海上風電場遠程配電健康監控系統設計研究

黃浩，李海

（武漢船用機械有限責任公司，湖北 武漢 430084）

在生態環境問題普遍引起全球關注的今天，風電已成為最具發展潛力且技術成熟的新能源行業。而海上風電場由于其不受地形地貌影響、土地資源占用小、風力風向較陸地風場穩定、空氣密度高等優勢[1]，在新建裝機量上呈逐年上升趨勢并已顯著超過陸上風電。目前中國海上風電場根據風場的分布規律，通常選址于緯度較低且遠離航道的近海海域附近，或者灘涂面積較大的海灘。前者通常采用環狀布置，后者則一般沿海岸線采用鏈狀布置。與環形布置相比，鏈狀布置方案既能夠充分利用海面風場資源，減少陸地資源的占用，又無需建設專用的海上維護工作平臺，可明顯降低建設投入。風電場調度指揮中心設置于陸地上，調度指揮中心通過遠程供電健康監控系統對各風電機組的供電系統工狀進行實時監測，在岸基可以全面地觀測各風電機組的實時工作數據，并實現遠程操控。武漢船用機械有限責任公司通過技術研究設計了一套WMDK48C型遠程供電監控系統，能夠有效提高工作效率，進一步提高電力系統的“安全、經濟、可靠”運行水平。

1 健康監測系統現狀

自20世紀20年代起，電力在人類能源利用領域中已經超越煤炭與燃油份額，成為人類能源的首選，并由此推動了燃煤發電、水力發電、核能發電等多個發電領域的高速發展。至20世紀末，制約電力服務的瓶頸已不再是發電量不足，而是突發性故障導致的供電缺口。自20世紀90年代始，歐美發達國家開展對發電機的健康狀態監測展開了系統性的研究，并且提出以狀態分析和健康狀態預警為基礎進行故障前健康預警檢修，以降低供電的計劃外停電率。國外公布的統計數據表明：采用實時健康監測技術，能夠有效延長設備的檢修周期，通常情況下，發電機組的大修周期可從3～5年延長到6年以上[2]。

目前，維斯塔斯、通用、華銳、金風等風電機組的主流品牌均為自己的產品提供了相應配套的健康監測系統，但是這些配套產品在出廠前都預置了排他性設計功能，僅適用于該品牌的相應型號設備，通用性較差。如果采取二次改造的方式使用又會影響質保期限和售后服務。目前針對這一現狀，國內外也有供應商推出了具備一定通用性的第三方風電機組健康監測系統，如瑞思實驗室（丹麥）的CleverFarm系統、賽風公司（美國）的Second-WIND-ADMS系統、卓越通訊（美國）的SCADA系統等產品[3]，但總體來看，可選擇的產品種類較少且價格相對較高，因此自主研制開發風電機組的健康監測系統具有很大的意義。

2 監控系統組成

2.1 供電健康監控系統結構

WMDK48C型遠程供電健康監控系統由一個岸基調度指揮中心站、一個環網數據傳輸光端交換機站和多個分布式機組本地監控基站組成。風電機組共24臺，沿海岸線采用雙排鏈狀布置，每個發電機組設置一臺本地監控基站。指揮中心站、交換機站及各監控基站之間通訊手段均采用單模光纜進行以太網信號數據傳輸，環網數據傳輸光端交換機站采用環網結構串聯24臺機組本地監控基站，每個機組本地監控基站采用星形結構連接機組本地配置的高壓、控制、安保、應急等7路配電線路的綜合保護器，采用船用屏蔽雙絞控制電纜實現本地RS485數據通訊。機組本地監控基站采用一臺MT7000XLM海事船用不間斷電源實現冗余供電，環網數據傳輸光端交換機站采用2臺MT7000XLM海事船用不間斷電源實現雙冗余供電，從而進一步提升了系統的可靠性。

2.2 系統設備配置

根據某風電場的建設規劃，WMDK48C型遠程供電監控系統設備配置主要包括互為熱備份的主機2臺、WMDK48C監控運行軟件1套、WMDK48C-H環網數據傳輸光端交換機站1個、WMJK16C機組本地監控基站24個、MT7000XLM海事船用不間斷電源26臺、配電綜合保護器168個，如圖1所示。

圖1 WMDK48C型遠程供電監控系統

2.3 系統主要參數指標

系統主要參數指標如表1所示。

表1 系統主要參數指標

3 系統設計原則

3.1 可靠性冗余

本系統的監控對象設備為無人值守類發電機組，因此監控系統必須具備很高的工作可靠性和冗余工作能力。為避免信號在傳輸過程中受到發電機組的電磁場干擾，降低不良因素的影響，各機組的本地監控基站與數據交換機站之間的數據通訊使用光信號傳輸，數據交換機站與24個機組本地監控基站通訊采用環網結構。冗余環網具備獨有的自愈合功能，如果環上的某一基站的交換機發生故障無法通訊，系統能夠識別并上報故障基站點，此時該故障基站的設備為掉線狀態，同時環上其余節點上的基站繼續在線，能夠正常通訊傳遞數據[4]。為提高斷電工況下的系統生存能力，本地監控基站配備一臺獨立的不間斷電源，在失去外部供電的工況下可維持工作時間不短于70 min；數據交換機站配備2臺獨立的不間斷電源分別布置于2個房間，在失去外部供電的工況下可維持工作時間不短于180 min，確保異常斷電狀況下調度指揮中心仍能具備對各機組的監控能力。

