几内亚边境监控塔负荷及哨所负荷太阳能供电系

       几内亚边境监控塔负荷及哨所负荷太阳能供电系统设计方案
　　目录
　　一需求及负荷分析...........................................................................................................................4
　　1 监控塔负荷分析.....................................................................................................................4
　　2 哨所负荷分析.........................................................................................................................4
　　二几内亚光/风资源分析................................................................................................................. 7
　　1 应用地区情况.........................................................................................................................7
　　2 几内亚电力现状.....................................................................................................................8
　　3 几内亚光伏电力现状.............................................................................................................9
　　4 几内亚风资源现状.................................................................................................................9
　　5 评论....................................................................................................................................... 10
　　6 光储选型依据.......................................................................................................................10
　　三负荷分析.....................................................................................................................................11
　　1 监控塔负荷分析...................................................................................................................11
　　2 哨所负荷分析.......................................................................................................................15
　　四光伏、风机和蓄电池选型.........................................................................................................17
　　1 光伏选型...............................................................................................................................17
　　2 风机选型...............................................................................................................................19
　　3 蓄电池选型...........................................................................................................................20
　　4 电源控制器选型...................................................................................................................21
　　五监控塔供电方案设计.................................................................................................................23
　　1 监控塔供电系统构成...........................................................................................................23
　　2 方案一仅由光伏供电.........................................................................................................24
　　3 方案二光伏/风力混合供电...............................................................................................25
　　4 电气原理接线图...................................................................................................................26
　　六哨所供电方案设计.....................................................................................................................27
　　1 哨所供电系统构成...............................................................................................................27
　　2 方案一仅由光伏供电.........................................................................................................27
　　3 方案二光伏/风力混合供电...............................................................................................29
　　七监控塔/哨所供电系统远程监控设计....................................................................................... 30
　　1 监控内容...............................................................................................................................30
　　2 监控界面设计.......................................................................................................................32
　　附录1........................................................................................................................................36
　　八设备清单.....................................................................................................................................41
　　1 监控塔负荷分析
　　安装一个监控塔，示意图如图1.1 所示。

　　图1.1 监控塔示意图
　　监控塔以塔架为接地体安装了直击雷接闪器。监控塔安装负载有5 公里光电球设备一台、前端摄像机一台、无线网桥一台、网络交换机一台。可能会有探照灯之类负载。需要两路48VDC、一路12VDC，并提供一路或若干备用电压接口。
　　初步建议采用风光储装置给监控塔负载供电。采用长寿命铁锂电池，电池充满续航按3-4 天设计；
　　2 哨所负荷分析
　　哨所一般24 小时有人值守，除了具有监控塔视频监控外，还应有生活设施、值班人手机通信、电脑等工作电气用品。一个典型的自主供电的哨所图如图1.2 所示。

　　图1.2 哨所图片（此图为我司在安哥拉建设的警务站）
　　经分析，可有负荷列表1.1。

　　一类负荷约640W，总负荷约4000W。
　　初步建议
　　采用风光储装置给哨所负载供电。采用长寿命铁锂电池，电池充满续航按3-4 天设计；
　　二几内亚光/风资源分析
　　1 应用地区情况
　　几内亚位于非洲西北部，北纬5℃~10℃，纬度低。面积约24.6 万平方公里，人口1270 万。地理位置如图2.1 所示。

　　几内亚大部分地区处于热带雨林向热带草原过渡地带。
　　几内亚沿海地区为热带季风气候，5 月至10 月为雨季，降雨量约占全年的90%。11月至次年4 月为旱季，干旱少雨。太阳辐射年变化小，并由于太阳在一年内的春分、秋分前后两次通过天顶。平均日照时间5-8 小时。
　　表2.1 科纳克里地区气象统计

