海上風電柔性直流送出一體化監控系統方案設計

肖異，劉超，馬怡晴，魏來，張勇，王文怡，劉宣宣，周欣宇，朱璧君

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司， 武漢 430071）

0 引言

隨著世界各國對能源與環境的重視程度不斷提高，推動能源轉型、加快新能源建設已成為普遍共識［1-4］。我國提出2030年碳達峰和2060年碳中和“雙碳目標”，將極大推動可再生能源開發力度。相比陸上風電，海上風電具有年發電小時數高、風力資源穩定等優點，是較為優質的可再生能源［5］。我國經過近十年來大力發展，近海風電已趨近飽和，考慮到交流海纜的傳輸距離限制，以柔性直流送出技術為特征的中遠海風電開發成為風電產業未來發展新的增長點。中遠海風電通過柔性直流輸電方式并網，海上風電柔性直流送出系統集海上風電場、海上升壓站、海上換流站、陸上換流站、交流海纜、直流海纜于一體，由于海上場站地理分布廣闊，且海上環境惡劣，海上場站的運行巡檢工作十分困難。同時，海上風電柔性直流送出系統調度管理對象眾多，投資主體不同，關系復雜，增加了調度管理的難度［6-11］。

歐洲包括HelWin1、HelWin2和BorWin在內的海上風電柔性直流送出工程都已竣工投運，國外類似工程依據承包廠家的不同采用局部集中的監控模式［12-15］。我國首個海上風電柔性直流送出示范工程三峽如東海上風電柔性直流示范項目已于2021年12月成功投運，如東工程采用一體化監控方式，將海上風場、海上升壓站、柔性直流換流站、交直流海纜進行集中監控。

海上風電場/海上升壓站計算機監控系統與海上換流站/陸上換流站計算機監控系統分別針對常規交流發輸變電系統和柔性直流輸電系統，兩套系統所采用的技術路線、硬件平臺、軟件結構等均存在較大的差異或技術壁壘，在目前現狀條件下，需要運行人員在不同的監控平臺下分別對兩套系統進行獨立運維；同時各個不同子系統之間互相孤立，形成信息孤島，系統的信息融合度不夠，缺乏對各系統數據進行挖掘整合的手段，增加了運維工作量，降低了運維效率。本文以實現海上場站、陸上換流站、交/直流海纜統一調度和集中監控為目標，首次提出了海上風電柔性直流送出一體化監控系統設計方案，應用一體化監控技術實現了對海上風電柔性直流送出系統的統一調度管理協同運行維護，打破因投資主體不同而帶來的管理壁壘，實現了電網側和新能源發電側的互聯互通、信息共享，強化了對海上風電柔性直流送出系統各環節安全生產的實時監管和專業化指導，為無人值守提供技術基礎，為海上風電柔性直流送出系統一體化控制能力提出新方法、開拓新思路，實現在一個工作地點遠程管理整個風電項目的功能，提高安全運行管理水平，進一步推進集約化管理，對后續類似工程具有指導意義。

1 海上風電柔性直流送出一體化監控系統總體架構及設備配置

海上風電柔性直流送出系統通常匯集兩片以上的風電場風力資源，這些風電場由于投資主體不同，可能分屬于不同的業主單位，柔性直流輸電系統的業主單位和遠海風電場的業主也可能不同。若各業主單位采用不具友好兼容特性的局部集中監控模式，海上風電柔性直流送出系統調度及運維管理模式將較為復雜，不便于系統統一協調運維。針對該問題，本文提出了一體化監控系統方案，以運維模式優化為目標，首次將海上風電柔性直流送出系統（海上風電場、海上升壓站、海上換流站、陸上換流站）作為整體調度對象設計集控系統，并從工程經濟性角度，提出了海上風電柔性直流送出一體化監控系統和陸上換流站監控系統同站址建設的工程建設模式。

