風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)多作為獨(dú)立的供電系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)。如部隊(duì)的邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路和鐵路的信號(hào)站、地質(zhì)勘探和野外考察的工作站、偏遠(yuǎn)山區(qū)及海島。

神華集團(tuán)神朔鐵路分公司神木北站位于陜西省神木縣，由于車站為已投入多年運(yùn)用站場(chǎng)，且鐵路運(yùn)輸工作異常繁忙，基本上為列車全時(shí)段占道站場(chǎng)，因此常規(guī)的視頻監(jiān)控供電及數(shù)據(jù)傳輸方式在神木北站中，無法順利實(shí)現(xiàn)。

本文根據(jù)站臺(tái)值班監(jiān)控工程的供電要求，結(jié)合站臺(tái)實(shí)際情況，本著風(fēng)能和太陽能綜合利用的思想，設(shè)計(jì)了風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)和攝像監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用風(fēng)光互補(bǔ)供發(fā)電方式為攝像機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電；此外因監(jiān)控地點(diǎn)處于站場(chǎng)中間，無法進(jìn)行跨鐵路布線操作，故視頻數(shù)據(jù)無法傳輸，因此采用無線網(wǎng)橋設(shè)備和技術(shù)將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)控中心進(jìn)行處理，同時(shí)還可以對(duì)攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)基本能滿足所需具體要求，基本達(dá)到了預(yù)期目的。

系統(tǒng)總體組成

神木縣位于陜西省北部榆林地區(qū)，當(dāng)?shù)囟嗄昴昃鶜庀筚Y源參數(shù)如表1所示：

表1 神木縣各種氣象資源參數(shù)情況

• 氣候狀況：神木縣位于東經(jīng)110度10分--110度11分，北緯38度49分--38度50分之間。
• 風(fēng)力：神木縣風(fēng)能儲(chǔ)量巨大，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為1.5億千瓦，可開發(fā)量在4000萬千瓦以上，年平均風(fēng)速在3.5米/秒以上，高于全國平均水平，同時(shí)風(fēng)力分布均勻，無破壞性風(fēng)力記錄，非常適合發(fā)展風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目。
• 日照：年平均日照時(shí)數(shù)為4530小時(shí)，日照百分率平均69%，5月份多達(dá)78%。

根據(jù)神木的太陽能資源和風(fēng)力資源情況，系統(tǒng)實(shí)際配置如圖1所示，該系統(tǒng)為一個(gè)獨(dú)立的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電及無線數(shù)據(jù)傳輸攝像監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)攝像監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

圖1中，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電子系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、太陽電池板、充放電控制器、免維護(hù)鉛酸蓄電池、燈桿、光源等組成。太陽能電池板安裝在燈桿支架上，太陽能電池板利用光伏效應(yīng)發(fā)電，并給蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)力達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始給蓄電池充電；控制器控制蓄電池的充放電，蓄電池為貯能元件，能為無線數(shù)據(jù)傳輸攝像監(jiān)控子系統(tǒng)提供穩(wěn)定的輸出電壓。

無線數(shù)據(jù)傳輸攝像監(jiān)控子系統(tǒng)由攝像監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸、前端監(jiān)控三部分組成，入圖2所示。前端監(jiān)控主要包括智能監(jiān)控模塊、通信傳輸模塊、攝像機(jī)等部分組成。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖

風(fēng)光互補(bǔ)子系統(tǒng)選型

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，通常小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用永磁材料制成，具有體積小、發(fā)電效率高等特點(diǎn)，輸出三相交流電，經(jīng)過三相整流橋整流后變?yōu)橹绷麟?，輸出功率受風(fēng)速影響。而光伏發(fā)電是利用光伏陣列的光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，光伏陣列輸出為直流電，其輸出電壓、電流隨著光照強(qiáng)度和所接負(fù)載而變化。

二者發(fā)出的電能經(jīng)控制器處理后可向直流負(fù)載供電，通過充電控制器對(duì)蓄電池充電將電能儲(chǔ)存，或經(jīng)逆變器逆變后向交流負(fù)載供電。圖3所示為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成框圖，圖中各部分作用如下：

