海上風電場二次系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

閆培麗，袁兆祥，齊立忠，谷松林，吳聰穎

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市102209)

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海上風電場二次系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

閆培麗，袁兆祥，齊立忠，谷松林，吳聰穎

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市102209)

隨著國家新能源戰(zhàn)略的進一步深入，海上風電即將迎來大發(fā)展時期。由于遠離陸地，海上風電場具有所處環(huán)境復雜、氣候惡劣、施工困難、運行維護不便等特點，使其在運行值班模式、繼電保護配置、組網(wǎng)方案、信息流傳輸、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、模塊化設(shè)計等二次關(guān)鍵技術(shù)方面與陸地風電場存在較大差異。該文對海上風電場二次系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計技術(shù)進行了研究，進一步規(guī)范、優(yōu)化了設(shè)計方案，對保證海上風電運行的可靠性，提升自動化水平和建設(shè)水平，有序推動我國海上風電的健康發(fā)展具有十分重要的意義。

海上風電場；拓撲結(jié)構(gòu)；二次系統(tǒng)；模塊化設(shè)計

0 引 言

海上風電場由于受海洋氣候、環(huán)境及地質(zhì)等因素影響，其投資成本遠高于陸地風電場。海上風電場遠離陸地，海上環(huán)境復雜、天氣狀況惡劣，存在很多不可預見性問題[1-3]。海上風電機組和海上升壓平臺建設(shè)施工較為困難，寬海域內(nèi)的海上風電機組運行維護較為不便，海上自然條件嚴重制約著海上升壓站電氣設(shè)備的運行、檢修和現(xiàn)場操作[4-6]。海上風電機組和海上升壓站以及海底電纜的信息需全部發(fā)送至陸上集控中心，運行人員在陸上集控中心遠程監(jiān)控海上電氣設(shè)備。因此，海上風電場在運行管理模式、監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方案、信息傳輸、繼電保護配置、狀態(tài)監(jiān)測等方面的設(shè)計與陸地風電場的存在較大差異[7-9]。

針對我國當前海上風電場研究與建設(shè)現(xiàn)狀，本文對相關(guān)二次系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)進行研究。首先給出海上風電場并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，將海上風電場二次系統(tǒng)劃分為風電機組及升壓設(shè)備、海上升壓站、陸上開關(guān)站(陸上集控中心)3個部分；然后根據(jù)海上風電場并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)繼電保護、調(diào)度自動化、計算機監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)、信息流傳輸五大類二次系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并給出相應(yīng)的配置原則及實現(xiàn)方案；最后對海上風電工程模塊化設(shè)計及運行值班模式進行論述，形成完整的海上風電場二次系統(tǒng)設(shè)計體系。研究內(nèi)容對保證海上風電運行的可靠性，提高海上風電場的投資效益，指導和規(guī)范海上風電二次系統(tǒng)設(shè)計，提升海上風電場的自動化水平和建設(shè)水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1 海上風電場并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)國家電網(wǎng)公司科技項目“海上風電成本模型與電氣系統(tǒng)典型設(shè)計研究”所給出的研究成果，海上風電場并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中陸上開關(guān)站是海上風電并網(wǎng)的系統(tǒng)接入點，可以設(shè)立在海底電纜登陸點，也可以在海底電纜登陸經(jīng)過一段架空線后建設(shè)一座220 kV開關(guān)站。通常情況下陸上開關(guān)站內(nèi)設(shè)有陸上集控中心，用于安裝海上風電場延伸至陸上集控中心的站控層設(shè)備，實現(xiàn)對海上風電機組和海上升壓站設(shè)備的遠程監(jiān)控以及與調(diào)度端進行通信。將陸上開關(guān)站與陸上集控中心等效為同一節(jié)點，則海上風電場二次系統(tǒng)可劃分為風電機組及升壓設(shè)備、海上升壓站、陸上開關(guān)站(陸上集控中心)3部分，各部分功能如下。

(1)海上風電場將各風電機組輸出的690 V電壓通過箱式變壓器升壓至35 kV。各風電機組變壓器電能通過陣列電纜集中，經(jīng)35 kV光電復合纜將電能送到海上升壓站。

