風電場集中監控系統解決方案

時間：2023年9月2日 |來源：Acrel

摘要：風電場作為清潔能源之一，近年來裝置容量快速成長。風電場分為陸域風電場及離岸風電場。一般地處偏遠、安裝分散、環境惡劣。因此，風電場需要一套遠端監控系統，方便運維人員更有效率地管理風電場運作。

關鍵字：風電場、集中監控系統、箱變測控裝置

1.風電場電氣設備

每台發電機組的頂艙均裝有渦輪發電機，前端為可調風葉。系統可以根據不同的風況來調整扇葉的傾斜角度。一般風扇葉片的轉速為10-15轉/分，透過變速箱可調整至1500轉/分的轉速來驅動發電機。機房也配置工業PLC，用於控制和相關數據採集。透過PLC採集風速、風向、轉速、發電有功功率和無功功率等相關數據，透過採集的數據對發電機進行即時控制。在陸地上，風塔底部安裝箱式變壓器，負責升壓和匯聚。根據電力和地理條件，多颱風機一次升壓後並聯，匯入升壓變電站。將電力輸送到電網。風電場電氣接線圖如圖1所示。風扇發出的電壓一般為0.69kV，經箱變升壓至10kV或35kV。多台並聯匯流後，接取升壓站低壓側母線，再由主變壓器升壓至110kV以上。進入電網。

與陸域風電不同，由於離岸風電環境惡劣（高濕度、高鹽分密度），用於一次升壓的乾式變壓器整合在風機機艙內，不僅解決了問題減少了整個機組的佔地面積，同時也避免了變壓器安裝位置較低所帶來的防護困難。

圖1 風電場電氣接線示意圖

 

2、風電場保護及測控設備

從風力發電機組發電－升壓箱變壓器－匯流－升壓站中壓母線－主變－升壓站高壓母線－高壓出線－併網，中間需要經過兩次升壓才併入電網風電場電氣設備數量多、種類多，任何一個環節故障都會影響風電場的正常運作。因此，必須在風電場的各個環節設置保護和測控裝置，以全面監測風電場的運作狀態。圖2為風電場保護及測控裝置配置示意圖。

圖2 風電場保護測控裝置配置圖

2.1 箱變測控裝置

為了減少陸域風電場的線損，一般在風機旁安裝0.69/35(10)kV箱式升壓站。風電場內風機之間的距離達數百米，距離中控室較遠。升壓變壓器位於空曠場地，自然環境較惡劣，人工巡檢難度較高。箱變測控裝置是風電場監控系統的核心部分，實現了箱變的智慧化管理。箱站測控裝置可對風電箱站進行保護與遠端監控，全面實現「遙信、遙測、遙控、遙調」功能，大幅提升風電場運維效率。

 

圖3 風電場箱站測控裝置

 

AM6-PWC箱式變壓器保護測控裝置是針對風電、光伏升壓變壓器的不同要求，集保護、測控、通訊於一體的一體化裝置。其功能配置如下表所示。

姓名	主功能
遙測	交流測量：三相電流、三相電壓、頻率、功率因數、有功功率、無功功率
	6路電流、6路電壓
	直流測量：共4路標準2路4-20mA或2路5V DC標準2路熱電阻（兩線製或三線制）
遙信	29路開放輸入，其中前10路固定為非電源保護訊號輸入
遙控	6路繼電器輸出，用於保護輸出或普通遙控器輸出
保護	非電源保護：輕瓦斯、重瓦斯、高溫、超高溫、變壓器油位低、洩壓閥常規保護：三段電流保護、零序電流保護、過壓保護、低電壓保護；零序過壓保護
溝通	2個自癒式光纖通訊接口，可組成光纖環網
	乙太網路通訊介面 3路（可選，訂貨時請註明）
	4個RS485通訊口
協定轉換	4路可設定RS485通訊接口，自由配置及各種協定轉換
記錄	記錄最新35起事故及50筆行動紀錄

 

2.2低壓側線路及母線保護測控

多颱風力發電機首次升壓​​至35（10）kV後並聯，形成迴路連接至升壓站低壓側母線。。為了實現全面監控，線路配備了線路保護裝置、多功能測控儀表、電能品質監測裝置、無線測溫裝置，實現對線路電氣保護的即時監控，測量和溫度，低壓側母線設有電弧光保護裝置。

