風電場的計量系統(tǒng)及問題分析

趙世祥，趙俊新，付志剛，柴文戰(zhàn)

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021；2.國網(wǎng)長春供電公司，長春 130021；3.國網(wǎng)白城供電公司，吉林 白城 137000）

我國風力資源豐富，吉林省是國內(nèi)六大風力發(fā)電基地之一。相對于火電廠，風電場計量系統(tǒng)有很多自身特點，比如關口電能計量裝置既是發(fā)電裝置又兼做購電裝置。計量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的監(jiān)控畫面及電量監(jiān)測數(shù)據(jù)存在著許多讓業(yè)內(nèi)技術人員困惑的地方，深入開展技術分析、計量管理探究很有必要，對于科學配置相關設備、合理調(diào)整節(jié)能運行方式，以及做好風電場營銷、計量管理，有著重要的現(xiàn)實意義。

1 風電場的計量系統(tǒng)

1.1 風電場設計規(guī)模

風電場的典型設計規(guī)模是220kV 上網(wǎng)的200 MW 容量，依據(jù)風資源地理分布狀況的差異，規(guī)模一般為100 MW 的整數(shù)倍，風資源很小的地理區(qū)域規(guī)模僅為50 MW。由于風資源地理分布或資金分期投入原因，已投運的風電場以100 MW 容量為大多數(shù)。200 MW 風電場的主要一次電氣設備典型設計聯(lián)絡圖見圖1，典型設計中主變壓器、無功自動補償裝置（SVG）的額定容量分別為100 000kVA 和10 000kVA。接地變壓器兼站用變壓器的容量應依據(jù)實際計算得到，一般為800kVA/400kVA 左右。如果均采用1.5 MW 額定容量的風機，200 MW 風電場典型設計發(fā)電線路為12條、每條線路大約11臺風機。

1.2 風電場計量系統(tǒng)組成

以33 臺1.5 MW 風機組成的額定容量為100 MW風電場為例，風電場的整個計量系統(tǒng)由下列幾部分組成［1］：

a.每臺風機產(chǎn)生的電能大多經(jīng)變比為690V/35kV 的箱變升壓匯集在35kV 低壓母線上，每臺風機的運行功率由機組控制柜中的功率采樣模塊采集傳輸?shù)竭\行監(jiān)控微機中顯示；

b.35kV 低壓母線上的各條發(fā)電線路、每臺SVG 連接變壓器的高壓側及每臺接地變壓器（其中1臺還兼站用變壓器）的高壓側都安裝電能計量裝置，接地變壓器兼站用變壓器抽頭的低壓側安裝380V 的電能計量裝置；

c.一般情況下，33臺風機的發(fā)電電能經(jīng)6條35 kV 低壓發(fā)電線路匯集在低壓母線上，經(jīng)一臺額定容量為100MW 的主變壓器升壓成220kV，主變壓器低壓側一般情況下不必安裝電能計量裝置，如果風電場設計規(guī)?？傤~定容量超過100 MW，則每臺主變壓器低壓側對應的35kV 母線要采取分段式連接，每臺主變壓器的高壓側均需安裝電能計量裝置；

圖1 風電場計量系統(tǒng)簡圖

e.整個風電場停電檢修時所需電能（包括辦公樓生活用電），由該計量系統(tǒng)外的10kV 農(nóng)電線路供電。

2 計量系統(tǒng)存在問題

主控室運行監(jiān)控微機畫面、電能計量裝置運行性能、監(jiān)測數(shù)據(jù)，風電場計量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)需要進一步解決管理問題。系統(tǒng)性地探究這些計量問題，對于做好營銷工作和調(diào)整運行方式有所幫助。

2.1 關口計量環(huán)節(jié)

a.在風機全部停運、風電場購網(wǎng)用電時，主控室運行監(jiān)控微機畫面顯示上網(wǎng)線路側的監(jiān)測電流、瞬時功率仍為微正或零，即仍為發(fā)電狀態(tài)，部分風電場只有在“深度購電”運行時，上網(wǎng)監(jiān)控顯示方為“微負”狀態(tài)（甚至有的風電場從未顯示過“微負”狀態(tài)）。

b.從運行監(jiān)控微機畫面看，發(fā)電狀態(tài)時上網(wǎng)線路側功率因數(shù)均接近于＋1.00，而購網(wǎng)用電時顯示接近于－1.00，或－0.50、－0.30、－0.1，最低－0.005均為常見。

c.當具有2臺以上主變壓器時，主變壓器高壓側計量電量之和與上網(wǎng)線路側關口計量電量差別較大。

d.以只有1 臺主變壓器的100 MW 風電場為例，在不使用加熱或制冷設備的春秋季節(jié)，供電公司安裝的國產(chǎn)計量表顯示購網(wǎng)用電電流為0.008A 左右，而蘭吉爾關口表常常顯示為0.01A 或0.00A。

2.2 主變壓器監(jiān)控

a.購網(wǎng)用電時，主變壓器高、低壓兩側有功功率、功率因數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不一致，主變壓器低壓側監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大且稍顯頻繁；

b.以只有1臺主變壓器的100 MW 風電場為例，主變壓器高壓側監(jiān)測的購網(wǎng)用電有功功率常常為270kW 及以下，甚至為零。

印度屬于多民族國家，而且還受到中東及西洋文化的影響，因此，這里的飲食隨著地區(qū)和宗教的變化而變化。南印度與北印度的飲食習慣差異很大，所以這些飲食習慣的形成并不是由于食物味道的好壞，而是因為宗教信仰的原因。不同的城市，不同的家庭，都有自己的飲食特色。印度菜口味較濃，但愈往北口味愈淡。

