风光互补供电系统线路视频监控装置的供电方式和工作原理

说明

目前的太阳能供电不能满足输电线路全天候视频监控和连续阴雨天连续稳定运行的要求，从而形成现场监控危险点的盲区。

风光互补供电系统利用风能和太阳能资源的互补性，实现全天候发电风光互补太阳能路灯维修方案，有效解决了这一问题。笔者介绍了风光互补供电系统的结构和工作原理，通过分析全系统各设备的实际用电需求，设计了蓄电池、风力发电机、太阳能光伏电池阵列的配置和安装方案。输电线路气象视频监控系统。

随着经济的快速发展，交通、管道、工厂、房屋等基础设施建设加快，在输电线路中经常非法建造起重机、高臂泵车等高大机械保护区域，有助于输电线路的安全运行。为造成更大的威胁，通过在危险点现场安装视频监控设备，实现对危险点动态情况的实时掌握，减轻巡查人员现场监控工作量，有效防止事故发生外力造成的线路损坏。

由于危险点线路的可变性、不可控性和重要性，为避免夜间监控出现盲区，要求全天候视频监控系统24小时不间断运行，以便后台监控中心可以完全掌握危险点击动态。但从多年运行来看，供电不足一直是设备稳定运行的瓶颈。

目前，输电线路视频监控设备通常采用的供电方式主要是太阳能供电。供电装置由太阳能电池板和电池组成。具有安装方便、投资少、环保等优点。但由于部分地区光照不足，纯太阳能供电无法保证视频设备24小时监控运行，持续阴雨天气中断供电，影响设备正常运行。

也采用220V低压线路供电方式。供电是通过在靠近铁塔的配电变压器处连接一条220V低压线，直接延伸到铁塔顶部连接视频设备来实现的。供电稳定性能满足设备持续稳定运行，但建设成本相对较大。以及雷暴造成的停电。

为解决上述问题，充分利用太阳能与风能的互补性，设计了风光互补供电系统作为全天候视频监控设备和输电线路通信设备的供电电源。时间和区域的能量。风力发电是用来发电的，而太阳能是用来在晴天发电的。在有风有日的情况下，两者同时发挥作用，实现全天候发电功能，保证视频监控系统在连续阴雨天全天候连续运行。

风光互补供电系统的结构与原理

风光互补供电系统是由风力发电机和太阳能电池组件组成的混合发电系统，可将风能和太阳能光能转化为电能。风力发电机以自然风为动力，风轮吸收风能，带动风轮和风力发电机旋转，将风能转化为电能。

太阳能发电是利用光伏效应原理，将太阳辐射能直接转化为电能。风光互补发电系统由风力发电机组、太阳能电池组件、风光互补控制器、电池组、逆变器等部件组成。

白天在阳光的照射下，光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转化为电能，然后给电池充电。风力发电部分利用风力发电机将风能转化为机械能，通过风力发电机将机械能转化为电能，然后在电池充满电后通过风光互补控制器给电池充电。

电池组是风光互补供电系统的储能元件。它同时在系统中起到能量调节和负载均衡两个作用。在风和日照充足的情况下，将多余的电能供给负载后储存； ,在阳光不好的情况下，输出功率给负载。

风光互补控制器的作用是根据太阳光的强弱、风的大小和负载的变化，实时控制和调整蓄电池的工作状态，从而保证系统在充电、放电和浮充电时交替运行。 ，以确保发电系统的连续性、稳定性和可靠性。

逆变器将蓄电池中的直流电转换成相应的电压等级，如24V交流电，以保证交流负载设备的正常使用。同时还具有自动调压功能，可以提高风光互补发电系统的供电质量。

风光互补发电系统根据风能和太阳辐射的变化，可以运行在以下三种模式：风力发电机单独向负载供电；光伏发电系统单独为负载供电；风力发电机和光伏发电系统共同为负载供电。

风光互补供电系统设计

设计满足输电线路24小时全天候视频监控系统，在连续阴雨天持续稳定运行的风光互补供电系统，电池数量及组装方式；然后根据系统的总发电量确定风力发电机和太阳能电池的功率和型号，最后确定风光互补供电系统各部件在输电铁塔上的安装位置和装配方案。系统整体架构如图1所示。