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成框圖

• 太陽能組件：由多個(gè)光伏板組成方陣，將光能變成電能，可單個(gè)或多個(gè)光伏板聯(lián)接供電；
• 風(fēng)機(jī)：將風(fēng)能變成電能，與太陽能電池板協(xié)同工作；
• 風(fēng)光互補(bǔ)控制器：控制蓄電池的充、放電電流和電壓?？焖佟⑵椒€(wěn)、高效地為蓄電池充電，減少充電過程中的損耗，避免蓄電池過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生，盡量延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命；控制蓄電池放電水平，保證負(fù)載工作有較穩(wěn)定的直流電壓。提供標(biāo)準(zhǔn)通信和報(bào)警端口；
• 蓄電池組：將太陽能電池板或風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電貯能起來，供負(fù)載使用；
• 逆變器：將蓄電池放電電壓由直流逆變?yōu)榻涣?20VAC（該端口為預(yù)留端口）。

1 負(fù)載功率計(jì)算

采用風(fēng)光互補(bǔ)供電的主要用電設(shè)備為攝像機(jī)（含雨刷器、云臺(tái)等），額定工作電壓為24VDC。根據(jù)攝像機(jī)的使用特點(diǎn)，其負(fù)荷計(jì)算如下：

1）一般情況下，攝像機(jī)以某一方位實(shí)時(shí)監(jiān)視為主，此時(shí)負(fù)荷組額定功率按10W計(jì)；

2）運(yùn)行遙控云臺(tái)時(shí)，負(fù)荷組最大功率按60W計(jì)，云臺(tái)每天運(yùn)行時(shí)間按不超過30min計(jì)；

3）系統(tǒng)全天功耗為：10W×23.5h+60W × 0.5h=0.265kWh。

假設(shè)設(shè)備安裝區(qū)域太陽能全年的平均有效利用時(shí)間為4h，低速（按可工作風(fēng)速3m／s）風(fēng)力平均有效利用時(shí)間為5h，既無可用風(fēng)力也無可用光能的最不利連續(xù)時(shí)間為5天。

考慮太陽能組件設(shè)備的系統(tǒng)損耗和衰減率，取可靠系數(shù)1.4，綜合考慮最不利因素，太陽能電池板的功率應(yīng)為：265kWh×1.4 × 5／4h=463.75W。因此選擇額定功率480W的太陽能電池板。

考慮風(fēng)力發(fā)電組件設(shè)備的系統(tǒng)損耗和衰減率，取可靠系數(shù)1.4。綜合考慮最不利因素，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率應(yīng)為：0.265kWh×1.4×5／5h=371W。因此選擇額定功率400W的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

系統(tǒng)平均電流為：0.265kWh／（24h×24V）=0.46A?？紤]蓄電池的放電效率和衰減率，取可靠系數(shù)3.5。綜合考慮最不利因素，蓄電池的額定容量應(yīng)為：0.46A×3.5×24h× 5=193.2AH。因此選擇額定容量200 AH的蓄電池組。

2 部件選型

1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：型號(hào)為：24V/400W。風(fēng)力葉片由超高強(qiáng)度的工程塑料精密注塑成型，發(fā)電機(jī)采用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)永磁材料，體積小、重量輕而且發(fā)電效率極高。同時(shí)利用葉片失速及電磁制動(dòng)，限制風(fēng)輪最高轉(zhuǎn)速；利用電磁制動(dòng)防止發(fā)電機(jī)過載；輸電方式采用集電環(huán)導(dǎo)電，保證電纜不纏繞、不扭斷，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝方便、運(yùn)行安全。

2）太陽能電池板：型號(hào)為CRMD120，兩塊串聯(lián)組成，在太陽光的照射下將太陽能轉(zhuǎn)換成電能輸出，是整個(gè)光伏系統(tǒng)的核心部件。太陽能電池板技術(shù)指標(biāo)達(dá)到行業(yè)的領(lǐng)先水平，使用壽命25年以上。