　　折合年日照时间约2600 小时，相当于光伏资源三类地区。
　　各月平均气温在25-28℃之间。大部地区雨量充沛，年降雨量介于1300-4500 毫米，自东北部马里边界向西南大西洋几内亚湾沿岸递增。
　　几内亚大部分地区的降雨多集中在夜间，雨季初和结束前为强雷电多发期。
　　几内亚旱雨两季风向有异。旱季哈马丹风从东北方吹来，雨季季风来自西南方。雨季前后的换季期间，因季风挤压哈马丹风，可引发短瞬而猛烈的非洲飓风。上几内亚如康康地区10-12 月及1-2 月以东风及东北风为主，3-9 月以西风和西南风为主；6、7、8 月风力。
　　下几内亚沿海地区的平均风速为早晨2-6 公里/小时，中午开始加大，18 时后达到10 公里/小时。总的看来，风资源不充足。
　　2 几内亚电力现状
　　截止2018 年，几内亚电力装机658MW。
　　表2.2 几内亚电力装机

　　在建水电站：
　　苏阿皮提水电站，装机容量45 万千瓦，预计建成发电时间：2020 年。
　　几内亚水资源丰富，几内亚素有“西非水塔”的美誉，境内有大小河流1200 多条，可利用的潜在水电资源达600 万千瓦（6000 MW）。
　　3 几内亚光伏电力现状
　　法国Orange 电信公司在几内亚成立新的业务板块——Orange 能源，与其合作伙伴BBOXX 将为客户提供家庭小型太阳能发电解决方案，向有需求的客户提供一套太阳能发电设备，包括一块太阳能电池板、蓄电池以及灯泡、收音机、24 英寸电视等附加设备。已在几内亚与马里边境地区的Siguiri 省Doko 市开始试运营。该公司是几内亚大电信运营商，超过50%，其3G 信号覆盖几内亚全境。
　　几内亚在FORECARIAH 省启动乡村太阳能发电项目启动乡村太阳能发电项目，该项目由LightBox Africa 公司实施。在几内亚安装的小型太阳能发电装置采用德国的太阳能发电技术。每户安装一套微型太阳能发电装置，独立使用，不接入电网。每户乡村居民缴纳20 万几郎的安装费，然后每月缴纳8.3 万几郎的使用费，4 年后，全套光伏发电设备的所有权归用户所有。太阳能发电设备的电池设计使用寿命为10 年。2020 年招标在博法省上马一个小水电+太阳能光伏发电项目，小水电站装机容量=70兆瓦，太阳能光伏发电站装机容量=50 兆瓦。目的是为当地乡村老百姓供电。旱季主要依赖太阳能光伏发电，雨季主要依赖小水电站发电。水电站与太阳能光伏电站相互补充，相互配合。
　　2020 年3 月中国电建在多哥首都洛美签署了几内亚比绍20MW 太阳能现汇项目合同。项目资金来源于西非发展银行，施工内容为在距离几内亚比绍首都8 公里处的加尔德特厂区建设一座20 兆瓦光伏电站，项目业主为非洲绿色能源和可再生能源公司。2020 年4 月6 日， 非洲开发银行下设的“非洲可持续能源基金”批准向几内亚能源部下设的乡村电力化局提供83 万美元资金，用于帮助几内亚实施小型绿色电网项目，主要用于内亚小型绿色电网项目的前期预可研。项目内容：1) 在几内亚乡村投资建设57 个小型太阳能电网，这57 个小型太阳能电网属于独立的、自成体系的电网，不并入、不接入到几内亚。2) 为3 万户几内亚乡村居民家庭提供绿色清洁电力。3)、为不少于100 家几内亚本土中小企业提供太阳能清洁电力供应。4)、维保：实施企业除了采购并安装太阳能发电设置、安装小型电网之外，还要承担一定年限的日常维修保养，定期更换光伏板、电池。雨季的解决方案：几内亚的气候是半年旱季，半年雨季。在每年6 个月的雨季期间，几乎每天下雨，大部分时间是阴天。太阳能发电在雨季无法正常发电。项目实施企业必须思考、研究，拿出雨季供电的解决方案。以便让该项目受益的3 万户几内亚乡村家庭和100家几内亚中小企业能够全年12 个月都能使用电力。另有其它的光伏项目在计划中。
　　4 几内亚风资源现状
　　几内亚于2020 年6 月计划开发西海岸海上风电，以利用丰富的海上风资源。项目位于几内亚海岸线附近，具体风资源状况还待进一步调研，可以安装风机，和光伏互补发电。按风机年利用小时数2000 小时计算，根据国内统计数据，每kW 日发电约5kWh。可依此做为风能发电计算参考。
　　5 评论
　　从检索的资料情况看，几内亚旱季光伏资源丰富，日照时间可达10 小时以上，且纬度偏北纬接近零度，即太阳天顶角接近零度。适宜在监控塔顶端安装光伏板，且避雷针可在北侧安装而不产生遮挡。雨季时日照时间短，有光伏项目已经建议投标方考虑雨季供电方案，可见雨季太阳能资源很不理想。但从统计数据上的7 月也有5 小时日照时间。折合年日照时间约2600 小时，相当于光伏资源三类地区。由于环境温度在21℃~32℃之间，蓄电池不必考虑低温问题。一般电池运行允许环境温度在0℃~50℃，只要控制合理温升，也不必特别设计散热装置。可以安装风力发电，和光伏发电配合，构造风光储发电系统，向负荷提供稳定电能。
　　6 光储选型依据
　　据文献《几内亚西芒杜矿山铁路供电方案设计，刘彬彬，中铁第四勘察设计院集团有限公司电化处2018 年》分析，该铁路沿线有39 座通信基站采用光柴联合供电，每个基站负荷约10kW，设计光伏容量为12kW，储能配置没有提及。但提出需考虑7 天连续阴雨天气时保证电力供应。按某公司的《高速公路综合监控太阳能供电系统技术方案》，按7 天无日照天数来选型蓄电池。检索，仅有河南省地方标准《DB41/T 938-2014道路视频监控设施光伏发电系统设计与施工要求》，对道路的视频监控的光伏供电设计提出了原则性要求，但没规定无日照天数为多少值。本项目也应依7 天无日照天数处理为宜。但需要根据实际功率和蓄电池情况做调整。
　　三负荷分析
　　1 监控塔负荷分析
　　监控塔以网络摄像机为核心，配置网络交换机、无线网桥，并适当加入探照灯等，构成单点监控，并与其它监控塔构成手拉手结构，如图3.1 所示。

