隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通、管道、工廠、住房等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加快，吊機(jī)、高臂泵車(chē)等高大機(jī)械在輸電線路保護(hù)區(qū)內(nèi)違規(guī)施工經(jīng)常發(fā)生，給輸電線路的安全運(yùn)行造成較大威脅，通過(guò)在危險(xiǎn)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝視頻監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)情況的實(shí)時(shí)掌控，減輕巡視人員的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作量，有效地防止了線路外力破壞事故發(fā)生。

由于危險(xiǎn)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的可變性、不可控性以及線路的重要性，并且避免產(chǎn)生夜間監(jiān)控盲點(diǎn)，則要求全天候視頻監(jiān)控系統(tǒng)能24小時(shí)不間斷的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，使后臺(tái)監(jiān)控中心全面掌握危險(xiǎn)點(diǎn)動(dòng)態(tài)情況。但根據(jù)多年的運(yùn)行情況來(lái)看，電源供電不足一直是裝置穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸。

目前輸電線路視頻監(jiān)控裝置通常采用的供電方式主要是太陽(yáng)能供電，供電裝置由太陽(yáng)能板和蓄電池組成，具有安裝便捷和投資少、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但由于有些地區(qū)光照不足，單純的太陽(yáng)能供電無(wú)法保證視頻裝置24小時(shí)監(jiān)控作業(yè)，并且連續(xù)的陰雨天氣使供電中斷影響設(shè)備正常作業(yè)。

220V低壓線供電方式也有采用，通過(guò)在桿塔附近的配變支接一條220V低壓線直接延伸至塔頂接入視頻裝置實(shí)現(xiàn)供電，供電穩(wěn)定性滿(mǎn)足設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，但建設(shè)費(fèi)用較大以及受雷雨天氣影響而造成供電中斷。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)作為輸電線路全天候視頻監(jiān)控裝置和通信裝置的電源，充分利用太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上的互補(bǔ)性，夜間和陰雨天無(wú)陽(yáng)光時(shí)由風(fēng)能發(fā)電，晴天由太陽(yáng)能發(fā)電，在既有風(fēng)又有太陽(yáng)的情況下兩者同時(shí)發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)了全天候的發(fā)電功能，保證視頻監(jiān)控系統(tǒng)的全天候以及在連續(xù)陰雨天持續(xù)運(yùn)行。

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和太陽(yáng)電池組件共同構(gòu)成的能夠?qū)L(fēng)的動(dòng)能和太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換為電能的混合發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)以自然風(fēng)作為動(dòng)力，風(fēng)輪吸收風(fēng)的能量，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪及風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。

太陽(yáng)能發(fā)電利用光生伏打效應(yīng)原理制成，將太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)電池組件、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池組、逆變器等部件組成。

白天在太陽(yáng)的照射下，光伏發(fā)電部分利用太陽(yáng)能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對(duì)蓄電池充電。而風(fēng)力發(fā)電部分是利用風(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)控制器對(duì)蓄電池充電，當(dāng)蓄電池處于充滿(mǎn)。

蓄電池組是風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，在系統(tǒng)中同時(shí)起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用，在風(fēng)力、日照充足的條件下，可以存儲(chǔ)供給負(fù)載后多余的電能；在風(fēng)力、日照不佳的情況下輸出電能給負(fù)載。

風(fēng)光互補(bǔ)控制器的功能是根據(jù)太陽(yáng)光的強(qiáng)弱、風(fēng)力的大小及負(fù)荷的變化情況，實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，保障系統(tǒng)在充電、放電及浮充電等的交替運(yùn)行，確保發(fā)電系統(tǒng)工作的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性。

逆變器把蓄電池中的直流電變成對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)如24V交流電，保證交流電負(fù)載設(shè)備的正常使用。同時(shí)還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力和太陽(yáng)輻射變化情況，可以在以下三種模式下運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單獨(dú)向負(fù)載供電；光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電。

