海上風(fēng)電場狀態(tài)監(jiān)測方法綜述

汪 超，許洪華，崔楊柳

(1．國網(wǎng)江蘇省電力公司 南京供電公司，江蘇 南京 210019；2．國網(wǎng)江蘇省電力公司 檢修分公司，江蘇 南通 226000)

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海上風(fēng)電場狀態(tài)監(jiān)測方法綜述

汪 超1，許洪華1，崔楊柳2

(1．國網(wǎng)江蘇省電力公司 南京供電公司，江蘇 南京 210019；2．國網(wǎng)江蘇省電力公司 檢修分公司，江蘇 南通 226000)

介紹了我國海上風(fēng)電場的發(fā)展?fàn)顩r，分析了海上風(fēng)電場狀態(tài)監(jiān)測的意義。闡述了海上風(fēng)電場設(shè)備檢修的實際困難。對風(fēng)力發(fā)電機、變電站及海底復(fù)合電纜的狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行分析，總結(jié)目前對海上風(fēng)電場電氣主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測所提出的一些方法。提出利用IEC61850在海上風(fēng)電場建立通信系統(tǒng)，對智能變電站下的IEC61850做發(fā)電機邏輯節(jié)點的擴(kuò)展。結(jié)合新興技術(shù)對海上風(fēng)電場的狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行了展望。

海上風(fēng)電場；狀態(tài)監(jiān)測；通信系統(tǒng)；IEC61850；傳感器

由于世界各國受到短缺及環(huán)境問題的影響。因此，尋找清潔的可再生能源成為當(dāng)務(wù)之急。其中可再生的風(fēng)能受到越來越多專家學(xué)者的青睞，全球風(fēng)電發(fā)展迅速，海上風(fēng)電已成為風(fēng)電發(fā)展的重要領(lǐng)域[1]。海上風(fēng)能豐富且穩(wěn)定，發(fā)電利用小時數(shù)高，對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響小，適宜大規(guī)模開發(fā)[2]。我國大陸海岸線長達(dá)18 000 km，可利用海域面積300多萬平方千米，海上風(fēng)能資源豐富。經(jīng)初步評估，我國近海淺水海域風(fēng)能資源可開發(fā)量約2億千瓦。而海上風(fēng)電資源潛力大，距離電力負(fù)荷中心近，隨著技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)性提高，海上風(fēng)電將具備大規(guī)模開發(fā) 的條件，為我國實現(xiàn)可再生能源發(fā)展目標(biāo)、完成減排溫室氣體任務(wù)發(fā)揮重要作用。在“十二五”能源和可再生能源規(guī)劃中，我國海上風(fēng)電的發(fā)展目標(biāo)是：2015年建成500萬千瓦，形成海上風(fēng)電的成套技術(shù)并建立完整產(chǎn)業(yè)鏈；2015年后，我國海上風(fēng)電將進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，達(dá)到國際先進(jìn)技術(shù)水平，到2020年建成海上風(fēng)電3 000萬千瓦。由于海上風(fēng)電的開發(fā)范圍也從過去的近海，往離岸幾十km的深海方面發(fā)展。以歐盟為例，歐盟在建的海上風(fēng)電項目平均水深在27 m左右，平均離岸距離達(dá)到了28 km，海上風(fēng)電場長期處于如此特殊的地理氣候環(huán)境中，電氣設(shè)備的故障率會提高，同時海上設(shè)備的檢修比陸地設(shè)備檢修復(fù)雜得很多，代價更高。因此，對海上風(fēng)電場的設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測，及時了解設(shè)備的運行狀況，及早發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備可能存在的問題，有利于提高海上風(fēng)電場的管理效率，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1 海上風(fēng)電場狀態(tài)監(jiān)測的意義