　　图3.1 监控塔地理分布示意图
　　每个监控塔站点的主要构成如图3.2 所示。

　　6.1 网络摄像机
　　网络摄像机可采用1080P 逐行扫描，分辨率为1920*1080，对应像素200 万，传输带宽约4Mbps。可采用高清红外球型网络摄像机，供电电压24V，功率60W。如图3.3 所示。

　　6.2 光电球
　　光电球是一种小型三合一（红外、可见光、激光）高精度搜索系统，内置高清可见光摄像机、红外热像仪和激光测距机，如图3.4 所示。24 小时连续运行，功率约300W。

　　6.3 网络交换机
　　POE 交换机有AT 标准（每端口功率15.4W）和AF 标准（单口功率30W），供电电压有有24V、48V 等。网络交换机可采用百兆5 端口POE 网络交换机，比如普联TL-SF100SPF。也可采用非POE交换机。如图3.5 所示。

　　6.4 无线网桥
　　无线网桥有2.4G 无线网桥、5.8G 无线网桥和双频网桥。组网方式有点对点、点对多点、中继式即手拉手式传输。
　　本项目为边境线成串式监控，适合采用手拉手式。可采用某款5.8G\450M,5 公里无线网桥。如图3.6 所示。

　　供电可用24VDC/0.5A 或12VDC/1A，即功率12W。
　　6.5 探照灯
　　具有自动巡航功能，通过485 通信控制探照灯上下左右照射角度、照明及自动巡航开关。采用PELCOD-D 通信协议。射程1000-1200 米。如图3.7 所示。功率有100W/150W 可选，供电电压AC220V/24VDC/12VDC 可选。

