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GPRS通信和太阳能供电技术及其在高速公路中的应用

资讯频道文章B

    本文主要介绍了京台高速安徽段的GPRS通信和太阳能供电技术的应用情况,并重点对太阳能发电原理及电池板功率计算方法进行了详细解释,希望读者喜欢。

    近几年随着国家对高速公路建设的大量投入,高速公路里程也迅速增加,截止到2007年底,安徽省的高速公路里程已经达到了2200多公里。为保证高速公路正常高效运转,充分发挥其舒适、快捷、安全、高效的性能,高速公路路况信息采集工作显的更加重要,这对信息的依赖程度越来越高,绝对不可能独立于信息化浪潮之外,必须采用现代化的手段,如应用信息技术、能源技术、计算机技术、人工智能等技术,才能实现复杂路段下的路况信息采集,建立高速公路路况信息实时采集监控管理系统,从而实现高速公路路况资源管理的信息化。

    京台高速安徽段(G3高速)是国家公路网中7条首都放射线之一——它是北京到台北高速公路的重要组成部分,也是连接北京、山东、浙江、福建、江西四省的省际干线公路,京台高速合徐南段充分利用了GPRS通信和太阳能供电技术实现交通路况信息采集。

高速公路传统路况信息传输模式
系统组成
    目前安徽省高速公路机电系统中主要包括:监控系统、通信系统、收费系统。高速公路监控系统主要包括信息采集、信息处理、信息提供和反应决策等几种功能。其是设在道路沿线的各种外场设备,能及时向各级监控中心提供数据,实时反应道路的各种运行状况。这些外场设备主要有:车辆检测器(环型线圈、微波、红外、视频等多种类型)、气象检测器、能见度检测器、隧道内的CO检测器、烟雾等火灾检测器、路侧紧急电话机等。监控中心也可以通过各种设备将交通运行状况和各种决策信息及时告知司乘人员,这些设备主要有可变情报板、可变限速标志、车道控制标志及巡逻车等。

路况信息采集系统组成及传统传输模式
    路况信息采集系统主要包括:车辆检测器(环型线圈、微波、红外、视频等多种类型)、气象检测器、能见度检测器、隧道内的CO检测器、烟雾等火灾检测器等。

    传统信息采集模式:路况采集终端设备一般有一个供传输的接口,该接口通过串口转发设备经高速公路通信系统及网络设备等进入通信中心(监控中心),实现对路况信息的采集。这种传输模式需依附干线管道为设备提供电源和传输光缆,对特殊路段如离收费站点较远的地方,无法实现为采集设备提供电源和传输光缆,或者是实施成本太高。

GPRS通信和太阳能供电技术下的传输模式
    通过GPRS通信和太阳能供电技术在G3高速公路安徽合徐南段实现了交通路况信息采集,彻底改变传统传输与供电模式,真正实现了哪里需要,哪里就可以实现交通路况信息的采集。

GPRS组网方案
    本次在G3高速公路安徽合徐南段建设的四个能见度仪和一个气象站,分布在沿线多雾、弯道及事故的多发地段。设备采用太阳能供电,并通过GPRS网络与管理中心进行信息传输,把采集到的空气能见度、气象(如温度、风向、风力等)等信息数据传输到管理中心,进行数据接收、处理、存储等(通信前端现地采集站控制机理如图1所示)。

[nextpage]     基于GPRS组建的网络,接入方式有三种,即专线接入方式、公网接入方式和无线接入方式,本路段主要采用GPRS MODEM接入方式,接入示意图如图2。

 

    GPRS通讯方式采用申请专用VPN,移动运营商分配给数据中心Modem网内固定IP地址;数据中心通过无线GPRS Modem与遥测站实现多点对中心数据通信,远地遥测站根据配置的数据中心网内IP地址与数据中心建立数据通道。利用中国移动提供VPN业务,为用户组建基于GPRS的虚拟专有数据网络,通过分配一个固定IP地址网段,这些地址只能在该用户的VPN内部之间通信,不能与其他用户的VPN节点通信,也不能与通过Internet接入的用户节点通信。

