风光互补供电系统的推广应用

谢晨希，李明卫，李云峰

1.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002；2.贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵州 贵阳 550002

1 概论

输水工程的闸(阀)门和前端的各类监测仪器对于工业、农业以及生活供水有着至关重要的作用，而且能为工程的安全运行以及配水的科学灌溉提供数据及决策判断支撑，如何提高输水工程检测仪器的安全性与可靠性，一直是水利工程在实际生产中需要考虑的问题。其次，输水工程由于其自身输水距离长、分布区域广、点位分散，作为一个相互影响、相互制约的庞大系统工程，为了充分提高输水效率性与协调性，需要一个安全性、可靠性高的供电技术作为支撑，才能充分发挥供电及远程控制技术在输水工程管理服务中的作用。

2 传统供电方式优缺点

2.1 传统供电方式优点

传统交流供电系统包含了发电、输电、用电设备三个重要部分，是诸多发电厂、变电站、输电线路、配电网络以及用电客户的一个有机统一体，是实现各子系统在电能生产、输送、分配和使用实时一体化的有利保障。

交流电的发电效率高，便于生产，可通过变压器升压和降压，便于远距离传输；交流变电站设备简单，造价低，配送电能方便。交流供电系统的电源是一个统一的电力系统，单个负荷在系统中所占比例很小，可对大功率连续负荷持续供电。

2.2 传统供电方式缺点

根据金属结构专业提供的灌区闸阀资料，本工程的负荷特点是：灌区电动闸阀数量多且布置较分散；地理位置偏远，且交通不便；单个电动闸阀容量小且使用频率低。

根据以上负荷特点，传统供电方式缺点如下：①灌区闸阀布置位置较偏，远离电网，采用传统交流供电电源取自电力系统，需架设较长的输电线路，输电线路占地面积多，投资大，施工周期长、各方面协调极为繁琐。②电动闸阀电源取自农网，供电可靠性低，且交流输电线路受冰雨、雷电天气影响较大，容易造成停电，影响供电可靠性。③为满足供电可靠性，设置移动式柴油发电机作为输水系统的闸门的备用电源，移动式柴油发电机体积和重量较大，对于交通不变的偏远闸门，不便于运输至现场。④灌区电动闸阀使用频次低(最高频率为2周1次+备用1次)，单次时间短，且其他24 h运行负荷容量较小，主变空载损耗大。⑤投入运行后，需向电力系统支付电费，且线路维护检修费用高，人员专业技术要求高，运营成本增加。

3 风光互补直流自供电的优势

目前风光互补发电系统在国内外用于水利工程非常少，地理环境对于传统的水利工程的电力供应基础设施的改造与建设影响较大，且改造成本较大。随着水利供水工程的发展和水利自动化的要求的不断提高，对远离电网覆盖地区的管道供水、渠道供水的运行控制及信息采集，都需要低成本、高可靠性的独立供电系统。风光互补供电控系统在不破坏当地生态环境的前提下，能够低成本地为偏远地区提供高可靠性的电力供应，成为偏远地区在水利工程方面的一项最优选择。

风光互补直流供电系统，由直流智能电动装置、BMS电池管理系统及储能电池组、可编程PLC控制箱、数据通信模块、光伏控制器及太阳能光伏电池板、风电控制器及风力发电机、太阳能板托架支杄以及至终端设备的所有电(线)缆等附属设备组成。基于工业物联网的风光互补直流供电系统是一种充分提高自然资源利用效率的新成果、新技术，在科学、技术、工程方面有如下优势：

3.1 设计布置方面

①光互补发电系统能够充分发挥太阳能与风能互补性强的优势，是一种有效利用风能动能与光能热能转化为电能的新型装置，能有效弥补单独风能与太阳能发电系统在资源上的缺点，提高风光互补发电系统资源利用率、平衡性与稳定性，并且可根据用户的用电情况与当地的资源优势进行系统的合理配置，在保证供电的可靠性与降低系统的造价方面有着较大优势，不受地域限制，既环保又节能。

②水利工程的引水管线及灌区多在偏远山区，其存在管线分布、远离电网，交流拉线成本高等诸多问题。风光互补发电系统在并入公共电网系统时，可根据其功能分为并网式风光互补发电系统以及离网式风光互补发电系统。在边远无电地区供电，离网风光互补发电系统特别适用于水利工程，独立供电，无需外界供电；无需建变电站、架设高低压线路等工程。

③经优化设计配置的风光互补发电系统可保证系统供电的可靠性，低成本投入。在提高系统的当地适用性与用电要求方面具有巨大优势，且风光互补发电系统可根据用户要求做出最优化的系统设计方案，在资源配方层面、技术层面以及成本投入层面都是一种最合理的独立电源系统。且该系统的合理性体现了风光互补发电系统的高可靠性。

④风光互补发电系统能充分利用土地资源。在纵向上能充分利用高空风能，在横向能充分利用太阳能，实现地面与高空的高效有机结合。并且可实现昼夜互补(中午太阳能发电，夜晚风能发电)、季节互补(夏秋季日照强烈，冬春季风能强盛)，供电稳定可靠。

⑤优化风光互补发电系统的设计和匹配的合理性，可实现系统可靠供电，电池组里面存着的电就是后备电源。紧急情况无需启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益，且系统采用直流低压供电，运行安全，维护简单。

