(1.南水北调中线信息科技有限公司 北京 100038；2.荥阳新天风能有限公司 河南荥阳 450100)
摘要：我国人口众多、地域比较广阔，监控站点的设立遍布全国，而且位置比较分散，还有人多的站点都在人员稀少的地方，并没有专业的人进行值守，不能够很好的为人们输送电力，所以为了用电、取电更加的便利、快捷，我国现如今开始采取了太阳能供电的方案。基于此，本文采用全数字化网络视频集中监控模式以网络视频服务器为核心，依托业主的计算机专用网络，把监控中心和网络可以到达的任何地方的监控目标组合成一个系统，真正适应即时对视频监控系统远程、实时、集中监控的需求。
关键词：视频监控：供电改造
1项目概述
1.1 系统概况
南水北调中线干线工程安防系统以提升南水北调中线工程安全管理水平为总目标，综合运用物联网技术、数字视频技术、通信技术、计算机技术、网络技术等多门学科，构建基于视频监控、智能电子围栏的立体化智能安防系统，与自动化调度管理系统等技防、物防、人防相结合，基本形成完善的南水北调中线工程安全防范体系，提升工程安全防护能力，提高安全管理水平和效率，为南水北调中线工程安全、供水安全和人身安全提供全方位的支撑。建成后整个干线工程的安防系统根据系统网络的现实情况，构成四级组织结构（总公司、分公司、管理处、现地通信站）。在整个安防系统中，供电子系统为整个系统中不可或缺的一环，为设备正常运行及安防网络有效布控提供必要条件。安防系统供电子系统提供两种供电方案：市电供电和太阳能供电。其中在重要建筑物管理区和通信站及有永久供电的闸站等4km范围内的室外视频监控设备，采用低压电力电缆提供220VAC电力，在4km范围外，采用太阳能供电，如图所示：
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1.2 需求分析
太阳能供电系统中，分两种情况：一种为安防系统项目视频监控系统集成三标（以下简称“视频三标”）和安防系统项目视频监控系统集成一标（以下简称“全填方标”），两个标段中，太阳能供电设计及设备选型完全不同，下面对各标段的现状分别进行分析。
太阳能供电系统包括太阳能电池组件、蓄电池组、控制系统与监控装置四部分。太阳能供电系统输出220VAC电源提供给视频系统控制箱。根据中线工程沿线气象数据，按照有效光照时间在4h计，系统电压24VDC。
本次视频监控系统的供电采取统一的220VAC作为一次电源输入前端控制箱，在控制箱内增加相应的电源模块以满足不同设备的用电需求。前端视频采集设备的供电采用高功率以太网供电（High PoE）或24VAC供电；音频功放采用220VAC供电；I/O控制器、音频服务器采用24VDC供电。
中线渠道沿线的连续阴雨天数按春夏秋季7天，冬季4天设计，为持续阴雨天期间太阳能供电系统不能为蓄电池充电情况下，蓄电池供电时间应满足：
按春、夏、秋季摄像机不加热，10h辅助照明（带夜间辅助照明装置的摄像机），全天累计小于1小时云台转动，其他设备每天不间断工作24h计算，蓄电池满电量状态下应支持摄像机正常工作7天左右。
按冬季摄像机需加热，14h辅助照明（带夜间辅助照明装置的摄像机），全天累计小于1h云台转动，其他设备每天不间断工作24h计算，蓄电池满电量状态下应可支持摄像机正常工作4天左右。
供电系统应满足设备的可靠运行需求，供电最大功率按前端所有设备实际耗电功率的200%设计。
1.3 设计计算
根据选型的视频监控设备参数，制定如下设备电量需求表：
由此计算出常态用电设备总功率33.5W，考虑到适配器等设备低压热功耗和交直流转换损耗等因素，设计冗余总功率为45W。以上表中负载为例，负载工作电压为24V直流，平均功率为45W，每天工作24h，最长连续阴雨天为7天，两最长连续阴雨天最短间隔天数为15天， 42度斜面其平均日照为4.3小时，以下计算光伏方阵功率及蓄电池容量。
蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。
因此，蓄电池的容量Bc计算公式为：
Bc=A×QL×NL×To/DOD=1.1×45Ah×7d×1.1/0.71=537AH/24V=6444Ah/2V
600AH/2V×12块
式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间；
QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；
NL为最长连续阴雨天数；
TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；
