隨著經濟快速發展，交通、管道、工廠、住房等基礎設施建設不斷加快，吊機、高臂泵車等高大機械在輸電線路保護區內違規施工經常發生，給輸電線路的安全運行造成較大威脅，通過在危險點現場安裝視頻監控裝置實現危險點現場動態情況的實時掌控，減輕巡視人員的現場監控工作量，有效地防止了線路外力破壞事故發生。

由于危險點現場的可變性、不可控性以及線路的重要性，并且避免產生夜間監控盲點，則要求全天候視頻監控系統能24小時不間斷的持續穩定運行，使后臺監控中心全面掌握危險點動態情況。但根據多年的運行情況來看，電源供電不足一直是裝置穩定運行的瓶頸。

目前輸電線路視頻監控裝置通常采用的供電方式主要是太陽能供電，供電裝置由太陽能板和蓄電池組成，具有安裝便捷和投資少、環保等優點，但由于有些地區光照不足，單純的太陽能供電無法保證視頻裝置24小時監控作業，并且連續的陰雨天氣使供電中斷影響設備正常作業。

220V低壓線供電方式也有采用，通過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現供電，供電穩定性滿足設備持續穩定運行，但建設費用較大以及受雷雨天氣影響而造成供電中斷。

為解決上述問題，設計了風光互補供電系統作為輸電線路全天候視頻監控裝置和通信裝置的電源，充分利用太陽能與風能在時間上和地域上的互補性，夜間和陰雨天無陽光時由風能發電，晴天由太陽能發電，在既有風又有太陽的情況下兩者同時發揮作用，實現了全天候的發電功能，保證視頻監控系統的全天候以及在連續陰雨天持續運行。

風光互補供電系統結構及原理

風光互補供電系統是由風力發電機組和太陽電池組件共同構成的能夠將風的動能和太陽的光能轉換為電能的混合發電系統。風力發電機以自然風作為動力，風輪吸收風的能量，驅動風輪及風力發電機旋轉，將風能轉換為電能。

太陽能發電利用光生伏打效應原理制成，將太陽輻射能量直接轉換成電能。風光互補發電系統由風力發電機、太陽電池組件、風光互補控制器、蓄電池組、逆變器等部件組成。

白天在太陽的照射下，光伏發電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，然后對蓄電池充電。而風力發電部分是利用風機將風能轉換為機械能，通過風力發電機將機械能轉換為電能，再通過風光互補控制器對蓄電池充電，當蓄電池處于充滿。

蓄電池組是風光互補供電系統的儲能元件，在系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用，在風力、日照充足的條件下，可以存儲供給負載后多余的電能；在風力、日照不佳的情況下輸出電能給負載。

風光互補控制器的功能是根據太陽光的強弱、風力的大小及負荷的變化情況，實時對蓄電池的工作狀態進行控制和調節，保障系統在充電、放電及浮充電等的交替運行，確保發電系統工作的連續性、穩定性和可靠性。

逆變器把蓄電池中的直流電變成對應電壓等級如24V交流電，保證交流電負載設備的正常使用。同時還具有自動穩壓功能，可改善風光互補發電系統的供電質量。

風光互補發電系統根據風力和太陽輻射變化情況，可以在以下三種模式下運行：風力發電機組單獨向負載供電；光伏發電系統單獨向負載供電；風力發電機組和光伏發電系統聯合向負載供電。

風光互補供電系統的設計

設計滿足輸電線路全天候視頻監控系統24小時以及在連續陰雨天下持續穩定運行的風光互補供電系統，首先確定視頻監控系統的各負載需求，從而計算蓄電池容量和系統發電功率，確定系統需要的蓄電池數量和組裝方式；然后根據系統總發電功率來確定風力發電機和太陽能電池組的發電功率、型號，最后確定風光互補供電系統各組成部分在輸電桿塔上的安裝位置和組裝方案。系統總體架構見圖1。

圖1 風光互補供電系統架構圖

1 確定負載需求

輸電線路全天候視頻監控系統由紅外攝像機（日夜兩用）和控制云臺、通信裝置、風光互補系統組成。紅外夜視攝像頭采用SONY SNC-CH140百萬像素網絡高清紅外夜視攝像頭，通過DVS云臺(帶雨刷)控制，通信方式采用無線MESH與OPGW開接結合傳輸；

通信裝置為板式的無線MESH發送天線，通過網線與紅外攝像頭并排安裝在塔頂，將視頻數據無法發送至遠處OPGW開接點的無線MESH接收裝置，由OPGW光纜傳輸至輸電線路監控中心展示；

風光互補供電系統的用電負載為紅外攝像機和控制云臺、無線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DVS和無線MESH裝置的工作電壓DC 12V供電，工作功率分別為60W和5W。監控系統各設備負載要求在沒有任何外來能源的情況下能夠連續正常工作7天。負載供電需求見表1。

表1 監控系統各設備功耗

2 蓄電池組設計

蓄電池的配置與充電的控制是風光互補應用的關鍵。蓄電池的容量由蓄電池單獨工作天數、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，蓄電池允許放電達到蓄電池所剩容量占正常額定容量的20%。

對于每天負載穩定且要求不高的場合，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，只要蓄電池容量大于太陽能發電板峰值電流的25倍，則蓄電池在充電時就不會造成失水。

隨著電池使用時間的增長及電池溫度的升高，自放電率會增加。對于新的電池自放電率通常小于容量的5%，但對于舊的質量不好的電池，自放電率可增至每月10%～15%。系統配置蓄電池的容量需滿足在無風、陰雨天情況下至少維持7天對設備供電，蓄電池按照24V設計，蓄電池放電容量70%，逆變器效率按90%考慮，根據監控系統各設備負載電力需求計算蓄電池所需容量：

