海上風電多場站跨系統(tǒng)智能綜合監(jiān)測控制平臺研究

林超峰

福建中閩海上風電有限公司，福建 莆田 351100

近年來，我國日益加強生態(tài)環(huán)境保護，大力發(fā)展清潔能源，風力發(fā)電尤其是海上風電作為一種綠色環(huán)保、技術(shù)可靠、可大規(guī)模替代傳統(tǒng)化石能源的清潔能源，迎來開發(fā)建設(shè)的高峰期。但海上風電場智能綜合監(jiān)測控制平臺的研究應(yīng)用較少，各個風電場及其升壓站各自為政，場站內(nèi)各生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)亦分別孤立運行，生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)不能協(xié)同高效利用，加之各場站、設(shè)備之間距離遙遠，人員在海上作業(yè)及生活條件惡劣，生產(chǎn)運營成本高昂。

海上風電多場站跨系統(tǒng)智能綜合監(jiān)測控制平臺的研究開發(fā)，旨在打破數(shù)據(jù)壁壘，通過智能綜合監(jiān)測控制平臺實現(xiàn)多場站跨系統(tǒng)全數(shù)據(jù)融合，由平臺對各場站、各設(shè)備系統(tǒng)遠程集中監(jiān)測、診斷、預(yù)警、控制。

1 平臺功能

智能綜合監(jiān)測控制平臺應(yīng)實現(xiàn)升壓站、風電機組、變壓器、海纜、風功率預(yù)測、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測等所有場站監(jiān)測控制功能的綜合，并兼容不同廠家不同品牌的風電機組、電氣設(shè)備等系統(tǒng)監(jiān)測控制，同時具備可擴展性[1]。

一是實現(xiàn)主控對各場站、各設(shè)備系統(tǒng)的集中監(jiān)測控制；

二是實現(xiàn)對大型海上風電場的“遙信”“遙測”“遙控”“遙調(diào)”“遙視”“遙操”等功能；

三是實現(xiàn)對風機等設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、診斷及預(yù)警；

四是各子系統(tǒng)間通過智能綜合監(jiān)測控制平臺實現(xiàn)全數(shù)據(jù)融合；

五是海上風電場各期設(shè)備系統(tǒng)具備無人值守遠程監(jiān)測控制能力，由控制中心負責完成運行工作；

六是可擴展移動應(yīng)用、機器人維護、無人機巡檢等功能。

2 平臺架構(gòu)

平臺架構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。主網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各期風電場區(qū)組建單環(huán)網(wǎng)，海上風電環(huán)網(wǎng)經(jīng)海底光纜連接至控制中心，海底光纜采用雙路通道，以提高可靠性。

平臺分三級控制：第一級為各風機、斷路器、主變壓器等生產(chǎn)設(shè)備就地控制，第二級為海上各個場站的監(jiān)控系統(tǒng)工作站（子站）控制，第三級為智能綜合監(jiān)測控制平臺的遠程控制。級別依次為第一級優(yōu)先，第二級次之，第三級再次之[2]。

平臺主要有三個功能層：現(xiàn)場生產(chǎn)自動監(jiān)控層（各場站的生產(chǎn)子系統(tǒng)），中間鏈路層和控制中心智能綜合監(jiān)測控制平臺層（海上風電控制中心監(jiān)控主站）。

圖1 平臺架構(gòu)設(shè)計圖

2.1 現(xiàn)場生產(chǎn)自動監(jiān)控層

海上風電場各場站均設(shè)置有風力發(fā)電機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站計算機監(jiān)控系統(tǒng)（含AGC、AVC）、機組配套升壓設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、海底電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)、風電預(yù)測系統(tǒng)、配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)等，構(gòu)成了現(xiàn)場生產(chǎn)自動監(jiān)控層，也是控制中心智能綜合監(jiān)測控制平臺的基礎(chǔ)[3]。

2.2 中間鏈路層

中間階段是連接生產(chǎn)現(xiàn)場和控制點的高速公路和橋梁，以便將所有類型的數(shù)據(jù)和信息有序、高效、快速地傳輸?shù)侥康牡??？刂浦行暮透鱾€場站之間設(shè)置有海底光電復(fù)合纜，用于信息傳輸。