(2)海上升壓站匯集集電線路電能，通過升壓變壓器將35 kV電壓升至220 kV，經(jīng)220 kV光電復合纜將電能輸送到陸上開關(guān)站。

(3)陸上開關(guān)站布置陸上無功補償裝置，實現(xiàn)海底電纜與架空線路的連接，將海上風電場的電能并入交流電網(wǎng)。

圖1 海上風電場并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

2 二次系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)海上風電場并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，二次系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)符合電力系統(tǒng)二次部分技術(shù)規(guī)范及相關(guān)技術(shù)規(guī)程，并滿足系統(tǒng)提出的風功率預測、有功功率、無功電壓、低電壓穿越、運行頻率、電能質(zhì)量等相關(guān)技術(shù)要求[10-17]。根據(jù)工程技術(shù)需求，本節(jié)對二次系統(tǒng)配置關(guān)鍵技術(shù)進行研究，給出繼電保護、調(diào)度自動化等方面的工程配置方案。

2.1 系統(tǒng)繼電保護配置

考慮到國內(nèi)外海底電纜制造水平，目前國內(nèi)35 kV和110 kV海底電纜制造水平已成熟，220 kV海底電纜也日趨成熟，而更高電壓等級海底電纜目前只能進口，造價過高。因此從經(jīng)濟技術(shù)方面考慮，升壓平臺的高壓側(cè)電壓等級不宜大于220 kV；風電場場內(nèi)集電線路均采用35 kV電壓等級，升壓平臺低壓側(cè)也宜采用35 kV電壓等級。海上風電的接入系統(tǒng)典型方案為220 kV海底電纜接入系統(tǒng)，一般采用海上升壓站-海底電纜-并網(wǎng)點-架空線路將風電匯集升壓后送出。

風電廠與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障時，風電機組至少應(yīng)具備0.625 s的低電壓運行能力[18]。低電壓運行期間，風電機組的電壓、電流特性持續(xù)變化，均可能對保護元件性能產(chǎn)生影響。因此，應(yīng)將風電場的35、220 kV部分作為一個整體來考慮繼電保護配置，給出具體配置方案如下。

(1)35 kV集電線路配置單套的相間電流保護及零序電流保護，并與機組保護相配合。集電線路保護動作時間應(yīng)大于機組熔斷器動作時間。

(2)35 kV匯流母線配置單套的微機型母線差動保護，其整定值取決于母線風電場側(cè)故障時所產(chǎn)生的最大不平衡電流。

(3)海上升壓站主變壓器配置雙重化的差動保護。

(4)海上升壓站220 kV母線宜配置雙重化母線保護，含失靈保護功能。

(5)海上升壓站-陸上開關(guān)站、陸上開關(guān)站-電網(wǎng)的公共連接點220 kV線路，其兩側(cè)宜配置2套完全獨立的縱聯(lián)電流差動保護，均含有完整的階段式后備保護及過負荷報警功能，不投入使用重合閘功能。

2.2 調(diào)度自動化系統(tǒng)配置

陸上集控中心應(yīng)配置調(diào)度自動化系統(tǒng)，作為海上風電場向調(diào)度端傳輸遠動、計量等信息并執(zhí)行調(diào)度端指令的控制中樞。海上升壓站和陸上開關(guān)站按需配置調(diào)度自動化各系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置或其子系統(tǒng)。最終由陸上集控中心將海上風電機組和升壓設(shè)備、海上升壓站和陸上開關(guān)站/集控中心相關(guān)遠動、計量等信息按照調(diào)度端要求的通道和規(guī)約上傳，并執(zhí)行調(diào)度端實時指令。根據(jù)調(diào)度端需求配置調(diào)度自動化系統(tǒng)，具體方案如下。

(1)配置電能量計量系統(tǒng)，關(guān)口計量點設(shè)置在產(chǎn)權(quán)分界處，如海上風電場與電網(wǎng)產(chǎn)權(quán)分界點、能準確計量不同風機業(yè)主或不同上網(wǎng)電價的分界點、外引站用電源高壓側(cè)等。配置0.2 S級雙表，接入電能量遠方終端，通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話撥號等方式將電能量數(shù)據(jù)傳送至電能量計費系統(tǒng)主站。

(2)配置有功功率控制系統(tǒng)，按照調(diào)度指令調(diào)節(jié)和控制海上風電機組輸出的有功功率，保證風電場有功控制調(diào)節(jié)的可靠性和快速性。在緊急情況下可快速自動切除或降低風電場有功功率。有功功率控制系統(tǒng)獨立設(shè)置，或嵌入風電場監(jiān)控系統(tǒng)。

