不同光伏电站监控通讯方案的优劣分析

    1 引言

    “现场无需布置通信线缆，施工成本低，可实现站内移动运维…”4G无线通讯应用于光伏电站中，似乎有很多不可替代的优点。然而，理想很丰满，现实却很骨感。光伏电站数据量大、监测节点多且相对分散、场内存在各种高压信号的干扰，诸多方面的原因给4G无线监控系统运行稳定性与可靠性带来了巨大的挑战，特别是调度可靠性。笔者对某西北光伏电站实地考察后发现：该100MW电站并网运行一年后，系统一个月仍然上报了60387条告警记录，其中30%以上为通讯故障，无独有偶，笔者近日在内蒙某光伏电站考察时同样发现了类似的现象。如果再考虑初始投资成本高、后期需要专业运维等不利因素，4G无线通讯，似乎又成了光伏电站应用中的一个噱头。

    到底4G无线通讯监控方案优劣如何呢？笔者接下来以专业技术的角度带您揭开其庐山真面目吧！

    2 光伏电站监控系统架构

    光伏系统有线通讯方案与4G无线通讯方案系统拓扑如图1所示。

    有线方案中，每个发电单元内部以光纤形式输出并组成环网，通过核心交换机将数据上传到监控中心，而4G无线通讯方案中电站内需要建一座无线基站，每个光伏单元通过无线与基站进行通信，基站内核心网设备再将无线信号转成有线信号上传至监控中心。

    3 可靠性分析

    ·4G无线传输速率低，易受山丘等障碍物影响

    光纤通讯容量大，传输速率可达10000Mbps，而4G无线方案可采用的通讯信道带宽最大仅为10MHz，理论通讯速率仅为40Mbps，因此，4G无线通讯的传输速度比有线通讯低很多。且无线网络易受建筑物、树木和其它障碍物等结构影响，阻碍电磁波的传输，不是所有的角落都能覆盖得到，比如山丘，只有通过自动降速以实现无线的无缝连接效果，保证接通，那就需损失传输速率！对于大型电站，占地面积比较大，最远端方阵的数传终端距离基站很远，信号传输过程中很容易丢失，造成通讯故障。因此，在大型荒漠电站或山丘电站中，为防止信号被遮挡影响通讯等原因，现场将无线接收基站安装在采集方阵中央，然后通过较长距离的光纤引至集控室，如图2所示。

图2 无线接收基站置于方阵中，信号通过光纤传输到集控室

    ·4G无线方案抗电磁干扰能力差，易受光伏电站内高压电线等影响

    光纤通讯的传输信号是光而不是电，在传输信号时不仅损耗小，而且不会受到厂区内高压电线等产生的强电磁场干扰。同时光纤环网能在网络出现意外故障情况下自动恢复业务，网络生存能力强，自愈合时间小于20ms，通讯链路稳定可靠。而无线系统抗电磁干扰能力差，很容易产生邻频干扰和互调干扰。据中国移动在广州某地区做的无线测试，由于天线互调干扰，导致小区上行吞吐量损失37%~47%，吞吐量的下降将会导致重要数据上报不及时，严重情况下造成通讯链路中断。同时，站内无线信号不仅仅是干扰的“受害者”，也可能成为“污染源”，对电站周围其他无线信号产生干扰，甚至会对航空产生影响。

    ·4G无线方案抗电磁干扰能力差，易受恶劣天气影响

    光纤通讯以光纤为传播介质，埋设在地面下，不受天气影响。而4G无线信号易受雷雨雾天气影响。据英国《焦点》月刊报道，潮湿会减弱无线电波。通常情况下，电波在雨雪天气的传播速度大约为晴朗天气的3/4，穿透能力减弱，传输范围变小。2006年9月13日澳洲新闻网报道：美国研究人员表示地球上的雷暴可干扰无线电传输以及通讯设备的信号发送，易导致无线网络的暂时性中断，甚至造成室外无线设备的损坏。

    ·4G无线方案数据安全性差

    光纤通讯中使用的光波波长很短，频率很高，传输频带很宽，便于采用数字通信方式，可进行数字加密，且光信号只在光区传输，基本不会发生光“泄露”，无串音干扰，数据安全性高。而无线信号在一个开放的空间传播，只要在无线接入点（AP）覆盖的范围内，终端都可以接收到无线信号，如同抗日影片中的电台传播一样，信号很容易被人监听而导致数据泄露。即使采用最可靠的加密方式，也易被黑客攻击。随着装机量的不断增加，光伏发电作为多能源互联系统中的重要组成部分，其运行安全性的要求越来越高。采用4G无线方案监控的光伏电站存在严重电力生产安全隐患。