1 确定负载要求

输电线路全天候视频监控系统由红外摄像机（昼夜两用）、控制云台、通讯设备、风光互补系统组成。红外夜视摄像机采用SONY SNC-CH140百万像素网络高清红外夜视摄像机，由DVS云台（带雨刷）控制，通信方式采用无线MESH和OPGW开放连接组合传输；

通信设备为板式无线MESH发射天线，通过网线与塔顶红外摄像头并排安装。视频数据无法发送到远端OPGW开触点的无线MESH接收设备，由OPGW光缆传输到传输线路监控中心。显示;

风光互补供电系统的电源负载为红外摄像头、控制云台、无线MESH设备。红外热像仪工作电压为交流24V，工作功率为15W；控制云台DVS和无线MESH设备的工作电压为直流。 12V供电，工作功率分别为60W和5W。监控系统中各设备的负载要求能够在没有任何外部能源的情况下正常工作7天。负载供电要求见表1。

2 电池组设计

电池配置和充电控制是风光互补应用的关键。电池的容量是由电池本身的工作天数、每天的放电量、电池的充足容量以及自身泄漏的电能等因素决定的。在特殊气候条件下，允许电池放电，直至电池剩余容量占正常额定容量的20%。

对于日负荷稳定、要求不高的场合，可以将日放电循环的深度限制在电池剩余容量占额定容量的80%以内。选择电池容量时，只要电池容量大于太阳能电池板峰值电流的25倍，充电时电池不会造成失水。

自放电率会随着电池使用时间的增加和电池温度的升高而增加。对于新电池，自放电率通常低于容量的5%，但对于质量较差的旧电池，自放电率可以提高到每月10%~15%。系统配置的电池容量需要在无风雨天的情况下能够为设备供电至少7天。电池按24V设计，电池放电容量为70%，逆变器效率为90%。根据监控系统中各设备的负载功率需求计算电池所需容量：

红外相机：A=7d×360W·h/0.9/(24V*0.7）≈112A·h

摄像头：B=7d×240W·h/（12V*0.7）≈200A·h

无线MESH发射机：C=7d×120W·h/（12V*0.7）≈100A·h

因此，电池容量为A+B+C=412 A·h。为满足系统要求，串联12V电压的单体电池，每节电池容量为225A·h/12V。4节225Ah/12V电池，累计容量450Ah/24V和2组电池并联，保证系统的稳定性和安全性。

3 发电量计算

系统正常运行时，发电既要承载额定负载，又要完成对蓄电池的充电。风电和太阳能发电需要满足额定负载能力。系统配置充电控制器按24V设计，效率为90%，风光互补发电功率为236W。

4 风力发电组件

风力发电部件采用一体化立式风力发电机组，由立柱、风轮、发电机、轴承组成。整个风力发电机组只有一个风轮可动部分，采用永磁无刷发电机组，包括感应绕组和感应磁极进行发电。无转向、碳刷等易损件，使用寿命显着延长。采用立式，可在2m/s-60m/s风速下安全使用。涡轮叶片形状，在太空中可以达到360度的风力，在小风和台风天气下也能正常发电。

系统需要 236W 的发电功率。根据现场风况，通常风力达不到风机额定工作风速，因此配置额定功率为400W/24V的风力发电组件满足系统需要。

5 个太阳能组件

太阳能光伏电池阵列的功率输出能力与其面积密切相关。面积越大，相同光照条件下的输出功率越大。太阳能电池阵列的结构设计应保证组件与支架的连接牢固可靠，太阳能电池组件易于更换。组件应安装在倾斜度可调的支架上，并采取防腐措施，以确保安装牢固。支架要能保证正确的方位和角度，才能获得最大的发电量。

