不同光伏電站監(jiān)控通訊方案的優(yōu)劣分析

    1 引言

    “現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需布置通信線纜，施工成本低，可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)移動(dòng)運(yùn)維…”4G無(wú)線通訊應(yīng)用于光伏電站中，似乎有很多不可替代的優(yōu)點(diǎn)。然而，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感。光伏電站數(shù)據(jù)量大、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)多且相對(duì)分散、場(chǎng)內(nèi)存在各種高壓信號(hào)的干擾，諸多方面的原因給4G無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，特別是調(diào)度可靠性。筆者對(duì)某西北光伏電站實(shí)地考察后發(fā)現(xiàn)：該100MW電站并網(wǎng)運(yùn)行一年后，系統(tǒng)一個(gè)月仍然上報(bào)了60387條告警記錄，其中30%以上為通訊故障，無(wú)獨(dú)有偶，筆者近日在內(nèi)蒙某光伏電站考察時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。如果再考慮初始投資成本高、后期需要專業(yè)運(yùn)維等不利因素，4G無(wú)線通訊，似乎又成了光伏電站應(yīng)用中的一個(gè)噱頭。

    到底4G無(wú)線通訊監(jiān)控方案優(yōu)劣如何呢？筆者接下來(lái)以專業(yè)技術(shù)的角度帶您揭開(kāi)其廬山真面目吧！

    2 光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

    光伏系統(tǒng)有線通訊方案與4G無(wú)線通訊方案系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

    有線方案中，每個(gè)發(fā)電單元內(nèi)部以光纖形式輸出并組成環(huán)網(wǎng)，通過(guò)核心交換機(jī)將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，而4G無(wú)線通訊方案中電站內(nèi)需要建一座無(wú)線基站，每個(gè)光伏單元通過(guò)無(wú)線與基站進(jìn)行通信，基站內(nèi)核心網(wǎng)設(shè)備再將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)成有線信號(hào)上傳至監(jiān)控中心。

    3 可靠性分析

    ·4G無(wú)線傳輸速率低，易受山丘等障礙物影響

    光纖通訊容量大，傳輸速率可達(dá)10000Mbps，而4G無(wú)線方案可采用的通訊信道帶寬最大僅為10MHz，理論通訊速率僅為40Mbps，因此，4G無(wú)線通訊的傳輸速度比有線通訊低很多。且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)易受建筑物、樹(shù)木和其它障礙物等結(jié)構(gòu)影響，阻礙電磁波的傳輸，不是所有的角落都能覆蓋得到，比如山丘，只有通過(guò)自動(dòng)降速以實(shí)現(xiàn)無(wú)線的無(wú)縫連接效果，保證接通，那就需損失傳輸速率！對(duì)于大型電站，占地面積比較大，最遠(yuǎn)端方陣的數(shù)傳終端距離基站很遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸過(guò)程中很容易丟失，造成通訊故障。因此，在大型荒漠電站或山丘電站中，為防止信號(hào)被遮擋影響通訊等原因，現(xiàn)場(chǎng)將無(wú)線接收基站安裝在采集方陣中央，然后通過(guò)較長(zhǎng)距離的光纖引至集控室，如圖2所示。

圖2 無(wú)線接收基站置于方陣中，信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)郊�控�?

    ·4G無(wú)線方案抗電磁干擾能力差，易受光伏電站內(nèi)高壓電線等影響

    光纖通訊的傳輸信號(hào)是光而不是電，在傳輸信號(hào)時(shí)不僅損耗小，而且不會(huì)受到廠區(qū)內(nèi)高壓電線等產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾。同時(shí)光纖環(huán)網(wǎng)能在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)意外故障情況下自動(dòng)恢復(fù)業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)生存能力強(qiáng)，自愈合時(shí)間小于20ms，通訊鏈路穩(wěn)定可靠。而無(wú)線系統(tǒng)抗電磁干擾能力差，很容易產(chǎn)生鄰頻干擾和互調(diào)干擾。據(jù)中國(guó)移動(dòng)在廣州某地區(qū)做的無(wú)線測(cè)試，由于天線互調(diào)干擾，導(dǎo)致小區(qū)上行吞吐量損失37%~47%，吞吐量的下降將會(huì)導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)上報(bào)不及時(shí)，嚴(yán)重情況下造成通訊鏈路中斷。同時(shí)，站內(nèi)無(wú)線信號(hào)不僅僅是干擾的“受害者”，也可能成為“污染源”，對(duì)電站周圍其他無(wú)線信號(hào)產(chǎn)生干擾，甚至?xí)��?duì)航空產(chǎn)生影響。