(3)配置無功電壓控制系統(tǒng)，按照調(diào)度指令自動調(diào)節(jié)風電場發(fā)出(或吸收)的無功功率，包括對海上風電機組、無功補償裝置(包括海上和陸上)以及海上升壓平臺主變壓器分接頭的調(diào)節(jié)與控制，以滿足風電場并網(wǎng)點電壓的要求。依據(jù)控制對象和方式的不同，無功電壓控制系統(tǒng)獨立設(shè)置或嵌入風電場監(jiān)控系統(tǒng)。

(4)配置相量測量系統(tǒng)，由相量測量采集裝置和相量測量集中器組成。每套相量測量裝置應(yīng)能采集不少于6條線路的相量，采集單元的配置可結(jié)合風電場遠景規(guī)?？紤]。

(5)配置電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，電能質(zhì)量在線監(jiān)測點應(yīng)設(shè)置在陸上開關(guān)站并網(wǎng)點或能夠有效反應(yīng)并區(qū)分不同業(yè)主電能質(zhì)量的點。采集的三相電壓、三相電流及相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)等信息，通過海底光電復合電纜傳輸至陸上集控中心。

(6)配置風電功率預測系統(tǒng)，包含風電功率預測系統(tǒng)主機、海上測風塔及實時氣象數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)采集處理裝置及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，應(yīng)具有0～72 h短期風電功率預測以及15 min～4 h超短期風電功率預測功能。風電場范圍內(nèi)至少有1座測量高度不低于100 m的測風塔，海上測風塔數(shù)據(jù)采集量應(yīng)至少包括10、60 m(80 m)高處、輪轂高度處及測風塔最高層的風速和風向以及氣溫、氣壓等信息。測風塔數(shù)據(jù)可通過無線方式傳輸至風電功率預測系統(tǒng)。

2.3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)配置

海上風電機組和升壓設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)采集風電機組和升壓設(shè)備的信息，通過海底光電復合纜傳輸至海上升壓站，海上升壓站監(jiān)控系統(tǒng)采集平臺上電氣設(shè)備及風場設(shè)備的信息，通過海底光電復合電纜將信息傳輸至陸上集控中心(陸上開關(guān)站)，在陸上集控中心將所有信息上傳至電網(wǎng)調(diào)度中心，并接收調(diào)度端指令，實現(xiàn)對海上風電場設(shè)備的控制和調(diào)節(jié)。根據(jù)海上風電場的特點，海上升壓站采用無人值守運行方式，計算機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備配置和功能要求按無人值班設(shè)計，陸上設(shè)遠程集控中心。具體配置方案如下。

(1)計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用開放式分層分布式結(jié)構(gòu)，分為站控層和間隔層。海上升壓站的監(jiān)控采用拉網(wǎng)延伸的方式延伸至陸上集控中心，陸上集控中心布置站控層設(shè)備，海上升壓站布置間隔層設(shè)備、操作員站和工程師站。計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接方式如圖2所示。

(2)計算機監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一建模，統(tǒng)一組網(wǎng)，采用DL/T 860通信標準實現(xiàn)信息共享。具有微機五防閉鎖、順序控制、智能告警等功能。

(3)風電機組就地測控裝置一般按集電線路組網(wǎng)，通過35 kV海底光電復合纜組建光纖環(huán)網(wǎng)接入海上升壓站。

(4)升壓設(shè)備配置一套變壓器保護測控裝置，宜與海上風電機組監(jiān)控系統(tǒng)共用傳輸介質(zhì)，占用35 kV海底光電復合纜不同纖芯，組光纖環(huán)網(wǎng)接入海上升壓站。

圖2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

2.4 設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)配置

海上風電場受海上鹽霧腐蝕、臺風、海浪等惡劣自然環(huán)境的影響，螺栓等機械系統(tǒng)失效加快，二次設(shè)備故障率大幅上升。針對海上風電場特有環(huán)境情況，其設(shè)備在在線監(jiān)測要求較高，具體配置方案如下。

(1)配置海上風電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對風電機組的齒輪箱和發(fā)電機等重要部件的振動情況進行監(jiān)測。

(2)配置海上升壓站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對主變壓器油中溶解氣體、鐵心接地電流、繞組溫度進行監(jiān)測，同時對組合電器SF6氣體密度、微水以及對避雷器泄漏電流、動作次數(shù)等進行監(jiān)測。

(3)海上風電機組和主要電氣設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)信息接入陸上集控中心，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測、在線分析與告警處置相關(guān)功能。

