适用于海上风电场的智能海上升压站优化设计研究

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 高玉青 杨林刚 马润泽 徐 晗 徐志辉

当前，能源发展正处于深刻变革和重大调整的关键时期。到2020年底全国风电累计装机2.81亿千瓦，其中海上风电累计装机约900万千瓦。在30·60碳达峰、碳中和目标下，可再生能源发展将成为刚性需求。海上风电目前处于蓬勃发展的时期，大量的海上升压站将会随之出现。

海上风电机组和海上升压站通常按“无人值班”方式运行，通过光纤通信，在陆上开关站进行实时远程监控，对于监控和通信系统的要求更高。已投运的海上风电场的海上升压站也都是按常规站建设的，海上升压站建设在离岸较远的海上，受制于距离、环境、交通工具的约束，缺乏智能化的远距离诊断、预警及处理的手段，给站内设备的调试、运行维护等工作带来了较大的挑战。因此，亟需对海上风电场升压站的智能化相关技术进行深入研究，满足智慧风电场建设的发展趋势[1]。

本文通过分析海上升压站的技术特点，提出适用于海上升压站的智能化设计网络架构；通过优化海上升压站二次设备布置方案，减少二次设备室的占地；提出适用于海上的智能化巡检系统，为后续项目建设和运维提供有力保障。

1 传统海上升压站配置方案

海上风电场主接线主要包括风力发电机组、海上升压站和陆上开关站，风机经机组升压变升压后，由35kV 海缆汇集至海上升压站35kV 母线，经海上升压站主变升压至220kV 后，经220kV 海缆连接至陆上开关站，通过220kV 输电线路连接至系统变电站[1]。

常规的海上升压站综合自动化系统分为站控层和间隔层两层，一次设备的模拟量通过电缆将模拟信号传输到测控保护装置采集，装置对模数转换后的数据进行处理，然后通过规约转换装置与后台监控系统通信；同时，监控系统和测控保护装置对一次设备的控制通过电缆传输模拟信号实现其功能，需要大量的电缆，存在采集资源重复、存在多套系统、厂站设计、调试复杂、互操作性差、标准化规范化不足等问题。此外，海上站二次屏柜和控制电缆众多，柜体及电缆桥架占地大，增加了施工安装及电缆敷设的工作量，同时也增加火灾的风险。

目前，海上风电升压站除了传统的测控、保护系统外，还部署有各类辅控系统，实现对升压站的环境、暖通、消防等进行监视控制，上述各系统独立运行，导致服务器和工作站数量繁多，建设成本高，维护工作量大；数据交互未能真正融合。

2 智能化海上升压站配置方案

2009年5月国家电网公司提出了建设坚强智能电网的发展目标，2019年国网启动了首批7座智慧变电站（第三代智能变电站）的试点建设。智能变电站技术经过多年的研究不断发展完善，并通过国网系统内持续多年的大规模应用，解决了发展中碰到的各种问题，证明了其运行的高度可靠性，已经具备了在国网系统外推广应用的条件，这为海上升压站智能化的应用打下了坚实的基础。

2.1 网络架构优化

智能海上升压站一体化监控系统由站控层、间隔层、过程层设备组成，并用分层、分布、开放式网络系统实现连接，采用三层设备两层冗余的网络结构[2]。

站控层设备由主机兼操作员工作站、远动通信装置、状态监测及智能辅助控制系统后台主机以及网络打印机等构成，通过网络完成与间隔层之间的信息交换，实现全站监控、数据管理及处理功能；间隔层包括测控装置、继电保护装置、安全自动装置、故障录波及网络记录分析装置、电能计量装置等设备。

获取过程层各设备的运行信息，从而实现对过程层设备的遥测、遥信、遥控、遥调等任务；过程层设备主要包括电压互感器、电流互感器、合并单元以及智能终端。完成海上升压站电气设备信号采集和控制，实现一次设备智能化。

2.2 设备布置优化

海上智能升压站设备布置的优化设计，主要包括以下方面。

二次机柜采用旋转柜，柜后靠墙，合理减少平台的面积，节约投资；智能终端和合并单元分散布置于配电装置现场。间隔层设备分散布置于配电装置现场，减少二次设备室的机柜数量，节约二次设备室面积，缩短了间隔层与过程层通信距离，减少光纤长度和施工工作量。

就地化保护测控装置贴近一次设备就地安装，直采直跳。信息传输采用三网合一（SV、GOOSE、MMS）模式，传输各间隔电压电流和开关量信息、保护动作信号，实现海上升压站数据共享。在满足“可靠性、速动性、选择性、灵敏性”的基础上，实现一键式下装、模块化安装和更换式检修，提升设备整体运维水平。