    ·4G無(wú)線方案抗電磁干擾能力差，易受惡劣天氣影響

    光纖通訊以光纖為傳播介質(zhì)，埋設(shè)在地面下，不受天氣影響。而4G無(wú)線信號(hào)易受雷雨霧天氣影響。據(jù)英國(guó)《焦點(diǎn)》月刊報(bào)道，潮濕會(huì)減弱無(wú)線電波。通常情況下，電波在雨雪天氣的傳播速度大約為晴朗天氣的3/4，穿透能力減弱，傳輸范圍變小。2006年9月13日澳洲新聞網(wǎng)報(bào)道：美國(guó)研究人員表示地球上的雷暴可干擾無(wú)線電傳輸以及通訊設(shè)備的信號(hào)發(fā)送，易導(dǎo)致無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的暫時(shí)性中斷，甚至造成室外無(wú)線設(shè)備的損壞。

    ·4G無(wú)線方案數(shù)據(jù)安全性差

    光纖通訊中使用的光波波長(zhǎng)很短，頻率很高，傳輸頻帶很寬，便于采用數(shù)字通信方式，可進(jìn)行數(shù)字加密，且光信號(hào)只在光區(qū)傳輸，基本不會(huì)發(fā)生光“泄露”，無(wú)串音干擾，數(shù)據(jù)安全性高。而無(wú)線信號(hào)在一個(gè)開(kāi)放的空間傳播，只要在無(wú)線接入點(diǎn)（AP）覆蓋的范圍內(nèi)，終端都可以接收到無(wú)線信號(hào)，如同抗日影片中的電臺(tái)傳播一樣，信號(hào)很容易被人監(jiān)聽(tīng)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露。即使采用最可靠的加密方式，也易被黑客攻擊。隨著裝機(jī)量的不斷增加，光伏發(fā)電作為多能源互聯(lián)系統(tǒng)中的重要組成部分，其運(yùn)行安全性的要求越來(lái)越高。采用4G無(wú)線方案監(jiān)控的光伏電站存在嚴(yán)重電力生產(chǎn)安全隱患。

    ·4G無(wú)線方案調(diào)度可靠性差

    4G無(wú)線通訊方案在工程實(shí)踐中存在易受干擾，數(shù)據(jù)傳輸慢，甚至?xí)�出現(xiàn)通訊中斷等問(wèn)題，直接影響電網(wǎng)調(diào)度實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。部分地區(qū)的電網(wǎng)公司已分別出臺(tái)了光伏電站無(wú)功電壓調(diào)節(jié)運(yùn)行管理辦法，明確規(guī)定：站內(nèi)逆變器——通訊柜——監(jiān)控后臺(tái)間的通信鏈路應(yīng)采用光纖通訊，且接收AGC/AVC調(diào)度指令或出力計(jì)劃曲線的響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)10s。并且專用的無(wú)線頻段需要向各地?zé)o線電管理機(jī)構(gòu)申請(qǐng)，難度大，國(guó)內(nèi)對(duì)于無(wú)線在工業(yè)使用也沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，其合法性存在質(zhì)疑。

    綜上所述，光纖通訊與4G無(wú)線通訊的對(duì)比如表1所示。

    ·4G無(wú)線方案現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表現(xiàn)差

    筆者走訪國(guó)內(nèi)某西北光伏電站時(shí)發(fā)現(xiàn)，該光伏電站采用某公司提供的4G無(wú)線通訊方案，電站并網(wǎng)運(yùn)行一年后，系統(tǒng)一個(gè)月仍然上報(bào)了60387條告警記錄，其中30%以上為通訊故障，如圖3所示。無(wú)獨(dú)有偶，筆者最近在考察內(nèi)蒙一電站，也發(fā)生了同樣的事情，該電站自2014年并網(wǎng)以來(lái)，所采用的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)至今仍然問(wèn)題不斷，每日平均上報(bào)3000條故障，其中大部分是設(shè)備通訊故障。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)故障原因查找困難，使用設(shè)備監(jiān)測(cè)調(diào)試時(shí)故障可能一直不復(fù)現(xiàn)，不監(jiān)測(cè)時(shí)故障又會(huì)出現(xiàn)，無(wú)線廠家技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試幾個(gè)月仍存在問(wèn)題，調(diào)試難度大，人員專業(yè)水平要求高，給電站后期運(yùn)維帶來(lái)了巨大工作量和風(fēng)險(xiǎn)，增加了運(yùn)維成本。

圖3某西北光伏電站監(jiān)控后臺(tái)告警界面

    4 投資成本對(duì)比

    4.150MW電站4G無(wú)線方案的初始投資比有線方案高123萬(wàn)

