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1 引言
“現場無需布置通信線纜，施工成本低，可實現站內移動運維…”4G無線通訊應用于光伏電站中，似乎有很多不可替代的優點。然而，理想很豐滿，現實卻很骨感。光伏電站數據量大、監測節點多且相對分散、場內存在各種高壓信號的干擾，諸多方面的原因給4G無線監控系統運行穩定性與可靠性帶來了巨大的挑戰，特別是調度可靠性。筆者對某西北光伏電站實地考察后發現：該100MW電站并網運行一年后，系統一個月仍然上報了60387條告警記錄，其中30%以上為通訊故障，無獨有偶，筆者近日在內蒙某光伏電站考察時同樣發現了類似的現象。如果再考慮初始投資成本高、后期需要專業運維等不利因素，4G無線通訊，似乎又成了光伏電站應用中的一個噱頭。
到底4G無線通訊監控方案優劣如何呢？筆者接下來以專業技術的角度帶您揭開其廬山真面目吧！
2 光伏電站監控系統架構
光伏系統有線通訊方案與4G無線通訊方案系統拓撲如圖1所示。
有線方案中，每個發電單元內部以光纖形式輸出并組成環網，通過核心交換機將數據上傳到監控中心，而4G無線通訊方案中電站內需要建一座無線基站，每個光伏單元通過無線與基站進行通信，基站內核心網設備再將無線信號轉成有線信號上傳至監控中心。
3 可靠性分析
? 4G無線傳輸速率低，易受山丘等障礙物影響
光纖通訊容量大，傳輸速率可達10000Mbps，而4G無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無線通訊的傳輸速度比有線通訊低很多。且無線網絡易受建筑物、樹木和其它障礙物等結構影響，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，只有通過自動降速以實現無線的無縫連接效果，保證接通，那就需損失傳輸速率！對于大型電站，占地面積比較大，最遠端方陣的數傳終端距離基站很遠，信號傳輸過程中很容易丟失，造成通訊故障。因此，在大型荒漠電站或山丘電站中，為防止信號被遮擋影響通訊等原因，現場將無線接收基站安裝在采集方陣中央，然后通過較長距離的光纖引至集控室，如圖2所示。
? 4G無線方案抗電磁干擾能力差，易受光伏電站內高壓電線等影響
光纖通訊的傳輸信號是光而不是電，在傳輸信號時不僅損耗小，而且不會受到廠區內高壓電線等產生的強電磁場干擾。同時光纖環網能在網絡出現意外故障情況下自動恢復業務，網絡生存能力強，自愈合時間小于20ms，通訊鏈路穩定可靠。而無線系統抗電磁干擾能力差，很容易產生鄰頻干擾和互調干擾。據中國移動在廣州某地區做的無線測試，由于天線互調干擾，導致小區上行吞吐量損失37%~47%，吞吐量的下降將會導致重要數據上報不及時，嚴重情況下造成通訊鏈路中斷。同時，站內無線信號不僅僅是干擾的“受害者”，也可能成為“污染源”，對電站周圍其他無線信號產生干擾，甚至會對航空產生影響。
? 4G無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，埋設在地面下，不受天氣影響。而4G無線信號易受雷雨霧天氣影響。據英國《焦點》月刊報道，潮濕會減弱無線電波。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日澳洲新聞網報道：美國研究人員表示地球上的雷暴可干擾無線電傳輸以及通訊設備的信號發送，易導致無線網絡的暫時性中斷，甚至造成室外無線設備的損壞。
? 4G無線方案數據安全性差
光纖通訊中使用的光波波長很短，頻率很高，傳輸頻帶很寬，便于采用數字通信方式，可進行數字加密，且光信號只在光區傳輸，基本不會發生光“泄露”，無串音干擾，數據安全性高。而無線信號在一個開放的空間傳播，只要在無線接入點（AP）覆蓋的范圍內，終端都可以接收到無線信號，如同抗日影片中的電臺傳播一樣，信號很容易被人監聽而導致數據泄露。即使采用最可靠的加密方式，也易被黑客攻擊。隨著裝機量的不斷增加，光伏發電作為多能源互聯系統中的重要組成部分，其運行安全性的要求越來越高。采用4G無線方案監控的光伏電站存在嚴重電力生產安全隱患。
? 4G無線方案調度可靠性差