3.2 运行管理方面

风光互补直流系统采用模块化设计，集风光互补发电设备管理、BMS电池管理、直流负载设备管控、视频监控、流量/压力/液位传感器信号采集以及远程数据通讯为一体。现场的各个设备的状态及数据，不仅可在现场查看和编程控制，还可通过提供的标准通讯接口进行远程数据传输和管控。

远程数据管控运用无线网络技术，集数据采集、云端存储、智能分发、远程控制、权限认证和多终端可视化展示于一体的数字化综合数据管控平台。系统集成无线网络传输技术，安装便捷、使用灵活，在信号覆盖区域内的任何位置都可方便地接入网络进行数据通信，还具有经济节约、易于扩展等优势。

远程管控平台分别提供基于WEB和移动设备的应用客户端，向远程控制室提供标准的数据服务接口。不仅可以通过平台查看前端设备的实时运行工况，调阅历史运行记录和统计分析结果，亦可调用平台提供的统一的数据接口，访问和管理前端设备，为客户进行系统集成、二次开发和智能化管理提供数据支撑，为智能水务调度积累原始运行数据。系统一次性投入，后期免维护，极大减少运行维护成本。

4 传统交流供电与风光互补直流自供电对比分析

目前针对风光互补直流直供电系统在贵州水利项目中的具体应用，从可靠性、操作的实用性、施工难度、系统运行稳定性、维护管理工作量等多方面进行比较，得出下列对比结果。

4.1 按负荷特点比较

传统交流供电系统包含了发电、输电、用电设备三个部分，交流电的发电效率高，便于生产，可通过变压器升压和降压，便于远距离传输，配送电能方便。但根据本工程负荷特点，灌区闸阀数量多，布置分散，单个电动闸阀容量小且使用频率较低，采用交流供电需架设较长的输电线路，电力线路所经之处占用的土地较多，投资大。

风光互补直流供电方案是独立的发电系统，无需外界供电；无需建变电站、架设高低压线路等工程。特别适用于水利工程中闸、阀的使用频次低、布置分散的特点。

4.2 供电可靠性比较

传统交流供电方案闸阀电源引自农网，供电不稳定。农网普遍存在设备老化，供电半径长，线经小，分段少，抗灾能力差，供电可靠率低。在遇到断电情况下，需要开应急发电车去现场供电，极为不便。

风光互补直流供电方案电池里面存着的电就是后备电源，还可以根据需要设定电池电量的报警，预留备用电量应急使用。而且在连续阴雨无风的极端天气情况下，若电池电量用尽，可携带移动电池到现场，接上电池的正负极两根线即可实现供电，移动电池可以在雨中安全使用。

4.3 施工安装比较

传统交流供电方案供电线路施工周期长、每个供电点均需到现场实地踏勘，根据电网情况设计，并向供电局申请，还需征地向农民赔偿土地费，各方面协调繁琐。

风光互补直流供电系统是专业为智能水务开发，全模块化设计，标准化生产，不存在兼容问题，便于安装维修。可以根据工程进度，自主决定设备安装时间，节约大量人力物力。

4.4 闸门(阀门)控制比较

输水工程中闸门、阀门使用频次较低，管径不大，且设置在地理位偏远、人烟稀少的乡村、交通不便等地区，闸(阀)门启闭的动力来源若采用架设交流电网线路的方式，则需架设很长的输电线路，电力线路所经之处占用的土地较多，协调工作复杂，赔付费用较高，其本身线路供电造价高，需要花费大量的人力物力及财力去建设电力供应基础设施，其次后期投入运行后维护检修费用及电费较高，增加了运营成本，其经济性很差，所以在管道上的阀门原均考虑采用手动控制。

但输水工程作为一个庞大的系统工程，不但具有线长、面广、点多、分散的特点，而且还具有相互影响、相互制约的特点，要使这样一个庞大的系统能够有效地运作、协调地运转，没有安全可靠的操作方式是完全不可能的，效保证工程的操作性，将灌区阀门操作形式由手动改为手电两用。操作性提高、运行方便，适应水利自动化发展的要求，且整体投资未超过原传统交流供电方案。

风光互补系统的智能测控系统采用模块化设计，不仅可在现场查看和编程控制，还可通过提供的标准通讯接口进行远程数据传输和管控。

4.5 运行管理比较

传统交流供电方案输电线路长，线路维护检修工作量大，专业性强，管理难度大。

风光互补直流供电系统方案应用前景广阔，可视实际需要随时随地投入使用，整个过程绿色环保(可再生自然能源)、施工安装简便、安全无隐患、节能无消耗、自动控制免维护、一次投入、长期受益，性价比相当明显。后期30 a运行维修保养的费用极大降低。

4.6 检修维护、故障率比较

采用传统交流供电方案线路维护检修费用高，时间长，易受低温雨雪天气影响，产生覆冰，受冰冻危害，雷雨天气雷击易导致出现跳闸和停电。

风光互补直流供电方案PLC控制箱为铝压铸件，防盗，防尘，可以放在水中使用，防护等级IP68。PLC控制箱表面上没实体开关，采用磁力笔，红外蓝牙遥控器，防止误操作，还可现场编程。

5 结语

综合上述原因，长距离输水输管线采用风光互补系统不仅仅提高了阀门供电的安全可靠性，为管道阀门安全平稳运行提供了相应的保障，同时有效地降低了建设和运营成本，提高了工程建设进度，从一定程度上也达到节能环保的目的。采用风光互补系统极大地推进了水利工程的控制水平，从规范化、科学化、智能化等方面改善和提高了工程的管理水平，值得在类似的长距离输水输管线建设中推广应用。