海上風(fēng)電場電氣設(shè)備繁多，且氣候環(huán)境惡劣，風(fēng)電場設(shè)備易受到海風(fēng)海浪、鹽霧以及冰凍的侵襲，因而海上風(fēng)電場設(shè)備的故障率會更高。且海上風(fēng)電場距離海岸一般10～50 km，海上設(shè)備檢修需要專業(yè)船只或直升飛機，費用昂貴。相關(guān)研究表明，在海上風(fēng)電場使用傳統(tǒng)的風(fēng)電場檢修方式，將有25%～30%的發(fā)電收入需要投入到設(shè)備檢查維護(hù)上[3]。傳統(tǒng)的風(fēng)電場維修包括計劃維修與事后維修兩類，計劃維修是按照風(fēng)電場規(guī)程在指定時間對風(fēng)電場設(shè)備進(jìn)行例行維護(hù)，事后維修則是在設(shè)備發(fā)生故障后，維修人員再到現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備維修[4]。計劃維修難以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常并修正，而事后維修總是在設(shè)備發(fā)生故障甚至停止運行后才能采取措施，這難免會影響供電可靠性并帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。實施海上風(fēng)電場實時在線監(jiān)測，通過各類傳感器及IED及時獲取設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，了解設(shè)備的運行狀況，在設(shè)備出現(xiàn)異常時，檢修人員能夠在第一時間對設(shè)備予以維護(hù)并排除隱患。這將提高海上風(fēng)電場的運行管理效率。

2 電氣主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測GIS模態(tài)分析

圖1為海上風(fēng)電場的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可看出海上風(fēng)電場的主要電氣設(shè)備包括風(fēng)力發(fā)電機、海上變電站及海纜。針對海上的特殊環(huán)境，海上風(fēng)電場需要監(jiān)測更多的狀態(tài)量。

圖1 海上風(fēng)電場的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 風(fēng)力發(fā)電機

目前的風(fēng)力發(fā)電機主要包括異步感應(yīng)發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機和永磁直驅(qū)或半驅(qū)式發(fā)電機。對于傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機，其最核心的功能結(jié)構(gòu)為風(fēng)輪-齒輪箱-發(fā)電機所構(gòu)成的中軸線，該中軸線涉及到機械-傳動-電力三者。海面上風(fēng)速較大卻不夠穩(wěn)定，且風(fēng)向經(jīng)常變更，因此風(fēng)力發(fā)電機難以處于穩(wěn)定狀態(tài)，加之海面上極端環(huán)境的侵襲，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機的故障率較高。針對如此狀況，有必要對海上風(fēng)電機組實施全面的狀態(tài)監(jiān)測。及時了解機組各部件的運行情況，提前對機組維護(hù)，從而降低風(fēng)電機組的故障率。對于風(fēng)電機組，主要的監(jiān)測量包括振動、溫度、濕度、電壓、電流等。其中振動是最常見的狀態(tài)監(jiān)測量，通過在風(fēng)電機組預(yù)先選定的位置安裝振動加速傳感器，收集風(fēng)電機組各部件振動的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[5]通過采集相關(guān)部件的振動狀態(tài)信息來分析海上風(fēng)力發(fā)電機與傳動機構(gòu)的運行狀況；文獻(xiàn)[6]通過振動信號分析設(shè)備故障情況。溫度作為電氣設(shè)備的一項重要指標(biāo)，能夠反映風(fēng)電機組的散熱情況，結(jié)合電流、電壓可分析機組的繞組及線路問題。文獻(xiàn)[7]針對整個機組全面監(jiān)測的問題，提出一種優(yōu)化的狀態(tài)維護(hù)方法，該方法首先基于狀態(tài)監(jiān)測信息分別計算單個部件的故障率與整個風(fēng)電機組的故障率，然后以此為基礎(chǔ)確定狀態(tài)維護(hù)步驟，定位故障機組與故障部件。文獻(xiàn)[8]較為詳細(xì)地總結(jié)了海上風(fēng)電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

2.2 海上變電站

通常，海上變電站主要包括主變室、GIS室、主控室、電容室、接地電阻室等，從電氣結(jié)構(gòu)來看，海上變電站主要包括電力變壓器、各級電壓配電裝置、無功補償裝置、過電壓保護(hù)與接地裝置、繼電保護(hù)裝置、就地測量與操縱設(shè)備、遠(yuǎn)程微機測控系統(tǒng)、母線與電纜設(shè)施等。

變電站電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測參量[9]

圖2 狀態(tài)監(jiān)測質(zhì)量

變壓器作為海上變電站最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，對變壓器的狀態(tài)監(jiān)測也顯得尤為重要。文獻(xiàn)[10]探討了基于關(guān)鍵參數(shù)的變壓器狀態(tài)監(jiān)測，其監(jiān)測模塊涉及局部放電、油中溶解氣體以及繞組變形。文獻(xiàn)[11]提出基于聲波分析的變壓器狀態(tài)監(jiān)測。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，許多新技術(shù)也應(yīng)用到變壓器狀態(tài)監(jiān)測中，文獻(xiàn)[12]介紹了自動化技術(shù)、信息處理技術(shù)等新技術(shù)在變壓器狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用。