DOD为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.7~0.8，碱性镍镉蓄电池取0.85。
太阳能电池方阵设计
（1）太阳能电池组件串联数NS
将太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当，太阳能电池组件公称电压要与蓄电池组的公称电压相匹配。
计算方法如下：
NS=US/UM=24V/24V=1
或：
NS=US/UM=12V/12V=1
式中：US为系统直流工作电压；
UM为单块太阳能电池组件公称电压。
（2）太阳能电池组件并联数NP
要计算出太阳能电池组件并联数NP，要按照以下步骤来计算。
①标准250Wp/24V太阳能电池组件日发电量Qp
Qp=Ioc×H×CzAh(4)=8.3A×4.3h×0.9=32.2Ah/24V
式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流；
H为太阳能平均日照小时数（4.3小时）；
Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8-0.9。
②两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：
Bcb=A×QL×NLAh=1.1×45Ah×7d=346.5Ah/24V=4158AH/2V
③太阳能电池组件并联数Np的计算方法为：
Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）=（346Ah+15d×45Ah）/(32.2×15d)=2.1
式中：Bcb为蓄电池在连续7天阴雨天后需补充的容量；
Nw为两组连续阴雨天之间的最短间隔天数，是蓄电池亏电后恢复时间，这里取15天；
QL为负载每天的耗电量。
QP为250W太阳能电池组件在郑州市每天发电量。
式中的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。
(3) 太阳能电池方阵的功率计算
根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：
P=Po×Ns×Np Wp=250W×1×2=500Wp
式中：Po为太阳能电池组件的额定功率，这里是采用500Wp太阳能电池组件。
(4) 计算结果
计算结果： 1 该负载需太阳能电池方阵功率为500Wp以上，蓄电池容量为6444AH/2V以上或换算为不同电压值的匹配容量。
2 太阳能电池方阵日发电量为64.4AH/24V（500Wp太阳能日发电量），大于负载日耗电量45AH/24V，且发电余量是19.4AH/24V。
3 蓄电池储存电量为：视频三标7200AH/2V（600AH/2V×12块）×0.71÷1.2=4260AH/2V，日耗电量是540AH/2V，4260÷540≈7.9倍，即蓄电池组存电量等于负载耗电的8倍，即蓄电池组可使负载持续工作7-8天左右。全填方标500AH/12V（250AH/12V×2块）×0.71÷1.2=1775AH/2V，日耗电量是540AH/2V，1775÷540≈3倍，即蓄电池组存电量等于负载耗电的3倍，即蓄电池组可使负载持续工作3天左右。
1.4 实际运行结果
从以上设计的计算结果来看，视频三标设计基本可满足使用需求，全填方标设计中蓄电池组选配容量偏小，但从实际运行情况来看，在冬季光照度不足的情况下，实际使用效果要低于设计计算结果，下面分析运行情况，先将两个标段的太阳能设备选型配置情况列表如下，进行参照对比：
造成实际应用效果差的原因有多种，通过现场多次测试和数据分析，初步得出原因分析，分别就两个标段的情况区分说明。
（1）视频三标
1)充电电压为28V，一般恒压充电电压为蓄电池标准电压的1.15~1.2倍，满足充电范围，充电压差为4V，所以充电电流方向为正向，但太阳能板开口电压随光照情况波动，转换成充电电压效率呈曲线状，电压压差越小转换效率越低；
2)蓄电池组防水设计不足，在蓄电池井中实际环境十分潮湿，蓄电池面板和箱体中积水严重，尤其蓄电池面板积水，覆盖正负接线极，造成蓄电池失电严重，并且单块蓄电池电压越高失电越严重；
3)蓄电池使用损耗严重，一般铅酸蓄电池在第一年度容量约为5%，随后其损耗速度呈加速度，并且根据现场温湿度环境，其实际使用年限应小于标称年限，目前推断其使用时间为3年，容量损耗粗略估计接近于标称的一半。
（2）全填方标
视频三标上述三点问题在全填方标中同样存在，并且多出以下两点问题：
1)太阳能板采用四级并联，充电电压仅为14V，蓄电池组设计同样为并联设计，造成充电压差仅为2V，在同样的气候条件下，其充电效率更低；