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)滿(mǎn)足輸電線路全天候視頻監(jiān)控系統(tǒng)24小時(shí)以及在連續(xù)陰雨天下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，首先確定視頻監(jiān)控系統(tǒng)的各負(fù)載需求，從而計(jì)算蓄電池容量和系統(tǒng)發(fā)電功率，確定系統(tǒng)需要的蓄電池?cái)?shù)量和組裝方式；然后根據(jù)系統(tǒng)總發(fā)電功率來(lái)確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池組的發(fā)電功率、型號(hào)，最后確定風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)各組成部分在輸電桿塔上的安裝位置和組裝方案。系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)架構(gòu)圖

1 確定負(fù)載需求

輸電線路全天候視頻監(jiān)控系統(tǒng)由紅外攝像機(jī)（日夜兩用）和控制云臺(tái)、通信裝置、風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)組成。紅外夜視攝像頭采用SONY SNC-CH140百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)高清紅外夜視攝像頭，通過(guò)DVS云臺(tái)(帶雨刷)控制，通信方式采用無(wú)線MESH與OPGW開(kāi)接結(jié)合傳輸；

通信裝置為板式的無(wú)線MESH發(fā)送天線，通過(guò)網(wǎng)線與紅外攝像頭并排安裝在塔頂，將視頻數(shù)據(jù)無(wú)法發(fā)送至遠(yuǎn)處OPGW開(kāi)接點(diǎn)的無(wú)線MESH接收裝置，由OPGW光纜傳輸至輸電線路監(jiān)控中心展示；

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的用電負(fù)載為紅外攝像機(jī)和控制云臺(tái)、無(wú)線MESH裝置，其中紅外攝像頭的工作電壓為AC 24V，工作功率為15W；控制云臺(tái)DVS和無(wú)線MESH裝置的工作電壓DC 12V供電，工作功率分別為60W和5W。監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備負(fù)載要求在沒(méi)有任何外來(lái)能源的情況下能夠連續(xù)正常工作7天。負(fù)載供電需求見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備功耗

2 蓄電池組設(shè)計(jì)

蓄電池的配置與充電的控制是風(fēng)光互補(bǔ)應(yīng)用的關(guān)鍵。蓄電池的容量由蓄電池單獨(dú)工作天數(shù)、每天放電量、蓄電池要有足夠的容量和自身漏掉的電能等因素決定。在特殊氣候條件下，蓄電池允許放電達(dá)到蓄電池所剩容量占正常額定容量的20%。

對(duì)于每天負(fù)載穩(wěn)定且要求不高的場(chǎng)合，日放電周期深度可限制在蓄電池所剩容量占額定容量的80%，在選蓄電池容量時(shí)，只要蓄電池容量大于太陽(yáng)能發(fā)電板峰值電流的25倍，則蓄電池在充電時(shí)就不會(huì)造成失水。

隨著電池使用時(shí)間的增長(zhǎng)及電池溫度的升高，自放電率會(huì)增加。對(duì)于新的電池自放電率通常小于容量的5%，但對(duì)于舊的質(zhì)量不好的電池，自放電率可增至每月10%～15%。系統(tǒng)配置蓄電池的容量需滿(mǎn)足在無(wú)風(fēng)、陰雨天情況下至少維持7天對(duì)設(shè)備供電，蓄電池按照24V設(shè)計(jì)，蓄電池放電容量70%，逆變器效率按90%考慮，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備負(fù)載電力需求計(jì)算蓄電池所需容量：

• 紅外攝像機(jī)：A=7d×360W·h/0.9/(24V*0.7)≈112A·h
• 攝像機(jī)云臺(tái)：B=7d×240W·h/(12V*0.7)≈200A·h
• 無(wú)線MESH發(fā)送裝置：C=7d×120W·h/(12V*0.7)≈100A·h

因此，蓄電池容量為A+B+C=412 A·h, 為滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，則用單節(jié)電壓12V的蓄電池進(jìn)行串聯(lián)，每塊電池容量為 225 A·h/12 V ，共配置4節(jié)225Ah/12V蓄電池，累計(jì)容量為450Ah/24V并用2組蓄電池并聯(lián)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全。