2.5 信息流傳輸方案

海上風電場、海上升壓站、陸上開關(guān)站、陸上集控中心之間信息流傳輸?shù)暮Ｉ喜糠滞ㄟ^海底光電復合纜實現(xiàn)，陸上部分通過隨架空線路敷設(shè)OPGW、ADSS光纜實現(xiàn)，光纜芯數(shù)應(yīng)滿足各部分信息流傳輸要求，并留有適當余量。海上風電場信息流傳輸如圖3所示，具體傳輸方案如下。

(1)海上風電場與海上升壓站間的信息流傳輸，包括海上風電機組監(jiān)控、海上風電機組升壓設(shè)備監(jiān)控、海上風電機組振動狀態(tài)在線監(jiān)測、海上風電場智能輔助控制系統(tǒng)、海上風電機組IP電話、海上風電機組基礎(chǔ)監(jiān)測等，各信息流占用35 kV海底光電復合纜的不同纖芯。統(tǒng)計不同功能用途的光纖需求量，海上風電場35 kV海底光電復合纜實際需用24芯，備用12芯，故35 kV海底光電復合纜宜選36芯。當光纜芯數(shù)過多造成剝離困難時，可將每根35 kV海底光電復合纜劃分為2個光纖單元，即采用2×24芯35 kV海底光電復合纜。

(2)海上升壓站與陸上開關(guān)站間的信息流傳輸，包括220 kV線路保護、故障錄波、保護及故障信息管理、升壓站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、海上風電機組監(jiān)控系統(tǒng)、時鐘同步系統(tǒng)、相量測量、電能量計量、狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)、智能輔助控制系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、基礎(chǔ)監(jiān)測、海底電纜在線監(jiān)測等，各信息流占用220 kV海底光電復合纜的不同纖芯。統(tǒng)計不同功能用途的光纖需求量，海上升壓站至海底電纜登陸點實際需占用220 kV A相海底電纜約25芯，備用16芯，220 kV C相海底電纜約11芯，備用11芯。為防止任意一海底電纜的故障，建議220 kV A、C相海底電纜均采用2×24芯光電復合纜，保證海上升壓站與路上集控中心的可靠通信。

圖3 海上風電場信息流傳輸

3 模塊化設(shè)計及運行值班模式

3.1 模塊化設(shè)計方案

針對海上風電場遠離陸地、環(huán)境復雜、氣候惡劣、施工困難、運行維護不便等特點，可采用預制技術(shù)、裝配式建設(shè)技術(shù)、預制光電纜“即插即用”技術(shù)及一體化設(shè)計、制造、調(diào)試技術(shù)，以大幅降低海上作業(yè)的風險與成本。

采用預制式智能控制柜等技術(shù)，實現(xiàn)一、二次設(shè)備的一體化設(shè)計，一體化供貨，減少現(xiàn)場接線調(diào)試工作量、提高安裝質(zhì)量、提升建設(shè)效率。

采用預制光纜、預制電纜技術(shù)，實現(xiàn)電氣設(shè)備“即插即用”。相對于傳統(tǒng)的光纜熔接/電纜壓接而言，該技術(shù)可以大幅降低現(xiàn)場施工強度、縮短變電站建設(shè)周期，同時消除傳統(tǒng)操作帶來的多種質(zhì)量風險，提高系統(tǒng)長期運行可靠性。

采用一體化設(shè)計、制造、調(diào)試技術(shù)，以一次設(shè)備廠家為主體，二次設(shè)備、智能在線監(jiān)測廠家配合，實現(xiàn)一、二次設(shè)備一體化設(shè)計制造，消除了不同設(shè)備廠家間溝通不暢的問題。

3.2 海上風電場運行值班模式

對于海上風電場，受海上鹽霧腐蝕、臺風、海浪等惡劣自然環(huán)境的影響，人員到達不便，螺栓等易損件失效加快，機械和電氣系統(tǒng)故障率大幅上升，導致檢修維護的頻次加快，增大了風電機組維護的支出。在整個海上風電場項目中，風機只占總成本的35%，其他成本來自建設(shè)安裝、運行維護、并網(wǎng)、管理和回收等部分，其中建設(shè)安裝占24%，運行維護占22%，可見運行維護在海上風電項目中所占的投資比例非常大。

海上風電場的運行維護存在難度大、費用昂貴兩大特點，海上風電場的設(shè)計需結(jié)合海上風電場的實際運行工作環(huán)境進行，以減少維護工作量或延長維護間隔周期。