　　统计负荷电压有12V、24V、54V 等，功率总计242W。
　　探照灯负荷为间歇性随机负荷，其余为稳定负载。稳定负荷合计450W，按24 小时工作，合计10.8kWh。
　　探照灯按每日1 小时工作时长合计0.15kWh。
　　合计电能每日约10.95kWh。
　　负荷可按功率550W、电能11kWh/日计算。
　　2 哨所负荷分析
　　根据安哥拉项目经验，结合本项目需求，可将哨所负荷分为2 部分，一部分是监控塔负荷，参考表5；另一部分是哨所用电，如表3.2。表3.2 哨所负荷统计

　　统计负荷基本采用220V/50Hz 交流电源供电，再由各负荷所配备电源适配器转换为各自需要的电压。
　　电脑一般用于监控操作，24 小时运行，每日电量9.6kWh。
　　显示器可定期处于节能模式，可按8 小时满负荷，每日电量约0.32kWh。
　　咖啡机、空调可按每日运行4 小时，每日电量约10kWh。
　　微波炉按每日运行1 小时，每日电量约0.8kWh。
　　表3.3 哨所负荷每日电量统计

　　考虑用电紧张，应按节约用电原则，尽量减少用电，哨所用电总计按每日20kWh/4kW计算。四光伏、风机和蓄电池选型
　　1 光伏选型
　　2020 年10 月互联网周刊给出的光伏企业排名，如图4.1 所示。

　　图4.1 中国主流光伏组件厂家
　　我们和隆基股份、天合光能都有合作关系。优先选用出货大厂的光伏组件。以400W 光伏组件为主流选型产品，如图4.2 所示。

　　通过了IEC61215 和IEC61730 基础认证、IEC61701 盐雾认证和IEC6216 耐氨认证。单块组件峰值功率400W，主要参数如表4.1 所示。

　　2 风机选型
　　考虑在铁塔或哨所旁边安装，监控塔承受风机载荷有限，而在哨所旁安装风机运转噪音不能太大，可选用100W~5kW 内的小型水平轴永磁风力发电机。中国在小型风力发电机领域有众多生产商，据文献统计，中国比较成规模的生产企业有100 多家。5kW 以下的风力发电机产品，经检索，产品线比较丰富的厂家有江苏乃尔风电、江苏风腾、江苏泰坦、浙江华鹰等。100W 至5000W 等几种典型风机主要参数如表4.2 所示。

　　3 蓄电池选型
　　经检索，2020 年3 月，中国铁塔招标2GWh 磷酸铁锂电池组，由双登、南都、鹏辉等五家中标。中国移动采购1.95GWh 磷酸铁锂电池，由中天科技、海四达、双登等八家中标。经私下了解，这些标都为低价中标，所供产品性能不方便判断。经考虑和了解，选用性价比比较优良的合作企业生产的4850 通信专用电池组，如图4.3

　　采用高性能BMS 对电芯进行有效管理，体积小，电芯一致性好，寿命长。适应恶劣环境。主要电池组参数如表4.3 所示。表4.3 电池组参数

　　4 电源控制器选型
　　电源控制器一路输出端连接电池组，电池电压范围为40~60V，充放电电流按。
　　充电电流约24A
　　电池按200Ah，充电倍率为0.12C。
　　电源控制器负载端口可提供12VDC、24VDC、48VDC，输出总功率为250W，如图4.4 所示。
　　综合考虑，电源控制器功率按2kW 设计。

　　主要性能指标：
　　1)采用电压、电流双反馈环路控制，可方便地限定外设的安全工作范围。
　　2)全数字化，各种参数及信号全部数字化处理运行。性能和可控性均远优于普通的模拟变换器。
　　3)模块化设计，单模块输出功率2KW，工作电流40A。
　　4）双向变换都采用软开关控制，使得转换效率达到95%以上。
　　5）能工作于恒流、恒压、MPPT 和压控电流源等多种工作模式，并可在线快速频繁地切换工作模式。
　　6）空载功耗低于10W。
　　7）可设定多个输入/输出电压电流等参数，约束控制变换器安全方便地运行。
　　8）开机软启动，防止产生过强的电压电流冲击两端的电源。
　　9）模块带有液晶屏显示，可实时显示各种参数。
　　10）带通信功能，可选MODBUS-RTU 协议或CAN2.0B 协议，方便终端远程监控其工作状态和参数。
　　11）各种异常情况保护功能：带有过压，过流，过热，短路保护功能，故障撤销后自动恢复工作。
　　12）整机重量5Kg。
　　五监控塔供电方案设计
　　1 监控塔供电系统构成
　　供电系统构成设备有风电/光伏、蓄电池、电源控制器、协调控制器等，如图5.1 所示。

