海上风电场状态监测方法综述

汪 超，许洪华，崔杨柳

(1．国网江苏省电力公司 南京供电公司，江苏 南京 210019；2．国网江苏省电力公司 检修分公司，江苏 南通 226000)



海上风电场状态监测方法综述

汪 超1，许洪华1，崔杨柳2

(1．国网江苏省电力公司 南京供电公司，江苏 南京 210019；2．国网江苏省电力公司 检修分公司，江苏 南通 226000)

介绍了我国海上风电场的发展状况，分析了海上风电场状态监测的意义。阐述了海上风电场设备检修的实际困难。对风力发电机、变电站及海底复合电缆的状态监测进行分析，总结目前对海上风电场电气主设备状态监测所提出的一些方法。提出利用IEC61850在海上风电场建立通信系统，对智能变电站下的IEC61850做发电机逻辑节点的扩展。结合新兴技术对海上风电场的状态监测进行了展望。

海上风电场；状态监测；通信系统；IEC61850；传感器

由于世界各国受到短缺及环境问题的影响。因此，寻找清洁的可再生能源成为当务之急。其中可再生的风能受到越来越多专家学者的青睐，全球风电发展迅速，海上风电已成为风电发展的重要领域[1]。海上风能丰富且稳定，发电利用小时数高，对生态环境的负面影响小，适宜大规模开发[2]。我国大陆海岸线长达18 000 km，可利用海域面积300多万平方千米，海上风能资源丰富。经初步评估，我国近海浅水海域风能资源可开发量约2亿千瓦。而海上风电资源潜力大，距离电力负荷中心近，随着技术进步和经济性提高，海上风电将具备大规模开发 的条件，为我国实现可再生能源发展目标、完成减排温室气体任务发挥重要作用。在“十二五”能源和可再生能源规划中，我国海上风电的发展目标是：2015年建成500万千瓦，形成海上风电的成套技术并建立完整产业链；2015年后，我国海上风电将进入规模化发展阶段，达到国际先进技术水平，到2020年建成海上风电3 000万千瓦。由于海上风电的开发范围也从过去的近海，往离岸几十km的深海方面发展。以欧盟为例，欧盟在建的海上风电项目平均水深在27 m左右，平均离岸距离达到了28 km，海上风电场长期处于如此特殊的地理气候环境中，电气设备的故障率会提高，同时海上设备的检修比陆地设备检修复杂得很多，代价更高。因此，对海上风电场的设备进行实时监测，及时了解设备的运行状况，及早发现电气设备可能存在的问题，有利于提高海上风电场的管理效率，减少不必要的经济损失。

1 海上风电场状态监测的意义

海上风电场电气设备繁多，且气候环境恶劣，风电场设备易受到海风海浪、盐雾以及冰冻的侵袭，因而海上风电场设备的故障率会更高。且海上风电场距离海岸一般10～50 km，海上设备检修需要专业船只或直升飞机，费用昂贵。相关研究表明，在海上风电场使用传统的风电场检修方式，将有25%～30%的发电收入需要投入到设备检查维护上[3]。传统的风电场维修包括计划维修与事后维修两类，计划维修是按照风电场规程在指定时间对风电场设备进行例行维护，事后维修则是在设备发生故障后，维修人员再到现场进行设备维修[4]。计划维修难以及时发现设备异常并修正，而事后维修总是在设备发生故障甚至停止运行后才能采取措施，这难免会影响供电可靠性并带来不必要的经济损失。实施海上风电场实时在线监测，通过各类传感器及IED及时获取设备的相关参数，了解设备的运行状况，在设备出现异常时，检修人员能够在第一时间对设备予以维护并排除隐患。这将提高海上风电场的运行管理效率。

