黄河宁夏段干流水情视频监测站供电系统设计

陈生俊+李硕+王彦兵+苟在明+温晓嵘

摘 要：供电系统是水情视频监测站建设的重要内容。介绍了黄河宁夏段干流水情监测系统建设概况和视频监测站点供电方案设计，并针对无法提供市电电源的视频监测站点，设计采用了风光互补发电系统作为其供电方式，为水情视频监测系统提供可靠、稳定的供电，保障其在全天候条件下不间断地工作。

关键词：水情；视频监测；供电系统；设计

中图分类号：U223.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0111-03

水情视频监测系统必须在全天候条件下，长期不间断地工作，所有的设计都应考虑到高可靠性工作的要求。除了设备本身等因素外，可靠、稳定的电源是水情视频监测站正常工作的必要条件。由于各站点的供电条件和要求差别很大，为了保证高可靠、稳定的供电，需要对水情视频监测点供电系统进行专门的设计。

1 建设概况

为了进一步加强黄河汛情、凌情监测的时效性和准确性，充分发挥自动化建设成果在监测工作中的作用，提高信息采集、传输、处理和防汛、防凌指挥调度决策的时效性和准确性，宁夏水利厅建设覆盖黄河宁夏段397kM干流的全区域水情监测系统。水情视频监测站建设是黄河宁夏段干流水情监测系统工程建设的重要内容。

根据黄河宁夏段干流水情监测系统工程建设规划，新增建设水位视频一体化监测站13处、新增建设视频监测站18处。建成后，黄河宁夏段干流将有自动监测水位站30处，视频监测站48处（其中水位视频一体化监测站30座、视频监测站18座），覆盖黄河宁夏段干流主要工情、险情断面。

2 总体设计

2.1 供电方案设计

根据黄河宁夏段干流水情监测系统工程建设规划，48处视频监测站中，原有11处测站已引入电源，其余37处监测站均需配套建设电源供电系统。各测站的电源供电方式有4种可选方案：（1）由附近泵站、自有管理所、水管机构电缆引入；（2）由附近建筑物、居民住所电缆引入；（3）附近有农电线路、公用供电线路经过的，可以协调相关供电部门采用电缆方式引入；（4）不满足以上引入条件的，建设风光互补发电系统。

经现场实地调研和勘察，确定黄河宁夏段干流水情监测系统工程的供电设计方案如下：（1）测站附近有市电接入资源、可接入市电的站点共19处，按市电接入方式供电；采用KVV-3×2.5mm2电源电缆挖沟埋设的方式实现，埋设深度1.2m（冻土层以下）；经测量，电缆总长度为5980m，最远的测点距离取电点2.1km。（2）其余18处站点无法接入市电，拟采用风光互补供电系统；其中电池组按照2块200AH太阳能发电专用电池配置，风力发电机采用400Wp垂直轴磁悬浮风力发电机，效率35%；太阳能供电采用300W（2×150Wp）单晶硅太阳能电池板发电，效率16.8%。（3）考虑在特殊天气情况下，如无风且阴雨天气条件下供电系统能保障视频监测站3天正常工作。（4）风光互补供电系统能够抗击沙尘暴的影响。（5）风光互补供电系统的电池在塔杆底部埋地安装，埋深1.2m；塔杆底部存放电池的控制器箱采用防盗锁设计。（6）供电系统都加装防雷保护装置。

2.2 风光互补供电系统设计

宁夏回族自治区位于北纬35°14′～39°23′，东经104°17′～107°39′之间，处在中国西部的黄河上游地区，太阳能资源为中级水平，风能资源较为丰富，年日照时数约为2060h，太阳年辐射量5225年MJ/m2，3m/s以上风速时数约为3850h/年。因此，无法提供市电电源的视频监测站点采用风光互补发电系统作为其供电方式是切实可行的。

风光互补供电设计应该考虑：（1）风资源和光资源的不稳定性对风力发电机和太阳能光伏板的发电量有影响，同时每个安装立杆的微观环境不同，风、光资源有不同程度的差异，因此，风力发电机和光伏板的发电量在不同时间也有差异。（2）风力发电机、太阳能光伏板、安装立杆、监控设备必须选择合适的类型，并根据现场勘测实际情况，制定合适方案。