    ·4G无线方案调度可靠性差

    4G无线通讯方案在工程实践中存在易受干扰，数据传输慢，甚至会出现通讯中断等问题，直接影响电网调度实时性和稳定性。部分地区的电网公司已分别出台了光伏电站无功电压调节运行管理办法，明确规定：站内逆变器——通讯柜——监控后台间的通信链路应采用光纤通讯，且接收AGC/AVC调度指令或出力计划曲线的响应时间不应超过10s。并且专用的无线频段需要向各地无线电管理机构申请，难度大，国内对于无线在工业使用也没有相应的标准，其合法性存在质疑。

    综上所述，光纤通讯与4G无线通讯的对比如表1所示。

    ·4G无线方案现场应用表现差

    笔者走访国内某西北光伏电站时发现，该光伏电站采用某公司提供的4G无线通讯方案，电站并网运行一年后，系统一个月仍然上报了60387条告警记录，其中30%以上为通讯故障，如图3所示。无独有偶，笔者最近在考察内蒙一电站，也发生了同样的事情，该电站自2014年并网以来，所采用的无线监控系统至今仍然问题不断，每日平均上报3000条故障，其中大部分是设备通讯故障。无线网络故障原因查找困难，使用设备监测调试时故障可能一直不复现，不监测时故障又会出现，无线厂家技术人员现场调试几个月仍存在问题，调试难度大，人员专业水平要求高，给电站后期运维带来了巨大工作量和风险，增加了运维成本。

图3某西北光伏电站监控后台告警界面

    4 投资成本对比

    4.150MW电站4G无线方案的初始投资比有线方案高123万

    有线通讯方案，若考虑到电站有视频数据要求和带宽限制，可采用10~15个发电单元组成一个光纤环网。以一个50MW的光伏电站为例，笔者假设50MW光伏电站中每10MW组成一个光纤环网，根据系统设计以及图1所示的监控系统拓扑图，得到两种通讯方式下，发电单元到监控中心之间的主要设备配置清单及成本如表2所示。

    50MW光伏电站采用4G无线通讯方案比光纤以太网有线通讯方案的初始投资增加了123万元左右，相当于增加2.4分/W初始投资。

    此外，4G无线方案，前期需进行工程勘测设计完成无线网络布置，中期调试阶段还需专门的技术人员进行干扰源测试，调试骨干网，并且通信基站和数传终端需要使用外接电源供电，额外产生电源选择及施工布线成本。而有线方案中，通信线布置可以和电力线共用一个电缆沟，无需额外增加的施工布线成本，表2成本对比表明：即使考虑布线施工成本，有线方案也比4G无线方案的初始投资低。

    4.24G无线方案的运维成本比有线方案高102万元

    人力成本对比。有线方案技术成熟，调试简单，后期基本不需专门技术人员进行运维，而无线网需要懂网络知识的专业技术人员进行网络设备运维，人员素质要求较高，无形增加了电站运维的人力成本。光伏电站规模越大，网络的设施越多，传输结构越复杂，网络设备的维护难度和范围增加，人力成本将进一步增加。如果按50MW电站光伏电站仅雇佣一个懂网络的专业人员，年薪较普通运维人员高4万元估算，光伏电站25年生命周期内4G无线方案的运维人力成本将比有线方案增加100万元。

    设备更换成本对比。对于一个电站来说，埋于地下的导线很多，光纤只是其中很少一部分，一般现场都会做有标记，以防后期施工发生损坏情况，因此光纤被挖断的概率极低。同时，有线方案所采用主要设备交换机也是比较成熟的产品，已应用很长时间，故障率低，价格低，设备更换投资成本低。而无线通信基站的射频拉远单元(RRU)中部分设备，如天线，采用户外安装方式，即使不考虑雷电等自然灾害的破坏，一般7年左右就需全部更换，对于具有25年生命周期的电站至少需要更换3~4次，如果按更换一次3万元计算，后期运维中设备投资成本将在9万~12万。

    仅仅考虑运维人力成本和户外天线更换，一个50MW光伏电站，4G无线方案的运维成本比有线方案就高出102.7万左右，而从表2中可以看出有线方案中发电单元到监控中心的初始投资也仅为40万元左右，因此，即使目前市场上有些厂家为了推广光伏电站4G无线通讯的方案，采用免费赠送的方式，但是从后期运维成本上来看仍然是不划算的。

    5 结论

    相信通过上述专业角度的技术分析，孰优孰劣一目了然了吧。4G无线监控方案投资成本高、系统运行不稳定、通信故障率高、无法实时可靠的响应电力系统调度要求等诸多缺点，俨然使其成为了光伏电站应用中的噱头，给电站运行可靠性及后期运维带来了巨大的隐患。相比之下，有线方案不仅可靠性高，且投资成本低，后期运维简单，仍然是全球光伏行业的主流监控解决方案。即使是在人力成本极高的欧美发达国家，也是如此。<