該一體化監控系統由柔性直流控制保護系統［12］、升壓站監控、風功率預測、風機監控、故障錄波、保護及故障信息管理、電能量計量、設備狀態在線監測、視頻及環境監控、海纜監測等多個子系統共同組成，其總體架構如圖1所示。

1.1 海上風電柔性直流送出一體化監控系統

海上風電柔性直流送出一體化監控系統主要設備由系統服務器、前置服務器、監控Ⅰ區工作站、同步相量測量系統主機、監控Ⅱ區工作站、綜合應用服務器（兼前置服務器）、歷史數據服務器、電能量處理器、智能運維服務器、WEB服務器、智能運維工作站、數據通信網關機、一體化接口裝置（換流站部分、海上升壓站部分）、核心以太網交換機、二次安防等設備組成。

海上風電場、海上升壓站、柔性直流換流站控保信息、輔控信息根據各自系統安全分區分別通過站內光纜接入一體化監控系統各安全區。同時，一體化監控系統統一將各個區域調度所需信息匯集后接入調度數據網設備傳送至各相關調度端。廠站端可在一體化監控系統實現全區域的運維管理，也可分別在各區域子系統實現各自區域的運維管控。一體化監控系統采用雙局域網結構（圖1中僅示意單網），構成分層分布式的開放系統，其各區按功能分別組網，可分為生產控制區、生產非控制區、管理信息區。各安全分區內部使用獨立的數據網絡，安全分區之間橫向隔離，生產控制大區與電力調度數據網之間、管理信息大區與電力企業網絡之間設置縱向加密認證裝置。

圖1 海上風電柔性直流送出一體化監控系統架構圖Fig.1 Architecture diagram of integrated monitoring system for VSC-HVDC transmission of offshore wind power

1.1.1 生產控制區（安全區Ⅰ）

一體化監控系統Ⅰ區系統從陸上換流站控制部分和升壓站控制部分的一體化接口裝置上接收和處理Ⅰ區實時信息，換流站和升壓站上送的遙測、遙信、事件等信息直接送達監控系統的前置系統，并通過Ⅰ區通信網關機將風電場及換流站調度所需信息接入調度數據網Ⅰ區交換機發送至相關調度端運行人員，通過監控中心工作站對換流站和升壓站進行操作，遙控操作命令也通過監控系統前置網絡下發至換流站和升壓站執行。

1.1.2 生產非控制區（安全區Ⅱ）

根據二次安防相應規定，故障錄波系統、在線監測系統、保信子站、智能輔控系統、電能計量系統屬于安全區Ⅱ。換流站內和海上升壓站的故障錄波系統、在線監測系統、智能輔控系統、閥廳紅外測溫系統均僅在陸上換流站內設置系統主機，在陸上換流站、海上換流站、海上升壓站分別設置相應系統的采集裝置，各子系統采集裝置采集信息后通過海纜光纖專線傳至子系統主機。匯集后的換流站及海上風場相關信息，通過Ⅱ區通信網關機將調度所需信息發送至相關調度端；并將日常運維所需信息通過正向隔離裝置傳送至管理信息區智能運維服務器。

1.1.3 管理信息區

監控中心管理信息區由智能運維服務器、智能運維工作站和WEB服務器及組網交換機組成，其中智能運維服務器用于從監控網中調取實時數據信息以及接收換流站、升壓站和海上風機側視頻監控圖像信息［16-19］，智能運維工作站提供人機接口給工作人員實現就地運維，WEB服務器用于實現信息展示交互與發布功能。

1.2 柔性直流換流站

陸上換流站設置有工程師工作站、陸上換流站控制保護系統設備（含閥控、閥冷、輔助）、交直流電源系統、電度表、在線監測系統［20-22］、故障錄波系統、保信子站采集裝置、智能輔助控制系統、閥廳紅外測溫系統、海纜監測系統［23］、視頻監視系統。