    移动公司可为每一台GPRS DTU的SIM卡分配固定IP地址,数据中心根据每台DTU的ID号或IP地址进行通讯,也可不必为每一台DTU分配固定IP地址,DTU连接GPRS网络后,在指定网段内动态获得IP地址,这种情况下,数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯。用户的数据监控中心经无线GPRS Modem连接至移动公司GGSN服务器,这种接入方法的特点主要是:

·数据在自己的VPN专网内进行通讯,外界的终端或节点不能进入,数据安全性好;
·数据在自己的VPN专网内进行通讯,也保证了数据传输的实时性;
·接入成本仅为DDN专线接入的三分之一。费用降低,使用带宽在40-80K之间,通讯性能完全满足目前高速公路路况信息数据传输要求;
·中心接入点或遥测站均可绑定内网固定IP,偶尔掉线可以控制再自动上线,不会丢失地址;
·在条件许可的情况下,移动还提供中心端专线(光纤)接入的方案,中心端带宽更宽,可达2M,中心端IP也是固定的,数据也是在VPN专网内传输,适合大批量数据传输业务。

GPRS 通信流程
    GPRS的通信具有一套详细的流程(参见图3),由GPRS无线网络将交通路况数据传送到管理中心后,首先经过防火墙,再由通信服务程序进行检错、数据格式归一化处理,以TCP/IP方式发送给数据库服务器,接着由入库软件程序进行数据解析、标记、合成等处理后,将数据写入相应的数据库。还可以用WEB服务软件从数据库中读取数据,通过网页的方式,以图形化的界面显示实时数据及统计分析报表等。

GPRS 无线网络优点
无线网络具有以下优点:
·覆盖范围广;
·不受距离与地形限制;
·使用费率低;[nextpage]
·设备功耗低、维护简单,扩展方便;
·速度高;
·技术成熟,设备兼容性好,设备选择余地大。

    太阳能板发电量与日照量成正比,晴天时发电量大,阴天时发电量小;太阳直射时发电量大,偏移时发电量小。

太阳能发电系统原理
    太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220V或110V,还需要配置逆变器。各部分的作用如下:

·太阳能电池板:太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作;
·太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其它附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项;
·蓄电池:一般为铅酸电池,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来;
·逆变器:太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DC-AC逆变器。

太阳能发电系统的设计需要考虑的因素具体如下:
1、太阳能发电系统在哪里使用?该地日光辐射情况如何?
2、系统的负载功率多大?
3、系统的输出电压是多少,直流还是交流?
4、系统每天需要工作多少小时?
5、如遇到没有日光照射的阴雨天气,系统需连续供电多少天?
6、负载的情况,纯电阻性、电容性还是电感性,启动电流多大?
7、系统需求的数量。

太阳能电池板功率计算方法
    太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能直流发电系统则不包括逆变器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源,就要根据用电器的功率,合理选择各部件。下面以100W输出功率,每天使用6个小时为例,介绍一下计算方法。

1、首先应计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗)
    若逆变器的转换效率为90%,则当输出功率为100W时,则实际需要输出功率应为100W/90%=111W;若按每天使用5小时,则耗电量为111W×5小时=555Wh。

2、计算太阳能电池板
    按每日有效日照时间为6小时计算,再考虑到充电效率和充电过程中的损耗,太阳能电池板的输出功率应为555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充电过程中,太阳能电池板的实际使用功率。[nextpage]

    要求日照充足的条件下6小时充满,蓄电池200W。要求太阳能电池板的功率为yW,太阳能交流发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成;太阳能直流发电系统则不包括逆变器。为了使太阳能发电系统能为负载提供足够的电源,就要根据用电器的功率,合理选择各部件,也就是说,太阳能电池板的实际输出功率为200W。

粗略的计算方法
    太阳能电池板吸收能量转化需要损耗,转换效率为80-95%,考虑到充电效率和充电过程中的损耗,这个过程的损耗为60-75%。分别取90%、70%,则y×90%×70=200,求出y=317.5W。

    当然这只是粗略的求法,只是做个参考,比较准确的算法是计算太阳能板的发电功率,太阳能电池板容量是指平板式太阳能板发电功率Wp。太阳能发电功率量值取决于负载24h所消耗的电力,由负载额定电源与负载24h所消耗的电力,决定了负载24h消耗的容量P(AH),再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响,计算出太阳能电池阵列工作电流IP(A)。

