海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程配電健康監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

黃浩，李海

（武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084）

在生態(tài)環(huán)境問(wèn)題普遍引起全球關(guān)注的今天，風(fēng)電已成為最具發(fā)展?jié)摿η壹夹g(shù)成熟的新能源行業(yè)。而海上風(fēng)電場(chǎng)由于其不受地形地貌影響、土地資源占用小、風(fēng)力風(fēng)向較陸地風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定、空氣密度高等優(yōu)勢(shì)[1]，在新建裝機(jī)量上呈逐年上升趨勢(shì)并已顯著超過(guò)陸上風(fēng)電。目前中國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的分布規(guī)律，通常選址于緯度較低且遠(yuǎn)離航道的近海海域附近，或者灘涂面積較大的海灘。前者通常采用環(huán)狀布置，后者則一般沿海岸線采用鏈狀布置。與環(huán)形布置相比，鏈狀布置方案既能夠充分利用海面風(fēng)場(chǎng)資源，減少陸地資源的占用，又無(wú)需建設(shè)專(zhuān)用的海上維護(hù)工作平臺(tái)，可明顯降低建設(shè)投入。風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度指揮中心設(shè)置于陸地上，調(diào)度指揮中心通過(guò)遠(yuǎn)程供電健康監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各風(fēng)電機(jī)組的供電系統(tǒng)工狀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在岸基可以全面地觀測(cè)各風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司通過(guò)技術(shù)研究設(shè)計(jì)了一套WMDK48C型遠(yuǎn)程供電監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效提高工作效率，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的“安全、經(jīng)濟(jì)、可靠”運(yùn)行水平。

1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

自20世紀(jì)20年代起，電力在人類(lèi)能源利用領(lǐng)域中已經(jīng)超越煤炭與燃油份額，成為人類(lèi)能源的首選，并由此推動(dòng)了燃煤發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電等多個(gè)發(fā)電領(lǐng)域的高速發(fā)展。至20世紀(jì)末，制約電力服務(wù)的瓶頸已不再是發(fā)電量不足，而是突發(fā)性故障導(dǎo)致的供電缺口。自20世紀(jì)90年代始，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展對(duì)發(fā)電機(jī)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)展開(kāi)了系統(tǒng)性的研究，并且提出以狀態(tài)分析和健康狀態(tài)預(yù)警為基礎(chǔ)進(jìn)行故障前健康預(yù)警檢修，以降低供電的計(jì)劃外停電率。國(guó)外公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：采用實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的檢修周期，通常情況下，發(fā)電機(jī)組的大修周期可從3～5年延長(zhǎng)到6年以上[2]。

目前，維斯塔斯、通用、華銳、金風(fēng)等風(fēng)電機(jī)組的主流品牌均為自己的產(chǎn)品提供了相應(yīng)配套的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是這些配套產(chǎn)品在出廠前都預(yù)置了排他性設(shè)計(jì)功能，僅適用于該品牌的相應(yīng)型號(hào)設(shè)備，通用性較差。如果采取二次改造的方式使用又會(huì)影響質(zhì)保期限和售后服務(wù)。目前針對(duì)這一現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外也有供應(yīng)商推出了具備一定通用性的第三方風(fēng)電機(jī)組健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如瑞思實(shí)驗(yàn)室（丹麥）的CleverFarm系統(tǒng)、賽風(fēng)公司（美國(guó)）的Second-WIND-ADMS系統(tǒng)、卓越通訊（美國(guó)）的SCADA系統(tǒng)等產(chǎn)品[3]，但總體來(lái)看，可選擇的產(chǎn)品種類(lèi)較少且價(jià)格相對(duì)較高，因此自主研制開(kāi)發(fā)風(fēng)電機(jī)組的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很大的意義。

2 監(jiān)控系統(tǒng)組成

2.1 供電健康監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

WMDK48C型遠(yuǎn)程供電健康監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)岸基調(diào)度指揮中心站、一個(gè)環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸光端交換機(jī)站和多個(gè)分布式機(jī)組本地監(jiān)控基站組成。風(fēng)電機(jī)組共24臺(tái)，沿海岸線采用雙排鏈狀布置，每個(gè)發(fā)電機(jī)組設(shè)置一臺(tái)本地監(jiān)控基站。指揮中心站、交換機(jī)站及各監(jiān)控基站之間通訊手段均采用單模光纜進(jìn)行以太網(wǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸，環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸光端交換機(jī)站采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)串聯(lián)24臺(tái)機(jī)組本地監(jiān)控基站，每個(gè)機(jī)組本地監(jiān)控基站采用星形結(jié)構(gòu)連接機(jī)組本地配置的高壓、控制、安保、應(yīng)急等7路配電線路的綜合保護(hù)器，采用船用屏蔽雙絞控制電纜實(shí)現(xiàn)本地RS485數(shù)據(jù)通訊。機(jī)組本地監(jiān)控基站采用一臺(tái)MT7000XLM海事船用不間斷電源實(shí)現(xiàn)冗余供電，環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸光端交換機(jī)站采用2臺(tái)MT7000XLM海事船用不間斷電源實(shí)現(xiàn)雙冗余供電，從而進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備配置

