海上风电场升压站智能化研究

肖国梁

摘要：近年来，我国海上风电飞速发展，截至2018年底，我国海上风电累计装机容量已达363×104k W。我国《风电发展“十三五”规划》提出，到2020年海上风电并网装机容量达到500×104k W，开工建设规模达到1 000×104k W。海上风电的快速发展对设备制造、检修、运行和维护提出了更加严格的要求，为解决种种难题，智能化成为风电发展的趋势。目前，在风电机组智能化、无人机巡检风机和海底电缆智能监测等方面，多家企业开展了技术研究并实现了初步的智能化，但是海上风电场智能升压站尚无投产和建设实例。针对海上风电的特点提出海上风电场智能升压站技术方案。

关键词：海上风电;升压站;智能化

1 海上风电场概况

1.1 主接线

海上风电场由分布在海上的风力发电机组、机组配套升压设备、海底电缆、海上升压站和陆上开关站组成。

1.2 海上风电场升压站特点

海上风电场升压站由两部分组成，分别是海上升压站和陆上开关站。陆上开关站与陆地变电站布置无异。海上升压站布置在海上平台，要求设备标准化、小型化、集成化，在满足规范要求条件下布置尽量紧凑，节约空间和投资成本。海上升压站所处环境恶劣、交通不便、检修困难，对设备的可靠性和状态监测提出了更高的要求。海上升压站采用无人值班方式运行，其管理和控制由陆上的集控中心通过遥控方式实行实时监控。因此，采用实现全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、系统功能集成化、结构设计紧凑化、高压设备智能化和运行状态可视化的智能升压站显得尤为必要。

2 常规海上升压站特点

1）测量信号重复采集，系统效率低。由于常规变电站内电气逻辑功能的实现以单个装置为单元，为实现不同保护功能，同一电气量需要多次以模拟量形式采集到不同装置，增加了投资且降低了系统的整体效率。

2）电气二次接线复杂。由于保护和测控装置功能独立，各保护、测控装置之间无信息共享和集成应用，导致保护装置需要以硬接线方式与相关所有一次设备之间直接相连，使得变电站内二次接线冗余且复杂。

3）缺乏标准化的信息模型。不同的设备厂家使用不同的通讯规约，使得调试变得复杂，增加了运行、维护的难度，降低了系统的可靠性，且后续无法基于统一的信息模型实现高级应用功能。

3 智能变电站特点

智能变电站是采用可靠、经济、集成、节能、环保的设备与设计，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、系统功能集成化、结构设计紧凑化、高压设备智能化和运行状态可视化等为基本要求，能够支持电网实时在线分析和控制决策，进而提高整个电网运行可靠性及经济性的变电站。智能变电站区别于传统变电站的重要技术特征是。

1）电子式互感器代替传统的电磁式互感器，解决了传统互感器存在磁饱和问题。

2）采用智能高压设备，如智能变压器、智能断路器和智能高压组合电器GIS。智能高压设备由高压设备本体、传感器和智能组件组成，能够实现就地数字化测量、基于站内通信网络的控制、向上级调控中心及检修部门展示设备状态等功能，自动化程度大大提高。

3）统一采用DLT 860（IEC 61850）标准，支持不同厂家的智能电子设备具有互操作性，无需进行协议转换。

4）简化二次接线，以少量光纤代替大量控制电缆，便于施工和运维。

5）以此为基础，增加了多个高级应用功能，如支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等。

4 适用于海上风电场智能升压站方案

4.1 架构体系

4.1.1 站控层

站控层设备包括主计算机服务器、操作员工作站、信息一体化平台、网络通讯管理机、调度远动工作站、智能辅助系统服务器和打印机等设备。各主计算机服务器、工作站、网络通讯管理机都与两套网络交换机相连接，形成冗余的站控层网络。

4.1.2 间隔层

间隔层包含测控装置、电能计量装置、保护装置、故障录波装置、安全自动装置等二次设备和智能接口装置。间隔层设备由CPU、内存、智能输入/输出接口及相应硬软件组成，间隔层应包括人机对话接口设备。间隔层由含冗余的中央处理器的测控单元组成，可实现手动分步和自动操作。

间隔层对站控层具有相对独立性，它们能脱离站控层直接完成生产过程的实时数据采集及预处理、单元设备状态监视、同步控制等功能。间隔层能对所管辖的生产过程进行完善的监控，它们经过输入、输出接口与生产设备相连，通过通信接口接到网络总线上，与站控层交换信息。

4.1.3 过程层

由合并单元、智能终端和智能传感器等组成，完成电力生产过程数据采集与指令执行，对海上升压站一次设备和二次设备信号采集、状态监测和控制。一次设备有主变压器、高压组合电器GIS和开关柜等，二次设备有状态监测系统和辅助系统。由网络负责实现间隔层与过程层设备之间、间隔层设备之间以及过程层设备之间的数据通信，传输GOOSE报文及SV报文。

4.2 智能高压设备

4.2.1 变压器智能化

智能电力变压器是指在电力变压器上配置一套智能组件，负责变压器基本状态量及运行状态量采集，包含主IED（智能电子装置）、控制IED和监测IED。根据工程实际情况控制IED配置冷却装置控制IED、有载分接开关控制IED;监测IED配置油中溶解气体监测IED、局部放电监测IED、绕组温度监测IED和高压套管监测IED。控制IED和監测IED将格式化信息和结果信息应通过站内通信网络报送到主IED，由主IED进行数据分析、状态评价和缺陷诊断，并形成报告。

4.2.2 高压组合电器GIS智能化

智能高压组合电器GIS是指在高压组合电器GIS上配置一套智能组件，包括开关设备控制器、监测IED和合并单元，对高压组合电器GIS断路器的机械特性、SF6微水温度密度、避雷器状态、跳合闸电流等一系列特性进行监测。监测IED包括主IED、气体状态监测IED、机械状态监测IED和局部放电监测IED。

5 结语

风电智能化时代才刚刚启幕，在风电的智能化浪潮中，需要产业链的各个环节建立起智能化产业生态圈。海上风电场升压站作为电力传输的关键环节，其运行的可靠性和智能化程度影响着整个风电场的建设和管理。

参考文献

[1]国家能源局.水电发展“十三五”规划[R].2016-11-29.

[2]徐龙博，李煜东，汪少勇，等.数字化海上风电场研究[A].电力系统自动化专委会2013年学术交流研讨会论文集[C].电力系统自动化专委会，2013.

[3]吴闯.智能变电站技术及其工程应用研究[D].南京：东南大学， 2018.