　　图5.1 监控塔供电系统构成示意图
　　结合计算及实际情况，可以有几个因素影响方案选型，一是蓄电池供能天数，可按3-4日考虑，由此也影响光伏/风机装机容量。二是仅由光伏供电。三是风/光混合供电。可提供二种典型方案选项。
　　种是按4 日蓄电池连续供电，仅光伏供电；第二种是按4 日蓄电池连续供电，风
　　光混合供电。
　　2 方案一仅由光伏供电
　　2.1 光伏容量计算
　　通过检索到的光伏资料，属于三类太阳能资源地区，年日照小时数约2600 小时。可以安装光伏发电。但还有资料显示雨季时可能光伏供电不足，建议与水电互补或其它补充方式。但分析资料，即使雨季，平均日照也有5 小时，且多在夜间下雨，应该仅由光伏发电为监控塔提供电力可行。光伏容量不仅先满足负荷功率。
　　根据中国各省市光伏电站速查表，综合分析，可按每瓦首年发电量1.3kWh 计算，即3.6wh/W/日。负荷每日用电11kWh/550W。按峰值日照小时数计算光伏功率：光伏功率=每日用电量/峰值日照小时数*裕量
　　裕量按1.6 考虑，可得11000/5*1.6=3520W。
　　每块组件400W，可按9 片考虑，即3600W。
　　可按3 串3 并连接为阵列，经汇流箱输出为一路至电源控制器。
　　光伏阵列参数为：开路电压为123.6V，峰值电压为102.6V，峰值电流为35.1A。
　　2.2 蓄电池容量计算
　　蓄电池容量=每日负荷电量/电池组直流电压*续流天数*裕量。裕量按1.6，续流天数按4 天，则得：11000/48*4*1.6=1466.7Ah/48V，共计70.4kWh。每个电池组为2.4kwh，可取70.4/2.4=29.3，可取30 个电池组并联。
　　蓄电池包参数为：额定电压48V，额定容量为1500Ah，额定输出电流为11A，额定充电电流为75A。
　　2.3 电源控制器
　　电源控制器参数如表5.1 所示。
　　表5.1 电源控制器参数

　　3 方案二光伏/风力混合供电
　　如第2 节所述，光伏功率为3600W，当光伏/风力混合供电时，再考虑裕量，光伏可按2400W、风机按1500W。400W 光伏组件需要6 块，可按3 串2 并设计阵列，得阵列参数为：开路电压为123.6V峰值电压为102.6V，峰值电流为23.4A。
　　风机输出参数为：额定电压48V，额定功率1500W，额定电流为32A。
　　蓄电池容量同2.2。

　　可提供二种典型方案选项。
　　种是按4 日蓄电池连续供电，仅光伏供电；第二种是按4 日蓄电池连续供电，风光混合供电。
　　2 方案一仅由光伏供电
　　2.1 光伏容量计算
　　负荷每日用电20kWh/4kW 计算。
　　按峰值日照小时数计算光伏功率：
　　光伏功率=每日用电量/峰值日照小时数*裕量
　　裕量按1.6 考虑，可得20000/5*1.6=6400W。
　　每块组件400W，可按16 片考虑，即6400W。
　　可按4 串4 并连接为阵列，经汇流箱输出为一路至电源控制器。
　　光伏阵列参数为：开路电压为164.8V，峰值电压为136.8V，峰值电流为46.8A。
　　2.2 蓄电池容量计算
　　蓄电池容量=每日负荷电量/电池组直流电压*续流天数*裕量。
　　裕量按1.6，续流天数按4 天，电池组电压按48V，则得：20000/48*4*1.6=2666.7Ah/48V，
　　共计128kWh。
　　每个电池组为2.4kwh，可取128/2.4=53，可取54 个电池组并联。
　　蓄电池包参数为：额定电压48V，额定容量为2667Ah，额定输出电流为83A，额定充
　　电电流为133A。
　　2.3 电源控制器
　　电源控制器参数如表6.1 所示。
　　表6.1 电源控制器参数