2.3 智能綜合監(jiān)測控制平臺層

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和開放式系統(tǒng)平臺是總構(gòu)架的中堅支托。平臺由網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和現(xiàn)場生產(chǎn)自動化子系統(tǒng)共同支撐，對各種數(shù)據(jù)和信息加以規(guī)范化處理后形成的開放式數(shù)據(jù)信息大平臺，各子系統(tǒng)均可共享這個平臺中的所有資源[4]。

智能綜合監(jiān)測控制平臺是在現(xiàn)場生產(chǎn)自動化和國網(wǎng)調(diào)度管理的信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對各種數(shù)據(jù)進行整合而成的，其智能綜合監(jiān)控軟件建立調(diào)度、控制、管理關(guān)鍵要素的相關(guān)模型。

3 平臺組網(wǎng)

平臺構(gòu)架劃分為3 個安全區(qū)，安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)間裝設(shè)可靠。

3.1 平臺Ⅰ區(qū)

各場站風機監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站綜自系統(tǒng)、機組配套升壓設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站配套電氣設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等實時系統(tǒng)組于智能綜合監(jiān)測控制平臺安全Ⅰ區(qū)。升壓站綜自系統(tǒng)通過遠動主機將升壓站監(jiān)控信息點與電網(wǎng)調(diào)度中心聯(lián)網(wǎng)。

3.2 平臺Ⅱ區(qū)

各場站風功率預(yù)測系統(tǒng)、電能量采集系統(tǒng)、海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)、風力發(fā)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)、風機配套設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、升壓站配套電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)等組于平臺安全Ⅱ區(qū)[5]。風功率預(yù)測系統(tǒng)將實時氣象信息、短期及超短期功率預(yù)測信息等通過網(wǎng)關(guān)機與電網(wǎng)調(diào)度中心聯(lián)網(wǎng)，電能量采集系統(tǒng)通過光纖將電量數(shù)據(jù)傳送至電網(wǎng)調(diào)度中心。通過這個平臺，我們可以“搜索”整個區(qū)域的風電場狀態(tài)，實時確定現(xiàn)場的船舶、船員和運營商的數(shù)量和位置，以及每個風電場的具體狀態(tài)。每艘未經(jīng)海事部門批準注冊、檢驗不合格的船舶，將在監(jiān)管水域發(fā)出紅色警報，海事部門可以通過適當手段迅速處理[6]。

3.3 平臺Ⅲ區(qū)

平臺通過動態(tài)感知、氣象監(jiān)視、視頻監(jiān)控、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能分析等手段，實現(xiàn)風電場建設(shè)和運營過程中對船舶、人員信息和環(huán)境安全信息的實時記錄、動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警，進行船舶及其周圍船舶的建造、運行和維護，并全面控制建造、運行和維護作業(yè)。各場站視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及WEB 發(fā)布、移動應(yīng)用、機器人系統(tǒng)、無人機巡檢等系統(tǒng)組于安全Ⅲ區(qū)?？刂浦行碾娨晧ε渲玫膶Ｓ梅?wù)器獲取視頻集中管理服務(wù)器內(nèi)的視頻信號，基于智能綜合監(jiān)測控制平臺的視頻監(jiān)控模塊，遙控操作在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中執(zhí)行時，同時在遙視系統(tǒng)中聯(lián)動切換遙視圖像，提高自動化水平和遠方操作的便捷性和準確性[7]。

3.4 平臺監(jiān)控主機

智能綜合監(jiān)測控制平臺解決海上風電各設(shè)備廠家配置標準各異，信息交互性差，運行維護效率低下的問題。各場站及控制中心的智能綜合監(jiān)測控制平臺監(jiān)控主機配置如表1 所示。監(jiān)控主機應(yīng)用顯示屏、鍵盤、鼠標操作，也可應(yīng)用手持平板或者全息投影。

平臺軟件基于跨系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，具有大容量數(shù)據(jù)處理能力及豐富完備管控功能，包括系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、消息管理、服務(wù)管理以及安全加固管理等。基于可擴展的應(yīng)用框架實現(xiàn)桌面端及瀏覽器端的數(shù)據(jù)可視化，以及面向?qū)I(yè)應(yīng)用的功能邏輯算法、大數(shù)據(jù)存儲與應(yīng)用分析。多層通信體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)、設(shè)備和系統(tǒng)接入可以實現(xiàn)垂直多層數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)接入，也可以實現(xiàn)橫向數(shù)據(jù)集成和交互式系統(tǒng)通信。

