易吉林，謝晨希，王夢琦

（1.貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 概況

黃家灣灌區(qū)用水全部從黃家灣水庫取水，沿干渠自流，沿程設(shè)支渠及斗渠分流，解決城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水及農(nóng)業(yè)灌溉用水問題。

黃家灣水利樞紐工程解決輸水工程閘（閥）門數(shù)量眾多、運(yùn)行管理復(fù)雜、交通不便等問題。若采用電網(wǎng)線路架設(shè)作為輸水工程管道線路上閘（閥）門啟閉和各類監(jiān)測儀器的電力來源，就需要花費(fèi)大量人力物力及財力去建設(shè)電力供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施和長距離的輸電線路架設(shè)工作。首先，施工環(huán)境復(fù)雜、施工時間長、還需要占用大量土地；其次，在工程運(yùn)行管理期，整套供電系統(tǒng)需要定時進(jìn)行維護(hù)檢修以保證其穩(wěn)定性，從而增加工程的運(yùn)行管理成本。

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)通過單個點(diǎn)位采集風(fēng)能和太陽能發(fā)電，無需外接供電，工程建設(shè)方就不需要建設(shè)變電站、架設(shè)高低壓線路、配電系統(tǒng)等工程。不但縮短了工程建設(shè)工期、降低了資金投入還減少了工程占用土地面積，而且兼有自動化信息化功能，實現(xiàn)管控、工程項目閘控等設(shè)備無人值守、少人值守，為以后整個輸水工程的大信息化系統(tǒng)提供便利基礎(chǔ)。

2 風(fēng)光互補(bǔ)直流智能測控系統(tǒng)組成

2.1 太陽能光伏電池板及光伏控制系統(tǒng)

太陽能光伏電池板通過半導(dǎo)體p-n 結(jié)的光生伏打效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)太陽能板受到光照時，其中的電荷分布狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電流與電動勢。通過在太陽能光伏電池板兩側(cè)引出電極接上負(fù)荷后，就會在外電路中產(chǎn)生光生電流，獲得功率輸出。在工作環(huán)境情況下，光伏控制器均可以通過MPPT控制算法有效快速地追蹤到光伏陣列的最大功率，將太陽能電池板獲取的能量最大化。顯著提高太陽能系統(tǒng)能量利用率；太陽能光伏板采用轉(zhuǎn)換效率較高的單晶硅太陽能電池板陣列。太陽能電池板根據(jù)年平均日照時間、安裝環(huán)境、氣象條件及負(fù)載和電池組大小等參數(shù)進(jìn)行容量設(shè)計，可保證太陽能電池板、儲能電池組和負(fù)載設(shè)備等匹配良好。通過將若干太陽能電池板以串聯(lián)或并聯(lián)的型式連接組成太陽能光伏方陣，由光伏控制器把采集的太陽能轉(zhuǎn)換的電能穩(wěn)流穩(wěn)壓成直流電，再將其輸入蓄電池中儲存。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)電控制系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為非穩(wěn)壓形式的電能，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到2～3級或以上時，發(fā)電機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效益極大程度上取決于發(fā)電機(jī)安裝位置的風(fēng)力情況，在安裝實地進(jìn)行氣象測量得到風(fēng)速持續(xù)曲線。隨著風(fēng)速的增高輸出功率也隨之增大，而當(dāng)風(fēng)速持續(xù)升高，系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)葉片間距或其他方法將輸出功率穩(wěn)定在額定值進(jìn)行工作。再通過風(fēng)電控制器穩(wěn)流穩(wěn)壓后，轉(zhuǎn)化為直流電給蓄電池充電儲能。風(fēng)電控制器專為風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制和蓄電池充電而設(shè)計，智能監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的電能并對其進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，采用PWM 無極卸載方式控制風(fēng)機(jī)對蓄電池進(jìn)行智能充電及保護(hù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用啟動風(fēng)速低的無齒輪、直驅(qū)式、低轉(zhuǎn)速稀土永磁轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)，最大功率跟蹤智能型微處理風(fēng)能控制器，有效調(diào)節(jié)電流電壓，性能要求符合國家及行業(yè)相關(guān)規(guī)定。功率選擇依據(jù)年平均風(fēng)能氣象條件及負(fù)載和電池組大小等參數(shù)進(jìn)行容量設(shè)計，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池和負(fù)載等匹配良好。

