數(shù)字化風(fēng)電場的應(yīng)用研究和發(fā)展方向

徐佳宇

【摘 要】本文主要介紹數(shù)字化變電站在風(fēng)電場應(yīng)用的發(fā)展歷程，基本功能，系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和案例，系統(tǒng)需要解決的問題以及今后的發(fā)展趨勢與展望。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化；風(fēng)電；IEC61850

0.引言

近年來隨著國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的加快建設(shè)，風(fēng)電場電氣自動化領(lǐng)域的各項新技術(shù)、新產(chǎn)品也得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。本文接下來要闡述的是現(xiàn)階段正在實施的數(shù)字化變電站。

隨著數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展和 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)向電力系統(tǒng)的電廠領(lǐng)域的不斷推廣，數(shù)字化電廠的建設(shè)已由理論研究階段走向工程實踐階段。目前，IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)正式由原名“變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”變更為“電力公用事業(yè)自動化的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”，并隨之推出了眾多面向發(fā)電廠的 IEC61850 模型及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)： IEC 61400-25 風(fēng)電場標(biāo)準(zhǔn)、IEC 61850-7-410 水電站標(biāo)準(zhǔn)和 IEC61850-7-420 分布式能源風(fēng)電場標(biāo)準(zhǔn)。

在數(shù)字化風(fēng)電場工程中，運用的技術(shù)涉及到數(shù)字化變電站中的各種技術(shù)，包括 MMS 通訊，電子式光電互感器，GOOSE 過程層信號傳輸?shù)取Ｔ趪鴥?nèi)，電力企業(yè)和相關(guān)廠家基于眾多數(shù)字化變電站工程實踐和數(shù)字化火電廠升壓站監(jiān)控工程實踐，積累了大量的 IEC61850 數(shù)字化廠站經(jīng)驗，完全具備 IEC61850 數(shù)字化風(fēng)電場升壓站的技術(shù)條件。由于風(fēng)電場升壓站系統(tǒng)與變電站系統(tǒng)情況眾多相似性，因此方案設(shè)計充分借鑒當(dāng)前 IEC 61850 在數(shù)字化廠站中的典型應(yīng)用模式，并考慮到卓資風(fēng)電場自身特點，推出卓資風(fēng)電場升壓站 IEC61850 數(shù)字化實現(xiàn)方案及相應(yīng)系統(tǒng)配置。

1.數(shù)字化風(fēng)電場建設(shè)的意義

根據(jù) IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)思想并借鑒我國現(xiàn)有 IEC61850 化變電站經(jīng)驗，依照：IEC61850 數(shù)字化升壓站采用過程層 GOOSE 應(yīng)用。主變高壓側(cè)電流電壓應(yīng)用電子式互感器，中心點采用當(dāng)前先進(jìn)的全光纖電子式互感器。系統(tǒng)改造范圍包括2 套示范風(fēng)電場箱式變壓器保護(hù)測控裝置。主變和線路保護(hù)應(yīng)用智能終端（智能操作箱）。風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計均遵循IEC61850 國際標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一支持集控站/廠站監(jiān)控系統(tǒng)的各種應(yīng)用，集 SCADA、圖模庫一體化、拓?fù)浞治觥⒈Ｗo(hù)信息管理、實現(xiàn)風(fēng)機(jī)監(jiān)控升壓站電氣監(jiān)控相融合、AGC和 AVC 的功能等高級應(yīng)用于一體，從而能使全風(fēng)場的自動化水平上升到一個新的臺階。

2.數(shù)字化風(fēng)電場的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于站控層 MMS+數(shù)字化過程層+智能終端+箱變保護(hù)的全風(fēng)電場系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該方案為風(fēng)電場全場數(shù)字化方案，方案不僅在升壓站內(nèi)部實現(xiàn) IEC61850 數(shù)字化，還包括風(fēng)場風(fēng)機(jī)和箱變監(jiān)控，能形成完整、統(tǒng)一的風(fēng)電場監(jiān)控自動化布局，符合風(fēng)電場發(fā)展趨勢。另外，隨著智能終端成為數(shù)字化廠站項目的重要特性，智能操作箱在升壓站中高壓側(cè)的應(yīng)用，大大提升了本風(fēng)場工程的數(shù)字化特性。電子式互感器、智能操作箱在升壓站中的完美結(jié)合，最大限度發(fā)揮過程層數(shù)字化總線的優(yōu)勢，使得該項目具備了當(dāng)前數(shù)字化工程所有閃亮優(yōu)點。如果項目成功實施，可使得該項目不僅在國內(nèi)風(fēng)電場工程中具有示范效果，即使在全球風(fēng)電場工程，也同樣具有先進(jìn)示范意義。