3）充放電控制器：功率等級(jí)為24V/400W，對(duì)蓄電池充放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的需求控制蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。本控制器采用微電腦芯片控制，通過對(duì)蓄電池的電壓、環(huán)境溫度、太陽能電池板的電壓等參數(shù)的檢測(cè)判斷，控制各項(xiàng)功能動(dòng)作的開通與關(guān)斷。太陽能和風(fēng)力機(jī)組的充電方式都采用微處理器和PWM脈寬調(diào)制充電方式，高效率地實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和太陽能對(duì)蓄電池的充電。

控制器具有蓄電池過充電、過放電保護(hù)；夜間防反充保護(hù)，太陽電池反接保護(hù)、風(fēng)力機(jī)組的限速保護(hù)等保護(hù)功能，控制器使用壽命為8年。

4）免維護(hù)鉛酸蓄電池：功率等級(jí)為12V/200AH，兩塊串聯(lián)組成，然后再并聯(lián)。其作用是將太陽電池和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能貯存起來，夜晚將貯存的電能釋放以滿足負(fù)載的能量需求，它是整個(gè)系統(tǒng)的貯能部件。本系統(tǒng)采用免維護(hù)鉛酸蓄電池，具有效率高、使用方便、免維護(hù)、自放電小、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用國內(nèi)知名品牌蓄電池，使用壽命5年以上。

5）燈桿：采用優(yōu)質(zhì)鋼材焊接而成，設(shè)計(jì)抗風(fēng)強(qiáng)度為10級(jí)以上，采用表面熱鍍鋅＋噴塑處理防腐工藝，既美觀，又能耐腐蝕、耐老化，能保證15年燈桿顏色不變色，使用壽命20年以上。

對(duì)于系統(tǒng)配置的計(jì)算結(jié)合了當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，能保證系統(tǒng)滿足在任何季節(jié)都能滿足負(fù)載用電的要求。

無線數(shù)據(jù)傳輸攝像監(jiān)控子系統(tǒng)選型

攝像監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸、前端監(jiān)控三部分組成，前端監(jiān)控主要包括智能監(jiān)控模塊、通信傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等。

圖4 前端監(jiān)控點(diǎn)(SU)設(shè)備

圖5 中心端監(jiān)控中心(AU)設(shè)備

站臺(tái)SU端（圖4）放置1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將拍攝到的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字方式傳遞到無線網(wǎng)絡(luò)上，無線網(wǎng)絡(luò)再通過車站的值班室網(wǎng)絡(luò)接入到公司局域網(wǎng)內(nèi)。在神朔公司大樓機(jī)房安裝中心端監(jiān)控中心（AU）設(shè)備（圖5），在視頻服務(wù)器安裝視頻服務(wù)軟件，通過視頻服務(wù)軟件管理視頻的瀏覽、使用等權(quán)限。

1無線傳輸設(shè)備性能指標(biāo)

無線傳輸采用以色列奧維通的5.8GHZ點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線接入系統(tǒng)，主要技術(shù)性能如下：

（1）提供了出色的非視距大容量點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)接入能力，使用5GHz頻段：5.725—5.850GHz、5.470—5.725GHz、5.150—5.350GHz和4.900-5.100 GHz ；

（2）采用OFDM(正交頻分多路復(fù)用)技術(shù)，確保高速數(shù)據(jù)速率、頻譜利用率，并有優(yōu)異的抗干擾和多路徑效應(yīng)的能力自適應(yīng)調(diào)制方式（BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM）；