根據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)規(guī)劃，WMDK48C型遠(yuǎn)程供電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備配置主要包括互為熱備份的主機(jī)2臺(tái)、WMDK48C監(jiān)控運(yùn)行軟件1套、WMDK48C-H環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸光端交換機(jī)站1個(gè)、WMJK16C機(jī)組本地監(jiān)控基站24個(gè)、MT7000XLM海事船用不間斷電源26臺(tái)、配電綜合保護(hù)器168個(gè)，如圖1所示。

圖1 WMDK48C型遠(yuǎn)程供電監(jiān)控系統(tǒng)

2.3 系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

3.1 可靠性冗余

本系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象設(shè)備為無(wú)人值守類(lèi)發(fā)電機(jī)組，因此監(jiān)控系統(tǒng)必須具備很高的工作可靠性和冗余工作能力。為避免信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到發(fā)電機(jī)組的電磁場(chǎng)干擾，降低不良因素的影響，各機(jī)組的本地監(jiān)控基站與數(shù)據(jù)交換機(jī)站之間的數(shù)據(jù)通訊使用光信號(hào)傳輸，數(shù)據(jù)交換機(jī)站與24個(gè)機(jī)組本地監(jiān)控基站通訊采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。冗余環(huán)網(wǎng)具備獨(dú)有的自愈合功能，如果環(huán)上的某一基站的交換機(jī)發(fā)生故障無(wú)法通訊，系統(tǒng)能夠識(shí)別并上報(bào)故障基站點(diǎn)，此時(shí)該故障基站的設(shè)備為掉線狀態(tài)，同時(shí)環(huán)上其余節(jié)點(diǎn)上的基站繼續(xù)在線，能夠正常通訊傳遞數(shù)據(jù)[4]。為提高斷電工況下的系統(tǒng)生存能力，本地監(jiān)控基站配備一臺(tái)獨(dú)立的不間斷電源，在失去外部供電的工況下可維持工作時(shí)間不短于70 min；數(shù)據(jù)交換機(jī)站配備2臺(tái)獨(dú)立的不間斷電源分別布置于2個(gè)房間，在失去外部供電的工況下可維持工作時(shí)間不短于180 min，確保異常斷電狀況下調(diào)度指揮中心仍能具備對(duì)各機(jī)組的監(jiān)控能力。

3.2 人機(jī)交互友好

調(diào)度指揮中心站配備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測(cè)管理平臺(tái)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)辦公區(qū)域規(guī)劃，值班室通過(guò)系統(tǒng)輸出端口外聯(lián)加裝顯示大屏幕用于實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)對(duì)象的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。指揮中心站采用雙主機(jī)冗余熱備份配置，一臺(tái)主機(jī)在工作狀態(tài)下時(shí)，另一臺(tái)則作為冗余機(jī)隨時(shí)處于熱備份狀態(tài)，當(dāng)工作主機(jī)癱瘓時(shí)，處于備份狀態(tài)的冗余機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為主機(jī)?？刂葡到y(tǒng)還具備數(shù)據(jù)處理功能，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照采樣時(shí)間根據(jù)規(guī)定的字段定義實(shí)時(shí)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，相關(guān)職能部門(mén)的人員可通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，掌控?zé)o人值守現(xiàn)場(chǎng)的各線路運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)，保證整體運(yùn)行的安全性能。

3.3 唯一控制策略

在控制權(quán)限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，任一控制對(duì)象在一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上只存在唯一控制位，控制位的權(quán)限轉(zhuǎn)移必須采用詢問(wèn)—回令的模式進(jìn)行交接并在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄，除此以外的所有控制位只能觀測(cè)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而預(yù)防沖突的指令出現(xiàn)，以免影響系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

3.4 權(quán)限分級(jí)管理

將各操作終端按照管理體系需求進(jìn)行分層授權(quán)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的登錄人員名單進(jìn)行授權(quán)，非名單人員不允許登入系統(tǒng)。名單內(nèi)人員通過(guò)密碼登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的權(quán)限范圍向其自動(dòng)開(kāi)放相應(yīng)的部分功能。每次登錄的時(shí)間、人員信息及其操作指令均在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)留存記錄。

