風電場集電線路狀態監測一體化裝置

王 瓏 尹志翔 王 琦 尚 鈺 劉戰軍

（大唐山西新能源公司）

0 引言

現階段，以風力發電為首的清潔能源正得到穩定發展，我國正逐步實現“雙碳”目標，風電場集電線路正朝向高速度、高集中的趨勢發展，同時風能并網由傳統的平價上網逐漸演變成競價上網，風力發電等清潔能源占我國國民用電比例越來越高，因此風力發電的穩定性也越來越重要［1］。

大部分情況下，風電場集電線路都是在選定了風電場地址后圍繞風機進行鋪設，其線路不免要經過山川、湖泊等環境，為適應現場復雜多變的氣候，風電場集電線路多采用電纜架空混架進行鋪設。線路常年暴露于自然環境中，受到雨水侵蝕、雷暴等自然惡劣天氣影響，線路故障頻發。線路承載著國民生活、生產、學習等重要任務，一旦發生故障，若處理不當則會對國民經濟造成不可估量的損失，因此保證風電場集電線路的穩定運行成為了競價上網的先決條件。當線路發生故障時，快速實現集電線路故障排查并恢復線路供電成為了重要研究內容［2-3］。本文從風電場集電線路安全穩定運行的角度出發，講述了一種風電場集電線路一體化故障監測裝置，該裝置通過模塊集成化從而實現了風電場集電線路的故障精確定位。

1 風電場集電線路運行方式

風電場集電線路設計是多電源，每一臺風機運轉的時候代表一個電源，當線路運行時由風機側產生電流，通過集電線路匯集每臺風機產生的電流，從而輸入至升壓站。風機在正常運行狀態只能夠產生690V的電壓，通過每臺風機周圍的箱變升壓至35kV，從而到母線至升壓站進行并網，集電線路多采用中性點非有效接地方式運行，因此線路可帶故障運行一段時間。而長時間帶故障運行容易導致線路電纜發生不可逆的擊穿損傷，因此研發一種適用于風電場混架集電線路狀態監測的裝置勢在必行［4］。

傳統的風電場集電線路發生故障時都是通過人工巡線的方式解決排查故障點，而人工巡線排查故障點存在耗時多、精度低等問題，設計的一體化監測裝置工作邏輯圖如圖1所示。

圖1 一體化監測裝置工作邏輯圖

一體化監測裝置判定線路存在異常狀態的時候，必須同時滿足以下2個條件：（1）線路中采集的工頻電壓處于失壓狀態；（2）工頻電壓處于失壓的同時，線路中的工頻電流必須為變化或者失流觸發。這樣才能判定線路為故障跳閘，如果不是同時具備，則有可能為風機投切或者其他原因，因此同時出現時，才判定為系統故障跳閘。

2 一體化監測裝置原理

一體化監測裝置顧名思義是指采用模塊化集成的方式來實現風電場集電線路的狀態監測，采用羅氏線圈傳感器對線路的負荷電流情況以及故障電流情況進行監測，采用電容串聯分壓進行線路的電壓狀態量監測［5］。如圖1所示的觸發邏輯，當風電場集電線路電壓和電流同時滿足觸發條件時，一體化監測裝置進行啟動判定，利用風電場集電線路采集到的線路中的高頻暫態行波進行線路的故障點診斷，以下分別介紹一體化監測裝置的電流采集情況、電壓采集情況及高頻暫態行波采集情況。

2.1 工頻電流傳感器

風電場集電線路在大部分情況下，基本都是圍繞風機分布鋪設，一般情況下一條集電線路的總長在40～50km，線路中包含多段電纜架空混架以及多個風機的情況，因此采用傳感性能良好的羅氏線圈傳感器進行線路的電流測量，同時羅氏線圈傳感器具有相應頻帶寬的特性，因此只需要調整線圈輸出的變比即可實現線路工頻電流和行波電流的采集［6］。

風電場集電線路發生故障跳閘時所產生的行波為高頻分量，研究表明此高頻分量的固有頻率約為10～100kHz，同時該分量具有衰減快的特性，因此對于線路電流的采集采用羅氏線圈，羅氏線圈傳感器相應頻帶為0.1Hz～1MHz，可以實現風電場集電線路工頻電流和行波電流的采集，圖2所示為羅氏線圈放大示意圖。

圖2 羅氏線圈示意圖

羅氏線圈傳感器的輸入與輸出特性滿足下式：

式中，e（t）為輸出電壓量；i1（t）為輸入電流量；M為羅氏線圈和風電場集電線路之間的電感；L0、R0和r分別為羅氏線圈的自感、羅氏線圈的內阻、羅氏線圈與風電場集電線路導線之間的積分電阻；i2（t）為自積分回路上的電流。

由于羅氏線圈電纜的阻抗遠大于自積分回路的阻抗，因此羅氏線圈的輸出與輸入之間的關系為：

由式（2）可知，采用羅氏線圈進行測量時，其輸出量與輸入量展現出明顯的線性特征，同時只需經過變比和濾波回路的處理，即可實現風電場集電線路的工頻電流、行波電流的采集，一體化監測裝置運行等效圖如圖3所示。

2.2 工頻電壓傳感器

對風電場集電線路進行線路電壓測量時不能通過傳統的PT測量方式進行，其一，風電場集電線路自身條件不允許；其二，采用站內PT方式進行測量，其安裝和操作較為復雜也不利于進行監測裝置傳感器的更換。因此采用串聯分壓的形式進行風電場集電線路的電壓測量［7］。

