適用于海上風電場的智能海上升壓站優化設計研究

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 高玉青 楊林剛 馬潤澤 徐 晗 徐志輝

當前，能源發展正處于深刻變革和重大調整的關鍵時期。到2020年底全國風電累計裝機2.81億千瓦，其中海上風電累計裝機約900萬千瓦。在30·60碳達峰、碳中和目標下，可再生能源發展將成為剛性需求。海上風電目前處于蓬勃發展的時期，大量的海上升壓站將會隨之出現。

海上風電機組和海上升壓站通常按“無人值班”方式運行，通過光纖通信，在陸上開關站進行實時遠程監控，對于監控和通信系統的要求更高。已投運的海上風電場的海上升壓站也都是按常規站建設的，海上升壓站建設在離岸較遠的海上，受制于距離、環境、交通工具的約束，缺乏智能化的遠距離診斷、預警及處理的手段，給站內設備的調試、運行維護等工作帶來了較大的挑戰。因此，亟需對海上風電場升壓站的智能化相關技術進行深入研究，滿足智慧風電場建設的發展趨勢[1]。

本文通過分析海上升壓站的技術特點，提出適用于海上升壓站的智能化設計網絡架構；通過優化海上升壓站二次設備布置方案，減少二次設備室的占地；提出適用于海上的智能化巡檢系統，為后續項目建設和運維提供有力保障。

1 傳統海上升壓站配置方案

海上風電場主接線主要包括風力發電機組、海上升壓站和陸上開關站，風機經機組升壓變升壓后，由35kV 海纜匯集至海上升壓站35kV 母線，經海上升壓站主變升壓至220kV 后，經220kV 海纜連接至陸上開關站，通過220kV 輸電線路連接至系統變電站[1]。

常規的海上升壓站綜合自動化系統分為站控層和間隔層兩層，一次設備的模擬量通過電纜將模擬信號傳輸到測控保護裝置采集，裝置對模數轉換后的數據進行處理，然后通過規約轉換裝置與后臺監控系統通信；同時，監控系統和測控保護裝置對一次設備的控制通過電纜傳輸模擬信號實現其功能，需要大量的電纜，存在采集資源重復、存在多套系統、廠站設計、調試復雜、互操作性差、標準化規范化不足等問題。此外，海上站二次屏柜和控制電纜眾多，柜體及電纜橋架占地大，增加了施工安裝及電纜敷設的工作量，同時也增加火災的風險。

目前，海上風電升壓站除了傳統的測控、保護系統外，還部署有各類輔控系統，實現對升壓站的環境、暖通、消防等進行監視控制，上述各系統獨立運行，導致服務器和工作站數量繁多，建設成本高，維護工作量大；數據交互未能真正融合。

2 智能化海上升壓站配置方案

2009年5月國家電網公司提出了建設堅強智能電網的發展目標，2019年國網啟動了首批7座智慧變電站（第三代智能變電站）的試點建設。智能變電站技術經過多年的研究不斷發展完善，并通過國網系統內持續多年的大規模應用，解決了發展中碰到的各種問題，證明了其運行的高度可靠性，已經具備了在國網系統外推廣應用的條件，這為海上升壓站智能化的應用打下了堅實的基礎。

2.1 網絡架構優化

智能海上升壓站一體化監控系統由站控層、間隔層、過程層設備組成，并用分層、分布、開放式網絡系統實現連接，采用三層設備兩層冗余的網絡結構[2]。

站控層設備由主機兼操作員工作站、遠動通信裝置、狀態監測及智能輔助控制系統后臺主機以及網絡打印機等構成，通過網絡完成與間隔層之間的信息交換，實現全站監控、數據管理及處理功能；間隔層包括測控裝置、繼電保護裝置、安全自動裝置、故障錄波及網絡記錄分析裝置、電能計量裝置等設備。

獲取過程層各設備的運行信息，從而實現對過程層設備的遙測、遙信、遙控、遙調等任務；過程層設備主要包括電壓互感器、電流互感器、合并單元以及智能終端。完成海上升壓站電氣設備信號采集和控制，實現一次設備智能化。

2.2 設備布置優化

海上智能升壓站設備布置的優化設計，主要包括以下方面。

二次機柜采用旋轉柜，柜后靠墻，合理減少平臺的面積，節約投資；智能終端和合并單元分散布置于配電裝置現場。間隔層設備分散布置于配電裝置現場，減少二次設備室的機柜數量，節約二次設備室面積，縮短了間隔層與過程層通信距離，減少光纖長度和施工工作量。

就地化保護測控裝置貼近一次設備就地安裝，直采直跳。信息傳輸采用三網合一（SV、GOOSE、MMS）模式，傳輸各間隔電壓電流和開關量信息、保護動作信號，實現海上升壓站數據共享。在滿足“可靠性、速動性、選擇性、靈敏性”的基礎上，實現一鍵式下裝、模塊化安裝和更換式檢修，提升設備整體運維水平。

