風(fēng)力發(fā)電場集中監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

安科瑞 陳聰

作為清潔能源之一，風(fēng)力發(fā)電場近幾年裝機(jī)容量快速增長。8月17日，國家能源局發(fā)布1-7月份全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。截至7月底，全國累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約27.4億千瓦，同比增長11.5%。其中，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約4.9億千瓦，同比增長42.9%；風(fēng)電裝機(jī)容量約3.9億千瓦，同比增長14.3%。風(fēng)力發(fā)電場分為陸上風(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)電場需要一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，便于運(yùn)維人員管理風(fēng)電場運(yùn)行。

1. 風(fēng)力發(fā)電場的電氣設(shè)備

每臺發(fā)電機(jī)組的頂部機(jī)倉配備有一個渦輪發(fā)電機(jī)，前端是可調(diào)整角度的風(fēng)葉，系統(tǒng)可根據(jù)不同的風(fēng)力狀況來調(diào)整風(fēng)葉的傾斜角度，風(fēng)葉一般的轉(zhuǎn)速為10～15轉(zhuǎn)/分，通過變速箱可調(diào)節(jié)到1500轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速驅(qū)動發(fā)電機(jī)。在機(jī)倉里同時也配置一臺工業(yè) PLC用于控制及相關(guān)數(shù)據(jù)采集，通過PLC采集風(fēng)速、風(fēng)向、轉(zhuǎn)速、發(fā)電有功功率及無功功率等相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過采集的數(shù)據(jù)對發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時控制。陸上在風(fēng)機(jī)塔底端還設(shè)置箱變負(fù)責(zé)升壓和匯流，根據(jù)功率和地理?xiàng)l件，多臺風(fēng)機(jī)一次升壓后并聯(lián)匯流接入升壓變電站，通過升壓變壓器進(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)電場的電氣接線示意圖如圖1所示。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電壓一般為0.69kV，經(jīng)過箱變升壓為10kV或者35kV，多臺并聯(lián)匯流后接入升壓變電站的低壓側(cè)母線，再次經(jīng)過主變壓器升壓至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(jī)的機(jī)倉內(nèi)，這樣既解決了整個機(jī)組的占地面積問題，又避免了將變壓器安裝在較低位置所帶來的防護(hù)困難問題。

圖1 風(fēng)力發(fā)電場電氣接線示意圖

2. 風(fēng)力發(fā)電場的保護(hù)和測控設(shè)備

風(fēng)力發(fā)電場從風(fēng)機(jī)發(fā)電-升壓箱變-匯流-升壓站中壓母線--主變壓器-升壓站高壓母線--高壓出線--電網(wǎng)并網(wǎng)，中間需要經(jīng)過兩次升壓后并入電網(wǎng)，電氣設(shè)備的數(shù)量和種類比較多，任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會影響風(fēng)力發(fā)電場的正常運(yùn)行。因此需要在風(fēng)力發(fā)電場的各個環(huán)節(jié)設(shè)置保護(hù)和測控裝置，監(jiān)測風(fēng)電場的運(yùn)行狀態(tài)。圖2為風(fēng)力發(fā)電場的保護(hù)和測控裝置配置示意圖。

圖2 風(fēng)力發(fā)電場保護(hù)測控裝置配置圖

2.1 箱變測控裝置

在陸上風(fēng)力發(fā)電場為降低線路損耗，一般在風(fēng)機(jī)旁配置0.69/35(10)kV箱式升壓站。風(fēng)電場各風(fēng)機(jī)間距達(dá)數(shù)百米，離集控室較遠(yuǎn)；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)電場的監(jiān)控難點(diǎn)。箱變測控裝置是風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，對箱變實(shí)現(xiàn)智能化管理。箱變測控裝置能夠?qū)︼L(fēng)電箱變進(jìn)行保護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)“遙信、遙測、遙控、遙調(diào)”功能，大大提高風(fēng)電場的運(yùn)維效率。

圖3 風(fēng)力發(fā)電場箱變測控裝置

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

2.2 低壓側(cè)線路和母線保護(hù)測控

多臺風(fēng)機(jī)經(jīng)過第一次升壓為35(10)kV后并聯(lián)為一個回路接入升壓變電站低壓側(cè)母線，當(dāng)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)數(shù)量比較多時，匯入升壓變電站低壓側(cè)母線的線路也比較多。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，線路配置線路保護(hù)裝置、多功能測控儀表、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置、無線測溫裝置，實(shí)現(xiàn)對線路電氣保護(hù)、測量以及溫度的實(shí)時監(jiān)測，低壓側(cè)母線設(shè)置弧光保護(hù)裝置