海上換流站設置有海上換流站控制保護系統設備（含閥控、閥冷、輔助）、交直流電源系統、電度表及電能匯集裝置、在線監測采集裝置、故障錄波裝置、保信子站采集裝置、智能輔助控制系統采集裝置、閥廳紅外測溫系統前端設備、視頻監視前端設備。各類二次系統的采集裝置和前端設備均納入陸上換流站的對應二次系統統籌考慮。

1.3 海上升壓站

在陸上換流站設置海上升壓站對應的各二次系統的設備，包含工程師工作站、風機監控系統、AGC系統、升壓站綜合自動化系統、風功率預測系統、故障錄波系統、在線監測系統、智能輔助控制系統、視頻監視主機、視頻監視主機及前端設備。

海上風電場升壓站內設置有便攜工作站、風機監控系統、交直流電源系統、同步相量采集裝置、風功率預測采集、電度表及電能匯集裝置、在線監測采集裝置、故障錄波裝置、保信子站采集裝置、智能輔助控制系統采集裝置、視頻監視主機及前端設備。

1.4 中間傳輸鏈路層

中間傳輸鏈路層分別通過海底光電復合纜，設置兩對SDH光端機，用于海上升壓站至海上換流站、海上換流站至陸上換流站之間的信息傳輸。海上風電柔性直流送出一體化監控系統與調度中心之間，通過電力調度數據網進行傳輸。

2 海上風電柔性直流送出一體化監控系統功能要求

一體化監控系統由統一應用支撐平臺和基于該平臺一體化設計開發的集中監控應用組成，滿足升壓站、風電場、柔性直流站等新能源應用領域的一體化集控需求［24-25］。系統以實現數字化、自動化、智能化為目標，實現對所轄海上風電場、海上升壓站、海上換流站和陸上換流站數據的統一采集和集中監視，方便運行人員及時掌握各電站的現場情況、運行數據，加強海上風電場、海上升壓站和柔性直流換流站安全生產的實時監管和專業化指導，能夠實現各子站設備的遠程遙控和各系統運行狀態的遠程監視。一體化監控系統主要涵蓋了實時監視與控制、輔助監控及預警、生產運行管理及應用三大類應用功能，如圖2所示。

圖2 海上風電柔性直流送出一體化監控系統應用功能結構示意圖Fig.2 Application function structure diagram of integrated monitoring system for VSC-HVDC transmission of offshore wind power

2.1 實時監視與控制類

遠程實時監視應用實現對海上風電場、升壓站和換流站設備運行和電力生產情況的集中遠程監視、控制。

2.1.1 數據采集處理功能

海上風電柔性直流送出一體化監控系統采集的數據類型包括模擬量、開關量。模擬量包括風速、風向、光照、溫度以及電壓、電流、有功及無功功率、閥冷系統測量等電氣模擬量和非電氣模擬量；開關量包括事故總信號、斷路器及隔離開關的位置信號、設備狀態信號、柔性直流系統的狀態/運行方式/控制方式、閥冷系統的狀態信號等；重要繼電保護動作信號和各類故障信號。

2.1.2 控制調節功能

一體化監控系統能夠實現對海上風電場、海上升壓站、柔性直流換流站內開關、刀閘開合，改變變壓器的分接頭位置，投切無功補償裝置，直流運行方式和控制方式的轉換，直流功率調節等控制調節功能。操作控制權正常情況下設置在一體化監控系統，特殊情況下可切換至廠站層，操作控制權限控制點設在風電場。所有控制功能具有嚴格的分級操作原則和閉鎖邏輯：就地、間隔層、站控層、集中監控層，控制權限可實現分級保護。對各點的控制內容如下：

1）海上風電場控制；

2）海上升壓站控制；

3）柔性直流換流站控制。

2.1.3 防誤閉鎖

海上風電柔性直流送出一體化監控系統提供系統級一體五防功能，每次遙控操作均需檢測與所操作對象有關聯的設備，保證控制操作的安全。在一體化監控系統進行的操作進行防誤閉鎖判斷。系統集成一體化的站控層防誤閉鎖功能，能對運行人員的電氣設備操作步驟進行控制、判斷和分析，以確定該操作是否合法、合理、安全和正確。