    有線通訊方案，若考慮到電站有視頻數(shù)據(jù)要求和帶寬限制，可采用10~15個(gè)發(fā)電單元組成一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)。以一個(gè)50MW的光伏電站為例，筆者假設(shè)50MW光伏電站中每10MW組成一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及圖1所示的監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D，得到兩種通訊方式下，發(fā)電單元到監(jiān)控中心之間的主要設(shè)備配置清單及成本如表2所示。

    50MW光伏電站采用4G無(wú)線通訊方案比光纖以太網(wǎng)有線通訊方案的初始投資增加了123萬(wàn)元左右，相當(dāng)于增加2.4分/W初始投資。

    此外，4G無(wú)線方案，前期需進(jìn)行工程勘測(cè)設(shè)計(jì)完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)布置，中期調(diào)試階段還需專門的技術(shù)人員進(jìn)行干擾源測(cè)試，調(diào)試骨干網(wǎng)，并且通信基站和數(shù)傳終端需要使用外接電源供電，額外產(chǎn)生電源選擇及施工布線成本。而有線方案中，通信線布置可以和電力線共用一個(gè)電纜溝，無(wú)需額外增加的施工布線成本，表2成本對(duì)比表明：即使考慮布線施工成本，有線方案也比4G無(wú)線方案的初始投資低。

    4.24G無(wú)線方案的運(yùn)維成本比有線方案高102萬(wàn)元

    人力成本對(duì)比。有線方案技術(shù)成熟，調(diào)試簡(jiǎn)單，后期基本不需專門技術(shù)人員進(jìn)行運(yùn)維，而無(wú)線網(wǎng)需要懂網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)維，人員素質(zhì)要求較高，無(wú)形增加了電站運(yùn)維的人力成本。光伏電站規(guī)模越大，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施越多，傳輸結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維護(hù)難度和范圍增加，人力成本將進(jìn)一步增加。如果按50MW電站光伏電站僅雇傭一個(gè)懂網(wǎng)絡(luò)的專業(yè)人員，年薪較普通運(yùn)維人員高4萬(wàn)元估算，光伏電站25年生命周期內(nèi)4G無(wú)線方案的運(yùn)維人力成本將比有線方案增加100萬(wàn)元。

    設(shè)備更換成本對(duì)比。對(duì)于一個(gè)電站來(lái)說(shuō)，埋于地下的導(dǎo)線很多，光纖只是其中很少一部分，一般現(xiàn)場(chǎng)都會(huì)做有標(biāo)記，以防后期施工發(fā)生損壞情況，因此光纖被挖斷的概率極低。同時(shí)，有線方案所采用主要設(shè)備交換機(jī)也是比較成熟的產(chǎn)品，已應(yīng)用很長(zhǎng)時(shí)間，故障率低，價(jià)格低，設(shè)備更換投資成本低。而無(wú)線通信基站的射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)中部分設(shè)備，如天線，采用戶外安裝方式，即使不考慮雷電等自然災(zāi)害的破壞，一般7年左右就需全部更換，對(duì)于具有25年生命周期的電站至少需要更換3~4次，如果按更換一次3萬(wàn)元計(jì)算，后期運(yùn)維中設(shè)備投資成本將在9萬(wàn)~12萬(wàn)。

    僅僅考慮運(yùn)維人力成本和戶外天線更換，一個(gè)50MW光伏電站，4G無(wú)線方案的運(yùn)維成本比有線方案就高出102.7萬(wàn)左右，而從表2中可以看出有線方案中發(fā)電單元到監(jiān)控中心的初始投資也僅為40萬(wàn)元左右，因此，即使目前市場(chǎng)上有些廠家為了推廣光伏電站4G無(wú)線通訊的方案，采用免費(fèi)贈(zèng)送的方式，但是從后期運(yùn)維成本上來(lái)看仍然是不劃算的。

    5 結(jié)論

    相信通過(guò)上述專業(yè)角度的技術(shù)分析，孰優(yōu)孰劣一目了然了吧。4G無(wú)線監(jiān)控方案投資成本高、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、通信故障率高、無(wú)法實(shí)時(shí)可靠的響應(yīng)電力系統(tǒng)調(diào)度要求等諸多缺點(diǎn)，儼然使其成為了光伏電站應(yīng)用中的噱頭，給電站運(yùn)行可靠性及后期運(yùn)維帶來(lái)了巨大的隱患。相比之下，有線方案不僅可靠性高，且投資成本低，后期運(yùn)維簡(jiǎn)單，仍然是全球光伏行業(yè)的主流監(jiān)控解決方案。即使是在人力成本極高的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，也是如此。<