3.2 人機交互友好

調度指揮中心站配備監測數據的實時觀測管理平臺依據現場辦公區域規劃，值班室通過系統輸出端口外聯加裝顯示大屏幕用于實時顯示監測對象的各項數據。指揮中心站采用雙主機冗余熱備份配置，一臺主機在工作狀態下時，另一臺則作為冗余機隨時處于熱備份狀態，當工作主機癱瘓時，處于備份狀態的冗余機自動轉化為主機。控制系統還具備數據處理功能，監測數據按照采樣時間根據規定的字段定義實時寫入數據庫，相關職能部門的人員可通過訪問數據庫獲取監測數據，掌控無人值守現場的各線路運轉動態，保證整體運行的安全性能。

3.3 唯一控制策略

在控制權限結構設計方面，任一控制對象在一個時間節點上只存在唯一控制位，控制位的權限轉移必須采用詢問—回令的模式進行交接并在數據庫中記錄，除此以外的所有控制位只能觀測設備狀態數據，從而預防沖突的指令出現，以免影響系統的平穩性。

3.4 權限分級管理

將各操作終端按照管理體系需求進行分層授權，系統根據預設的登錄人員名單進行授權，非名單人員不允許登入系統。名單內人員通過密碼登錄系統后，系統按照預設的權限范圍向其自動開放相應的部分功能。每次登錄的時間、人員信息及其操作指令均在系統數據庫內留存記錄。

3.5 可擴展性的模塊化

現方案中每個本地基站采用星形結構并行連接7路本地配電線路的綜合保護器，可利用其備用端口將監控對象擴展至不超過12路配電線路；交換機站與各機組監控基站之間采用環形數據結構，因此基站數量不受交換機站的端口數量限制。本系統有24個本地監控基站，后續可在環網中添加基站，實現機組數量的延展。

4 系統主要功能

4.1 遠程控制功能

岸基調度指揮中心可直接控制任一機組的各配電線路開關柜遠程分閘、合閘及復位操作。

4.2 遠程監測功能

岸基調度指揮中心可對任一機組配電線路進行數據實時監測，主要觀測對象包括電壓數據、電流數據、過載整定參數以及越級跳閘狀況等。

4.3 遠程參數調校

岸基調度指揮中心可對任一機組配電線開關設備的動作整定值進行遠程調整，同時為避免人為事件，參數調整功能設置有權限分配策略。參數調整指令必須在本系統內設置授權操作位置，以防止現場維修人員與指揮中心站發生指令沖突。當參數調整指令發出位置與指揮中心的授權操作位置不一致時，則認定出現人為操作事故，機組本地與調度指揮中心的系統界面會同時提示指令失效，并作為險肇事故記錄在系統數據庫中供管理人員分析處置。

4.4 數據處理與報表

系統內所有數據均按照規定的字段格式記錄在數據庫中，并可按照文字表格和二維曲線2種方式輸出，職能部門可以按時間段對各類數據導出，以供分析調查之用。

5 系統主要優點

系統主要優點主要包括：①系統的結構同時具備擴展性與標準性，設計合理。各監控基站采用模塊化設計，不僅便于實現系統統型，減少備件數量，同時也具備設計移植的優點，可應用其他類似的控制系統。②系統數據采用主流數據庫進行匯總處理，具備廣域網外接能力。本系統目前在局域網的條件下使用，其數據采用主流數據庫進行匯總處理，可導入大數據云網盤，符合現代工業智能化控制、物聯化網絡的發展總方向。③可靠性高。本系統采用光纜作為遠距離數據傳輸載體，采用環形網絡實現數據通訊，系統指令及時性高、數據采樣周期短、抗干擾能力強，滿足海上風電場的遠程配電監控的需求。④人機界面友好。本系統的管控平臺能夠使岸基管理人員遠程觀測各機組配電設備的實時工作狀態數據，對現場故障進行遠程快速處理，一鍵式同步修改多臺設備各項參數，省去了現場巡查維保的人力投入，在提高工作效率的同時可減少人員配置。⑤系統軟件可自行生成使用日志和系統運行數據匯總報表，從而減少人為事故隱患。

6 結語

WMDK48C海上風電場遠程供電健康監控系統實現了海上風電場岸基遠程供電監測監控、岸基對配電設備四遙等功能，有效提高了海上風電場配電岸基調度技術水平及信息化管理水平，提高了海上風電場配電管理效率，保證了海上風電場的安全穩定性。