4G無線通訊方案在工程實踐中存在易受干擾，數據傳輸慢，甚至會出現通訊中斷等問題，直接影響電網調度實時性和穩定性。部分地區的電網公司已分別出臺了光伏電站無功電壓調節運行管理辦法，明確規定：站內逆變器——通訊柜——監控后臺間的通信鏈路應采用光纖通訊，且接收AGC/AVC調度指令或出力計劃曲線的響應時間不應超過10s。并且專用的無線頻段需要向各地無線電管理機構申請，難度大，國內對于無線在工業使用也沒有相應的標準，其合法性存在質疑。
綜上所述，光纖通訊與4G無線通訊的對比如表1所示。
? 4G無線方案現場應用表現差
筆者走訪國內某西北光伏電站時發現，該光伏電站采用某公司提供的4G無線通訊方案，電站并網運行一年后，系統一個月仍然上報了60387條告警記錄，其中30%以上為通訊故障，如圖3所示。無獨有偶，筆者最近在考察內蒙一電站，也發生了同樣的事情，該電站自2014年并網以來，所采用的無線監控系統至今仍然問題不斷，每日平均上報3000條故障，其中大部分是設備通訊故障。無線網絡故障原因查找困難，使用設備監測調試時故障可能一直不復現，不監測時故障又會出現，無線廠家技術人員現場調試幾個月仍存在問題，調試難度大，人員專業水平要求高，給電站后期運維帶來了巨大工作量和風險，增加了運維成本。
4 投資成本對比
4.150MW電站4G無線方案的初始投資比有線方案高123萬
有線通訊方案，若考慮到電站有視頻數據要求和帶寬限制，可采用10~15個發電單元組成一個光纖環網。以一個50MW的光伏電站為例，筆者假設50MW光伏電站中每10MW組成一個光纖環網，根據系統設計以及圖1所示的監控系統拓撲圖，得到兩種通訊方式下，發電單元到監控中心之間的主要設備配置清單及成本如表2所示。
50MW光伏電站采用4G無線通訊方案比光纖以太網有線通訊方案的初始投資增加了123萬元左右，相當于增加2.4分/W初始投資。
此外，4G無線方案，前期需進行工程勘測設計完成無線網絡布置，中期調試階段還需專門的技術人員進行干擾源測試，調試骨干網，并且通信基站和數傳終端需要使用外接電源供電，額外產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電纜溝，無需額外增加的施工布線成本，表2成本對比表明：即使考慮布線施工成本，有線方案也比4G無線方案的初始投資低。
4.24G無線方案的運維成本比有線方案高102萬元
? 人力成本對比。有線方案技術成熟，調試簡單，后期基本不需專門技術人員進行運維，而無線網需要懂網絡知識的專業技術人員進行網絡設備運維，人員素質要求較高，無形增加了電站運維的人力成本。光伏電站規模越大，網絡的設施越多，傳輸結構越復雜，網絡設備的維護難度和范圍增加，人力成本將進一步增加。如果按50MW電站光伏電站僅雇傭一個懂網絡的專業人員，年薪較普通運維人員高4萬元估算，光伏電站25年生命周期內4G無線方案的運維人力成本將比有線方案增加100萬元。
? 設備更換成本對比。對于一個電站來說，埋于地下的導線很多，光纖只是其中很少一部分，一般現場都會做有標記，以防后期施工發生損壞情況，因此光纖被挖斷的概率極低。同時，有線方案所采用主要設備交換機也是比較成熟的產品，已應用很長時間，故障率低，價格低，設備更換投資成本低。而無線通信基站的射頻拉遠單元(RRU)中部分設備，如天線，采用戶外安裝方式，即使不考慮雷電等自然災害的破壞，一般7年左右就需全部更換，對于具有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3萬元計算，后期運維中設備投資成本將在9萬~12萬。
僅僅考慮運維人力成本和戶外天線更換，一個50MW光伏電站，4G無線方案的運維成本比有線方案就高出102.7萬左右，而從表2中可以看出有線方案中發電單元到監控中心的初始投資也僅為40萬元左右，因此，即使目前市場上有些廠家為了推廣光伏電站4G無線通訊的方案，采用免費贈送的方式，但是從后期運維成本上來看仍然是不劃算的。
5 結論
相信通過上述專業角度的技術分析，孰優孰劣一目了然了吧。4G無線監控方案投資成本高、系統運行不穩定、通信故障率高、無法實時可靠的響應電力系統調度要求等諸多缺點，儼然使其成為了光伏電站應用中的噱頭，給電站運行可靠性及后期運維帶來了巨大的隱患。相比之下，有線方案不僅可靠性高，且投資成本低，后期運維簡單，仍然是全球光伏行業的主流監控解決方案。即使是在人力成本極高的歐美發達國家，也是如此。