3 發(fā)電功率計(jì)算

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電功率除要帶額定負(fù)載外，還要完成對(duì)蓄電池的充電，風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)電功率需要滿(mǎn)足額定負(fù)載容量。系統(tǒng)配置充電控制器按照24V設(shè)計(jì)，效率按90%考慮, 得出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電功率為236W。

4 風(fēng)力發(fā)電組件

風(fēng)力發(fā)電組件選用一體化垂直風(fēng)輪發(fā)電單元，由立柱、風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、軸承等組成。整套風(fēng)力發(fā)電單元只有風(fēng)輪一個(gè)活動(dòng)部件，采用永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)組，包括感應(yīng)繞組、發(fā)電感應(yīng)磁極。沒(méi)有轉(zhuǎn)向、碳刷等易耗、易損部件，使用壽命顯著延長(zhǎng)。使用垂直式，在2m/s—60m/s風(fēng)速都可安全使用。渦輪型風(fēng)葉造型，能達(dá)到空間360度受風(fēng)，在微風(fēng)和臺(tái)風(fēng)天氣下都可以正常發(fā)電。

系統(tǒng)需要236W發(fā)電功率。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力情況，通常情況下風(fēng)力無(wú)法達(dá)到風(fēng)機(jī)的額定運(yùn)行風(fēng)速，配置1臺(tái)額定功率400W/24V的風(fēng)力發(fā)電組件，以滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。

5 太陽(yáng)能組件

太陽(yáng)能光伏電池陣列的功率輸出能力與其面積大小密切相關(guān)，面積越大，在相同光照條件下的輸出功率也越大。太陽(yáng)電池方陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證組件與支架的連接牢固可靠，并能方便地更換太陽(yáng)電池組件。組件應(yīng)安裝在可以調(diào)節(jié)傾角、有防腐蝕措施的支架上，確保安裝牢固。支架應(yīng)能夠保證正確的方位和角度，以使其能夠獲得最大的發(fā)電量。

系統(tǒng)需要236W發(fā)電功率。為最大利用太陽(yáng)照射時(shí)間內(nèi)的發(fā)電，能以較短的時(shí)間給蓄電池組充電。配置4組額定功率100W/24V的太陽(yáng)能發(fā)電組件，以滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。

6 風(fēng)光智能控制器

控制器整機(jī)與風(fēng)力、太陽(yáng)能的發(fā)電充電電路需要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。采用最大功率跟蹤技術(shù)，最大限度地把風(fēng)力、太陽(yáng)能的發(fā)電轉(zhuǎn)換為蓄電池充電電流。控制器具有風(fēng)力發(fā)電充電輸人端、光伏充電電路輸人端、蓄電池接線端、逆變器接線端，具有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)載、開(kāi)路、短路、反接、防反放電、過(guò)熱等一系列報(bào)警和保護(hù)功能。

系統(tǒng)設(shè)定25V為啟動(dòng)電壓，當(dāng)電壓低于25V時(shí)，輸出系統(tǒng)處于欠壓狀態(tài)，不向負(fù)載輸送電能，避免蓄電池因過(guò)放電而損壞。當(dāng)蓄電池充滿(mǎn)飽和時(shí)，控制器將控制風(fēng)機(jī)發(fā)電。

7 正弦波逆變器

正弦波逆變器用于將蓄電池直流電逆變轉(zhuǎn)換成正弦波交流電輸出，供應(yīng)紅外攝像機(jī)電源。逆變器具備欠壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)、極性反接保護(hù)、雷電保護(hù)功能，自帶顯示單元，可顯示逆變器輸出電壓、電流、功率，運(yùn)行狀態(tài)、異常報(bào)警等各項(xiàng)電氣參數(shù)，通過(guò)無(wú)線MESH傳輸至OPGW開(kāi)接點(diǎn)傳輸至線路監(jiān)控中心，監(jiān)控人員可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