2)蓄电池组设计为并联12VDC设计，单块电池在积水情况下因为电压高失电情况更严重，根据观测数据，往往在阴天的当天晚间就会造成设备因供电不足而离线。
2.测试数据分析
为得到完善的解决方案，我方在高元管理处所辖78#太阳能供电点位进行测试，力求得到比较完整的数据，并对这些数据进行充分记录分析，为改造方案提供有力的数据支持。针对上述三个主要影响功能的情况拿出一对一的方案，针对充电效率低的情况，我方采用加装同功率同电压输入的太阳能板，由原来的500W加装至1040W，与现有方阵并联；针对防水问题，我方采用全密闭地埋式蓄电池防水箱，隔绝绝大部分积水；针对蓄电池老化问题，我方采用更换12块400AH/2V的方案，串联构成总容量400AH/24V的蓄电池组。测试环境基本参数如下：
太阳能板总功率：1020W
控制器开口电压：75.8V
控制器充电电压：28V
蓄电池组总容量：400AH/24V
蓄电池组标准电压：24V
负载常态总功率：36W
经过完全充放电周期的数据测试记录，得出如下数据：
电池电量满的情况下第一次放电测试：2.8 09:00~2.20 15:50，设备持续在线时间约为294h，合计12天6小时；
太阳能板带负载充电第一次充电测试：2.22 09:00~2.23 15:00，按北方此月份大致光照时间为晴天推算大概光照时间为10~11小时；
电池电量第一次充电后第二次放电测试：2.23 15:00~2.29 11:00，设备持续在线时间约为140h，合计5天20小时。
由以上测试记录数据得出以下结论：
1)设备持续在线时间接近300h，结合设备总功率（45W）及电池组标称电量（400AH/24V），数值符合实际计量数据，400AH/24V电池组总电量符合使用要求；
2)根据第二次放电测试数据得出：在冬季光照条件良好的情况下，使400AH/24V蓄电池组充满大致需要不到4天时间；
3)太阳能板带负载在有效光照10h左右，保证电池组满电量运行，1020W充电效率大大高于原设计，满足北方冬季恶劣气候条件使用要求；
4)电池组采用全密闭式防水箱处理，有效隔绝积水，防止裸漏接线极短路，从而避免电池失电问题。
3改造方案
3.1太阳能板方阵
太阳能板方阵改造方案分利旧改造和全新改造两种情况，首批改造位置均采用全新改造，利旧改造适用于安装进度比较平稳的情况下实施，各项实验数据完善，安装环境统一，施工经验积累丰富均可靠的情况下实施。利旧改造方案如下：
3.11视频三标中，当前单支架250W*2太阳能板利旧，每两组立杆合并为双支架250W*4太阳能板，换装立杆安装全新双支架255W*4太阳能板，这样做的目的是避免不同产品或型号、不同批次、不同使用年限的太阳能板产生电压差别影响供电单元稳定运行。
3.12全填方标中，当前双支架125W*4太阳能板利旧，更换双支架，合并为单支架使用，每两组立杆合并为双支架125W*8太阳能板，换装立杆安装全新双支架255W*4太阳能板。
太阳能采用抱箍方式安装在摄像机立杆上，上部板安装在距离地面6米左右的位置，下部板安装在距离地面4米左右的位置，安装时采用升降车或滑轮加脚手架安装的方式，将太阳能电池组件和支架在下面组装好，然后再固定到立杆上去。
3.2 供电控制单元
视频三标当前控制单元中24VDC~220VAC逆变器利旧使用，更换20A太阳能电源控制器为40A太阳能电源控制器，箱体内其它线路及设备不用更换。
全填方标中，除箱体利旧使用外，其余按视频三标标准的设备和元器件更换，主要设备有太阳能电源控制器和逆变器等。
3.3 蓄电池组井
对当前蓄电池井进行砌筑改造。当前电池井规格为L*W*H：100cm*100cm*150cm，砌筑改造后的电池井规格为：100cm*100cm*200cm；底部架设钢架结构用于蓄电池承重和防渗水；蓄电池更换为12块400AH/2V串联成400AH/24V蓄电池组，使用规格为880mm*880mm*430mm的全密闭式防水箱将其全包安装，接线孔处使用防水胶做封堵处理；
防水箱上部预留至少300mm高度空隙，用于蓄电池组的散热；井盖上部覆盖防水布，施行全包围式铺装；覆盖至少200mm高度的回填土；埋设蓄电池组井标识桩，便于设备检修时位置的确认。
结束语
本文基于太阳能供电方式，并且配备感光控制模块，能够大幅减少在夜间的能量的损耗;应用物联网技术具有较好的前瞻性，各模块之间协调工作，满足了智能交通系统的要求。所以，主要对太阳能供电系统的主要组成结构进行了研究和分析，并对其主要结构太阳能电池板、铅酸蓄电池的容量的选择方面提出了相关建议，可以应用到太阳能供电系统的建设过程当中。
参考文献:
[1]杨勇.太阳能系统用铅酸蓄电池综述[J].蓄电池.2016(2):51-57.