3.5 可擴(kuò)展性的模塊化

現(xiàn)方案中每個(gè)本地基站采用星形結(jié)構(gòu)并行連接7路本地配電線路的綜合保護(hù)器，可利用其備用端口將監(jiān)控對(duì)象擴(kuò)展至不超過(guò)12路配電線路；交換機(jī)站與各機(jī)組監(jiān)控基站之間采用環(huán)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此基站數(shù)量不受交換機(jī)站的端口數(shù)量限制。本系統(tǒng)有24個(gè)本地監(jiān)控基站，后續(xù)可在環(huán)網(wǎng)中添加基站，實(shí)現(xiàn)機(jī)組數(shù)量的延展。

4 系統(tǒng)主要功能

4.1 遠(yuǎn)程控制功能

岸基調(diào)度指揮中心可直接控制任一機(jī)組的各配電線路開(kāi)關(guān)柜遠(yuǎn)程分閘、合閘及復(fù)位操作。

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能

岸基調(diào)度指揮中心可對(duì)任一機(jī)組配電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要觀測(cè)對(duì)象包括電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、過(guò)載整定參數(shù)以及越級(jí)跳閘狀況等。

4.3 遠(yuǎn)程參數(shù)調(diào)校

岸基調(diào)度指揮中心可對(duì)任一機(jī)組配電線開(kāi)關(guān)設(shè)備的動(dòng)作整定值進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整，同時(shí)為避免人為事件，參數(shù)調(diào)整功能設(shè)置有權(quán)限分配策略。參數(shù)調(diào)整指令必須在本系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置授權(quán)操作位置，以防止現(xiàn)場(chǎng)維修人員與指揮中心站發(fā)生指令沖突。當(dāng)參數(shù)調(diào)整指令發(fā)出位置與指揮中心的授權(quán)操作位置不一致時(shí)，則認(rèn)定出現(xiàn)人為操作事故，機(jī)組本地與調(diào)度指揮中心的系統(tǒng)界面會(huì)同時(shí)提示指令失效，并作為險(xiǎn)肇事故記錄在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中供管理人員分析處置。

4.4 數(shù)據(jù)處理與報(bào)表

系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)均按照規(guī)定的字段格式記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并可按照文字表格和二維曲線2種方式輸出，職能部門(mén)可以按時(shí)間段對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，以供分析調(diào)查之用。

5 系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)

系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)主要包括：①系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)同時(shí)具備擴(kuò)展性與標(biāo)準(zhǔn)性，設(shè)計(jì)合理。各監(jiān)控基站采用模塊化設(shè)計(jì)，不僅便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)型，減少備件數(shù)量，同時(shí)也具備設(shè)計(jì)移植的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用其他類(lèi)似的控制系統(tǒng)。②系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用主流數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匯總處理，具備廣域網(wǎng)外接能力。本系統(tǒng)目前在局域網(wǎng)的條件下使用，其數(shù)據(jù)采用主流數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匯總處理，可導(dǎo)入大數(shù)據(jù)云網(wǎng)盤(pán)，符合現(xiàn)代工業(yè)智能化控制、物聯(lián)化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展總方向。③可靠性高。本系統(tǒng)采用光纜作為遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸載體，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)指令及時(shí)性高、數(shù)據(jù)采樣周期短、抗干擾能力強(qiáng)，滿足海上風(fēng)電場(chǎng)的遠(yuǎn)程配電監(jiān)控的需求。④人機(jī)界面友好。本系統(tǒng)的管控平臺(tái)能夠使岸基管理人員遠(yuǎn)程觀測(cè)各機(jī)組配電設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障進(jìn)行遠(yuǎn)程快速處理，一鍵式同步修改多臺(tái)設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)，省去了現(xiàn)場(chǎng)巡查維保的人力投入，在提高工作效率的同時(shí)可減少人員配置。⑤系統(tǒng)軟件可自行生成使用日志和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)匯總報(bào)表，從而減少人為事故隱患。

6 結(jié)語(yǔ)

WMDK48C海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程供電健康監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電場(chǎng)岸基遠(yuǎn)程供電監(jiān)測(cè)監(jiān)控、岸基對(duì)配電設(shè)備四遙等功能，有效提高了海上風(fēng)電場(chǎng)配電岸基調(diào)度技術(shù)水平及信息化管理水平，提高了海上風(fēng)電場(chǎng)配電管理效率，保證了海上風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定性。