2.3 儲能蓄電池及BMS電池管理系統(tǒng)

蓄電池組結(jié)合BMS 電池管理系統(tǒng)進(jìn)行儲存和調(diào)節(jié)電能，實時監(jiān)測調(diào)控各電池電量及充電循環(huán)次數(shù)、充電時間等。同時具有充放電多重保護(hù)、短路保護(hù)、電池均衡、休眠模式等功能，有效調(diào)節(jié)太陽能和風(fēng)能之間的協(xié)作互補(bǔ)，保證電池和負(fù)載之間電能的儲備及匹配。當(dāng)太陽能或者風(fēng)力充足時，產(chǎn)生的電能均通過蓄電池儲存起來，滿電量時切斷充電回路，保護(hù)電池組。通過蓄電池進(jìn)行供電（比如電動閥門、水位計、流量計、監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)、照明系統(tǒng)）；當(dāng)電池組電量下降時，風(fēng)能和太陽能自動浮充，保證電池組電量穩(wěn)定。電池組優(yōu)先采用太陽能專用膠體蓄電池與三元鋰電池。

BMS電池管理系統(tǒng)可有效保障各蓄電池的長久安全使用，時刻監(jiān)控各電池的使用狀態(tài)，通過控制箱人機(jī)交互界面直觀顯示實時電量及充電循環(huán)次數(shù)、充電時間、低電量報警等狀態(tài)參數(shù)，具備充放電多重保護(hù)、短路保護(hù)、電池均衡、低功耗輸出、休眠模式等功能。當(dāng)光照風(fēng)力強(qiáng)度與供電設(shè)備負(fù)荷大小等外部工作環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)也會對蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的切換與調(diào)整。滿足現(xiàn)場各種情況，保證整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、安全性、連續(xù)性。

2.4 PLC綜合控制箱

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)通過PLC 綜合控制箱控制能量采集與轉(zhuǎn)換模塊達(dá)到能量采集的最大化，同時還對整套系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)控管理，是整套系統(tǒng)的核心。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)通過太陽能板和風(fēng)機(jī)進(jìn)行能量的收集，所以系統(tǒng)的發(fā)電效率會隨著實時環(huán)境氣候發(fā)生變化。當(dāng)系統(tǒng)處于非正常運(yùn)行工況時，控制系統(tǒng)會隨之做出調(diào)整。當(dāng)實時風(fēng)速超過設(shè)計風(fēng)速，系統(tǒng)將控制風(fēng)機(jī)停止工作，保證設(shè)備安全。當(dāng)實時風(fēng)能與光能充足，系統(tǒng)發(fā)電量大于負(fù)載耗電量和蓄電池充電量時，控制系統(tǒng)會接通卸荷器電路，消耗多余發(fā)電量；當(dāng)工作狀態(tài)發(fā)生異常，線路短路，控制器會切斷充電電路，保護(hù)系統(tǒng)安全。系統(tǒng)還會檢測工作點(diǎn)輸出電流和電壓值，來判斷當(dāng)前工作狀態(tài)并影響輸出電流來實時調(diào)節(jié)。

2.5 直流電機(jī)及控制系統(tǒng)