    由负载额定电源,选取蓄电池公称电压,由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压VF(V),再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压VT(v)及反充二极管P-N结的压降VD(v)所造成的影响,则可计算出太阳能电池阵列的工作电压VP(V),由太阳能电池阵列工作电源IP(A)与工作电压VP(v),便可决定平板式太阳能板发电功率,从而设计出太阳能板容量,由设计出的容量Wp与太阳能电池阵列工作电压VP,确定硅电池平板的串联块数与并联组数。

太阳能电池阵列的具体设计步骤
1、计算负载24h消耗容量P
P=H/V
V——负载额定电源
2、选定每天日照时数T(H)
3、计算太阳能阵列工作电流
IP=P(1+Q)/T
Q——按阴雨期富余系数
Q=0.21〜1.00
4、确定蓄电池浮充电压VF
镉镍(GN)和铅酸(CS)蓄电池的单体浮充电压分别为1.4-1.6V和2.2V。
5、太阳能电池温度补偿电压VT
VT=2.1/430(T-25)VF
6、计算太阳能电池阵列工作电压VP
VP=VF+VD+VT
其中VD=0.5-0.7
约等于VF
7、太阳能电池阵列输出功率Wp(平板式太阳能电池板)
Wp=IP×UP
8、根据VP、Wp在硅电池平板组合系列表格,确定标准规格的串联块数和并联组数。[nextpage]

蓄电池的容量计算
蓄电池的容量由下列因素决定:
1、蓄电池单独工作天数。在特殊气候条件下,蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20%。
2、蓄电池每天放电量。对于日负载稳定且要求不高的场合,日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的80%。
3、蓄电池要有足够的容量,以保证不会因过充电所造成的失水。一般在选蓄电池容量时,只要蓄电池容量大于太阳能电池板峰值电流的25倍,则蓄电池在充电时就不会造成失水。
4、蓄电池自身漏掉的电能,随着电池使用时间的增长及电池温度的升高,自放电率会增加。对于新的电池自放电率通常小于容量的5%,但对于旧的质量不好的电池,自放电率可增至每月10-15%。

    在水情遥测系统中,连续阴雨天的长短决定了蓄电池的容量。由遥测设备在连续阴雨天中所消耗能量(安时数加上20%因子,再加上10%电池自放电能安时数)便可计算出蓄电池的容量。

实际应用
    合徐南道路监控改造中,首次采用太阳能供电系统为能见度供电和采用GPRS传输方式,实现交通路况信息采集。

1、太阳能发电量计算
    根据上述原理分析及有关本区域特点,本地段的太阳能发电的全年日平均综合有效率为10-15%。

    发电量(度)=70W×4块板×24小时×日平均有效率×0.001=70×4×24×0.135×0.001=0.9072(度)。

    现场测量两组太阳能板充电电流一般在1-3A,按总充电电流5A、日照8小时计算,日充电量为:发电量(度)=24V×5A×8小时×0.001=0.96(度)。

    即:4块70瓦的太阳能板的日平均发电量为1度左右。

    上述计算未考虑300AH×2的蓄电池的最小充电电流及自身充电损耗。

2、VISIC620型能见度耗电量计算
    在该监控路段中选用VISIC620型能见度(DC24V直流供电),加稳压器,GPRS传输增加RS485转RS232方式,并通过测量,加负载后输出电流在0.33A-0.37A(含稳压器及485转换器),计算负载功率为:26V×0.35A=9.31W,日耗电量(度)为9.31×24×0.001=0.22344(度)。

    即:VISIC620型能见度的日平均耗电量为0.23度左右,不同负载功率的耗电对比情况见表1。

 

3、实际测量数据结果(详细参见以下相关测试记录)
    101K自2008.05.23太阳能断开负载;2008.05.30给负载加电,同时太阳能给电池充电;2008.06.3下午14:10切断太阳能给电池充电,电池完全放电,测量蓄电池电压25.8v;2008.06.4上午测量蓄电池电压25.1v;6.9日下午14:15测量蓄电池电压24.3v。2008.06.14上午无供电输出,结论为101K的VISIC620型能见度已经完全由电池连续供电十天。(本文作者张玉虎任职于安徽省高速公路总公司,张恒任职于安徽省高等级公路工程监理有限公司)

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