表1 低壓側(cè)線路、母線保護(hù)測控配置

2.3 主變壓器保護(hù)測控

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

表2 主變保護(hù)測控配置

2.4 高壓線路保護(hù)測控

風(fēng)力發(fā)電場發(fā)出的電能經(jīng)過兩次升壓至110kV后并入電網(wǎng)，110kV線路配置光纖縱差保護(hù)、距離保護(hù)、防孤島保護(hù)、測控裝置等。

表3 110kV線路保護(hù)測控配置

3. 風(fēng)力發(fā)電場監(jiān)控系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電場監(jiān)控平臺實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場的運(yùn)行狀態(tài)和風(fēng)機(jī)的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、控制和管理，提高風(fēng)電場的可靠性和運(yùn)行效率，降低維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)智能化管理。風(fēng)力發(fā)電場占地面積比較大，設(shè)備分散，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通訊可靠性和實(shí)時性要求比較高。在具備條件的情況下采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通訊，也可以采用LORA無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 風(fēng)力發(fā)電場監(jiān)控系統(tǒng)圖

風(fēng)機(jī)機(jī)組PLC和箱變測控裝置數(shù)據(jù)通過光纖環(huán)網(wǎng)上傳至控制室數(shù)據(jù)服務(wù)器，升壓站綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)服務(wù)器，多功能儀表、無線測溫、溫度變送器、檔位變送器、直流系統(tǒng)以及其它智能設(shè)備接入通訊管理機(jī)上傳數(shù)據(jù)服務(wù)器，如圖4所示。

圖5 風(fēng)力發(fā)電場監(jiān)控界面

3.1 風(fēng)場監(jiān)控

對整個風(fēng)電場風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)（包括風(fēng)速，功率，轉(zhuǎn)速等）的綜合展示，并且可通過遠(yuǎn)程控制單個或多個風(fēng)機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)對每個風(fēng)機(jī)的日發(fā)電量，月發(fā)電量，年發(fā)電量的監(jiān)控，便于實(shí)時監(jiān)視風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況。

3.2 機(jī)組監(jiān)控

對機(jī)組內(nèi)的各個控制模塊的參數(shù)以及控制狀態(tài)的監(jiān)控，模塊包括：變槳，偏航，齒輪箱，發(fā)電機(jī)，液壓站，機(jī)艙，變流器，電網(wǎng)，安全鏈，轉(zhuǎn)矩，主軸，塔基，測風(fēng)儀等。實(shí)現(xiàn)對每個模塊的參數(shù)、故障及趨勢圖的綜合展示。

3.3 實(shí)時數(shù)據(jù)顯示

風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)機(jī)、變電站等設(shè)備都配備傳感器和監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)崟r采集設(shè)備的運(yùn)行電氣數(shù)據(jù)、溫度、振動等參數(shù)，異常時及時預(yù)警。

3.4 功率管理

對有功參數(shù)和無功參數(shù)的展示、有功與無功的控制調(diào)節(jié)等功能，切實(shí)可行的降低企業(yè)的運(yùn)營成本，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.5 生產(chǎn)報(bào)表

對風(fēng)電量、風(fēng)場性能指標(biāo)、機(jī)組新能等重要參數(shù)進(jìn)行報(bào)表功能的顯示和，支持按照時間維度（日、月、年）統(tǒng)計(jì)各風(fēng)電場設(shè)備的運(yùn)行情況。按日、月、年的查詢方式，對重要參數(shù)進(jìn)行分類分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，并生成報(bào)表。

3.6 統(tǒng)計(jì)分析

支持多種統(tǒng)計(jì)分析功能，充分挖掘數(shù)據(jù)潛在價值，提供節(jié)能優(yōu)化方案，為管理者提供決策依據(jù)，切實(shí)可行的提高企業(yè)的管理水平，并且實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、科學(xué)生產(chǎn)的目標(biāo)。分析方式包括：故障統(tǒng)計(jì)，功率曲線，可利用率統(tǒng)計(jì)，風(fēng)玫瑰圖，風(fēng)速功率報(bào)表，月日利用率以及停機(jī)時間統(tǒng)計(jì)等。