（3）提供10MHz/20MHz的信道帶寬 ；

（4）采用10/100 BaseT接口 ；

（5）支持多種CPE速率：6Mbps和54Mbps ；

（6）支持自動(dòng)發(fā)射功率控制(ATPC) ；

（7）提供了高級(jí)的接入特性組合，其中包括QoS，安全性與全面的管理能力；

（8）靈活的設(shè)計(jì)，有機(jī)架型和獨(dú)立型兩款基站型號(hào)可供選擇，可部署于使用不同天線的多扇區(qū)組網(wǎng)；

（9）支持基于SNMP的配置和管理；

（10）提供無線軟件更新與配置上載/下。

根據(jù)神木北站情況，在中心端采用獨(dú)立接入單元，包括一個(gè)小型室內(nèi)單元、抱桿安裝的室外單元和一面120度扇區(qū)天線；客戶端采用集成天線的支持高達(dá)54M帶寬的多用戶單元。

2 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)性能指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用5寸中速智能網(wǎng)絡(luò)球機(jī)，各項(xiàng)性能指標(biāo)如下。

系統(tǒng)功能: 采用1/4"索尼高性能CCD, 圖像清晰；精密電機(jī)驅(qū)動(dòng), 反應(yīng)靈敏, 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn), 精度偏差少于0.1度, 在任何速度下圖像無抖動(dòng)；支持RS-485控制下對(duì)HIKVISION、Pelco-P/D協(xié)議的自動(dòng)識(shí)別；支持多語言菜單及操作提示功能, 用戶界面友好；支持?jǐn)?shù)據(jù)斷電不丟失；支持?jǐn)嚯姞顟B(tài)記憶功能, 上電后自動(dòng)回到斷電前的云臺(tái)和鏡頭狀態(tài)；支持光纖模塊接入；支持內(nèi)置溫度感應(yīng)器, 可顯示機(jī)內(nèi)溫度；支持防雷、防浪涌、防突波；室外球達(dá)到IP66防護(hù)等級(jí)。

機(jī)芯功能: 支持自動(dòng)光圈、自動(dòng)聚焦、自動(dòng)白平衡、背光補(bǔ)償和低照度（彩色/黑白）自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。

云臺(tái)功能: 水平方向360°連續(xù)旋轉(zhuǎn), 垂直方向-5°-185°, 無監(jiān)視盲區(qū)；水平預(yù)置點(diǎn)速度最高可達(dá)150°/s, 垂直預(yù)置點(diǎn)速度最高可達(dá)100°/s；水平鍵控速度為0.1°-150°/s, 垂直鍵控速度為0.1°-100°/s；支持比例變倍功能, 旋轉(zhuǎn)速度可以根據(jù)鏡頭變倍倍數(shù)自動(dòng)調(diào)整。

網(wǎng)絡(luò)功能: 采用H.264視頻壓縮算法和TI高性價(jià)比的最新達(dá)芬奇處理芯片和平臺(tái), 性能可靠穩(wěn)定；支持以太網(wǎng)控制, 同時(shí)支持模擬接入；可通過IE瀏覽器和客戶端軟件觀看圖像并實(shí)現(xiàn)控制；支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, TCP/IP、HTTP、DHCP、DNS、RTP/RTCP、PPPoE（FTP、SMTP、NTP、SNMP可添加）。

結(jié)論

如何解決已建站場(chǎng)和困難地段的供電問題，以及如何解決視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸問題，是目前鐵路單位所面臨的一個(gè)實(shí)際問題。本文通過對(duì)陜西神木縣當(dāng)?shù)貧庀蟓h(huán)境資源的統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)了風(fēng)光互補(bǔ)供電攝像監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)所需部件進(jìn)行了計(jì)算選型。

系統(tǒng)采用風(fēng)光互補(bǔ)的方式對(duì)攝像監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行供電，采用無線傳輸?shù)姆绞綄⒁曨l數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)控中心進(jìn)行處理。系統(tǒng)基本能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，達(dá)到了預(yù)期目的，圖6和圖7分別為系統(tǒng)外觀和監(jiān)控截屏圖像。該系統(tǒng)為相關(guān)單位提供了解決類似問題的參考依據(jù)。

圖6 風(fēng)光互補(bǔ)供電攝像監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)外觀

圖7 實(shí)際監(jiān)控截屏圖像

（本文選編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“風(fēng)光互補(bǔ)供電攝像監(jiān)控系統(tǒng)研究”，作者為張青。）