风光互补供电技术在城市燃气阀井监控中的应用研究

张国城 王斌 徐明 张瑞

摘 要：城市燃气近年来发展迅速，但是在信息化方面却步伐缓慢，尤其是干线阀井监测控制领域，究其原因主要是缺少供电措施。文章从理论以及实践方面详细阐述了风光互补供电技术在城市燃气阀井监测与阀门控制方面的应用，对应用中的问题和效果进行了系统的分析，为今后风光互补供电技术在城市燃气阀井监控领域的运用提供了依据。

关键词：城市燃气；阀井监测控制；风光互补发电

中图分类号：TU996 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0030-04

Abstract： Urban gas has developed rapidly in recent years， but the pace of informatization is slow， especially in the field of monitoring and control of trunk valve wells， the main reason is the lack of power supply measures. This paper expounds in detail the application of wind-solar hybrid generation technology in monitoring and valve control of city gas valve wells from the aspects of theory and practice， and makes a systematic analysis of the problems and effects in application. It provides a basis for the application of wind-solar hybrid generation technology in the monitoring field of gas valve wells in the future.

Keywords： urban gas； valve well monitoring and control； wind-solar hybrid generation

前言

近几年来，我国能源领域中天然气的应用越来越广泛，其中城市天然气呈现出高速发展的态势。随着城市天然气普及速度的加快，越来越多的城乡居民用上了方便、洁净的管道天然气。这些便利措施的背后，是由复杂的城市输气管网来支撑，在这么庞大的输气管网中，由于种种原因造成的燃气管道破损、泄漏事故层出不群，导致的财产损失、人员伤亡等情况也经常见诸报端，对城市燃气干线管道节点阀门井的各项数据进行监测，并且能够在出现紧急险情时对相应阀门进行应急截断，是城市燃气从业者的心愿，但是这些技术手段的实现却面临着一个尴尬的问题——缺少供电条件。

1 风光互补供电技术

太阳能和风能都是清洁、无污染、方便易得的可再生能源，通过光伏发电和风力发电技术可以把这两种自然清洁能源转换成我们需要的电能。光伏发电系统是利用太阳能光伏电池将太阳能转换成电能，它的优点是可靠性高、运行维护成本低，缺点是对日照要求高，在夜间和阴雨天无法有效工作。风电系统是利用风力发电机将风能转换成电能，它的优点是日发电量大，系统造价及维护成本低，缺点是常规水平轴风力发电机对风速有苛刻要求，四级风以下基本上不发电。两种发电技术单独来看优缺点都是非常明显，然而这两种技术结合起来却拥有很好的互补性，能够发挥优势抑制缺点，因为白天光照强时风弱，夜间或阴天光弱时风强，时间和资源上的互补性为风光互补供电系统提供了可靠的能源保障[1]。所以风光互补供电技术对于城市燃气阀井监控应用来说，是一种合理的离网型供电方案。

1.1 系统组成

一套完善的风光互补电源系统主要包括发电部分（太阳能电池板和风力发电机）、控制部分、储能部分（蓄电池）和负载部分[2]。

1.2 技术阐述及选型原则

1.2.1 发电部分

太阳能电池板产生直流电，可选用单晶硅或多晶硅太阳能电池组件，使用高透光率低铁钢化玻璃，外部使用阳极化优质铝合金边框。选型要求发电效率高、寿命长、安装便利、抗风抗冰雹能力强[3]。

风力发电机产生交流电，选用低速型风机。选型要求发电效率高、结构简单、质量稳定、在恶劣天气情况下能自动偏航保护和自动刹车。

1.2.2 控制部分

风光互补控制器为系统的核心部件。其工作原理是，单片机系统对光伏电池输出电压、风机输出电压、蓄电池电压、负载电流等完成采样，并进行负载控制和译码显示，通讯接口电路负责各种功能设定（如图2）。

1.2.3 储能部分

根据负载选择合适功率的蓄电池。要求放电功率大、充电迅速、循环寿命长。充电模式采用阶段充电法，综合恒压充电和恒流充电的优势，最大限度保护蓄电池，延长使用寿命。

1.2.4 负载部分

負载部分主要是阀井监测设备（如压力变送器、可燃气体浓度探测器、液位计，数据采集单元、无线数据传输单元等）和阀门控制设备（电动执行器、逆变器、控制电路）。

阀井监测设备工作电压为直流12-24V，工作电流为毫安级。

阀门控制设备工作电压为直流24-48V、交流单相220V或交流三相380V，工作电流0.5-15A。

2 风光互补供电技术在城市燃气阀井监控中的实际应用

基于风光互补供电技术、燃气相关监测技术以及阀门控制技术的成熟度，我们选择在江苏省昆山市进行相关系统的实验性部署，以便检测整体系统的实用性效果。

2.1 基本需求情况

选定昆山地区GXXX和GYYY两口DN250次高压阀井，进行风光互补供电阀井监测与阀门控制信息化改造。

负载耗电量估算：系统总功率为204.36W，其中处于长期工作状态的弱电系统总功率为4.36W，具体分项数值详见表1。

2.2 项目所在地发电相关自然条件

2.2.1 昆山市太阳能资源情况

昆山市的太阳能资源属于三、四类，不算丰富但是也有一定的利用价值。年均日照时数为2014.7Hr，年均太阳总辐射量为4650MJ/m2，总体气温高、云量大、阴雨天较多、日照时数少，资源情况一般。