2.1.4 功率控制監視

海上風電柔性直流送出一體化監控系統可以接收各廠站上傳的子站AGC系統數據，包括各廠站AGC調度指令、全站可增/減發有功量、全站可增/減發無功量、全站增/減有功閉鎖、全站增/減無功閉鎖、子站AGC運行狀態等信息，由一體化監控系統實現AGC相關數據的統一存儲、集中查詢、展示。

2.2 輔助監控及預警類

輔助監控及預警應用實現各廠站輔助設備數據采集，如風電場功率預測、升壓站在線監測、換流站在線監測、海纜監測等輔控系統，實現對各輔控系統進行的統一監視及預警。

2.2.1 風功率預測

受各種不確定因素的影響，中長期尺度的風功率預測應用場景相對較少，因此海上風電柔性直流送出一體化監控系統風功率預測主要實現超短期預測和短期預測，接入各海上風電場功率預測的信息，實現功率預測的統一管理：數據接入、誤差統計、查詢統計、數據存儲。

2.2.2 保信及錄波

保護及故障信息管理功能具備信息采集、數據處理及存儲，具備系統信息的故障波形分析、保護裝置運行管理、定值管理等應用功能。

2.2.3 智能化運維

海上風電柔性直流送出一體化監控系統智能化運維主要實現對海上風電場、海上升壓站、柔性直流換流站、交直流海纜等主要電氣設備的設備在線監測，以及對關鍵設備安裝地點以及周圍環境進行全天候的監測和圖像監視。利用智能視頻技術提升海上風電柔性直流送出系統各場站的無人值守水平和智能監督管理水平，以滿足電力安全生產的要求，以及場站安全警衛的要求。

2.3 生產運行管理及應用類

一體化監控系統的生產管理類應用是實現海上風電柔性直流送出系統調度規范化、流程化和一體化管理的技術保障。生產管理類應用主要包括生產運行、專業管理、信息展示與發布、風機關鍵績效指標、網頁發布等應用。

2.3.1 生產運行

生產運行應用主要包括：設備運行管理、設備檢修管理、運行值班管理3類功能模塊。

2.3.2 專業管理

專業管理應用包含專業管理報表、文件/規定/標準/規程/規范管理、知識管理3個功能模塊。

2.3.3 信息展示與發布

信息展示與發布應用實現系統運行信息、生產統計信息、分析統計報表、文檔資料等信息的展示和發布；提供各應用的操作界面及多維動態信息展示、資料搜索管理、分布式查詢、信息發布管理工具等展示手段和展示工具。

2.3.4 風機關鍵績效指標

風機關鍵績效指標著重于將遠程實時監視數據與風機各個部件相關聯，重點研究采集的各類數據中兩兩之間的關系，在目前的實際應用當中，常見的關鍵績效指標主要有：風機功率曲線、葉片變槳傾角。

2.3.5 網頁發布

一體化監控系統監控畫面支持B/S方式進行發布，可在客戶終端進行顯示，用戶通過網頁瀏覽看到的數據都是實時的，用于電站運維人員瀏覽、操作及生產管理使用。

3 海上風電柔性直流送出一體化監控系統通信方式研究

可靠的通信系統是海上風電柔性直流送出一體化監控系統穩定工作的關鍵。對于海上風電經柔性直流送出這種全新的工程模式，需要在梳理各通信對象交互需求的前提下，研究各通信對象間的通信通道組織關系，并結合現有設備研制水平，研究適用于各通信通道的通信規約。

3.1 通信通道組織關系研究

海上風電柔性直流送出系統信號交互對象可以分為海上風電場、海上升壓站、海上換流站、陸上換流站、一體化監控系統等。按照通信對象的位置分布，物理通信通道只在風電場與升壓站、升壓站與海上換流站、海上換流站與陸上換流站、陸上換流站與一體化監控系統。各類業務通信物理通道如表1所示。

