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高速公路太阳能监控系统故障分析及解决方案

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-07-11

高速公路太阳能监控系统
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高速公路监控系统作为智能交通系统的重要组成部分

通过视频监控可实时掌握道路交通运行状态,对突发事件做出快速响应。为扩展监视范围,有效实施全程监控,系统采用的是一种线性非集中布局,若采用电网供电方式,存在线路损耗大、建设投资成本高、施工复杂和运营维护费用高等问题。同时,在高速公路运营过程中,经常实施不中断运营的道路两侧拓宽工程,外场摄像机需设置在中央隔离带。如在中央隔离带敷设电力电缆,则影响弱电通信。因此,高速公路采用太阳能单体发电单位来解决外场设备供电问题,将是今后发展趋势。但是,太阳能方案在实施过程中仍然存在着许多不足的地方。由于系统设备数量众多、保护措施较少,在运行时不仅要求系统能够承受相应的机械负荷和电气负荷,还容易受到其他复杂因素的影响,比如各种复杂的天气因素等。同时,随着系统运行时间的

增长,系统各部件性能的发生变化,也是很重要的影响因素。因此,研究常见故障,分析故障的原因以及其维护方法是很有必要的。

连霍高速洛阳至三门峡段太阳能全程监控系统自2005 年11 月建成运行以来,逐渐发生一些故障现象,具有一定的典型性,所以,本文以图1 所示的洛三灵路段太阳能监控系统为例,从太阳能监控系统的常见故障入手,分析了常见故障发生的原因及造成的后果,并针对故障提出了具体的防范措施和维护方法。

图1 连霍高速洛阳至三门峡段太阳能全程监控系统


2 系统常见故障分析

2006 年12 月份,三门峡地区的天气情况一直较为恶劣,以阴雨天气居多,晴天天数较少。造成部分太阳能供电的设备由于蓄电池供电不足而不能工作的现象,监控中心的实时监控图像出现丢失、黑屏的现象。当早晨或上午出现黑屏后,如果中午光照条件较为良好,监控图像能够自动恢复。受故障影响的摄像机有4 个,分别是TV48、TV66、TV86 和TV87。经过技术人员现场确认,太阳能控制器向负载供电的端子输出电压为零,经查阅手册得知,此现象的出现是因为控制器负载电压设定有一个最低门限电压,当蓄电池组的总电压低于22V 时控制器自动切断负载电源,目的是保护蓄电池组不因长时间放电而损坏。当蓄电池组电压恢复到22V 以上时,控制器即自动恢复向负载的供电。由于太阳能供电系统的主要由太阳能电池板、太阳能充放电控制器、蓄电池、逆变器、负载5 大部分组成,分别担当了供电系统的电量采集、系统充放电管理调节、电量存储,直流电到交流电转换、电量消耗共五个环节,如图2 所示。

图2 太阳能供电系统结构示意图

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( 1) 太阳能电池板

首先是对太阳能电池板质量的检查,对离故障摄像机距离较近的正常运行摄像机的太阳能电池板电压进行了测量,系统采用的是4 块12V 的电池,测得每块电压后相加,得总的电压约在42V 至43V 之间,参照此标准,对故障摄像机的太阳能电池板电压进行了测量,发现测量数据和正常供电的太阳能电池板输出电压基本一致,平均也是在42V 左右,具体测量结果见图3。由于测量的时间相差不大和地理位置距离相近,排除天气因素对测量数据的影响。经过多组连续进行一月的测试结果对比,可以认为系统的故障不是由于太阳能电池板质量引起的,此该部分设备运行正常。

图3 太阳能电池板电压测量结果

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( 2) 太阳能控制器

对太阳能控制器的检测,采取直接替换设备的方式进行,将正常运行的太阳能供电摄像机的太阳能控制器替换到故障太阳能供电摄像机。也就是将两个太阳能控制器进行调换,同时记录相关的测试数据,观察故障是否依然出现,如果故障摄像机仍然出现黑屏现象,即可认定系统故障不是由于太阳能控制器设备造成。反之则可认定是太阳能控制器造成的设备故障。将 TV66 和TV67、TV48 和TV49 的太阳能控制器分别进行了调换,经过7 天左右时间的观察,在有连续阴天的情况出现时,TV48 和TV66 依然有短暂黑屏现象的出现,对更换前后的电池电压、负载电流及每天充放电的参数进行了对比,基本没有太大的出入。从这个检测结果来看,系统故障的原因不是太阳能控制器成的,故排除本部分的故障。、


( 3) 蓄电池组

对蓄电池的检测,采集了离故障摄像机最近的太阳能供电摄像机的充放电历史数据,然后同故障摄像机的充放电历史数据进行比较,绘制出充放电的时间曲线图,如果时间曲线图走向基本一致,则可以认定蓄电池组的充放电正常,如曲线波动差异较大,则可判定是蓄电池质量有问题导致的故障发生。对TV48 和TV49、TV66 和TV67、TV86 和TV87三对蓄电池组30 天的充放电历史数据进行了对比,并分别绘制充放电的时间曲线图,具体参数及曲线图