物品	圖片	模型	功能	應用
線路保護		AM6-L	35(10)kV電路電流電壓保護、非電氣保護、測量和自動控制功能。	升壓站低壓側線路保護及測控
電能品質監測裝置		APView500	即時監測電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動及閃變、諧波等電能質量，記錄各種電能品質事件，定位擾動源。
多功能電能表		APM520	具有全功率測量、諧波畸變率、電壓合格率統計、分時電能統計、開關量輸入輸出、類比輸入輸出。
母線電弧保護		血管張力素6	適用於擷取開關櫃的弧光訊號和電流訊號，控制進線、母線或母線上所有開關櫃的分閘	升壓站低壓側母線保護
無線溫度感測器		ATE400	監控35kV及以下電壓配電系統母線及電纜連接點的溫度，並進行溫升預警。	溫度。升壓站低壓側線路接點和母線的測量

表1 低壓側線路、母線保護測控配置

 

2.3 主變保護測控

風力發電機組發電經低壓側母線匯流後，經由主變壓器升壓至110kV併網。主變壓器配置差動保護、高後備保護、低後備保護、非電氣保護、測控裝置、變壓器溫控、檔位變送器，實現主變壓器的保護、測控功能，並集中組屏安裝。

物品	圖片	模型	功能	應用
差動保護裝置		AM6-D2	主變兩側差動保護	升壓站主變壓器
高低壓側後備保護		AM6-TB	三級相間過流、兩級零序過流、兩級間隙過流保護、 複合電壓閉鎖， 兩級零序過壓保護， 斷路器控制	升壓站主變壓器
非電氣保護		AM6-FD	重氣體、輕氣體、超溫、超溫、洩壓保護及警報	升壓站主變壓器
測控裝置		AM6-K	遙測、遙信、遙控	升壓站主變壓器
溫度變送器		ARTM-8L	監測主變壓器繞組和油溫	升壓站主變壓器

表2 主變保護測控配置

 

2.4 高壓線路保護測控

風電場發出的電能經過兩次升壓至110kV後併入電網。110kV線路設有光纖差動保護、距離保護、防孤島保護、測控裝置。

物品	圖片	模型	功能	應用
保護裝置		AM6-LD	線路光纖差動保護裝置	線的兩側
		AM6-L2	相間/接地距離、零序過流、故障定位等	這邊
		AM6-K	遙測、遙信、遙控
		AM5SE-IS	防孤島保護裝置，當外部電網與電網斷開時
電能品質監測裝置		APView500	即時監測電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動及閃變、諧波等電能質量，記錄各種電能品質事件，定位騷擾源。

 

表3 110kV線路保護測控配置

 

3.風電場監控系統

風電場監控平台實現對風電場運作狀態和風機即時資料的監控、控制和管理，提高風電場的可靠性和運作效率，降低維護成本，實現智慧化管理。

風電場佔地面積較大，設備分散。該系統對數據通訊的可靠性和即時性要求較高。若條件允許，可以採用光纖冗餘環網進行資料擷取與通信，也可以採用LORA無線方式進行資料傳輸。

圖4 風電場監控系統框圖

風扇機組PLC及箱變測控裝置的資料透過光纖環網上傳至控制室的資料伺服器，升壓站綜合自動化系統的資料上傳至資料中心經由乙太網路的伺服器。變送器、直流系統等智慧型設備與通訊管理機連接，將資料上傳至伺服器。

 

3.1 風電場監測

全面顯示整個風電場風機的基本參數（包括風速、功率、轉速等），並可實現日發電量、月發電量、年發電量的監控，方便即時監控引風機的運轉狀態。

3.2 船員監控

監控機組內各控制模組的參數及控制狀態，包括：變槳、偏航、齒輪箱、發電機、液壓站、機艙、變流器、電網、安全鏈、扭力、主軸、塔座、風速計等.實現各模組參數、故障、趨勢圖的全面顯示。

3.3 即時數據顯示

風電場內的引風機、變電站等設備均配備感測器及監控設備，可即時擷取設備的運轉電氣資料、溫度、振動等參數，出現異常時及時預警。

3.4 電源管理

有功、無功參數的顯示、有功、無功功率的控制和調節等功能，可以有效降低企業的營運成本，為節能減排的目標提供數據支撐。

3.5 生產報告

風電功率、風電場性能指標、機組新能源等重要參數的展示與報表功能，支援按時間維度（日、月、年）統計各風電場設備的運作。依照日、月、年的查詢方式，對重要參數進行分類統計，並產生報表。

3.6 統計分析

支援多種統計分析功能，充分挖掘資料的潛在價值，提供節能最佳化解決方案，為管理者提供決策依據，以可行的方式提高企業的管理水平，最終達到節能的目標節能減排、科學生產。分析方法包括：故障統計、功率曲線、可用性統計、風玫瑰圖、風速功率報告、月日使用率和停機時間統計等。

 

參考：

[1] Acrel企業微電網設計與應用手冊。版本2022.05