該方案下 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)覆蓋升壓站內(nèi)的站控層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層以及過程層。在類似數(shù)字化變電站方案中，變電站系統(tǒng)增加了數(shù)字化過程層，我國已經(jīng)開始了一些示范性工程，如浙江宣家變、南昌董家窯變、青島午山變、浙江大呂變等等。與當(dāng)前普通IEC61850 變電站的差異是：該方案更進(jìn)一步的體現(xiàn)了升壓站數(shù)字化特性。IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)覆蓋延伸到了過程層，過程層采用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)通訊方式建立間隔層裝置與一次設(shè)備之間的連接。該方案與上一個方案的差異體現(xiàn)在： 1）裝置間大部分硬接點交互接線取消，用過程層 GOOSE 通訊代替； 2）主變高壓側(cè)電子式互感器應(yīng)用考慮到本站為老站改造，各間隔已有大量傳統(tǒng) PT/CT，考慮到成本等原因，站內(nèi)大部分傳統(tǒng) PT/CT 盡量保留（如果采用合并單元轉(zhuǎn)接傳統(tǒng) PT/CT ，再通過數(shù)字化的方式將數(shù)字化信號光纖傳至保護(hù)裝置，這種數(shù)字化模擬采樣方案增加了中間裝置，系統(tǒng)可靠性降低，且沒有用到電子式互感器的優(yōu)勢，不推薦采用）。由于電子式互感器在高電壓等級具有眾多的優(yōu)勢，在主變高壓側(cè)進(jìn)行電子式互感器數(shù)字化改造，主變高壓側(cè)保護(hù)測控裝置取消傳統(tǒng)的模擬采樣模塊，用數(shù)字式電子采樣模塊代替，通過光纖網(wǎng)絡(luò)與合并單元，電子式互感器通訊。其中 1#，2#變壓器原傳統(tǒng) PT/CT 保留，增加電子式互感器，經(jīng)過多年的發(fā)展，常規(guī)有源式電子式互感器已經(jīng)成熟，主變高壓側(cè)電子式互感器可采用有源式電子互感器；在變壓器中性點配置純光學(xué)電子式互感器。本方案采用智能終端（智能操作箱）來操作斷路器，最大限度的利用 GOOSE 過程總線網(wǎng)的優(yōu)勢，節(jié)省二次電纜投資。并且其也將系統(tǒng)監(jiān)控范圍擴(kuò)大到了全風(fēng)電場，將風(fēng)電場箱式變壓器旁增設(shè)保護(hù)測控裝置，同時將這些裝置通過光纖環(huán)網(wǎng)以 IEC61850 規(guī)約接入到升壓站監(jiān)控系統(tǒng)中。在該方案下，升壓站內(nèi)配置兩種對時方式 IRGB 和SNTP，其中 SNTP 為 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)對時方式；而在傳統(tǒng)方案下的風(fēng)電場中，風(fēng)機(jī)附近的箱式變壓器相應(yīng)的測控裝置一般無法與系統(tǒng)對時，而在該方案下也可以通過環(huán)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò) SNTP 方式對時，這有大大提高了風(fēng)電場全場的對時效果，為系統(tǒng)功能的進(jìn)一步完善奠定了基礎(chǔ)。

3.系統(tǒng)總體配置

3.1 硬件配置

站控層設(shè)備（主機(jī)、操作員站、遠(yuǎn)動工作站、OPC-IEC61850 轉(zhuǎn)換 PC 機(jī)，五防系統(tǒng)、打印機(jī)、規(guī)約轉(zhuǎn)換器、音響報警裝置站控層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等），間隔層設(shè)備（測控裝置、繼保裝置、間隔層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及與站控層網(wǎng)絡(luò)的接口設(shè)備等）。其他設(shè)備還有智能終端，合并單元、電子式互感器，就地柜等。

3.2 軟件配置

包括系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、診斷程序、OPC 規(guī)約轉(zhuǎn) IEC61850 軟件，調(diào)試軟件和實時數(shù)據(jù)庫等），支持軟件（編譯軟件、管理軟件、人機(jī)接口軟件、通信軟件等），應(yīng)用軟件（滿足該系統(tǒng)功能和擴(kuò)展功能的所有應(yīng)用軟件）。

3.3 站控層設(shè)備

站控層主要設(shè)備包括主機(jī)/操作員工作站（包含音響報警裝置）2 套、遠(yuǎn)動工作站雙機(jī) 1 套、五防系統(tǒng) 1 套、打印機(jī) 1 臺、OPC-IEC61850 規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置 1 臺、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

3.4網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

全站網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用的自適應(yīng) 10/100M 雙冗余以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)（A、B 網(wǎng)）。還將增加過程層GOOSE 專網(wǎng)，需增加相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；還將增加風(fēng)電場環(huán)網(wǎng)，將 8 臺示范箱變保護(hù)裝置接入到監(jiān)控系統(tǒng)中。

4.風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的接入

監(jiān)控系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)通過其系統(tǒng)服務(wù)器提供的OPC接口，并通過OPC網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接入監(jiān)控系統(tǒng)。 如圖2所示，OPC網(wǎng)關(guān)軟件運行于一臺獨立的工業(yè)控制計算機(jī)上。對下，通過風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)服務(wù)器提供的OPC數(shù)據(jù)自動訪問接口獲取其下接風(fēng)機(jī)的信息數(shù)據(jù)；對上，將獲取到的信息數(shù)據(jù)按照IEC 60870-5-103格式，轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控系統(tǒng)中的后臺監(jiān)控機(jī)，也可轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)動通訊裝置，并最終上送至電力調(diào)度中心。