　　3 方案二光伏/风力混合供电
　　如第2 节所述，光伏功率为6400W，当光伏/风力混合供电时，再考虑裕量，光伏可按4000W、风机按3000W 选型。400W 光伏组件需要10 块，可按5 串2 并设计阵列，得阵列参数为：开路电压为206V，峰值电压为171V，峰值电流为23.4A。
　　风机输出参数为：额定电压120V，额定功率3000W，额定电流为25A。
　　蓄电池容量同2.2。
　　七监控塔/哨所供电系统远程监控设计
　　1 监控内容
　　供电系统是整个监控塔/哨所设备正常运行的基础，在监控中心实时获取和监视供电系
　　统的数据很有必要，可以为实时判断远端视频监控状态、实现智能运维提供支持。

　　2 监控界面设计
　　每个监控塔、哨所为一个节点。数据页面通过操作可进行分层显示，总体分为三层。
　　2.1 层总体数据
　　2.1.1 总体展示图
　　层显示所有节点的地理分布，包括监控塔节点和哨所节点。用颜色区分每个节点运行状态，包括正常、告警和故障，如图7.2 所示。通过选择实时数据、历史数据、实时曲线、历史曲线等按钮，可直接进入相应的显示页面。

　　2.1.2 历史数据展示
　　主要数据的历史曲线展示，在选择节点-设备、起止时间后，可浏览主要变量的历史数据，典型图如图7.3 所示。

　　2.1.3 实时数据展示
　　主要实时数据的展示，在选择节点-设备后，可浏览主要变量的实时数据，如图7.4 所示。

　　2.1.3 参数配置
　　系统参数配置：用户分级帐密设置；通过参数配置（带帐密保护）可以修改每个设备的关键调节和控制参数，以优化设备的运行状态。
　　电源控制器参数配置：告警、保护参数上下限值配置；
　　历史数据配置：历史数据存储使能设置
　　储能参数配置，如图7.5 所示。

　　2.2 第二层节点结构图
　　在层页面上单击某个节点，进行第二层，展示该节点供电结构图。监控塔节点显示每个构成设备的主要数据，主要设备的启停操作。分为监控塔节点和哨所节点。
　　具体包括：供电系统主接线图页面；电源控制器页面；电池管理系统页面；光伏组件页
　　面，通过单击相应图素进入第三层页面。某哨所典型电气接线图如图7.6 所示。

　　图7.6 哨所典型电气接线图
　　2.3 第三层节点设备内部数据图
　　在第二层页面上点击某个设备，可进入第三层，详细显示该设备的运行数据。对于监控塔节点，主要包括电池、光伏、电源控制器的每个设备页面。
　　对于哨所节点，可显示每路输入电数据、电池数据和电源控制器数据。
　　典型图如图7.7 所示。

　　图7.7 电池组实时数据页面
　　本节所展示的图只是全面监控和智能运维的一部分，除了界面展示部分，还有通信前置机软件、数据库管理、优化调节策略、经济分析、寿命评估、状态分析等高级后台应
　　用软件，支撑前端的浏览和监控界面操作。

　　八设备清单
　　从表8.1 至8.4，分别列出了单个监控塔和哨所、采用方案一和方案二的设
　　备清单。
　　表8.5 和表8.6，分别列出了项目要求的方案一和方案二的全部设备和工作
　　清单。
　　单个监控塔供电系统设备清单如表8.1 所示。
　　表8.1 监控塔方案一仅光伏供电设备清单