2 电气主设备状态监测GIS模态分析

图1为海上风电场的结构示意图，从图中可看出海上风电场的主要电气设备包括风力发电机、海上变电站及海缆。针对海上的特殊环境，海上风电场需要监测更多的状态量。

图1 海上风电场的结构示意图

2.1 风力发电机

目前的风力发电机主要包括异步感应发电机、双馈异步发电机和永磁直驱或半驱式发电机。对于传统风力发电机，其最核心的功能结构为风轮-齿轮箱-发电机所构成的中轴线，该中轴线涉及到机械-传动-电力三者。海面上风速较大却不够稳定，且风向经常变更，因此风力发电机难以处于稳定状态，加之海面上极端环境的侵袭，导致风力发电机的故障率较高。针对如此状况，有必要对海上风电机组实施全面的状态监测。及时了解机组各部件的运行情况，提前对机组维护，从而降低风电机组的故障率。对于风电机组，主要的监测量包括振动、温度、湿度、电压、电流等。其中振动是最常见的状态监测量，通过在风电机组预先选定的位置安装振动加速传感器，收集风电机组各部件振动的基础数据，文献[5]通过采集相关部件的振动状态信息来分析海上风力发电机与传动机构的运行状况；文献[6]通过振动信号分析设备故障情况。温度作为电气设备的一项重要指标，能够反映风电机组的散热情况，结合电流、电压可分析机组的绕组及线路问题。文献[7]针对整个机组全面监测的问题，提出一种优化的状态维护方法，该方法首先基于状态监测信息分别计算单个部件的故障率与整个风电机组的故障率，然后以此为基础确定状态维护步骤，定位故障机组与故障部件。文献[8]较为详细地总结了海上风电机组的状态监测与故障诊断。

2.2 海上变电站

通常，海上变电站主要包括主变室、GIS室、主控室、电容室、接地电阻室等，从电气结构来看，海上变电站主要包括电力变压器、各级电压配电装置、无功补偿装置、过电压保护与接地装置、继电保护装置、就地测量与操纵设备、远程微机测控系统、母线与电缆设施等。

变电站电力设备状态监测参量[9]

图2 状态监测质量

变压器作为海上变电站最为关键的设备之一，对变压器的状态监测也显得尤为重要。文献[10]探讨了基于关键参数的变压器状态监测，其监测模块涉及局部放电、油中溶解气体以及绕组变形。文献[11]提出基于声波分析的变压器状态监测。随着智能技术的发展，许多新技术也应用到变压器状态监测中，文献[12]介绍了自动化技术、信息处理技术等新技术在变压器状态监测中的应用。

2.3 海底复合电缆

海底复合电缆不但承载着传输电能的任务，同时也是风电场信息通信的媒介。因此，海底复合电缆的正常运行对海上风电场来说极其重要。海底电缆的故障主要由地质运动及船只作业引起。由于海底电缆沉在海底，海缆的绝缘性能显得尤为重要。目前海缆监测主要是在海缆中复合光纤单元，如图3所示，通过光纤分布式传感技术对电缆监测。

图3 海底复合电缆

绝缘电阻法以及示波器法是海底电缆监测的常用方法，文献[14]介绍了利用分布式光纤传感技术对海底电缆进行监测，其主要是利用高功率激光脉冲在光纤中传播所获得的散射光来估计温度、压力等物理量。文献[15]提出利用BOTDA技术的分布式光纤传感系统对海底负荷电缆沿线温度应力测量。文献[16]利用电缆护套中的接地电流来监测电缆护套绝缘，并利用低频电压电流监测电缆的主绝缘。

3 状态监测通信系统

IEC61850的目标是实现设备间的互操作，其作为国际统一变电站通信标准已经获得广泛的认同与应用。鉴于该标准给设备通信带来的便利，其技术和方法已逐步推广到其他领域[17]，对以智能变电站为主要电气设备的海上风电场来说，在整个风电场采用IEC61850标准，将有利于整个系统的数据传输与信息共享。在实现海上风电场自动化过程中，首先需要进行逻辑节点建模，IEC61850中已定义了约80种逻辑节点，其中包含了发电机逻辑节点ZGEN类，但对于风力发电机，需要对该逻辑节点的数据予以扩充，包括发电机制动(DPC)，风机方向控制(DPC)，以此完善对风力发电机的监测[18]。

根据IEC61850标准可将海上风电场进行分层处理，包括过程层、间隔层、站控层。过程层网络包括GOOSE与SV网络，GOOSE作为面向对象的网络，具有传播速度快等优点，GOOSE服务以peer-to-peer通信为基础，保证了GOOSE报文传输的可靠信，在IEC61850体系中，SV报文及GOOSE报文均采用发布者/订阅者模型进行通信，如图3所示，过程层通信协议栈中应用层数据直接映射到数据链路层的MAC子层，然后传递给物理层发送，而会话层、传输层和网络层均为空。简化了协议栈，过程层数据传输时减少了协议栈的处理过程，增强了数据的实时性，符合过程层传输的实时性要求。GOOSE还设立了重发机制并且在报文中携带“报文存活时间”(TAL)和数据品质等参数来保证数据的可靠性[19]。

