淺析風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)集中監控系統解決方案-安科瑞 蔣靜

作為清潔能源之一，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)近幾年裝機容量快速增長(cháng)。截至7月底，全國累計發(fā)電裝機容量約27.4億千瓦，同比增長(cháng)11.5%。其中，太陽(yáng)能發(fā)電裝機容量約4.9億千瓦，同比增長(cháng)42.9%；風(fēng)電裝機容量約3.9億千瓦，同比增長(cháng)14.3%。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)分為陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電，一般地處偏僻，安裝比較分散，環(huán)境也比較惡劣，因此風(fēng)電場(chǎng)需要一套遠程監控系統，便于運維人員管理風(fēng)電場(chǎng)運行。

1. 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的電氣設備

每臺發(fā)電機組的頂部機倉配備有一個(gè)渦輪發(fā)電機，前端是可調整角度的風(fēng)葉，系統可根據不同的風(fēng)力狀況來(lái)調整風(fēng)葉的傾斜角度，風(fēng)葉一般的轉速為10～15轉/分，通過(guò)變速箱可調節到1500轉/分的轉速驅動(dòng)發(fā)電機。在機倉里同時(shí)也配置一臺工業(yè) PLC用于控制及相關(guān)數據采集，通過(guò)PLC采集風(fēng)速、風(fēng)向、轉速、發(fā)電有功功率及無(wú)功功率等相關(guān)數據，并通過(guò)采集的數據對發(fā)電機進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。陸上在風(fēng)機塔底端還設置箱變負責升壓和匯流，根據功率和地理條件，多臺風(fēng)機一次升壓后并聯(lián)匯流接入升壓變電站，通過(guò)升壓變壓器進(jìn)一步提升電壓后并入大電網(wǎng)為電網(wǎng)輸送電能。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的電氣接線(xiàn)示意圖如圖1所示。風(fēng)機發(fā)出的電壓一般為0.69kV，經(jīng)過(guò)箱變升壓為10kV或者35kV，多臺并聯(lián)匯流后接入升壓變電站的低壓側母線(xiàn)，再次經(jīng)過(guò)主變壓器升壓至110kV或者更高電壓等級后接入電網(wǎng)。

不同于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電由于環(huán)境惡劣（高濕度、高鹽密度），用于一次升壓的干式變壓器集成在風(fēng)機的機倉內，這樣既解決了整個(gè)機組的占地面積問(wèn)題，又避免了將變壓器安裝在較低位置所帶來(lái)的防護困難問(wèn)題。

圖1 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)電氣接線(xiàn)示意圖

2. 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的保護和測控設備

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)從風(fēng)機發(fā)電-升壓箱變-匯流-升壓站中壓母線(xiàn)--主變壓器-升壓站高壓母線(xiàn)--高壓出線(xiàn)--電網(wǎng)并網(wǎng)，中間需要經(jīng)過(guò)兩次升壓后并入電網(wǎng)，電氣設備的數量和種類(lèi)比較多，任意環(huán)節出現故障都會(huì )影響風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的正常運行。因此需要在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的各個(gè)環(huán)節設置保護和測控裝置，監測風(fēng)電場(chǎng)的運行狀態(tài)。圖2為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的保護和測控裝置配置示意圖。

圖2 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)保護測控裝置配置圖

2.1 箱變測控裝置

在陸上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)為降低線(xiàn)路損耗，一般在風(fēng)機旁配置0.69/35(10)kV箱式升壓站。風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)機間距達數百米，離集控室較遠；升壓變均處于空曠的野外，自然環(huán)境比較惡劣，不方便人工巡視，使得箱變測控成為風(fēng)電場(chǎng)的監控難點(diǎn)。箱變測控裝置是風(fēng)電場(chǎng)監控系統的核心部分，對箱變實(shí)現智能化管理。箱變測控裝置能夠對風(fēng)電箱變進(jìn)行保護和遠程監控，實(shí)現“遙信、遙測、遙控、遙調"功能，大大提高風(fēng)電場(chǎng)的運維效率。

圖3 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)箱變測控裝置

AM6-PWC箱變保護測控裝置針對風(fēng)電及光伏升壓變不同要求的集保護、測控、通訊一體化裝置，其功能配置如下表所示。

2.2 低壓側線(xiàn)路和母線(xiàn)保護測控

多臺風(fēng)機經(jīng)升壓為35(10)kV后并聯(lián)為一個(gè)回路接入升壓變電站低壓側母線(xiàn)，當風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機數量比較多時(shí)，匯入升壓變電站低壓側母線(xiàn)的線(xiàn)路也比較多。為了實(shí)現監測，線(xiàn)路配置線(xiàn)路保護裝置、多功能測控儀表、電能質(zhì)量監測裝置、無(wú)線(xiàn)測溫裝置，實(shí)現對線(xiàn)路電氣保護、測量以及溫度的實(shí)時(shí)監測，低壓側母線(xiàn)設置弧光保護裝置。

