王少華，王江燕，韓根朋，劉 偉

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西 石泉 725200）

0 引言

近年來，水利信息化行業(yè)在測流方向產(chǎn)生了大量的在線監(jiān)測系統(tǒng)。其中，側(cè)掃雷達在線測流系統(tǒng)，由于其國產(chǎn)化、非接觸、超大斷面支持，一經(jīng)問世，就吸引了業(yè)內(nèi)專家的目光?；趪鴥?nèi)某具有代表性品牌的側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)的研制，本設計完成了該系統(tǒng)的太陽能供電系統(tǒng)的應用。

1 側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)功耗

水文行業(yè)長期以來的自動測報系統(tǒng)的主要供電結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 傳統(tǒng)自動測報系統(tǒng)結(jié)構(gòu)舉例

如圖1 所示，在傳統(tǒng)測報系統(tǒng)中，太陽能及蓄電池作為發(fā)電和儲能設備，在日照合格的情況下，將電力儲存起來；遙測終端、通信模塊和傳感器作為能耗設備，它們的工作時間非常短暫。當系統(tǒng)不采集數(shù)據(jù)時，遙測終端處于低功耗休眠狀態(tài)，傳感器、通信模塊處于完全斷電狀態(tài)。甚至，有的傳感器本身就是無源設備，不會有電力損耗。而且，只有在滿足一定條件時，系統(tǒng)才會開始工作，所以傳統(tǒng)測報系統(tǒng)能耗極低。

側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)自動測報系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)類似，但最大的區(qū)別在于傳感器的工作的方式及其功耗。側(cè)掃雷達系統(tǒng)的傳感器屬于智能傳感器，具體包括電磁波收發(fā)組件、中頻信號處理機、工業(yè)控制計算機等。傳感器在測量流速過程中，需要大量的時間來采集、處理、分析數(shù)據(jù)，并且傳感器主要部件斷電后啟動時間較長，因此不支持控電工作模式。以功耗相對較大的國產(chǎn)雷達水位計作為對比，兩種測報系統(tǒng)的重要區(qū)別見表1。

表1 側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)與雷達水位自動測報系統(tǒng)對比

由表1 可以看出側(cè)掃雷達傳感器的工作電流約是雷達水位計的183 倍，并且在雷達水位系統(tǒng)的極端應用情況下，用電時間是后者的7.5 倍，二者差異巨大。

1.1 自動測報系統(tǒng)的日功耗計算

自動測報系統(tǒng)功耗主要包括遙測終端、通信模塊、傳感器3 種設備，并且，每個設備都有靜態(tài)功耗與工作功耗的區(qū)分，因此自動測報系統(tǒng)的日功耗計算公式如下：

式中：Q1為自動測報系統(tǒng)的日功耗，Wh；QR、QT、QS為遙測終端、通信模塊、傳感器的日功耗,Wh；ARw、ATw、ASw為遙測終端、通信模塊、傳感器的工作電流,A；TR、TT、TS為遙測終端、通信模塊、傳感器的日工作時間,h；ARs、ATs、ASs為遙測終端、通信模塊、傳感器的靜態(tài)電流，A；U 為系統(tǒng)的額定工作電壓，本研究中采用的設備電壓均為12 V。

1.2 側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)與傳統(tǒng)自動測報系統(tǒng)的日功耗對比

將表1 中側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶入式（1）～式（4），計算系統(tǒng)日功耗過程如下：

遙 測 終 端 日 功 耗：QR= （0.006×5.2+0.003×18.8）×12=1.0512 W·h

通信模塊日功耗：QT=（0.11×2.4+0.02×2.4）×12=3.744 W·h

傳感器日功耗：QS=（2.2×12+0.9×12）×12=446.4 W·h

側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)日功耗：Q1=1.0512+3.744+446.4≈451.2W·h

將表1 中雷達水位測報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶入式（1）～式（4），計算系統(tǒng)日功耗過程如下：