就地化保護配置方案可減少保護控制屏柜數量，為海上升壓平臺的小型化、模塊化、智能化奠定堅實的基礎；結合智能海上升壓站控制電纜大幅減少、光纜增加的情況，優化二次電（光）纜橋架，有利于海上升壓站防火設計。

2.3 巡檢系統智能化

主變、斷路器、避雷器等設備狀態監測的應用，實現了一、二設備的狀態檢修。智能輔助系統對海上升壓站視頻系統、安防系統、消防等輔助設備進行集成，智能巡檢系統主要由巡檢主機、軌道式機器人、視頻攝像頭等組成[3]。在繼保室、35kV 開關柜室等設置軌道式巡檢機器人（圖1），在電氣設備附近設置高清晰攝像頭組成的視頻監控系統。采集變壓器、斷路器等設備狀態，二次柜上操作把手、壓板、指示燈、空開等位置狀態指示，一次設備重點部位的紅外圖譜數據。利用圖像識別技術進行智能分析，自動判斷設備的運行狀態、自動判斷設備是否存在過熱缺陷等[4]。

圖1 35kV 開關柜室智能巡檢機器人系統示意圖

采用智能巡視系統對全站設備進行日常巡視，提高海上升壓站的安全性、運行維護的方便性，滿足海上升壓站集中控制、無人值班的要求，目前已成功應用于三峽江蘇大豐海上風電場和國電投濱海南H3海上風電場項目。

3 設計方案對比

本文以三峽江蘇大豐海上風電場為例，海上升壓站電壓等級為35/220kV，35kV、220kV 均采用單母線分段接線、2臺三相三繞組變壓器、2回220kV 海纜出線、12回35kV 風機進線，傳統海上升壓站與智能海上升壓站設計方案的對比如表1、表2所示。

表2 海上升壓站設計方案經濟性對比

從表1可以看出，經過合理規劃，智能站與常規站的初期投資相差不大。智能站需為高壓間隔配備合并單元及智能終端（如采用合智一體化設備，還可進一步減少投資）；同時需建立過程層網絡，配置交換機和光纜，這會增加一些投資。智能變電站的信息一體化平臺及其基于此平臺的高級應用軟件也會增加投資，但可節省各類子系統的監控設備投資，也會減少后期的安裝及系統運維費用。隨著海上升壓站設備整體智能化水平的提高，可提高運行維護效率，延長設備檢修周期，減小檢修頻率及費用，智能化站的效益逐漸顯現。如配套智能巡檢系統，將會進一步提高運維水平。

表1 海上升壓站設計方案技術性對比

運行維護成本包括風電場一、二次設備維修、巡視、檢修，站用電、就地操作等費用。將優化方案的運行檢修數據與常規方案的運行檢修數據進行對比，預計優化的海上風電場設計方案中運行檢修等綜合費用較傳統方案可大為減少。其中優化方案通過在線狀態監測技術降低一次設備故障率，減少設備維修次數和時間，可降低風電場維修成本。信息一體化平臺綜合了各子系統，減少運維的廠家數，運行維護費用明顯減小。總之，海上升壓站智能化的投資收益會隨著運行時間的增加更明顯。

此外，智能化海上升壓站二次系統設計方案采用一體化信息平臺的設計模式，將原海上升壓平臺站控層監控系統統一集中到陸上集控中心，實現一體化的監視控制，簡化了網絡拓撲結構，降低了交換機的使用數量及級聯復雜程度，大大提高了通信網絡的可靠性。優化方案通過使用在線監測技術以及其它相關高級應用，有效提高了一次設備的可靠性和安全性。

4 結語

本文調研分析了海上風電場升壓站的特點和配置方案，提出了海上升壓站智能化系統的總體方案，明確了系統的網絡架構、主要功能的技術要求；通過優化二次盤柜的布置及保護測控裝置就地化，以減少二次設備室的占地面積，簡化了設備連接電纜；提出了就地化保護的配置方案,提升保護動作的可靠性；通過配置巡檢機器人，實現了海上升壓站的智能化巡檢；最后對海上智能化升壓站的技術經濟性進行對比分析，為后續項目試點建設提供了決策依據。

智能海上升壓站的建設既是逐步使各升壓站具有智能化的過程，也是一項復雜的系統工程，需要一系列新技術、新設備的支撐，因此必須在新技術研究和新設備制造方面取得重大突破。目前，泛在電力物聯網的“全面感知”技術的應用和發展，給智能海上升壓站的建設帶來了不可忽視的影響，對此應密切跟蹤和深入研究。智能海上升壓站是“智慧風電場”的重要組成部分，通過基于狀態的智慧化運維，能夠降低海上升壓站的運維成本，實現海上升壓站設備的全生命周期最優。