適用于海上風(fēng)電場的智能海上升壓站優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 高玉青 楊林剛 馬潤澤 徐 晗 徐志輝

當(dāng)前，能源發(fā)展正處于深刻變革和重大調(diào)整的關(guān)鍵時期。到2020年底全國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.81億千瓦，其中海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)約900萬千瓦。在30·60碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，可再生能源發(fā)展將成為剛性需求。海上風(fēng)電目前處于蓬勃發(fā)展的時期，大量的海上升壓站將會隨之出現(xiàn)。

海上風(fēng)電機(jī)組和海上升壓站通常按“無人值班”方式運(yùn)行，通過光纖通信，在陸上開關(guān)站進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控，對于監(jiān)控和通信系統(tǒng)的要求更高。已投運(yùn)的海上風(fēng)電場的海上升壓站也都是按常規(guī)站建設(shè)的，海上升壓站建設(shè)在離岸較遠(yuǎn)的海上，受制于距離、環(huán)境、交通工具的約束，缺乏智能化的遠(yuǎn)距離診斷、預(yù)警及處理的手段，給站內(nèi)設(shè)備的調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等工作帶來了較大的挑戰(zhàn)。因此，亟需對海上風(fēng)電場升壓站的智能化相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，滿足智慧風(fēng)電場建設(shè)的發(fā)展趨勢[1]。

本文通過分析海上升壓站的技術(shù)特點(diǎn)，提出適用于海上升壓站的智能化設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；通過優(yōu)化海上升壓站二次設(shè)備布置方案，減少二次設(shè)備室的占地；提出適用于海上的智能化巡檢系統(tǒng)，為后續(xù)項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)維提供有力保障。

1 傳統(tǒng)海上升壓站配置方案

海上風(fēng)電場主接線主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、海上升壓站和陸上開關(guān)站，風(fēng)機(jī)經(jīng)機(jī)組升壓變升壓后，由35kV 海纜匯集至海上升壓站35kV 母線，經(jīng)海上升壓站主變升壓至220kV 后，經(jīng)220kV 海纜連接至陸上開關(guān)站，通過220kV 輸電線路連接至系統(tǒng)變電站[1]。

常規(guī)的海上升壓站綜合自動化系統(tǒng)分為站控層和間隔層兩層，一次設(shè)備的模擬量通過電纜將模擬信號傳輸?shù)綔y控保護(hù)裝置采集，裝置對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置與后臺監(jiān)控系統(tǒng)通信；同時，監(jiān)控系統(tǒng)和測控保護(hù)裝置對一次設(shè)備的控制通過電纜傳輸模擬信號實(shí)現(xiàn)其功能，需要大量的電纜，存在采集資源重復(fù)、存在多套系統(tǒng)、廠站設(shè)計(jì)、調(diào)試復(fù)雜、互操作性差、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化不足等問題。此外，海上站二次屏柜和控制電纜眾多，柜體及電纜橋架占地大，增加了施工安裝及電纜敷設(shè)的工作量，同時也增加火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，海上風(fēng)電升壓站除了傳統(tǒng)的測控、保護(hù)系統(tǒng)外，還部署有各類輔控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對升壓站的環(huán)境、暖通、消防等進(jìn)行監(jiān)視控制，上述各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，導(dǎo)致服務(wù)器和工作站數(shù)量繁多，建設(shè)成本高，維護(hù)工作量大；數(shù)據(jù)交互未能真正融合。

2 智能化海上升壓站配置方案

2009年5月國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，2019年國網(wǎng)啟動了首批7座智慧變電站（第三代智能變電站）的試點(diǎn)建設(shè)。智能變電站技術(shù)經(jīng)過多年的研究不斷發(fā)展完善，并通過國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)多年的大規(guī)模應(yīng)用，解決了發(fā)展中碰到的各種問題，證明了其運(yùn)行的高度可靠性，已經(jīng)具備了在國網(wǎng)系統(tǒng)外推廣應(yīng)用的條件，這為海上升壓站智能化的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化