• 紅外攝像機：A=7d×360W·h/0.9/(24V*0.7)≈112A·h
• 攝像機云臺：B=7d×240W·h/(12V*0.7)≈200A·h
• 無線MESH發送裝置：C=7d×120W·h/(12V*0.7)≈100A·h

因此，蓄電池容量為A+B+C=412 A·h, 為滿足系統要求，則用單節電壓12V的蓄電池進行串聯，每塊電池容量為 225 A·h/12 V ，共配置4節225Ah/12V蓄電池，累計容量為450Ah/24V并用2組蓄電池并聯以保證系統穩定安全。

3 發電功率計算

系統正常運行時，發電功率除要帶額定負載外，還要完成對蓄電池的充電，風力發電、太陽能發電的發電功率需要滿足額定負載容量。系統配置充電控制器按照24V設計，效率按90%考慮, 得出風光互補發電功率為236W。

4 風力發電組件

風力發電組件選用一體化垂直風輪發電單元，由立柱、風輪、發電機、軸承等組成。整套風力發電單元只有風輪一個活動部件，采用永磁無刷發電機組，包括感應繞組、發電感應磁極。沒有轉向、碳刷等易耗、易損部件，使用壽命顯著延長。使用垂直式，在2m/s—60m/s風速都可安全使用。渦輪型風葉造型，能達到空間360度受風，在微風和臺風天氣下都可以正常發電。

系統需要236W發電功率。根據現場風力情況，通常情況下風力無法達到風機的額定運行風速，配置1臺額定功率400W/24V的風力發電組件，以滿足系統需要。

5 太陽能組件

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

系統需要236W發電功率。為最大利用太陽照射時間內的發電，能以較短的時間給蓄電池組充電。配置4組額定功率100W/24V的太陽能發電組件，以滿足系統需要。

6 風光智能控制器

控制器整機與風力、太陽能的發電充電電路需要符合相應的標準和要求。采用最大功率跟蹤技術，最大限度地把風力、太陽能的發電轉換為蓄電池充電電流。控制器具有風力發電充電輸人端、光伏充電電路輸人端、蓄電池接線端、逆變器接線端，具有過充、過放、過載、開路、短路、反接、防反放電、過熱等一系列報警和保護功能。

系統設定25V為啟動電壓，當電壓低于25V時，輸出系統處于欠壓狀態，不向負載輸送電能，避免蓄電池因過放電而損壞。當蓄電池充滿飽和時，控制器將控制風機發電。

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換成正弦波交流電輸出，供應紅外攝像機電源。逆變器具備欠壓保護、過電流保護、短路保護、極性反接保護、雷電保護功能，自帶顯示單元，可顯示逆變器輸出電壓、電流、功率，運行狀態、異常報警等各項電氣參數，通過無線MESH傳輸至OPGW開接點傳輸至線路監控中心，監控人員可實時遠程監控。

8 系統防雷

為了保證系統在雷雨等惡劣天氣下能夠安全運行，要對這套系統采取防雷措施。主要有以下幾個方面：

（1）地線是避雷、防雷的關鍵，在進行設備安裝固定時，需要采用專用接地線引出，并用降阻劑與接地點可靠連接，接地電阻應小于4歐姆。

（2）風力發電組件、太陽能組件的支架應保證良好的接地。接地螺栓應通過降阻劑與接地點可靠連接，接地電阻應小于4歐姆。

（3）直流輸出端、正弦波逆變器交流輸出端，應采用二級防雷保護。

9 系統安裝設計

風光互補供電系統在桿塔上的安裝要求為安裝簡單，便于維護，安裝位置不影響輸電線路日常的運行維護。系統由風力發電組件、太陽能發電組件，蓄電池和控制設備組成。

風機的安裝位置要求滿足風力發電的最小風速，滿足葉片的轉動和風機360度旋轉，并且不影響線路檢修工作，因此風機安裝位置選定在在桿塔第一個橫擔（高度為24米）中間平臺(兩根塔材十字連接)上，具體見圖2。

考慮風機高速轉動時縱向和橫向受力不影響設備運行時的牢固性，避免對塔材產生扭扭矩作用而影響桿塔的穩定性，將兩塊60×60的鋼板用U型螺栓固定在平臺塔材上，風機固定在鋼板上，使風機平穩運作，對桿塔運行沒有影響。

圖2 風機現場安裝圖

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

四塊蓄電池分兩組分別疊加在兩個鍍鋅的鐵箱子內，蓄電池之間有鋼板隔開，其中一個鐵箱作為主機箱，即風光智能控制器和逆變器等設備放在機箱內，控制系統的輸入輸出和發電模式的切換。

由于太陽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米處的平臺上。為避免線纜腐蝕以及受干擾，設備之間的連接線以及供設備的電纜穿過PVC管，固定在塔材上。

結束語

采用風光互補系統對輸電線路危險點全天候視頻監控系統供電，目前已成功應用在嘉興地區王煙4458線32#塔處重大危險點(導線下嘉紹高速施工)監控中。

根據幾個月的系統應用情況，風光互補供電方式滿足視頻監控系統24小時穩定運行，并且不受陰雨天氣影響能連續運行，未出現供電中斷現象，表明風能和太陽能具備良好的互補特性，相比單獨風力發電或光伏發電可以獲得比較穩定的輸出，系統有較高的穩定性和可靠性；在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量，以及可以更好保護電池，延長蓄電池壽命,減少后期維護工作量。

本文編自《電氣技術》，作者為曾東、杜俊杰 等。