2.3 35 kV低壓母線節(jié)點

a.我國風電基地的電網(wǎng)無功均適合在風電場升壓站側來進行補償原因沒有深入研究。

b.自動無功補償裝置（SVG）進行無功補償時以什么技術指標為跟蹤目標沒有規(guī)定。

c.在發(fā)電及購電狀態(tài)下，SVG 的投切轉換時功率因數(shù)常常穿越零時對計量產(chǎn)生較大影響。

d.在發(fā)電及購電狀態(tài)下，35kV 低壓母線節(jié)點上每臺SVG 以及接地變的負載損耗、空載損耗沒有深入探究資料。

e.接地變壓器兼站用變壓器提供的站用電“損耗”功率大小不能準確測量。

2.4 風機及箱式變壓器環(huán)節(jié)

a.風機投切過程中，自身損耗的切換狀態(tài)及大小沒有資料。

b.風機停運后，箱式變壓器工作狀態(tài)及損耗沒有資料。

c.風機發(fā)電功率采集模塊輸出到運行監(jiān)控微機中的顯示值與電能表計量值差異較大，各環(huán)節(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)存在很大的不平衡性。

d.風電場節(jié)能降耗的最優(yōu)途徑需要探究。

e.低壓發(fā)電線路的自身線損缺乏研究資料。

3 結果分析及技術方向

風電場等新能源企業(yè)計量系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)之所以存在這些需要探究的問題，主要是由于電能計量存在測量準確性的問題。造成這一問題的根本原因并不是因為電能計量設備的測量準確度不夠，而是因為電能計量設備在某些測量區(qū)域的測量性能準確程度不高甚至沒有測量性能，在這些特定區(qū)域內(nèi)的偏弱測量性能又常常被電能計量設備的具體運行方式和參數(shù)所左右，即變化著的運行參數(shù)又使電能計量設備的測量性能產(chǎn)生進一步的差異，所以，系統(tǒng)地分析風電場整個計量系統(tǒng)測量設備的運行狀態(tài)及其參數(shù)應是探究問題的切入點，解決微小電流的準確測量是探究所有計量方面問題的關鍵。

3.1 結果分析

a.上網(wǎng)線路側和主變壓器高壓側運行監(jiān)控體系的監(jiān)測顯示情況，來源于上網(wǎng)線路側電流互感器TA 和主變壓器高壓側TA 的0.5級儀表監(jiān)測繞組或繼電保護某P級繞組，監(jiān)測顯示效果除了與設備測量性能有關，還與上網(wǎng)節(jié)點調(diào)度運行方式要求的電壓、功率因數(shù)等主要參數(shù)相關。

b.關口電能計量裝置的計量情況，來源于關口計量TA 的0.2S級電能計量繞組，關口計量的準確性與關口設備的運行性能有關。

c.各主要節(jié)點運行狀態(tài)監(jiān)測及廠用電考核計量點的采集情況，其監(jiān)測顯示情況來源于測量用TA的0.5級儀表監(jiān)測繞組或繼電保護某P級繞組，節(jié)點電量考核準確性來源于測量用TA 的0.2S級電能計量繞組，監(jiān)測顯示效果和考核電量準確性主要與當時無功補償?shù)冗\行參數(shù)綜合作用下相關設備的測量性能相關聯(lián)。

3.2 計量問題的核心

實際上，在旺風季節(jié)發(fā)電狀態(tài)下，風電場運行監(jiān)測效果及電能計量準確性是正常、準確、可信的，但在微風臨界發(fā)電狀態(tài)和風機停備購網(wǎng)用電狀態(tài)時，因運行電流很小使運行監(jiān)測系統(tǒng)和電能計量設備存在很多失準、失信現(xiàn)象；對關口計量準確性的影響程度也需要進一步確認，以確保關口貿(mào)易電量及雙方經(jīng)濟利益的公平、公正。

綜上所述，微小電流能否準確測量是風電場等新能源發(fā)電企業(yè)計量系統(tǒng)一系列現(xiàn)狀與問題的癥結，探究目前采用的測量用電流互感器（尤其是關口計量TA）的運行性能及其測量準確性是解決問題的關鍵。

3.3 技術方向

a.設立幾個典型規(guī)模的風電場系統(tǒng)分析計量問題，并建立典型分析單元模型以使不同規(guī)模、具體設計有所差異的風電場計量問題簡單化。在全部風機停運待機狀態(tài)下，深入細致分析每一電氣設備及辦公樓設施的運行狀態(tài)、運行參數(shù)及其性能指標，找到典型分析單元購網(wǎng)用電時電流最大值與最小值，最大值用以說明現(xiàn)用電能計量裝置無法實現(xiàn)準確測量，最小值用于解決問題設定預期技術指標，能達到的啟動電流指標越小越好。

b.除了以常規(guī)風電場發(fā)電狀態(tài)最大電流作為關口計量裝置測量電流外，應滿足Q/GDW 23－6935－2013－10608《弱磁場電流互感器技術條件》的要求，在合理考慮額定熱、動穩(wěn)定性要求的前提下，確立典型分析單元關口計量設備運行參數(shù)的合理保證區(qū)間，即“弱磁場測量范圍”，此時電氣設備的運行狀態(tài)稱之為“弱磁場運行工況”，尋求實現(xiàn)該工況下關口計量裝置更加準確計量的科學合理方案，在此方案指引下尋求具體的實施途徑和措施，并掛網(wǎng)試運行予以驗證發(fā)電、購電狀態(tài)的準確度，從而使其他次要的計量問題迎刃而解。

c.在綜合考慮調(diào)度運行方式、無功補償?shù)纫笠蛩叵?，給出有利于風電場計量系統(tǒng)更加準確計量、更加科學合理運行的相關設備（尤其關口計量設備）配置建議。

［1］ 朱永強，張旭.風電場電氣系統(tǒng)的構成［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.