5.數(shù)字化風(fēng)電場需要注意和解決的問題

5.1 目前后臺控制系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的通信接口還沒有統(tǒng)一的規(guī)范，需要根據(jù)具體工程決定實施方案。國外進(jìn)口的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仍占據(jù)很大的份額，進(jìn)口風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的通信開放性受到很大限制，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的通信周期、數(shù)據(jù)包長度都對通信的實時性有很大影響。這就存在后臺控制系統(tǒng)廠家與風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)廠家的配合問題，系統(tǒng)連接困難。后臺控制系統(tǒng)廠家需要加大對通信接口、通信規(guī)約的開發(fā)力度，提高與風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

5.2 目前光電/電子式互感器的生產(chǎn)廠家數(shù)量有限，產(chǎn)品可選型號相對較少，部分高電壓等級的電流互感器變比較大，不能滿足現(xiàn)場運行需要。如內(nèi)蒙古220kV杜爾伯特數(shù)字化變電站，線路電流互感器變比為1000/5，為滿足現(xiàn)場實際需要，只能在合并器（作用是將各電流互感器傳回的電流數(shù)據(jù)和由電壓互感器傳來的電壓數(shù)據(jù)處理后打包輸出，供各保護(hù)和測控裝置使用）上采用軟件的方法修改變比，使得TA的輸出精度可能無法滿足要求，給變電站的計量、保護(hù)都帶來一定的負(fù)面影響。

5.3 由于光電/電子式互感器本身的結(jié)構(gòu)特點和工作方式，導(dǎo)致互感器的角差、比差現(xiàn)場試驗難以進(jìn)行，甚至極性試驗也無法開展，只能等到設(shè)備投運帶電后，才能檢驗接線的準(zhǔn)確性。另外，光電/電子式互感器的局放試驗、伏安特性試驗的試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)也與常規(guī)設(shè)備有很大的區(qū)別，這都需要設(shè)備廠家和運行主管單位專門制定。

5.4 數(shù)字化變電站保護(hù)校驗相對復(fù)雜，在變電站運行的條件下對部分間隔保護(hù)校驗的難度很大，目前的常規(guī)繼電保護(hù)校驗裝置無法提供數(shù)字化保護(hù)所需的電流量和電壓量，因為電流量和電壓量必須經(jīng)過合并器才能進(jìn)入保護(hù)裝置，而要完成試驗必須自帶合并器提供模擬試驗中的電流量和電壓量，要完成母差保護(hù)這類需要大量電流電壓量的保護(hù)校驗便顯得尤為困難。

5.5 IEC61850通信協(xié)議本身并未對變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性做任何規(guī)定，同時協(xié)議本身的開放性和標(biāo)準(zhǔn)性給變電站的網(wǎng)絡(luò)安全帶來重大隱患。要做到二次系統(tǒng)信息的保密性、完整性、可用性和確定性，符合二次系統(tǒng)安全防護(hù)的要求，是自動化廠家仍需考慮和完善的技術(shù)環(huán)節(jié)。雖然目前已投運的變電站采取了防火墻、分層分區(qū)隔離等手段進(jìn)行防護(hù)，但防護(hù)的效果仍有待時間的考驗。

6.數(shù)字化風(fēng)電場的發(fā)展方向和展望

數(shù)字化風(fēng)電場順應(yīng)技術(shù)發(fā)展大潮，充分利用現(xiàn)場總線和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對風(fēng)電場控制系統(tǒng)實現(xiàn)了全面的技術(shù)提升，甚至對 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)本身的發(fā)展也有重要的參考價值。針對在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，相信通過保護(hù)廠家、風(fēng)機(jī)廠家、風(fēng)電場與設(shè)計部門的密切配合，合理規(guī)劃，正確實施，一定會得到很好的解決。隨著數(shù)字化技術(shù)的日趨成熟穩(wěn)定和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來，將真正得到用戶的廣泛接受和應(yīng)用。

7.結(jié)束語

國內(nèi)已有數(shù)個數(shù)字化變電站順利投運，運行時間最長的已近兩年，總的來看設(shè)備運行平穩(wěn)，各類數(shù)據(jù)采集、傳輸無誤，保護(hù)和自動裝置動作正常，至少可以說明數(shù)字化變電站的技術(shù)運用到實際中已初步通過實踐的檢驗，滿足了安全、穩(wěn)定的系統(tǒng)運行要求。但同時風(fēng)電場的數(shù)字化變電站經(jīng)過更長時間的運行，肯定會出現(xiàn)除本文提到的其他的更多的各種各樣的問題，還有待各專業(yè)研究機(jī)構(gòu)和有能力的廠家進(jìn)一步深入研究和解決。

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