2.2.1 风光互补供电系统设计技术要求。（1）能充分利用风能、太阳能可再生能源，保证常年不间断供电。（2）适用的环境工作条件。温度：-20℃～+50℃；湿度：95%；海拔：900m～1500m；太阳辐射总量：150千卡/cm2；年日照：2000h。（3）風力发电机。工作风速：1～30m/s；安全风速：瞬时极限风速为60m/s。（4）太阳能光伏板。抗风压：60m/s（200kg/m2）；抗冲击性能：抗冰雹；封装方式：钢化玻璃层压。（5）控制器的工作温度：-30℃～+50℃。（6）稳定性保障：运行平稳、安全可靠，在无人值守条件下能全天候使用。（7）无电磁干扰：风力发电机及其充电控制器不会对周围环境产生有害的电磁影响（符合1EC CISRR11要求）。（8）产品质量保障。风力发电机组的设计、制造、产品质量执行国家和行业有关标准，产品的质量保证体系符合GB/T19001-2000、ISO9001：2000标准规定，符合Q/TM001-2010标准。太阳能光伏板符合CE、ROSH认证。蓄电池组符合国家标准GB13337.1-91固定型铅酸蓄电池的规定，而且经过已取得GB/T15481认证资格的检测机构的测试。

2.2.2 风光互补供电系统具体要求。（1）在风资源和光资源较为充裕时，供电系统要保证24小时全天候不间断供电（DC12V供电）。（2）单系统常态发电量要大于系统的实际用电量960Wh/24小时。（3）在风资源和光资源极度匮乏时段（包含20m/s以上强风时段），供电系统的蓄电池保证摄像机要有72小时（3天）正常工作的供电容量。

2.2.3 风机选型及技术要求。根据气象资料以及宁夏的自然环境，黄河沿岸地段平均风速为3～4级，风速以3.4～7.9m/s为多见，取平均风速为6m/s。

以目前国内生产厂家中性能较为优良的400W垂直轴磁悬浮风力发电机为例，其风速-输出功率曲线如图1：endprint

从图1中可以得到平均风速为6m/s时风力发电机组的功率约为50W，约为额定功率的12%，按转换效率90%计，则日发电量为1080Wh，大于系统的实际用电量960Wh，基本能满足系统的供电要求。

水平轴桨叶式发电机由于随风向不同而摆动，需要的安装空间较大；而垂直轴转筒式发电机转动方向不会受风向影响，根据以往实际的应用情况比对，小型水平轴桨叶式发电机价格低廉，但产品质量良莠不齐，普遍稳定性一般，维护量大；垂直轴转筒式发电机价格较高，但产品质量能满足现场应用要求，普遍稳定性好，基本无需维护。黄河宁夏段干流水情监测站点建设统一采用标准水文塔架，塔架上安装空间有限，统筹考虑安装方式、产品应用情况等各种因素，设计采用垂直轴磁悬浮风力发电机。

2.2.4 光伏发电设备配置复核及技术要求

按冬季日照时间短、光照强度弱的情况校核：根据气象数据和站点的自然环境，冬季晴天每天太阳光可有效发电的时长约7小时，其中可达到额定光照强度的时间约2小时/天，可达到60%额定光照强度的时间约2小时/天，其余3小时按可达到30%额定光照强度计，考虑冬季气温等因素，太阳能发电装置的效率按80%计。每站设计配置单晶硅太阳能光伏板2片，峰值功率为150Wp/片，则全天的发电量为：

P=[（150W/片×2片×2小时）+（150W/片×2片×2小时×60%）+（150W/片×2片×3小时×30%）]×80%=984Wh/天，大于系统的实际用电量960Wh，基本满足系统的供电要求。