就地化保护配置方案可减少保护控制屏柜数量，为海上升压平台的小型化、模块化、智能化奠定坚实的基础；结合智能海上升压站控制电缆大幅减少、光缆增加的情况，优化二次电（光）缆桥架，有利于海上升压站防火设计。

2.3 巡检系统智能化

主变、断路器、避雷器等设备状态监测的应用，实现了一、二设备的状态检修。智能辅助系统对海上升压站视频系统、安防系统、消防等辅助设备进行集成，智能巡检系统主要由巡检主机、轨道式机器人、视频摄像头等组成[3]。在继保室、35kV 开关柜室等设置轨道式巡检机器人（图1），在电气设备附近设置高清晰摄像头组成的视频监控系统。采集变压器、断路器等设备状态，二次柜上操作把手、压板、指示灯、空开等位置状态指示，一次设备重点部位的红外图谱数据。利用图像识别技术进行智能分析，自动判断设备的运行状态、自动判断设备是否存在过热缺陷等[4]。

图1 35kV 开关柜室智能巡检机器人系统示意图

采用智能巡视系统对全站设备进行日常巡视，提高海上升压站的安全性、运行维护的方便性，满足海上升压站集中控制、无人值班的要求，目前已成功应用于三峡江苏大丰海上风电场和国电投滨海南H3海上风电场项目。

3 设计方案对比

本文以三峡江苏大丰海上风电场为例，海上升压站电压等级为35/220kV，35kV、220kV 均采用单母线分段接线、2台三相三绕组变压器、2回220kV 海缆出线、12回35kV 风机进线，传统海上升压站与智能海上升压站设计方案的对比如表1、表2所示。

表2 海上升压站设计方案经济性对比

从表1可以看出，经过合理规划，智能站与常规站的初期投资相差不大。智能站需为高压间隔配备合并单元及智能终端（如采用合智一体化设备，还可进一步减少投资）；同时需建立过程层网络，配置交换机和光缆，这会增加一些投资。智能变电站的信息一体化平台及其基于此平台的高级应用软件也会增加投资，但可节省各类子系统的监控设备投资，也会减少后期的安装及系统运维费用。随着海上升压站设备整体智能化水平的提高，可提高运行维护效率，延长设备检修周期，减小检修频率及费用，智能化站的效益逐渐显现。如配套智能巡检系统，将会进一步提高运维水平。

表1 海上升压站设计方案技术性对比

运行维护成本包括风电场一、二次设备维修、巡视、检修，站用电、就地操作等费用。将优化方案的运行检修数据与常规方案的运行检修数据进行对比，预计优化的海上风电场设计方案中运行检修等综合费用较传统方案可大为减少。其中优化方案通过在线状态监测技术降低一次设备故障率，减少设备维修次数和时间，可降低风电场维修成本。信息一体化平台综合了各子系统，减少运维的厂家数，运行维护费用明显减小。总之，海上升压站智能化的投资收益会随着运行时间的增加更明显。

此外，智能化海上升压站二次系统设计方案采用一体化信息平台的设计模式，将原海上升压平台站控层监控系统统一集中到陆上集控中心，实现一体化的监视控制，简化了网络拓扑结构，降低了交换机的使用数量及级联复杂程度，大大提高了通信网络的可靠性。优化方案通过使用在线监测技术以及其它相关高级应用，有效提高了一次设备的可靠性和安全性。

4 结语

本文调研分析了海上风电场升压站的特点和配置方案，提出了海上升压站智能化系统的总体方案，明确了系统的网络架构、主要功能的技术要求；通过优化二次盘柜的布置及保护测控装置就地化，以减少二次设备室的占地面积，简化了设备连接电缆；提出了就地化保护的配置方案,提升保护动作的可靠性；通过配置巡检机器人，实现了海上升压站的智能化巡检；最后对海上智能化升压站的技术经济性进行对比分析，为后续项目试点建设提供了决策依据。

智能海上升压站的建设既是逐步使各升压站具有智能化的过程，也是一项复杂的系统工程，需要一系列新技术、新设备的支撑，因此必须在新技术研究和新设备制造方面取得重大突破。目前，泛在电力物联网的“全面感知”技术的应用和发展，给智能海上升压站的建设带来了不可忽视的影响，对此应密切跟踪和深入研究。智能海上升压站是“智慧风电场”的重要组成部分，通过基于状态的智慧化运维，能够降低海上升压站的运维成本，实现海上升压站设备的全生命周期最优。