多語言菜單及操作提示功能, 用戶界面友好；支持數據斷電不丟失；支持斷電狀態記憶功能, 上電后自動回到斷電前的云臺和鏡頭狀態；支持光纖模塊接入；支持內置溫度感應器, 可顯示機內溫度；支持防雷、防浪涌、防突波；室外球達到IP66防護等級。

機芯功能: 支持自動光圈、自動聚焦、自動白平衡、背光補償和低照度（彩色/黑白）自動/手動轉換功能。

云臺功能: 水平方向360°連續旋轉, 垂直方向-5°-185°, 無監視盲區；水平預置點速度最高可達150°/s, 垂直預置點速度最高可達100°/s；水平鍵控速度為0.1°-150°/s, 垂直鍵控速度為0.1°-100°/s；支持比例變倍功能, 旋轉速度可以根據鏡頭變倍倍數自動調整。

網絡功能: 采用H.264視頻壓縮算法和TI高性價比的最新達芬奇處理芯片和平臺, 性能可靠穩定；支持以太網控制, 同時支持模擬接入；可通過IE瀏覽器和客戶端軟件觀看圖像并實現控制；支持多種網絡協議, TCP/IP、HTTP、DHCP、DNS、RTP/RTCP、PPPoE（FTP、SMTP、NTP、SNMP可添加）。

結論

如何解決已建站場和困難地段的供電問題，以及如何解決視頻監控數據傳輸問題，是目前鐵路單位所面臨的一個實際問題。本文通過對陜西神木縣當地氣象環境資源的統計，設計了風光互補供電攝像監控系統，并對系統所需部件進行了計算選型。

系統采用風光互補的方式對攝像監控設備進行供電，采用無線傳輸的方式將視頻數據傳輸到遠端監控中心進行處理。系統基本能滿足現場要求，達到了預期目的，圖6和圖7分別為系統外觀和監控截屏圖像。該系統為相關單位提供了解決類似問題的參考依據。

圖6 風光互補供電攝像監控系統現場外觀

圖7 實際監控截屏圖像

（本文選編自《電氣技術》，原文標題為“風光互補供電攝像監控系統研究”，作者為張青。）