2.3 海底復(fù)合電纜

海底復(fù)合電纜不但承載著傳輸電能的任務(wù)，同時也是風(fēng)電場信息通信的媒介。因此，海底復(fù)合電纜的正常運行對海上風(fēng)電場來說極其重要。海底電纜的故障主要由地質(zhì)運動及船只作業(yè)引起。由于海底電纜沉在海底，海纜的絕緣性能顯得尤為重要。目前海纜監(jiān)測主要是在海纜中復(fù)合光纖單元，如圖3所示，通過光纖分布式傳感技術(shù)對電纜監(jiān)測。

圖3 海底復(fù)合電纜

絕緣電阻法以及示波器法是海底電纜監(jiān)測的常用方法，文獻(xiàn)[14]介紹了利用分布式光纖傳感技術(shù)對海底電纜進(jìn)行監(jiān)測，其主要是利用高功率激光脈沖在光纖中傳播所獲得的散射光來估計溫度、壓力等物理量。文獻(xiàn)[15]提出利用BOTDA技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)對海底負(fù)荷電纜沿線溫度應(yīng)力測量。文獻(xiàn)[16]利用電纜護(hù)套中的接地電流來監(jiān)測電纜護(hù)套絕緣，并利用低頻電壓電流監(jiān)測電纜的主絕緣。

3 狀態(tài)監(jiān)測通信系統(tǒng)

IEC61850的目標(biāo)是實現(xiàn)設(shè)備間的互操作，其作為國際統(tǒng)一變電站通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)獲得廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用。鑒于該標(biāo)準(zhǔn)給設(shè)備通信帶來的便利，其技術(shù)和方法已逐步推廣到其他領(lǐng)域[17]，對以智能變電站為主要電氣設(shè)備的海上風(fēng)電場來說，在整個風(fēng)電場采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，將有利于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與信息共享。在實現(xiàn)海上風(fēng)電場自動化過程中，首先需要進(jìn)行邏輯節(jié)點建模，IEC61850中已定義了約80種邏輯節(jié)點，其中包含了發(fā)電機邏輯節(jié)點ZGEN類，但對于風(fēng)力發(fā)電機，需要對該邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)予以擴(kuò)充，包括發(fā)電機制動(DPC)，風(fēng)機方向控制(DPC)，以此完善對風(fēng)力發(fā)電機的監(jiān)測[18]。

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)可將海上風(fēng)電場進(jìn)行分層處理，包括過程層、間隔層、站控層。過程層網(wǎng)絡(luò)包括GOOSE與SV網(wǎng)絡(luò)，GOOSE作為面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)，具有傳播速度快等優(yōu)點，GOOSE服務(wù)以peer-to-peer通信為基礎(chǔ)，保證了GOOSE報文傳輸?shù)目煽啃牛贗EC61850體系中，SV報文及GOOSE報文均采用發(fā)布者/訂閱者模型進(jìn)行通信，如圖3所示，過程層通信協(xié)議棧中應(yīng)用層數(shù)據(jù)直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層，然后傳遞給物理層發(fā)送，而會話層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層均為空。簡化了協(xié)議棧，過程層數(shù)據(jù)傳輸時減少了協(xié)議棧的處理過程，增強了數(shù)據(jù)的實時性，符合過程層傳輸?shù)膶崟r性要求。GOOSE還設(shè)立了重發(fā)機制并且在報文中攜帶“報文存活時間”(TAL)和數(shù)據(jù)品質(zhì)等參數(shù)來保證數(shù)據(jù)的可靠性[19]。

圖4 GOOSE報文傳輸?shù)膮f(xié)議堆棧

站控層與間隔層網(wǎng)絡(luò)之間采用以太網(wǎng)相連，且網(wǎng)絡(luò)為雙網(wǎng)冗余方式，雙網(wǎng)冗余技術(shù)大幅提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性。與智能變電站相類似，海上風(fēng)電場站控層在通信規(guī)約層面上也遵循特定通信服務(wù)映射對MMS的映射。MMS通過對真實設(shè)備及其功能進(jìn)行建模，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計算機應(yīng)用程序或智能電子設(shè)備之間數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的實時交換。圖5為模擬智能變電站所構(gòu)建的海上風(fēng)電場通信網(wǎng)絡(luò)。