海上風電場海上部分由海上風電機組及其升壓設(shè)備和海上升壓站部分組成，而海上的惡劣環(huán)境決定了海上風電場不能夠長期滯留運維人員，因此海上升壓站需采用無人值守遠程監(jiān)控的方式，陸地設(shè)集控中心，實現(xiàn)在陸地對海上風電機組和海上升壓站設(shè)備的遠程監(jiān)控。調(diào)度命令下達到陸上集控中心，海上風電機組塔筒和海上升壓站設(shè)置遠程監(jiān)視、應(yīng)急通信和應(yīng)急電源，實現(xiàn)在陸地對海上風電場的可靠監(jiān)控，保障運維人員的安全。

海上風電場維護采用定期巡檢和故障檢修。定期巡檢根據(jù)事先安排進行，故障檢修則具有不可預見性，只有發(fā)生故障了才進行，通常成本較為昂貴。為盡可能減少故障檢修，可以制定周密的定期檢修計劃，并通過狀態(tài)監(jiān)測來確定機組出現(xiàn)的早期問題，以便及時采取行動進行補救。

4 結(jié) 語

本文對海上風電場二次系統(tǒng)設(shè)計方案進行了研究，將海上風電場二次系統(tǒng)劃分為風電機組及升壓設(shè)備、海上升壓站、陸上開關(guān)站(陸上集控中心)3個部分，給出了海上風電場繼電保護、調(diào)度自動化、監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、信息流傳輸、模塊化設(shè)計及運行值班模式等配置方案。

海上風電即將迎來大發(fā)展時期，類似陸上風電大規(guī)模開發(fā)的情形將會在新一輪的海上風電建設(shè)高潮中再現(xiàn)。及時總結(jié)陸上風電建設(shè)的經(jīng)驗教訓，超前謀劃，儲備海上風電場并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，落實應(yīng)用于典型設(shè)計方案，以規(guī)范和指導海上風電場有序建設(shè)，對于推動我國海上風電的健康發(fā)展具有十分重要的意義。

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[12]國家電網(wǎng)公司．Q/GDW 688—2012 智能變電站輔助控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國電力出版社，2012．

[13]國家電網(wǎng)公司．Q/GDW 584—2010變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導則[S]．北京：中國電力出版社，2010．

[14]國家電網(wǎng)公司．Q/GDW 11152—2014智能變電站模塊化建設(shè)技術(shù)導則[S]．北京：中國電力出版社，2014．

[15]國家電網(wǎng)公司．Q/GDW 11155—2014智能變電站預制光纜技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國電力出版社，2014．

[16]國家電網(wǎng)公司．Q/GDW 11154—2014智能變電站預制電纜技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國電力出版社，2014．

[17]國家電網(wǎng)公司．Q/GDW 383—2009 智能變電站技術(shù)導則[S]．北京：中國電力出版社，2009．

[18]國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 1866—2012 分散式風電接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[S]. 北京：中國電力出版社，2009.

(編輯:張小飛)

Key Technology of Offshore Wind Farm Secondary System Design

YAN Peili，YUAN Zhaoxiang，QI Lizhong，GU Songlin，WU Congying

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

Along with the further deepening of the national new-energy strategy, offshore wind farm will step into a period of great development. Due to far away from the land, offshore wind farm has characteristics of complex environment, bad weather, difficult construction, inconvenient operation and maintenance, etc., and its secondary key technologies are different from those of wind farm on land, such as operation and duty mode, relay protection configuration, network scheme, information transmission, equipment condition monitoring, modular design and so on. This paper studied related design technologies of secondary system in offshore wind farm, further standardized and optimized the design scheme, which had very important significance to ensure the reliability of the running of offshore wind farm, enhance the levels of automation and construction, and promote the healthy development of offshore wind farm in China.

offshore wind farm; topological structure; secondary system; modular design

TM 72

A

1000-7229(2015)04-0129-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.021

2015-02-02

2015-02-29

閆培麗(1972)，女，注冊電氣工程師，高級工程師，主要從事系統(tǒng)繼電保護、調(diào)度自動化及智能變電站研究與設(shè)計方面的工作;

袁兆祥(1970)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計和研究工作；

齊立忠(1968)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計和研究工作；

谷松林(1986)，男，博士，主要從事電力系統(tǒng)保護與控制方面的研究工作；

吳聰穎(1987)，男，碩士，主要從事電力系統(tǒng)保護與控制方面的研究工作。