8 系統(tǒng)防雷

為了保證系統(tǒng)在雷雨等惡劣天氣下能夠安全運(yùn)行，要對(duì)這套系統(tǒng)采取防雷措施。主要有以下幾個(gè)方面：

（1）地線是避雷、防雷的關(guān)鍵，在進(jìn)行設(shè)備安裝固定時(shí)，需要采用專(zhuān)用接地線引出，并用降阻劑與接地點(diǎn)可靠連接，接地電阻應(yīng)小于4歐姆。

（2）風(fēng)力發(fā)電組件、太陽(yáng)能組件的支架應(yīng)保證良好的接地。接地螺栓應(yīng)通過(guò)降阻劑與接地點(diǎn)可靠連接，接地電阻應(yīng)小于4歐姆。

（3）直流輸出端、正弦波逆變器交流輸出端，應(yīng)采用二級(jí)防雷保護(hù)。

9 系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)在桿塔上的安裝要求為安裝簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，安裝位置不影響輸電線路日常的運(yùn)行維護(hù)。系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電組件、太陽(yáng)能發(fā)電組件，蓄電池和控制設(shè)備組成。

風(fēng)機(jī)的安裝位置要求滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電的最小風(fēng)速，滿(mǎn)足葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)和風(fēng)機(jī)360度旋轉(zhuǎn)，并且不影響線路檢修工作，因此風(fēng)機(jī)安裝位置選定在在桿塔第一個(gè)橫擔(dān)（高度為24米）中間平臺(tái)(兩根塔材十字連接)上，具體見(jiàn)圖2。

考慮風(fēng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)縱向和橫向受力不影響設(shè)備運(yùn)行時(shí)的牢固性，避免對(duì)塔材產(chǎn)生扭扭矩作用而影響桿塔的穩(wěn)定性，將兩塊60×60的鋼板用U型螺栓固定在平臺(tái)塔材上，風(fēng)機(jī)固定在鋼板上，使風(fēng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)作，對(duì)桿塔運(yùn)行沒(méi)有影響。

圖2 風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

太陽(yáng)能發(fā)電組件由安裝支架和四塊80×30的太陽(yáng)能板組成，支架固定在朝南方向的桿塔主材上，太陽(yáng)能板固定在支架上，兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)至主控箱，最大限度利用太陽(yáng)能發(fā)電。

四塊蓄電池分兩組分別疊加在兩個(gè)鍍鋅的鐵箱子內(nèi)，蓄電池之間有鋼板隔開(kāi)，其中一個(gè)鐵箱作為主機(jī)箱，即風(fēng)光智能控制器和逆變器等設(shè)備放在機(jī)箱內(nèi)，控制系統(tǒng)的輸入輸出和發(fā)電模式的切換。

由于太陽(yáng)能板和支架尺寸以及蓄電池箱重量較大，兩部分的安裝位置在桿塔9米處的平臺(tái)上。為避免線纜腐蝕以及受干擾，設(shè)備之間的連接線以及供設(shè)備的電纜穿過(guò)PVC管，固定在塔材上。

結(jié)束語(yǔ)

采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)對(duì)輸電線路危險(xiǎn)點(diǎn)全天候視頻監(jiān)控系統(tǒng)供電，目前已成功應(yīng)用在嘉興地區(qū)王煙4458線32#塔處重大危險(xiǎn)點(diǎn)(導(dǎo)線下嘉紹高速施工)監(jiān)控中。

根據(jù)幾個(gè)月的系統(tǒng)應(yīng)用情況，風(fēng)光互補(bǔ)供電方式滿(mǎn)足視頻監(jiān)控系統(tǒng)24小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，并且不受陰雨天氣影響能連續(xù)運(yùn)行，未出現(xiàn)供電中斷現(xiàn)象，表明風(fēng)能和太陽(yáng)能具備良好的互補(bǔ)特性，相比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性；在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量，以及可以更好保護(hù)電池，延長(zhǎng)蓄電池壽命,減少后期維護(hù)工作量。

本文編自《電氣技術(shù)》，作者為曾東、杜俊杰 等。