遙 測 終 端 日 功 耗：QR= （0.006×12.8+0.003×11.2）×12=1.3248 W·h

通信模塊日功耗：QT=（0.11×4.8+0.02×4.8）×12=7.488 W·h

雷達水位日功耗：QS=0.012×3.2×12=0.4608 W·h

雷達水位系統(tǒng)單日功耗：Q1=1.3248+7.488+0.4608≈9.27 W·h

由此可見，即使雷達水位監(jiān)測系統(tǒng)24 h 一直在工作，側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)的功耗也接近普通雷達水位系統(tǒng)的50 倍。而實際應用當中，水位監(jiān)測系統(tǒng)并不會出現(xiàn)每5 min 都會觸發(fā)發(fā)數(shù)的情況。針對側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)的功耗，已經(jīng)不能用傳統(tǒng)經(jīng)驗模式推演太陽能供電系統(tǒng)的配置，必須經(jīng)過嚴格的設計，才能設計出滿足該系統(tǒng)需要的太陽能供電系統(tǒng)。

2 側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)的太陽能供電設計

由圖1 可知，太陽能供電系統(tǒng)主要由可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的太陽能電池板，以及可以把電能儲存下來的蓄電池組成。

太陽能電池板的主要技術(shù)指標是功率W，判斷太陽能板是否能滿足系統(tǒng)續(xù)航需求，主要衡量太陽能板在平均發(fā)電情況下，所產(chǎn)生的電能否滿足系統(tǒng)當天的功耗。否則，供電系統(tǒng)就會一直處于饋電狀態(tài)，直至耗完電池儲能。

蓄電池的主要技術(shù)指標是容量Q，判斷電池是否能滿足系統(tǒng)續(xù)航要求，主要衡量蓄電池的容量大小是否能支撐項目現(xiàn)場的平均連續(xù)陰雨天數(shù)。當蓄電池容量大于陰雨天氣時系統(tǒng)的總耗能，系統(tǒng)就可以正常工作，不至于由于在陰雨天，因為電能耗光而宕機。

2.1 蓄電池容量的設計

計算系統(tǒng)蓄電池容量大小，主要涉及3 個技術(shù)指標。放電深度、可靠系數(shù)、平均連續(xù)陰雨天數(shù)。

放電深度（DOD）是指從蓄電池取出電量占額定容量的百分比，但DOD 并不是越高越好。資料顯示，蓄電池的特性是放電的能力和重復充電的次數(shù)是反比關(guān)系，即，表征放電能力的參數(shù)放電深度越高，蓄電池可以重復使用的次數(shù)就越短。圖2是某大廠鉛酸電池放電深度與循環(huán)次數(shù)的曲線圖。

圖2 蓄電池放電深度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

因此，為了延長蓄電池的使用次數(shù)，應該盡量降低蓄電池的放電深度，同時，考慮到系統(tǒng)的建設成本，也不能無限制的壓低放電深度?！都矣锰柲芄夥娫聪到y(tǒng)技術(shù)條件和試驗方法》（GBT 19064-2003）指出，深循環(huán)型鉛酸蓄電池是應用光伏電源系統(tǒng)的首選產(chǎn)品，且深循環(huán)鉛酸蓄電池的設計放電深度（DOD）為80%[4]。

蓄電池可靠系數(shù)，是指為了系統(tǒng)可靠，需要為系統(tǒng)考慮額外的容量儲備時所采用的計算系數(shù)。因為鉛酸蓄的放電量，并不一定等于它的標稱容量，還跟電池的使用溫度、新舊程度等有關(guān)系。所以，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在計算蓄電池容量時，引入蓄電池可靠系數(shù)這個概念。綜合考慮溫度、老化、富裕等因素，蓄電池的可靠系數(shù)取k=1.4[5]。

根據(jù)蓄電池DOD 和可靠系數(shù)，可得出滿足系統(tǒng)當天功耗的蓄電池容量。但蓄電池僅滿足一天的功耗，無法避免連續(xù)陰雨天時，系統(tǒng)蓄電池電能耗盡而宕機。為了避免這種情況，需要引入了平均連續(xù)陰雨天數(shù)這個概念。