图4 GOOSE报文传输的协议堆栈

站控层与间隔层网络之间采用以太网相连，且网络为双网冗余方式，双网冗余技术大幅提高了数据通信的可靠性。与智能变电站相类似，海上风电场站控层在通信规约层面上也遵循特定通信服务映射对MMS的映射。MMS通过对真实设备及其功能进行建模，实现网络环境下计算机应用程序或智能电子设备之间数据和监控信息的实时交换。图5为模拟智能变电站所构建的海上风电场通信网络。

图5 海上风电场通信网络

4 海上风电场状态监测展望

4.1 数据采集

数据采集是状态监测的基础。近年来，各类新型传感器不断涌现。一方面，新型传感器提高了测量精度，分析系统可获取精确的数据，从而得到可靠的分析结果；另一方面，更多的状态量可通过传感器直接获得，能更全面的监测设备。无线传感器的出现，简化了传感器的通信线路，安装也更加简便，另外各类高速数据采集系统的研发也推动了数据采集技术的发展。

4.2 数据传输

海上风电场的特殊地理气候环境不利于工作人员长期值守，因此需依赖可靠先进的监测及通信技术实现对风电场的管理。光纤通信已得到应用，但光纤机械强度较差，布局受限。相比光纤通信，无线通信的成本更低，适应性与扩展性也要优于光纤。文献[20]提出利用ZigBee传感网络和GPRS技术实现风电场的无线通信，文献[21]提出了一种以太网和地面无线测控网相结合的大型风电场监控通信系统，该系统能满足海上风电场需要传递大量数据的要求。但无线通信存在数据安全问题，通信距离受限，通信链路易受阻断。因此，对于海上风电场，可考虑在局部范围内使用无线通信，长距离传输时选用光纤通信。

4.3 新一代信息技术的应用

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，物联网通过各种信息传感设备，实时采集任何需要的各种信息。物联网内每个产品都有一个唯一的产品电子码(EPC)，通常EPC码被存入硅芯片做成的电子标签内，附在被标志产品上，被高层的信息处理软件识别、传递、查询，进而在互联网的基础上形成专为供应链企业服务的各种信息服务。若在海上风电场内部局域网采用物联网技术，将大幅提高海上风电场的智能化水平。通过智能监测与辅助控制系统建立，实现状态监测、图像监视、安全警卫、火灾报警等，对海上风电场进行全方位立体式监测。

云计算是一种基于分布式计算的新型服务计算。其借助分布式处理和计算技术，提高计算速度。在大型风电场建立内部云计算平台，可在现有电力设备基本不变的情况下，利用风电场内网建立私有云，可以充分整合系统内部的计算处理和存储资源，大幅提高数据处理和交互能力，构建一个低成本的信息网络。大数据能够提供海量信息，运用大数据与云计算，能够详细快速地处理数据，尽早发现异常情况，提高风电场状态监测与故障诊断水平。

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A Review of the Condition Monitoring Methods of Offshore Wind Farms

WANG Chao1, XU Honghua1, CUI Yangliu2

(1. Nanjing Power Supply Company, State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210019, China;2. Maintenance Branch, Nantong Department of State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nantong 226000,China)

The development of offshore wind farms in China is introduced and the benefits of offshore wind farms condition monitoring are analyzed. The practical difficulties of offshore wind farm equipment maintenance are described. Condition monitoring of wind turbines, substations and submarine composite cables are reviewed. Some of the ways of the main electrical equipment condition monitoring in the offshore wind farm are summarized. A communication system based on IEC61850 is proposed for offshore wind farms. Two important generator logic nodes are recommended to be added in IEC61850. Condition monitoring of offshore wind farms is discussed with the current emerging technologies.

offshore wind farm; condition monitoring; IEC61850; communication system; sensor

2016- 03- 18

江苏省电力公司科技基金资助项目(J2016046)

汪超(1974-)，男，硕士，工程师。研究方向：电网设备远维技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.045

TM614

A

1007-7820(2016)11-161-04