“現場無需布置通信線纜，施工成本低，可實現站內移動運維…”4G無線通訊應用于光伏電站中，似乎有很多不可替代的優點。然而，理想很豐滿，現實卻很骨感。光伏電站數據量大、監測節點多且相對分散、場內存在各種高壓信號的干擾，諸多方面的原因給4G無線監控系統運行穩定性與可靠性帶來了巨大的挑戰，特別是調度可靠性。筆者對某西北光伏電站實地考察后發現：該100MW電站并網運行一年后，系統一個月仍然上報了60387條告警記錄，其中30%以上為通訊故障，無獨有偶，筆者近日在內蒙某光伏電站考察時同樣發現了類似的現象。如果再考慮初始投資成本高、后期需要專業運維等不利因素，4G無線通訊，似乎又成了光伏電站應用中的一個噱頭。
到底4G無線通訊監控方案優劣如何呢？筆者接下來以專業技術的角度帶您揭開其廬山真面目吧！
2 光伏電站監控系統架構
光伏系統有線通訊方案與4G無線通訊方案系統拓撲如圖1所示。
有線方案中，每個發電單元內部以光纖形式輸出并組成環網，通過核心交換機將數據上傳到監控中心，而4G無線通訊方案中電站內需要建一座無線基站，每個光伏單元通過無線與基站進行通信，基站內核心網設備再將無線信號轉成有線信號上傳至監控中心。
3 可靠性分析
? 4G無線傳輸速率低，易受山丘等障礙物影響
光纖通訊容量大，傳輸速率可達10000Mbps，而4G無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無線通訊的傳輸速度比有線通訊低很多。且無線網絡易受建筑物、樹木和其它障礙物等結構影響，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，只有通過自動降速以實現無線的無縫連接效果，保證接通，那就需損失傳輸速率！對于大型電站，占地面積比較大，最遠端方陣的數傳終端距離基站很遠，信號傳輸過程中很容易丟失，造成通訊故障。因此，在大型荒漠電站或山丘電站中，為防止信號被遮擋影響通訊等原因，現場將無線接收基站安裝在采集方陣中央，然后通過較長距離的光纖引至集控室，如圖2所示。
圖2 無線接收基站置于方陣中，信號通過光纖傳輸到集控室
? 4G無線方案抗電磁干擾能力差，易受光伏電站內高壓電線等影響
光纖通訊的傳輸信號是光而不是電，在傳輸信號時不僅損耗小，而且不會受到廠區內高壓電線等產生的強電磁場干擾。同時光纖環網能在網絡出現意外故障情況下自動恢復業務，網絡生存能力強，自愈合時間小于20ms，通訊鏈路穩定可靠。而無線系統抗電磁干擾能力差，很容易產生鄰頻干擾和互調干擾。據中國移動在廣州某地區做的無線測試，由于天線互調干擾，導致小區上行吞吐量損失37%~47%，吞吐量的下降將會導致重要數據上報不及時，嚴重情況下造成通訊鏈路中斷。同時，站內無線信號不僅僅是干擾的“受害者”，也可能成為“污染源”，對電站周圍其他無線信號產生干擾，甚至會對航空產生影響。
? 4G無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，埋設在地面下，不受天氣影響。而4G無線信號易受雷雨霧天氣影響。據英國《焦點》月刊報道，潮濕會減弱無線電波。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日澳洲新聞網報道：美國研究人員表示地球上的雷暴可干擾無線電傳輸以及通訊設備的信號發送，易導致無線網絡的暫時性中斷，甚至造成室外無線設備的損壞。
? 4G無線方案數據安全性差
光纖通訊中使用的光波波長很短，頻率很高，傳輸頻帶很寬，便于采用數字通信方式，可進行數字加密，且光信號只在光區傳輸，基本不會發生光“泄露”，無串音干擾，數據安全性高。而無線信號在一個開放的空間傳播，只要在無線接入點（AP）覆蓋的范圍內，終端都可以接收到無線信號，如同抗日影片中的電臺傳播一樣，信號很容易被人監聽而導致數據泄露。即使采用最可靠的加密方式，也易被黑客攻擊。隨著裝機量的不斷增加，光伏發電作為多能源互聯系統中的重要組成部分，其運行安全性的要求越來越高。采用4G無線方案監控的光伏電站存在嚴重電力生產安全隱患。
? 4G無線方案調度可靠性差
4G無線通訊方案在工程實踐中存在易受干擾，數據傳輸慢，甚至會出現通訊中斷等問題，直接影響電網調度實時性和穩定性。部分地區的電網公司已分別出臺了光伏電站無功電壓調節運行管理辦法，明確規定：站內逆變器——通訊柜——監控后臺間的通信鏈路應采用光纖通訊，且接收AGC/AVC調度指令或出力計劃曲線的響應時間不應超過10s。并且專用的無線頻段需要向各地無線電管理機構申請，難度大，國內對于無線在工業使用也沒有相應的標準，其合法性存在質疑。