直流電動電裝為全智能型非侵式，防護(hù)等級IP68；采用專用永磁無刷直流電機(jī)，矢量控制，具有優(yōu)良的伺服特性－無級調(diào)速功能，實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速的任意調(diào)整。直流電裝電源工作電壓范圍大，可在額定電壓±20%波動范圍下正常工作，通過人機(jī)交互界面設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流來改變輸出力矩的大小，并且開向和關(guān)向均可獨(dú)立設(shè)置不同的過扭矩保護(hù)值（超載荷保護(hù)值），滿足不同工作情況的要求。

2.6 流量、液位采集系統(tǒng)

流量、液位采集系統(tǒng)流量計通過PLC編程控制箱進(jìn)行供電并雙向傳輸信號，經(jīng)無線通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)控云平臺進(jìn)行實時監(jiān)測。流量計可依據(jù)實際應(yīng)用場合選用電磁流量計、雷達(dá)流量計或超聲波流量計。

2.7 無線通信及遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)

黃家灣水利樞紐工程項目位置為偏遠(yuǎn)山區(qū)，河流流向跨度較大，河流沿線更是人跡罕至，人工采集數(shù)據(jù)和智能化控制難度較大，其中包括電站、閘、泵等自動控制、水量監(jiān)測、工程安全監(jiān)測、水雨情監(jiān)測、視頻監(jiān)視等。

在水利信息網(wǎng)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)傳輸作為數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用支撐、數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用服務(wù)的核心樞紐，為水利信息數(shù)據(jù)提供高速傳輸通道，其中網(wǎng)絡(luò)傳輸又分為無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)。

2.8 安防報警及視頻監(jiān)控

安防報警系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于保證灌區(qū)設(shè)施運(yùn)行設(shè)備安全。安防報警系統(tǒng)采用紅外、微波、移動偵測等三種方式保障采集信號的準(zhǔn)確性，通過PLC綜合控制箱對安防報警系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行供電。

監(jiān)控系統(tǒng)為適應(yīng)工況，采用自適應(yīng)能力較強(qiáng)系統(tǒng)，即使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境丟包率達(dá)到20%時，仍然能夠進(jìn)行監(jiān)事視頻傳輸。

3 結(jié)語

隨著風(fēng)光互補(bǔ)直流發(fā)電設(shè)備及控制系統(tǒng)在國內(nèi)的飛速發(fā)展與技術(shù)成熟，采用風(fēng)能和太陽能相結(jié)合進(jìn)行發(fā)電的形式可以充分利用各種能源，實現(xiàn)了能量的互補(bǔ)，環(huán)保綠色。使得研究風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)對閘門、閥門進(jìn)行供電也更有意義。

風(fēng)光互補(bǔ)直流智能測控系統(tǒng)可以解決輸水灌區(qū)用電設(shè)備的設(shè)備用電問題，還能兼具信息化自動化功能。為智慧水務(wù)運(yùn)行管理、監(jiān)測、控制提供硬件基礎(chǔ)。對于水庫管理者而言，可以在遠(yuǎn)端實現(xiàn)對整個輸水系統(tǒng)的渠道、管線上閘門、閥門等控制單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及監(jiān)控，還能實時查詢監(jiān)測渠道、管線的水位、流量及實地視頻信號。不僅提高了用電設(shè)備供電的安全可靠性。為輸水工程的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了相應(yīng)的保障，同時有效地降低了建設(shè)和運(yùn)營成本，提高了工程建設(shè)進(jìn)度。為建立工程信息綜合查詢、工程用水分析系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將設(shè)備控制、水量測量、遠(yuǎn)程通信、工況監(jiān)控等功能于一體，通過對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，結(jié)合量水設(shè)備對水量進(jìn)行實時控制與監(jiān)測，對工程用水進(jìn)行更高效管理，進(jìn)而達(dá)到可控調(diào)水，降低人工管理成本。由于無需外接供電，工程的征地移民范圍減小，可有效減少征地移民方面的工作問題。而風(fēng)能光能作為可再生能源綠色環(huán)保、節(jié)能節(jié)約，由此產(chǎn)生的環(huán)境、生態(tài)效益不言而喻。