见图4。


通过对曲线图的分析得知,曲线图的基本波动范围和走向基本一致,即在天气不好的情况下充电电量都比较低,天气好的时候都比较高。又对相同时间段的电池充放电电压进行了对比,发现故障点摄像机的电池充电量总是小于正常运行摄像机蓄电池的充电量。平均外场监控设备每天的总耗电量为27AH 左右,也就是说理论上充电电量需要大于27AH 以上才能保证系统的电量是顺差,以保证电量的储备。一个摄像机如果正常运行的话,每天按27AH 的耗电量计算一个月需要将近810AH 的充电量才能保证系统的运行。通过对历史数据的观察,故障摄像机的数据远达不到这个标准, TV66 号30 天的总充电量仅有508AH,这样就使蓄电池的充电电量小于放电电量,导致了蓄电池因电压过低,一旦低于22V 时PL20 会保护蓄电池电路而切断负载电源,造成黑屏现象出现。从这个检测结果来看,系统故障的原因是初步判定是蓄电池组的原因造成的。


( 4) 逆变器

对逆变器的检测,对故障太阳能摄像机的逆变器的输出电压进行了测量,平均电压为220V - AC。用正常的逆变器替换掉故障太阳能供电摄像机的逆变器图4 TV48、TV49、TV66、TV67、TV86、TV87 的一个月内充放电曲线图后。同时记录相关的测试数据,观察故障是否依然出现,经过7 天左右时间的观察,在有连续阴天的情况出现时,TV48 和TV66 依然有短暂黑屏现象的出现。对更换前后的电池电压、负载电流及每天充放电的参数进行了对比,基本没有太大的出入。从这个检测结果来看,系统故障的原因不是逆变器成的,排除本部分的故障。


( 5) 负载

从上述对比试验数据分析看,基本可以排除由于负载性能发生变化,而造成系统工作故障。

3 常见故障维护方法及防范措施

确定故障的主要部分后,通过维修人员的检修,发现故障的原因有以下3 个方面:

( 1) 由于施工的原因,造成电气线路接触不良,蓄电池充电不充分。虽然电压上去了,但是只是虚电压,如果加上负载后,蓄电池电压会很快降低。

( 2) 蓄电池组电池容量和设备的耗电量之间的匹配不够合理,还有充放电系统设计不合理。

( 3) 监控系统在气象条件恶劣的条件下工作时间超出了目前系统应急能力范围。考虑到以上对系统故障原因的分析,以下就故障的防范与系统维护提出几点思路:

3. 1 对太阳能供电系统的蓄电池有关部分进行改造

( 1) 蓄电池组的保温措施的改进蓄电池组的工作环境温度直接影响到电池的充放电效果,由于冬季时北方温度较低,保证蓄电池组工作在合适的温度是非常重要的,系统设计改进时需要为蓄电池组设置更加适合系统配置的保温配电箱。

( 2) 蓄电池组容量的重新计算蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的,连续阴雨天期间的负载必须从蓄电池获得能量,这期间的交通工程耗电量是确定蓄电池容量的主要因素。目前系统出现的故障一定程度上就是安全系数取值过小,不能达到

预期的应急保障能力。所以,重新根据系统所在地的实际情况再计算新的蓄电池容量,满足系统正常工作以及紧急情况的保障。


3. 2 对整个太阳能供电系统进行优化

对于系统不连续工作的问题,一方面是太阳能供电系统自身设计和施工的问题,另一方面,也是系统负载过大,实际用电量超出了系统设计范围所致。例如,使用逆变器会增加系统功率损耗,这就要求配备更大的蓄电池组和数量更多、功率更大的太阳能电池板,这不仅增加了系统体积,使系统造价上升,而且系统效率更低,浪费能源。所以在改进系统时考虑将交流负载改造成为直流负载,省去了太阳能控制器与交流负载之间的AC /DC 和DC /AC 转换系统,减少了能源消耗,提高了系统工作可靠性。而且由于减少了硬件投入,还降低了工程造价。所以结合当前高速公路全程监控系统中的用电负载的特性,就电源变换系统与负载匹配的模式、太阳能电池与蓄电池及负载之间的合理匹配、摄像机的功耗选取等问题进行优化,改进方案进一步优化整个太阳能供电系统设计,降低系统自身和用电负载的功耗,进而提高太阳能供电系统的效率,也是系统故障防范的措施之一。

4 结语

与传统监控设备供电方式相比,无论是运行的经济性还是安全性、环保性方面,太阳能供电系统所具有的优势都是十分显著的。太阳能供电系统将会随着各地高速公路监控系统的升级改造而越来越

普遍。但是,就目前来看,太阳能供电系统平均无故障时间还比较短,还存在着一些不足的地方,主要问题是蓄电池的保养与维护、系统与实际使用地域匹配问题。采用冗余设计和多种养护措施,并提高各部件的可靠性,可进而提高太阳能供电系统的

整体可靠性,为太阳能供电系统的进一步推广打下基础。

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