綜上所述，光纖通訊與4G無線通訊的對比如表1所示。
? 4G無線方案現場應用表現差
筆者走訪國內某西北光伏電站時發現，該光伏電站采用某公司提供的4G無線通訊方案，電站并網運行一年后，系統一個月仍然上報了60387條告警記錄，其中30%以上為通訊故障，如圖3所示。無獨有偶，筆者最近在考察內蒙一電站，也發生了同樣的事情，該電站自2014年并網以來，所采用的無線監控系統至今仍然問題不斷，每日平均上報3000條故障，其中大部分是設備通訊故障。無線網絡故障原因查找困難，使用設備監測調試時故障可能一直不復現，不監測時故障又會出現，無線廠家技術人員現場調試幾個月仍存在問題，調試難度大，人員專業水平要求高，給電站后期運維帶來了巨大工作量和風險，增加了運維成本。
圖3某西北光伏電站監控后臺告警界面
4 投資成本對比
4.150MW電站4G無線方案的初始投資比有線方案高123萬
有線通訊方案，若考慮到電站有視頻數據要求和帶寬限制，可采用10~15個發電單元組成一個光纖環網。以一個50MW的光伏電站為例，筆者假設50MW光伏電站中每10MW組成一個光纖環網，根據系統設計以及圖1所示的監控系統拓撲圖，得到兩種通訊方式下，發電單元到監控中心之間的主要設備配置清單及成本如表2所示。
50MW光伏電站采用4G無線通訊方案比光纖以太網有線通訊方案的初始投資增加了123萬元左右，相當于增加2.4分/W初始投資。
此外，4G無線方案，前期需進行工程勘測設計完成無線網絡布置，中期調試階段還需專門的技術人員進行干擾源測試，調試骨干網，并且通信基站和數傳終端需要使用外接電源供電，額外產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電纜溝，無需額外增加的施工布線成本，表2成本對比表明：即使考慮布線施工成本，有線方案也比4G無線方案的初始投資低。
4.24G無線方案的運維成本比有線方案高102萬元
? 人力成本對比。有線方案技術成熟，調試簡單，后期基本不需專門技術人員進行運維，而無線網需要懂網絡知識的專業技術人員進行網絡設備運維，人員素質要求較高，無形增加了電站運維的人力成本。光伏電站規模越大，網絡的設施越多，傳輸結構越復雜，網絡設備的維護難度和范圍增加，人力成本將進一步增加。如果按50MW電站光伏電站僅雇傭一個懂網絡的專業人員，年薪較普通運維人員高4萬元估算，光伏電站25年生命周期內4G無線方案的運維人力成本將比有線方案增加100萬元。
? 設備更換成本對比。對于一個電站來說，埋于地下的導線很多，光纖只是其中很少一部分，一般現場都會做有標記，以防后期施工發生損壞情況，因此光纖被挖斷的概率極低。同時，有線方案所采用主要設備交換機也是比較成熟的產品，已應用很長時間，故障率低，價格低，設備更換投資成本低。而無線通信基站的射頻拉遠單元(RRU)中部分設備，如天線，采用戶外安裝方式，即使不考慮雷電等自然災害的破壞，一般7年左右就需全部更換，對于具有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3萬元計算，后期運維中設備投資成本將在9萬~12萬。
僅僅考慮運維人力成本和戶外天線更換，一個50MW光伏電站，4G無線方案的運維成本比有線方案就高出102.7萬左右，而從表2中可以看出有線方案中發電單元到監控中心的初始投資也僅為40萬元左右，因此，即使目前市場上有些廠家為了推廣光伏電站4G無線通訊的方案，采用免費贈送的方式，但是從后期運維成本上來看仍然是不劃算的。
5 結論
相信通過上述專業角度的技術分析，孰優孰劣一目了然了吧。4G無線監控方案投資成本高、系統運行不穩定、通信故障率高、無法實時可靠的響應電力系統調度要求等諸多缺點，儼然使其成為了光伏電站應用中的噱頭，給電站運行可靠性及后期運維帶來了巨大的隱患。相比之下，有線方案不僅可靠性高，且投資成本低，后期運維簡單，仍然是全球光伏行業的主流監控解決方案。即使是在人力成本極高的歐美發達國家，也是如此。
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