表1 控制中心主機配置

4 綜合程序設(shè)置

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

信號類型為模擬量和開關(guān)量，模擬量包括電壓、電流等模擬量以及實際測量的轉(zhuǎn)速、風速、風向、油狀態(tài)、振動、位移、溫度等模擬量大小各一個。其中移位值包括干擾量，如干擾信號、開關(guān)量觸發(fā)信號和重要繼電保護、各種干擾信號、開關(guān)量信號和隔離開關(guān)量、裝置狀態(tài)信號等[8]。

4.2 運行安全監(jiān)視

實時監(jiān)測風電場的生產(chǎn)狀態(tài)，實時顯示風電機組和升壓站的主要運行參數(shù)和安裝狀態(tài)。包括電氣主接線圖、設(shè)備運行狀態(tài)與參數(shù)、風機矩陣圖、單臺風機圖、定時報表、趨勢曲線等。

4.3 控制操作

對于每個風電場的控制，在智能綜合監(jiān)測控制平臺、風電場監(jiān)控子系統(tǒng)及就地均能實現(xiàn)開關(guān)/斷開開關(guān)遙控；動功率補償（SVG）的開、關(guān)遙控；負荷步進開關(guān)的遙控；各風機的遠程啟、停、復(fù)位、變槳、限電；群風機遠程啟?？刂?；單個風場遠方啟動、停機；整個海上風電場各期場站的遠方功率控制等[9]。

4.4 可視化監(jiān)控和調(diào)度

實現(xiàn)對海上風電場環(huán)境（如防盜、防火、防爆、防漬、防水氣泄漏等）實時“遙視”。

4.5 防誤閉鎖

實現(xiàn)電力系統(tǒng)“五防”功能：防止誤拉、合斷路器，防止帶負荷拉、合刀閘，防止帶電掛接地線，防止帶地線送電，防止誤入帶電間隔。對電氣設(shè)備操作步驟進行控制、判斷和分析，對不當操作進行閉鎖，并顯示信息。

4.6 報警處理

報警編輯將在事故報警中首先包括斷路器條帶的操作和保護裝置的釋放信號，最后包括一般設(shè)備狀態(tài)變化、異常狀態(tài)信息和模擬超限值。

4.7 事件順序記錄及事故追憶

當設(shè)備出現(xiàn)故障時，事件順序記錄功能應(yīng)將事件過程中各設(shè)備動作順序，帶時標記錄、存儲、顯示、打印，生成事件記錄報告，供查詢。事故追憶記錄分析在事故前后的一段時間里的重要實時參數(shù)、事件順序記錄、在特定時刻的變化情況等，并存入追憶報告文本中，按要求輸出。

4.8 運行日志及報表

運行日志包含每臺風電機組的運行參數(shù)，自主設(shè)置報表形式、參數(shù)，顯示實時報表、日報表、月報表、年報表并按需輸出。

4.9 數(shù)據(jù)分析

對所有并網(wǎng)風電場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行全面的處理和分析。根據(jù)需要向其他應(yīng)用系統(tǒng)提供過程數(shù)據(jù)、計算和分析結(jié)果，以滿足應(yīng)用系統(tǒng)或制造部門快速、高效地獲取數(shù)據(jù)的要求，并在提出優(yōu)化系統(tǒng)的分析和比較后進行查詢和比較，以提高系統(tǒng)的運行效率。

5 總結(jié)

海上風電多場站跨系統(tǒng)智能綜合監(jiān)測控制平臺打通各場站、各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壁壘，兼容不同廠家不同品牌的各類設(shè)備監(jiān)控，建立跨系統(tǒng)的協(xié)同通信和協(xié)同優(yōu)化控制，以及智能化設(shè)備狀態(tài)診斷、預(yù)警，高度集成“遙信”“遙測”“遙控”“遙調(diào)”“遙視”“遙操”等功能，實現(xiàn)控制中心對海上風電各場站、各設(shè)備系統(tǒng)的集中智能綜合監(jiān)測控制，提高生產(chǎn)運營管理效率。

平臺具有安全實用、開放共享、先進擴展等特點，對海上風電以及大規(guī)模陸上風電、光伏發(fā)電、分布式能源發(fā)電、區(qū)域水力發(fā)電等類似項目的建設(shè)有積極的推廣應(yīng)用意義。隨著無線信息技術(shù)及其安全水平的不斷發(fā)展，可基于無線通信進一步構(gòu)筑大區(qū)域、跨系統(tǒng)、全電網(wǎng)的智能綜合監(jiān)測控制平臺。