系统需要 236W 的发电功率。电池组可以在短时间内充电，以最大限度地提高太阳照射时间的发电量。配置4组额定功率100W/24V的太阳能电池组件，满足系统需求。

6 风光控制器

整个控制器和风电、太阳能的发电和充电电路需要满足相应的标准和要求。采用最大功率跟踪技术，最大限度地将风能和太阳能发电转化为电池充电电流。控制器具有风力发电充电输入端、光伏充电电路输入端、蓄电池端、逆变器端，具有过充、过放、过载、开路、短路、反接、防反放功能, 和过热。串联报警和保护功能。

系统设置25V为启动电压。当电压低于25V时，输出系统处于欠压状态，不向负载供电，避免过放损坏电池。当电池充满并饱和时，控制器将控制风扇发电。

7 正弦波逆变器

正弦波逆变器用于将电池的直流电逆变成正弦波交流输出，为红外热像仪供电。逆变器具有欠压保护、过流保护、短路保护、反接保护、防雷保护等功能。自带显示单元，可显示逆变器的输出电压、电流、功率、运行状态、异常报警等。电参数通过无线MESH传输到线路监控中心到OPGW开触点，监控人员可以远程实时监控。

8系统防雷

为保证系统在雷雨等恶劣天气下的安全运行，本系统应采取防雷措施。主要表现在以下几个方面：

(1）地线是防雷和防雷的关键。在安装和固定设备时，需要使用专用的地线将其引出，并使用降阻剂将其引出。可靠地连接到接地点。接地电阻应小于4欧姆。

(2）风力发电组件和太阳能组件的支架要接地良好，接地螺栓要通过降阻剂可靠地连接到接地点，接地电阻要小于4欧.

(3）正弦波逆变器的直流输出端和交流输出端应采用二次防雷。

9 系统安装设计

风光互补供电系统在铁塔上的安装要求是安装简单、维护方便、安装位置不影响输电线路的日常运行维护。该系统由风力发电组件、太阳能发电组件、蓄电池和控制设备组成。

风机的安装位置要求满足风力发电的最小风速，满足叶片旋转和风机360度旋转，不影响线路维护工作，所以安装风机位置选择在中间平台（两塔交叉连接）上塔的第一个横臂（高度为24 m），详见图2。

两块60×60的钢板用U型螺栓固定，考虑到风机在高速旋转时的垂直和横向力不会影响设备的牢固性，同时避免了对塔架的扭转力矩影响材料及影响塔的稳定性 平台塔材料上，风机固定在钢板上，使风机运行平稳，不影响塔的运行。

太阳能发电模块由一个安装支架和四块80×30的太阳能电池板组成。支架固定在朝南的铁塔主体材料上，太阳能电池板固定在支架上。它们串联，然后并联到主控箱。充分利用太阳能。

四节电池分成两组，堆放在两个镀锌铁盒中。电池由钢板隔开。其中一个铁箱用作主箱，即风能和太阳能智能控制器和逆变器放置在机箱中，控制控制系统的输入输出和发电模式的切换。

由于太阳能电池板和支架的尺寸以及电池箱的重量，两部分的安装位置在离塔9米的平台上。为避免电缆腐蚀和干扰风光互补太阳能路灯维修方案，设备之间的连接线与设备电缆均穿过PVC管固定在塔材上。

结束语

风光互补系统用于输电线路危险点的全天候视频监控系统供电。已成功应用于嘉兴地区望岩4458线32#塔重大危险点监测（嘉绍高速线下施工）。

根据系统应用数月，风光互补供电方式满足视频监控系统24小时稳定运行，可连续运行不受阴雨天气影响不中断供电，说明风能和太阳能具有良好的互补特性，与独立风力发电或光伏发电相比，可以获得相对稳定的输出，系统具有更高的稳定性和可靠性；在保证同等供电条件下，可以大幅度降低储能电池的容量，更好地保护电池，延长电池寿命，减少后期维护工作量。