圖5 海上風(fēng)電場通信網(wǎng)絡(luò)

4 海上風(fēng)電場狀態(tài)監(jiān)測展望

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)。近年來，各類新型傳感器不斷涌現(xiàn)。一方面，新型傳感器提高了測量精度，分析系統(tǒng)可獲取精確的數(shù)據(jù)，從而得到可靠的分析結(jié)果；另一方面，更多的狀態(tài)量可通過傳感器直接獲得，能更全面的監(jiān)測設(shè)備。無線傳感器的出現(xiàn)，簡化了傳感器的通信線路，安裝也更加簡便，另外各類高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)也推動了數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸

海上風(fēng)電場的特殊地理氣候環(huán)境不利于工作人員長期值守，因此需依賴可靠先進(jìn)的監(jiān)測及通信技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)電場的管理。光纖通信已得到應(yīng)用，但光纖機械強度較差，布局受限。相比光纖通信，無線通信的成本更低，適應(yīng)性與擴(kuò)展性也要優(yōu)于光纖。文獻(xiàn)[20]提出利用ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)實現(xiàn)風(fēng)電場的無線通信，文獻(xiàn)[21]提出了一種以太網(wǎng)和地面無線測控網(wǎng)相結(jié)合的大型風(fēng)電場監(jiān)控通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能滿足海上風(fēng)電場需要傳遞大量數(shù)據(jù)的要求。但無線通信存在數(shù)據(jù)安全問題，通信距離受限，通信鏈路易受阻斷。因此，對于海上風(fēng)電場，可考慮在局部范圍內(nèi)使用無線通信，長距離傳輸時選用光纖通信。

4.3 新一代信息技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設(shè)備，實時采集任何需要的各種信息。物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)每個產(chǎn)品都有一個唯一的產(chǎn)品電子碼(EPC)，通常EPC碼被存入硅芯片做成的電子標(biāo)簽內(nèi)，附在被標(biāo)志產(chǎn)品上，被高層的信息處理軟件識別、傳遞、查詢，進(jìn)而在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上形成專為供應(yīng)鏈企業(yè)服務(wù)的各種信息服務(wù)。若在海上風(fēng)電場內(nèi)部局域網(wǎng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將大幅提高海上風(fēng)電場的智能化水平。通過智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)建立，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、圖像監(jiān)視、安全警衛(wèi)、火災(zāi)報警等，對海上風(fēng)電場進(jìn)行全方位立體式監(jiān)測。

云計算是一種基于分布式計算的新型服務(wù)計算。其借助分布式處理和計算技術(shù)，提高計算速度。在大型風(fēng)電場建立內(nèi)部云計算平臺，可在現(xiàn)有電力設(shè)備基本不變的情況下，利用風(fēng)電場內(nèi)網(wǎng)建立私有云，可以充分整合系統(tǒng)內(nèi)部的計算處理和存儲資源，大幅提高數(shù)據(jù)處理和交互能力，構(gòu)建一個低成本的信息網(wǎng)絡(luò)。大數(shù)據(jù)能夠提供海量信息，運用大數(shù)據(jù)與云計算，能夠詳細(xì)快速地處理數(shù)據(jù)，盡早發(fā)現(xiàn)異常情況，提高風(fēng)電場狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷水平。

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A Review of the Condition Monitoring Methods of Offshore Wind Farms

WANG Chao1, XU Honghua1, CUI Yangliu2

(1. Nanjing Power Supply Company, State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210019, China;2. Maintenance Branch, Nantong Department of State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nantong 226000,China)

The development of offshore wind farms in China is introduced and the benefits of offshore wind farms condition monitoring are analyzed. The practical difficulties of offshore wind farm equipment maintenance are described. Condition monitoring of wind turbines, substations and submarine composite cables are reviewed. Some of the ways of the main electrical equipment condition monitoring in the offshore wind farm are summarized. A communication system based on IEC61850 is proposed for offshore wind farms. Two important generator logic nodes are recommended to be added in IEC61850. Condition monitoring of offshore wind farms is discussed with the current emerging technologies.

offshore wind farm; condition monitoring; IEC61850; communication system; sensor

2016- 03- 18

江蘇省電力公司科技基金資助項目(J2016046)

汪超(1974-)，男，碩士，工程師。研究方向：電網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)維技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.045

TM614

A

1007-7820(2016)11-161-04