風電場集電線路采用串聯電容分壓技術來測量線路電壓，在一體化監測裝置后加裝電壓極板，線路與電壓極板之間形成了一個電容，同時電壓極板與大地之間也形成了一個電容，兩個電容串聯起來形成了電容分壓結構，從而實現了風電場集電線路的電壓測量，一體化監測裝置串聯電容分壓等效示意圖如圖4所示。

圖4 一體化監測裝置串聯電容分壓等效示意圖

式中，U0為風電場集電線路對地電壓；依照參考文獻可知電容C2遠大于C1，依據電容分壓原理可知電壓降分布在電容C1處，因此UC1基本可以認定為風電場集電線路電壓［8］。

2.3 行波故障測距原理

行波法故障測距是指利用風電場集電線路在發生故障跳閘時，由故障點產生的行波進行定位。本文中提及到的行波法故障測距手段是指雙端行波法故障測距，即D行波法故障測距，其測距示意圖如圖5所示。

圖5 雙端法測距過程

其中F點為風電場集電線路發生接地故障點，m、n為一體化監測裝置，t1為故障點產生的行波到達一體化監測終端m的波頭時刻，t2為故障點產生的行波到達一體化監測終端n的波頭時刻，兩一體化監測終端之間的距離為L，則采用雙端行波法故障測距可得出故障測距公式，如式（4） ～（6）所示。

3 一體化監測裝置系統構成

一體化監測裝置主要采用模塊化進行集成，各個模塊之間相互配合共同完成了風電場集電線路的狀態監測，主要有GPS時鐘單元、數據分析單元、電源單元、傳感器單元、通信單元［9］。同時配備響應軟件進行采集的數據波形處理，軟件方面包含數據處理計算、濾波處理等，以下為各個系統之間的配合和處理流程。

3.1 硬件構成

GPS時鐘單元，對采集的波形數據進行授時，實現雙模授時的核心部件為多模GNSS（Global Navigation Satellite System）芯片，因此需要選取性能較好的GNSS芯片實現精準對時。芯片采用U-blox芯片，U-blox自主研發的NEO／LEA-M8T GNSS授時模塊支持GPS／QZSS、GLONASS、北斗和Galileo全星座衛星信號接收，可提供高完整性的精密授時服務，此貼裝模塊能夠產生精確度小于20ns的精密參考時鐘，保證在雙端定位時定位時間差小于1μs。

數據分析單元，主要功能為對一體化監測終端采集的數據進行濾波、分析、計算，對響應的工頻、行波進行數據處理。當一體化監測終端上報的數據出現大量的錯誤時，進行行波波形特征計算，然后進行波形的屏蔽處理，同時當風電場集電線路發生故障跳閘時，對線路中存在的故障點進行自動計算預警。

電源單元，電源是整個一體化監測裝置的基礎，同時也是系統可靠工作的基本保障。一體化監測裝置長期處于戶外運行，不僅要完成數據的全方位上傳，還要最大可能地減少設備電量損耗，因此不能使用常規電源供電。

一體化監測裝置電源系統采用耦合取電外加超級電容磷酸鐵鋰電池的組合方式進行系統的不間斷供電，這樣即使風電場集電線路在發生故障跳閘重合閘未成功時，其自帶的電源系統依然能保證裝置穩定運行一段時間，電源系統工作基本原理圖如圖6所示。

圖6 一體化監測裝置電源系統結構圖

傳感器單元主要分為工頻電流、工頻電壓、行波電流傳感器，傳感器之間互不干擾，均采用良好的電磁屏蔽系統實現外部信號的屏蔽，同時工頻電流傳感器不存在鐵磁飽和現象，工頻電壓傳感器能夠很好地還原風電場集電線路電壓變換特性［10］。

由于風電場集電線路遠離市區，可能處于荒無人煙的偏僻區域，一般情況下采用GSM／4G／CDMA公共網來遠程傳輸數據，其網絡具有信號覆蓋面廣、信號強度高等優點，對于信號強度弱的位置可采用無線數傳模塊轉接到有信號的地方再進行通信，從而保證了無線通信的可靠性，且方便經濟，免維護。風電場集電線路一體化監測裝置通訊圖如圖7所示。

圖7 風電場集電線路一體化監測裝置通訊圖

3.2 軟件構成

數據處理計算，主要對一體化監測裝置采集的數據進行計算，當監測裝置采集到波形后進行數據上傳，對采集的波形圖進行波形判定，實現風電場集電線路的故障跳閘判定，同時，當判定系統發生故障跳閘后，對線路故障點進行計算，最后對給出的故障點進行信息預警。

濾波處理，對一體化監測裝置采集的波形進行自動識別，提取其波形中存在的特征量參數，并對有效參數進行歸納總結，根據特征信息進行自動處理。

4 結束語

（1）基于現階段風電場集電線路結構與特殊運行模式，提出一種適用于風電場集電線路狀態監測的裝置；

（2）一體化監測裝置采用羅氏線圈傳感器進行線路的工頻電流、行波電流采集，可實現風電場集電線路的電流信號線性輸出，采用串聯電容分壓實現線路電壓采集，采集電壓近似線路電壓；

（3）一體化監測裝置采用模塊化設計，各模塊之間相輔相成，實現了風電場集電線路狀態監測。