智能海上升壓站一體化監(jiān)控系統(tǒng)由站控層、間隔層、過程層設(shè)備組成，并用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接，采用三層設(shè)備兩層冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]。

站控層設(shè)備由主機(jī)兼操作員工作站、遠(yuǎn)動通信裝置、狀態(tài)監(jiān)測及智能輔助控制系統(tǒng)后臺主機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等構(gòu)成，通過網(wǎng)絡(luò)完成與間隔層之間的信息交換，實(shí)現(xiàn)全站監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理及處理功能；間隔層包括測控裝置、繼電保護(hù)裝置、安全自動裝置、故障錄波及網(wǎng)絡(luò)記錄分析裝置、電能計(jì)量裝置等設(shè)備。

獲取過程層各設(shè)備的運(yùn)行信息，從而實(shí)現(xiàn)對過程層設(shè)備的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等任務(wù)；過程層設(shè)備主要包括電壓互感器、電流互感器、合并單元以及智能終端。完成海上升壓站電氣設(shè)備信號采集和控制，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化。

2.2 設(shè)備布置優(yōu)化

海上智能升壓站設(shè)備布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括以下方面。

二次機(jī)柜采用旋轉(zhuǎn)柜，柜后靠墻，合理減少平臺的面積，節(jié)約投資；智能終端和合并單元分散布置于配電裝置現(xiàn)場。間隔層設(shè)備分散布置于配電裝置現(xiàn)場，減少二次設(shè)備室的機(jī)柜數(shù)量，節(jié)約二次設(shè)備室面積，縮短了間隔層與過程層通信距離，減少光纖長度和施工工作量。

就地化保護(hù)測控裝置貼近一次設(shè)備就地安裝，直采直跳。信息傳輸采用三網(wǎng)合一（SV、GOOSE、MMS）模式，傳輸各間隔電壓電流和開關(guān)量信息、保護(hù)動作信號，實(shí)現(xiàn)海上升壓站數(shù)據(jù)共享。在滿足“可靠性、速動性、選擇性、靈敏性”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一鍵式下裝、模塊化安裝和更換式檢修，提升設(shè)備整體運(yùn)維水平。

就地化保護(hù)配置方案可減少保護(hù)控制屏柜數(shù)量，為海上升壓平臺的小型化、模塊化、智能化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；結(jié)合智能海上升壓站控制電纜大幅減少、光纜增加的情況，優(yōu)化二次電（光）纜橋架，有利于海上升壓站防火設(shè)計(jì)。

2.3 巡檢系統(tǒng)智能化

主變、斷路器、避雷器等設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了一、二設(shè)備的狀態(tài)檢修。智能輔助系統(tǒng)對海上升壓站視頻系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、消防等輔助設(shè)備進(jìn)行集成，智能巡檢系統(tǒng)主要由巡檢主機(jī)、軌道式機(jī)器人、視頻攝像頭等組成[3]。在繼保室、35kV 開關(guān)柜室等設(shè)置軌道式巡檢機(jī)器人（圖1），在電氣設(shè)備附近設(shè)置高清晰攝像頭組成的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。采集變壓器、斷路器等設(shè)備狀態(tài)，二次柜上操作把手、壓板、指示燈、空開等位置狀態(tài)指示，一次設(shè)備重點(diǎn)部位的紅外圖譜數(shù)據(jù)。利用圖像識別技術(shù)進(jìn)行智能分析，自動判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、自動判斷設(shè)備是否存在過熱缺陷等[4]。

圖1 35kV 開關(guān)柜室智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)示意圖

采用智能巡視系統(tǒng)對全站設(shè)備進(jìn)行日常巡視，提高海上升壓站的安全性、運(yùn)行維護(hù)的方便性，滿足海上升壓站集中控制、無人值班的要求，目前已成功應(yīng)用于三峽江蘇大豐海上風(fēng)電場和國電投濱海南H3海上風(fēng)電場項(xiàng)目。