表1 低壓側線(xiàn)路、母線(xiàn)保護測控配置

2.3 主變壓器保護測控

風(fēng)機發(fā)電在低壓側母線(xiàn)匯流后經(jīng)過(guò)主變壓器升壓至110kV并入電網(wǎng)。主變壓器配置差動(dòng)保護、高后備保護、低后備保護、非電量保護、測控裝置及變壓器溫控、檔位變送器，實(shí)現對主變壓器的保護測控功能，集中組屏安裝。

表2 主變保護測控配置

2.4 高壓線(xiàn)路保護測控

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)兩次升壓至110kV后并入電網(wǎng)，110kV線(xiàn)路配置光纖縱差保護、距離保護、防孤島保護、測控裝置等。

表3 110kV線(xiàn)路保護測控配置

3. 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)監控系統

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)監控平臺實(shí)現對風(fēng)電場(chǎng)的運行狀態(tài)和風(fēng)機的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行監測、控制和管理，提高風(fēng)電場(chǎng)的可靠性和運行效率，降低維護成本，實(shí)現智能化管理。

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)占地面積比較大，設備分散，系統對數據通訊可靠性和實(shí)時(shí)性要求比較高。在具備條件的情況下采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數據采集和通訊，也可以采用LORA無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行數據傳輸。

圖4 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)監控系統圖

風(fēng)機機組PLC和箱變測控裝置數據通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)上傳至控制室數據服務(wù)器，升壓站綜合自動(dòng)化系統數據通過(guò)以太網(wǎng)上傳數據服務(wù)器，多功能儀表、無(wú)線(xiàn)測溫、溫度變送器、檔位變送器、直流系統以及其它智能設備接入通訊管理機上傳數據服務(wù)器，如圖4所示。

圖5 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)監控界面

3.1 風(fēng)場(chǎng)監控

對整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機的基本參數（包括風(fēng)速，功率，轉速等）的綜合展示，并且可通過(guò)遠程控制單個(gè)或多個(gè)風(fēng)機的啟停，實(shí)現對每個(gè)風(fēng)機的日發(fā)電量，月發(fā)電量，年發(fā)電量的監控，便于實(shí)時(shí)監視風(fēng)機的運行狀況。

3.2 機組監控

對機組內的各個(gè)控制模塊的參數以及控制狀態(tài)的監控，模塊包括：變槳，偏航，齒輪箱，發(fā)電機，液壓站，機艙，變流器，電網(wǎng)，安全鏈，轉矩，主軸，塔基，測風(fēng)儀等。實(shí)現對每個(gè)模塊的參數、故障及趨勢圖的綜合展示。

3.3 實(shí)時(shí)數據顯示

風(fēng)電場(chǎng)內的風(fēng)機、變電站等設備都配備傳感器和監測設備，能夠實(shí)時(shí)采集設備的運行電氣數據、溫度、振動(dòng)等參數，異常時(shí)及時(shí)預警。

3.4 功率管理

對有功參數和無(wú)功參數的展示、有功與無(wú)功的控制調節等功能，切實(shí)可行的降低企業(yè)的運營(yíng)成本，為實(shí)現節能減排的目標提供數據支撐。

3.5 生產(chǎn)報表

對風(fēng)電量、風(fēng)場(chǎng)性能指標、機組新能等重要參數進(jìn)行報表功能的顯示和，支持按照時(shí)間維度（日、月、年）統計各風(fēng)電場(chǎng)設備的運行情況。按日、月、年的查詢(xún)方式，對重要參數進(jìn)行分類(lèi)分項統計，并生成報表。

3.6 統計分析

支持多種統計分析功能，充分挖掘數據潛在價(jià)值，提供節能優(yōu)化方案，為管理者提供決策依據，切實(shí)可行的提高企業(yè)的管理水平，并且實(shí)現節能減排、科學(xué)生產(chǎn)的目標。分析方式包括：故障統計，功率曲線(xiàn)，可利用率統計，風(fēng)玫瑰圖，風(fēng)速功率報表，月日利用率以及停機時(shí)間統計等。