針對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池容量設計涉及的平均連續(xù)陰雨天數(shù)是指，當日可照時間內(nèi)垂直面直接輻射照度的平均值小于120 W/m2的連續(xù)天數(shù)[6]。判斷蓄電池容量是否足夠的標準，就看蓄電池的容量能否支撐當?shù)氐钠骄B續(xù)陰雨天數(shù)。研究表明，云南昆明地區(qū)的平均連續(xù)陰雨天數(shù)為2.8 d[6]。根據(jù)昆明市與本項目所在地，景洪市年平均日照時間的數(shù)據(jù)，估算得出本系統(tǒng)安裝地點的平均連續(xù)陰雨天數(shù)約為3 d。

綜上，蓄電池容量計算公式為：

式中：Q2為自動測報系統(tǒng)所需蓄電池容量；Q1為自動測系統(tǒng)日功耗；kB為蓄電池可靠系數(shù)；d 為當?shù)仄骄B續(xù)陰雨天數(shù)；DOD為蓄電池的放電深度。

則本系統(tǒng)需要的電池容量：Q2=（451.2×1.4×3÷0.8）=2368.8 W·h

已知本系統(tǒng)采用的電壓是12 V，則實際需要的蓄電池安時容量為197.4 Ah，根據(jù)市場實際蓄電池規(guī)格向上取整數(shù)，則本系統(tǒng)的采用的蓄電池設計容量為200 Ah。

2.2 太陽能電池板功率的設計

太陽能發(fā)電系統(tǒng)受太陽輻射影響巨大，在陰雨天、傍晚光線較差的時候，發(fā)電效率非常低，而到了晚上，太陽能板完全不能發(fā)電。因此，計算太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的大小，需將平均日照時數(shù)考慮在內(nèi)。只要在平均日照時數(shù)內(nèi)，產(chǎn)生的電量大于系統(tǒng)單日總體功耗，即可以滿足系統(tǒng)正常運行。

圖3 側(cè)掃雷達系統(tǒng)安裝現(xiàn)場

日照時數(shù)是指在某個地點，一天當中當太陽光達到120 W/m2輻射度時的時間數(shù)總和，平均日照時數(shù)是指某地一年或若干年的日照時數(shù)綜合的平均值，本研究查詢當?shù)氐娜照諘r數(shù)為5.62 h。

另外，太陽能電池板的標稱功率是在標準狀態(tài)下的發(fā)電功率，即組件表面溫度25℃，光譜分布AM1.5，輻射照度1000 W/m2，該條件在野外自然環(huán)境中，很難一直保持。同時，在工程實施當中，太陽能板的發(fā)電功率還會受到其他各種條件限制。例如，太陽能板的利用效率、電池組充電效率、控制器的轉(zhuǎn)換效率、充電線路長短、設備老化等影響。因此在設計太陽能板功率時，需將太陽能板的發(fā)電效率考慮在內(nèi)。太陽能電池板發(fā)電效率可能只有理論值的50%～60%[7]，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定，本研究電池板的發(fā)電效率取50%。

綜上，太陽能板功率計算公式為：

式中：W 為自動測報系統(tǒng)所需太陽能板功率；Q1為自動測系統(tǒng)日功耗；T 為系統(tǒng)所在地平均日照時數(shù)；kS為當太陽能電池板的實際效率。

則本系統(tǒng)需要的太陽能板功率：W=451.2÷5.62÷0.5≈160.57 W

根據(jù)市場實際太陽能電池板規(guī)格向上取整數(shù)，則本系統(tǒng)的采用的太陽能板設計功率為200 W。

3 結(jié)語

側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)的工作模式和器件能耗與傳統(tǒng)的自動測報系統(tǒng)大不相同，使得前者的系統(tǒng)功耗超出后者的數(shù)十倍。要保證系統(tǒng)的正常運行，就不能從經(jīng)驗出發(fā)，需要詳細計算設備功耗、太陽能板功率以及蓄電池的儲能，才能確保側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)穩(wěn)定運行。