2.2.5 风光互补控制器技术要求

风光互补控制器是发电系统的运行控制和负载匹配核心元件，风机和太阳能板发出的电通过风光互补控制器的PMMT跟踪系统对蓄电池充电，蓄电池充满后进入间歇性浮充，断开太阳能、风机供电，当设备用电时自动进入充电状态。风机过速和发电机电压过高时控制器自动发出制动指令，实行自动刹车，使风机平稳减速。风光互补控制器应满足以下基本要求：（1）应具备LED显示功能，控制器采用专为风光互补系统设计的液晶模块，可以显示蓄电池电压、风机电压、太阳能电池电压、风机功率、太阳能电池功率、风机电流、太阳能电池电流、蓄电池电量状态。通过液晶上的按键，可以浏览显示内容。（2）应具备风机多极接入、太阳能电池可以同时多级接入功能。（3）采用PMMT控制方式，可使风机及太阳能电池发出的电最大限度向蓄电池充电，效果大大提高。（4）各路充电压检测具有“回差”控制功能，可防止静态开关进入振荡状态。（5）应具备过充、过放、过载、短路、接反保护功能。（6）能够记录最近30天的电量数据。（7）太阳能每天累计发电量，历史累计发电量，掉电数据不丢失。（8）应具有RTC功能，可以查寻当前时间，在任何时候出现异常（过充、过放、过载、短路等），会把不同故障发生的时间分别记录下来，送上位机显示。（9）控制器内置大功率风机卸载电阻，无级调节，逐级投入，使蓄电池不会经受突变大电流充电，以提高蓄电池使用寿命，另使风机平稳降速，有效防止风机飞车。

3 供电系统设计复核

3.1 供电负荷计算

视频监测站的主要负载包括：（1）摄像机。按不开加热电源计，摄像机白天的负荷为22W，夜间开红外灯情况下的负荷为28W。（2）网络传输设备。通过光纤接入的站点采用防火墙，负荷为6W。通过无线网接入的站点采用无线AP，负荷为15W。所有监测站点的通讯方式均按无线AP的方式考虑，则视频监测站白天最大供电负荷为37W，夜晚最大供电负荷为43W，日最大平均负荷為40W，则日最大平均耗电量为：

Qmax=40W×24H=960WH。

3.2 电缆供电系统压降复核

19个可接入市电的站点采用KVV-3×2.5mm2电源电缆挖沟埋设的方式实现，埋设深度1.2米（冻土层以下）；经现场测量，距离取电点最远的监测站点为兴惠泵站测点，取电线路长度为2.1km。

按取电线路最长、电缆压降最大的工况为计算条件，配置的电缆规格为3×2.5mm2铜芯电缆，供电电压U为AC220V，cos？准取0.8，铜的电阻系数为0.0175Ω/mm2/m，系统全负荷工作时最大功率为43W，复核计算如下：

系统工作电流为：

标准工况下电缆电阻为：

标准工况下电缆压降为：

零线和火线的总压降合计为：

V=2×3.487=6.974V

根据以上计算，线路最长的兴惠泵站测点在系统正常工作时，按夜间红外照明启动的峰值负荷43W考虑，供电系统工作在AC220V状态下，电缆压降约6.974V，约为系统电压的3.2%，不影响系统运行，满足视频监测站的工况要求。

3.3 风光互补供电系统的电池容量复核

18个无法接入市电的站点拟采用风光互补供电系统，要求供电系统能够保障在连续无风且阴雨天的条件下至少续航3天。风光互补供电系统的电池组设计配置了2块200AH太阳能发电专用电池，极限电池放电深度按65%计。则风光互补电池组的总电量为：

Q总=2块×12V×200AH/块×0.65=3120WH

电池供电效率？滋按95%计，电池组可供系统工作的天数为：

D=？滋Q总/Qmax=3120WH×95%÷960WH/天=3.0875天>3天

因此，风光互补供电系统的电池容量可以保障视频站在连续无风且阴雨天条件下至少续航3天的要求。

4 结束语

供电系统是保障水情视频监测站点稳定、持续运行的基础。黄河宁夏段干流各监测站点的现场供电条件和要求具有很大的差异，因此，根据不同现场条件和供电要求设计供电系统，对保障可靠、稳定的供电是非常有必要的。针对无法提供市电电源的黄河宁夏段干流的水情视频监测站点，由于宁夏地区具有丰富的风力资源和太阳能资源，经设计论证，采用风光互补发电系统作为其供电方式是切实可行的。

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