3 設(shè)計(jì)方案對比

本文以三峽江蘇大豐海上風(fēng)電場為例，海上升壓站電壓等級為35/220kV，35kV、220kV 均采用單母線分段接線、2臺三相三繞組變壓器、2回220kV 海纜出線、12回35kV 風(fēng)機(jī)進(jìn)線，傳統(tǒng)海上升壓站與智能海上升壓站設(shè)計(jì)方案的對比如表1、表2所示。

表2 海上升壓站設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性對比

從表1可以看出，經(jīng)過合理規(guī)劃，智能站與常規(guī)站的初期投資相差不大。智能站需為高壓間隔配備合并單元及智能終端（如采用合智一體化設(shè)備，還可進(jìn)一步減少投資）；同時需建立過程層網(wǎng)絡(luò)，配置交換機(jī)和光纜，這會增加一些投資。智能變電站的信息一體化平臺及其基于此平臺的高級應(yīng)用軟件也會增加投資，但可節(jié)省各類子系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備投資，也會減少后期的安裝及系統(tǒng)運(yùn)維費(fèi)用。隨著海上升壓站設(shè)備整體智能化水平的提高，可提高運(yùn)行維護(hù)效率，延長設(shè)備檢修周期，減小檢修頻率及費(fèi)用，智能化站的效益逐漸顯現(xiàn)。如配套智能巡檢系統(tǒng)，將會進(jìn)一步提高運(yùn)維水平。

表1 海上升壓站設(shè)計(jì)方案技術(shù)性對比

運(yùn)行維護(hù)成本包括風(fēng)電場一、二次設(shè)備維修、巡視、檢修，站用電、就地操作等費(fèi)用。將優(yōu)化方案的運(yùn)行檢修數(shù)據(jù)與常規(guī)方案的運(yùn)行檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，預(yù)計(jì)優(yōu)化的海上風(fēng)電場設(shè)計(jì)方案中運(yùn)行檢修等綜合費(fèi)用較傳統(tǒng)方案可大為減少。其中優(yōu)化方案通過在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)降低一次設(shè)備故障率，減少設(shè)備維修次數(shù)和時間，可降低風(fēng)電場維修成本。信息一體化平臺綜合了各子系統(tǒng)，減少運(yùn)維的廠家數(shù)，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用明顯減小?？傊?，海上升壓站智能化的投資收益會隨著運(yùn)行時間的增加更明顯。

此外，智能化海上升壓站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用一體化信息平臺的設(shè)計(jì)模式，將原海上升壓平臺站控層監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一集中到陸上集控中心，實(shí)現(xiàn)一體化的監(jiān)視控制，簡化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低了交換機(jī)的使用數(shù)量及級聯(lián)復(fù)雜程度，大大提高了通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。優(yōu)化方案通過使用在線監(jiān)測技術(shù)以及其它相關(guān)高級應(yīng)用，有效提高了一次設(shè)備的可靠性和安全性。

4 結(jié)語

本文調(diào)研分析了海上風(fēng)電場升壓站的特點(diǎn)和配置方案，提出了海上升壓站智能化系統(tǒng)的總體方案，明確了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、主要功能的技術(shù)要求；通過優(yōu)化二次盤柜的布置及保護(hù)測控裝置就地化，以減少二次設(shè)備室的占地面積，簡化了設(shè)備連接電纜；提出了就地化保護(hù)的配置方案,提升保護(hù)動作的可靠性；通過配置巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了海上升壓站的智能化巡檢；最后對海上智能化升壓站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析，為后續(xù)項(xiàng)目試點(diǎn)建設(shè)提供了決策依據(jù)。

智能海上升壓站的建設(shè)既是逐步使各升壓站具有智能化的過程，也是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要一系列新技術(shù)、新設(shè)備的支撐，因此必須在新技術(shù)研究和新設(shè)備制造方面取得重大突破。目前，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的“全面感知”技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，給智能海上升壓站的建設(shè)帶來了不可忽視的影響，對此應(yīng)密切跟蹤和深入研究。智能海上升壓站是“智慧風(fēng)電場”的重要組成部分，通過基于狀態(tài)的智慧化運(yùn)維，能夠降低海上升壓站的運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)海上升壓站設(shè)備的全生命周期最優(yōu)。