2.2.2 昆山市风能资源情况

昆山市的风能资源属于风能可利用区，年平均有效风能密度在50-80W/m2，累积小时数在4000-5000小时，具体数据详见表2。

2.2.3 加装风光互补供电系统，实现对井端监测控制设备的供电保障。

风光互补供电系统由风力发电系统和光伏发电系统组成，其基本设备包括风力发电机，太阳能电池组件，风光互补控制器，直流汇流箱、风光立杆等设备。

（1）风力发电机

风力发电机组由两大部分组成，其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换成电能。小型直流发电系统一般和蓄电池匹配使用。这种直流发电机相比结构简单，其输出电压随风速变化，需在发电机和负载间增加蓄电池和控制系统，通过调节控制系统占空比来调节输出电压。

（2）太陽能光伏电池

当太阳光辐射到光伏电池的表面时，光子会冲击光伏电池内部的价电子，当价电子获得大于禁带宽度eg的能量，价电子就会冲出共价键的约束从价带激发到导带，产生大量非平衡状态的电子-空穴对。被激发的电子和空穴经自由碰撞后，在光伏电池半导体中复合达到平衡，实现发电的效能。

（3）风光互补控制器

风光互补控制器是集风能、太阳能控制于一体的智能型控制器，能够高效率地转化风力发电机和太阳能电池板所发出的电能，可对蓄电池进行充电。由于蓄电池只能承受一定的充电电流和浮充电压，过电流和过电压充电都会对蓄电池造成严重的损害。因此，风光互补控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制风机充电电流和光伏充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，确保蓄电池既可以充满，又不会损坏。从而确保蓄电池的使用寿命。

（4）蓄电池

在风力、光照过剩的情况下，存储负载供电多余的电能，在风力、光照欠佳时，储能蓄电池可以作为负载的供电电源；其次，蓄电池具有滤波作用，能使发电系统更加平稳的输出电能给负载；另外，风力发电和光伏发电很容易受到气候、环境的影响，发出的电量在不同时刻有很大差别，蓄电池可以把它们很好的连接起来，将太阳能和风能综合起来，实现二者之间的互补作用。

（5）系统拓扑图

（6）风光互补系统调试

用万用表测量各个部分的电压数值是否正常，确认无误后开始控制器功能设定，控制器通电后，系统处于浏览状态，此时LCD屏幕显示内容如下：

当确认屏幕显示蓄电池电压Ub与蓄电池实际电压一致后，进入设置选项，进行一路、二路功率输出设置（如图7）。

功率输出设定完毕后，进入使用模式框设置选项，设定负载工作模式（如图8）。

负载工作模式有两种状态选项：

Lamp：代表半时输出工作模式（此工作模式下，白天输出电压为零）；

Home：代表全时工作模式（此作模式下，全天24小时输出电压为标准电压）。

负载工作模式全部设置完成后，退出设置选项状态，此时LCD屏幕显示内容为蓄电池电压状态显示，此时风光互补控制器参数设定完毕。

检测风光互补供电系统各个设备的工作状态是否正常，在控制平台检查整体监控系统的监测状态和测量数据是否正常，在上位机查看上传电压监测数据，与现场系统工作电压比较，数值比对吻合后，系统安装完毕。

3 风光互补供电技术在城市燃气阀井监控中的测试效果

在昆山地区燃气阀井GXXX和GYYY号阀井设备安装完毕后，选择GXXX号井为样本，截取2017年11月28日0时-24时的上位机数据（数据采集间隔为4S，选取30分钟间隔数据），可观测到系统电池电压在25.21V-27.76V之间波动。结合2017年11月28日昆山当地天气情况，阵雨，西南风3-4级，气温12-18℃，可以看出GXXX阀井风光互补供电系统于9：30-17：00之间发电性能良好，整体电压波动符合设计目标，充分证明风光互补供电技术在城市燃气阀井监控工作中可以有效的工作。

分析GXXX阀井上位机监测数据表的数据之后可以得到以下结论：

（1）在一个完整工作周期内，分光互补发电系统经历了以下四种工作模式：

a. 混合功率模式：光伏阵列与风力发电机同时提供能量；

b. 无风模式：白天情况下，风速不足风力发电机未启动，仅光伏阵列提供负荷与电池组所需能量；

c. 无光模式：夜晚情况下，仅风力发电机工作，光伏阵列不工作；

d. 电池放电模式：风力发电机与光伏阵列均不工作，由备用电池组提供负荷所需能量。

（2）在各种工作模式状态下，昆山地区GXXX号城市燃气阀井监控系统工作正常，供电电压输出稳定、可靠，可以判定风光互补供电系统工作状态好。

（3）各个工作模式之间可以进行高效的互补，能够适应各种天气情况，大大提高了风光互补发电系统的可靠性，可以向负载系统稳定的提供电源供应，完全满足城市燃气阀井监控系统的供电需求。

4 结束语

经过对风光互补发电技术、阀井监测技术、阀门控制技术、风光资源调查方式等理论情况的充分分析，和对测试地点环境因素的充分调查，再结合昆山地区GXXX、GYYY两口阀井信息化改造的结果，我们可以得出结论：风光互补供电技术在城市燃气阀井监测和控制中可以提供所需电能，稳定性和实用性完全满足燃气公司的实际需要，对比安装市电的模式，在经济性和便利性上也有巨大的优势。风光互补供电技术可以解决长期以来困扰燃气公司信息化发展的难题，在城市燃气阀井监测和控制领域内将大有作为！

参考文献：

[1]付跃强，丁猛，彭爱红.风光互补发电系统教程[M].科学出版社，2013.

[2]曾毅.如何配置风光互补系统[Z].广州绿欣科技有限公司技术教程，2016.

[3]李杰.风光互补发电系统解决方案[Z].百度文库，2017.

[4]何海涛.风光储互补系统[J].科技创新与应用，2015（08）：48-49.

[5]宋涛.风光互补发电控制系统的研究与开发[J].科技创新与应用，2013（12）.