表1 各類業務通信物理通道Tab.1 Physical communication channel of various bussiness

3.2 通信規約

海上風電柔性直流送出工程中多數系統數據均可通過統一的通信協議傳輸信息，基于現有技術水平，風電場中風電監控數據可采用IEC 60870-5-104［26］規約，各站點監控系統數據可采用IEC 60870-5-104［26］規約，同步相量數據可采 用IEC60044-8 FT3［27］規約，控制保護系統信息可采用IEC60870-5-103［28］規約，故障錄波信息可采用IEC61850［29］或者 IEC 60870-5-103［28］規約，電能采集系統信息可采用IEC 60870-5-102［30］規約，風功率預測數據可采用SFTP協議、視頻監控系統信息可采用SIP協議。

輔助系統及在線監測各個子系統多為分散獨立運行、廠家眾多，沒有形成監測信息統一的傳輸規范。根據場站現有輔助運行設備的功能和通訊接口調研情況，各子系統底層數據采集多采用Modbus通訊協議，為實現通訊接口規范和規約的統一，建議采用IEC 61850協議進行統一系統建模。

4 海上風電柔性直流送出一體化監控系統安全分區

根據電力監控系統安全防護相關規定，海上風電柔性直流送出一體化監控系統分為生產控制區、生產非控制區、管理信息區。

1）生產控制區：安全區Ⅰ包括柔性直流控制保護系統、風機監控系統、風電場綜合自動化系統、同步相量測量系統、AGC系統、交直流電源系統。

2）生產非控制區：安全區Ⅱ包括故障錄波系統、設備在線監測系統、保信子站、智能輔助控制系統、閥廳紅外測溫系統、電能計量系統、海纜監測系統。

3）管理信息區：包括視頻監控系統、智能運維系統。

橫向隔離要求：生產控制區和生產非控制區之間由于數據交換較多，通信則設置具有訪問控制功能的網絡設備、防火墻或相當功能的設施，實現邏輯隔離；生產控制大區與管理信息區之間通信，則設置電力專用橫向單向安全隔離裝置。

縱向安全防護要求：生產控制大區與電力調度數據網的縱向連接處設置雙向縱向加密認證裝置；管理信息區與電力企業網絡之間設置防火墻、VPN和租用專線等方式；同屬于控制區或非控制區或管理信息大區的各系統之間、不同位置的網絡之間若采用專線通信則設置一定強度的加密認證措施。

5 運行提質增效成效

海上風電柔性直流送出系統通常存在多家投資主體，各家業主各自為陣配置運行維護人力資源，帶來增加運維成本、運維標準不統一、運維技術手段不全面、工作接口不清晰等問題，對于海上風電設備的運維缺乏宏觀的統籌與整體規劃，增加了調度管理的難度。運用海上風電柔性直流送出一體化監控系統實現集中式運維，將多個海上風電場風機及輸變電設備在同一平臺下統一監控、統一管理、操作和調度，減少了受控海上風電場運行人員名額。此種運維方式有利于技術人員共享技術支持，打破了各個不同子系統之間的互相孤立，促進系統信息融合，對各系統數據進行挖掘整合，減少運維工作量和提升降低運維效率。一體化監控系統的運用，其對運行的提質增效的效果直接體現在運行人員配置方面，如圖3所示。

圖3 運行人員配置變化圖Fig.3 Operation personnet change chart

6 結語

海上風電柔性直流送出一體化監控系統將分散的各類二次子系統信息在一個系統平臺內整合，實現對海上風電場、海上升壓站、海上換流站、陸上換流站、交直流海纜的監視與控制，并對各類數據實施統一管理，將海上風電柔性直流送出系統各遠動信息上送至電網調度中心，并接受電網調度的統一調度指令。該系統為海上風電柔性直流送出系統的統一協調管理提供了有力的支撐。