目前采用的太陽能供電無法滿足輸電線路視頻監(jiān)控全天候，以及在連續(xù)陰雨天持續(xù)穩(wěn)定運行的要求，從而形成危險點現(xiàn)場監(jiān)控盲點。

風光互補供電系統(tǒng)利用風能和太陽能資源的互補性實現(xiàn)全天候發(fā)電，有效地解決了該問題。作者介紹了風光互補供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，通過分析輸電線路全天候視頻監(jiān)控系統(tǒng)各設備的實際用電需求，設計了蓄電池、風力發(fā)電機、太陽能光伏電池陣列的配置方案和安裝方案。

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，交通、管道、工廠、住房等基礎(chǔ)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(qū)內(nèi)違規(guī)施工經(jīng)常發(fā)生，給輸電線路的安全運行造成較大威脅，通過在危險點現(xiàn)場安裝視頻監(jiān)控裝置實現(xiàn)危險點現(xiàn)場動態(tài)情況的實時掌控，減輕巡視人員的現(xiàn)場監(jiān)控工作量，有效地防止了線路外力破壞事故發(fā)生。

由于危險點現(xiàn)場的可變性、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，則要求全天候視頻監(jiān)控系統(tǒng)能24小時不間斷的持續(xù)穩(wěn)定運行，使后臺監(jiān)控中心全面掌握危險點動態(tài)情況。但根據(jù)多年的運行情況來看，電源供電不足一直是裝置穩(wěn)定運行的瓶頸。

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(huán)保等優(yōu)點，但由于有些地區(qū)光照不足，單純的太陽能供電無法保證視頻裝置24小時監(jiān)控作業(yè)，并且連續(xù)的陰雨天氣使供電中斷影響設備正常作業(yè)。

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(xiàn)供電，供電穩(wěn)定性滿足設備持續(xù)穩(wěn)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(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(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，在既有風又有太陽的情況下兩者同時發(fā)揮作用，實現(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)運行。

風光互補供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

風光互補供電系統(tǒng)是由風力發(fā)電機組和太陽電池組件共同構(gòu)成的能夠?qū)�風的動能和太陽的光能轉(zhuǎn)換為電能的混合發(fā)電系統(tǒng)。風力發(fā)電機以自然風作為動力，風輪吸收風的能量，驅(qū)動風輪及風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)換為電能。

太陽能發(fā)電利用光生伏打效應原理制成，將太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能。風光互補發(fā)電系統(tǒng)由風力發(fā)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(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對蓄電池充電。而風力發(fā)電部分是利用風機將風能轉(zhuǎn)換為機械能，通過風力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)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(tǒng)的儲能元件，在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)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(jù)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(tài)進行控制和調(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(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)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(fā)電機組單獨向負載供電；光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨向負載供電；風力發(fā)電機組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負載供電。

風光互補供電系統(tǒng)的設計

設計滿足輸電線路全天候視頻監(jiān)控系統(tǒng)24小時以及在連續(xù)陰雨天下持續(xù)穩(wěn)定運行的風光互補供電系統(tǒng)，首先確定視頻監(jiān)控系統(tǒng)的各負載需求，從而計算蓄電池容量和系統(tǒng)發(fā)電功率，確定系統(tǒng)需要的蓄電池數(shù)量和組裝方式；然后根據(jù)系統(tǒng)總發(fā)電功率來確定風力發(fā)電機和太陽能電池組的發(fā)電功率、型號，最后確定風光互補供電系統(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)見圖1。

1 確定負載需求

輸電線路全天候視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)組成。紅外夜視攝像頭采用SONY SNC-CH140百萬像素網(wǎng)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(jié)合傳輸；

通信裝置為板式的無線MESH發(fā)送天線，通過網(wǎng)線與紅外攝像頭并排安裝在塔頂，將視頻數(shù)據(jù)無法發(fā)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(jiān)控中心展示；

風光互補供電系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)各設備負載要求在沒有任何外來能源的情況下能夠連續(xù)正常工作7天。負載供電需求見表1。

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(guān)鍵。蓄電池的容量由蓄電池單獨工作天數(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，蓄電池允許放電達到蓄電池所剩容量占正常額定容量的20%。

對于每天負載穩(wěn)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(fā)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(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(jù)監(jiān)控系統(tǒng)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(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， 為滿足系統(tǒng)要求，則用單節(jié)電壓12V的蓄電池進行串聯(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)電功率計算

系統(tǒng)正常運行時，發(fā)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(fā)電、太陽能發(fā)電的發(fā)電功率需要滿足額定負載容量。系統(tǒng)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(fā)電功率為236W。

4 風力發(fā)電組件

風力發(fā)電組件選用一體化垂直風輪發(fā)電單元，由立柱、風輪、發(fā)電機、軸承等組成。整套風力發(fā)電單元只有風輪一個活動部件，采用永磁無刷發(fā)電機組，包括感應繞組、發(fā)電感應磁極。沒有轉(zhuǎn)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(fā)電。

系統(tǒng)需要236W發(fā)電功率。根據(jù)現(xiàn)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(fā)電組件，以滿足系統(tǒng)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(guān)，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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)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(fā)電量。

系統(tǒng)需要236W發(fā)電功率。為最大利用太陽照射時間內(nèi)的發(fā)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(fā)電組件，以滿足系統(tǒng)需要。

6 風光智能控制器

控制器整機與風力、太陽能的發(fā)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(shù)，最大限度地把風力、太陽能的發(fā)電轉(zhuǎn)換為蓄電池充電電流�？刂破骶哂酗L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(tǒng)設定25V為啟動電壓，當電壓低于25V時，輸出系統(tǒng)處于欠壓狀態(tài)，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(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(tài)、異常報警等各項電氣參數(shù)，通過無線MESH傳輸至OPGW開接點傳輸至線路監(jiān)控中心，監(jiān)控人員可實時遠程監(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行，要對這套系統(tǒng)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(guān)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(fā)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(tǒng)安裝設計

風光互補供電系統(tǒng)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(tǒng)由風力發(fā)電組件、太陽能發(fā)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(fā)電的最小風速，滿足葉片的轉(zhuǎn)動和風機360度旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(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型螺栓固定在平臺塔材上，風機固定在鋼板上，使風機平穩(wěn)運作，對桿塔運行沒有影響。

太陽能發(fā)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(lián)后再并聯(lián)至主控箱，最大限度利用太陽能發(fā)電。

四塊蓄電池分兩組分別疊加在兩個鍍鋅的鐵箱子內(nèi)，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(nèi)，控制系統(tǒng)的輸入輸出和發(fā)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(jié)束語

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

根據(jù)幾個月的系統(tǒng)應用情況，風光互補供電方式滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)24小時穩(wěn)定運行，并且不受陰雨天氣影響能連續(xù)運行，未出現(xiàn)供電中斷現(xiàn)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(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。