一種海上風電站的錄波集中運維管理系統

孔先鑫，欒慶武，岳 蔚

（國電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518055）

0 引言

數據顯示，2021 年，全國風電并網發電裝機容量3.3億kW，同比增長16.6%左右，相比2016年底實現了翻番，連續12 年穩居全球第一［1-4］。其中2021 年全國海上風電裝機容量2 639 萬kW，相比2020 年，新增裝機規模幾乎翻番，海上風電裝機躍居世界第一。即使2021 年底海上風電的補貼到期，在碳達峰、碳中和目標的驅動下，江浙、山東、廣東等沿海地區還在加緊推進海上風電項目的建設，增加清潔能源占比。

海上風電站由風力機組、海上升壓站、集控中心三大部分組成，多臺風力機組所發的電能通過海纜匯總到升壓站，將電壓升高，然后輸送到岸上的集控中心并網，通常風力機組離岸距離超過10 km，海上升壓站布置在風機群中部且離岸距離近的地方，這樣整個場區集電線路長度最短、線損最小［5］。即便如此，風力機組到升壓站海纜長度最短2 km，最長預計30 km 左右。集電線路一旦發生故障，排查海底線纜故障成本高、時間長、難度大等問題都將影響故障的處理［6-9］。升壓站一般都是無人值守，因此需要運行人員前往海上升壓站從故障錄波裝置調取故障波形，查看故障時刻電壓電流、故障相別、故障測距、分析故障原因等，然后安排人員前往相應海纜海域下水檢查，如遇天氣不好，則需延遲前往升壓站排查，這樣大大增加了故障處理時間［10-13］。部署在集控中心的錄波集中運維管理系統很好地解決了上述問題，當集電線路發生故障時，通過錄波集中運維管理裝置直接調取海上升壓站內所有錄波裝置的波形，查看分析故障原因、故障相別及故障測距等，大大降低了人力、物力和時間成本。

1 原理分析

故障錄波器是海上風電場升壓站重要的二次設備，用于自動、準確、完整地記錄電力系統發生故障時，故障前、后一段時間內各種電氣量的變化情況，并通過分析這些電氣量，判斷繼電保護和斷路器的動作情況，及時發現設備缺陷，提升系統安全運行水平［9］。錄波集中運維管理系統可以實現遠程對海上風電站故障錄波器進行實時管理，維護，調試功能［14］。

海上升壓站內一般安裝多套獨立的故障錄波器，用于對線路和主變設備電氣量實時監控，岸上集控中心安裝一套故障錄波集中運維管理裝置。遠端的故障錄波集中運維管理裝置在物理層上通過海底光電復合纜與海上升壓站內多套故障錄波器裝置連接［15］，如圖1所示，在應用層，通過定義的一種與海上故障錄波器兼容的通信規約進行交互，實現對海上故障錄波器的運維管理。

圖1 海上風電站示意圖Fig.1 Schematic diagram of offshore wind power station

故障錄波集中運維管理系統實現遠端監控及維護功能，基于中央處理系統采用多線程處理方式，由數據系統處理不同故障錄波裝置上送的數據，實時監控站端向量數據；配置系統完成海上錄波裝置的配置同步功能，實時同步海上錄波裝置和集控中心管理裝置的配置；存儲系統完成包括日志、波形、數據等的存儲及調取，以閃存方式存儲數據，利用壓縮方式保證文件存儲的可靠性及空間的合理使用；自恢復系統在裝置異常故障情況下觸發，嘗試復原系統文件；人機系統為用戶提供了友好的操作、數據展示和故障分析界面，這也是用戶體驗的核心系統，它完成與用戶交互的所有命令反饋；時鐘系統完成時鐘同步服務，是提供有效的實時數據和故障問題定位的前提條件。

2 裝置框架

故障錄波集中運維管理裝置采用高可靠雙核CPU全嵌入式架構硬件平臺，搭配8 G DDR2 RAM 內存和128 G 固態硬盤。整機箱為標準2U 高度，裝置正面使用3 個運行指示燈簡潔面板；裝置背面擁有4 個外置USB3.0接口、6個10 M/100 M/1 000 M自適應網口、6組告警輸出接點、1 個IRIG-B 對時接口、1 個VGA 接口，如圖2所示。

圖2 裝置架構Fig.2 Device architecture

主CPU 插件采用D525，Atom D525 是雙核心四線程CPU，主頻1.80 GHz，同時支持DDR2、DDR3 兩種內存規格，熱設計功耗卻依然保持在13 W。作為錄波集中運維管理裝置最核心的部分，這款CPU的搭配提供了一個強大的數據處理和通訊平臺，極大提高了記錄單元數據的吞吐能力、處理實時性動態響應特性。

軟件方面，故障錄波集中運維管理系統與海上錄波器交互規約采用兼容擴展方式，主要的交互命令包含：召喚錄波文件、召喚配置、修改配置、同步配置、查看錄波間隔電氣量、錄波器運行狀態、實時波形信息、升級程序版本等，軟件框架如圖3所示，通過這些人機服務可以實現對海上錄波器的遠程運維管理。存儲服務用于存儲故障錄波的數據、波形文件和配置文件，其中波形文件包括暫態和穩態文件，暫態文件是不定時、大小隨機、分散的，因此分配指定磁盤分區存儲，便于用戶查找，也可以直接通過軟件界面打開查看；穩態文件特點是大小一致、時間固定，因此按照時間、錄波裝置、存儲分區等規則，采用多級目錄方式遞進式存儲，便于系統維護及存儲空間循環利用。

圖3 軟件架構Fig.3 Software architecture

3 裝置功能

由故障錄波集中運維管理裝置、分析管理單元、采集記錄單元組成的故障錄波系統工作示意圖如圖4所示。

圖4 故障錄波系統Fig.4 Fault recording system

分析管理單元和采集記錄單元分布在海上變電站，實現就地數據采集顯示和波形分析功能。錄波集中運維管理裝置分布在路上集控中心站，實現對海上故障錄波裝置數據、波形和報文文件的調取，包括流量統計、向量數據、配置管理、定值管理、文件管理、事件管理、裝置信息等功能模塊。

3.1 數據展示模塊

數據展示模塊包括：流量統計、向量數據和裝置信息三部分。通過流量統計和向量數據界面可查看每個采集端口、SV 塊或GOOSE 塊的包計數、包速率、流量統計、端口負載等信息以及線路、母線的電壓相量、電流相量、功率、序量、頻率等信息，如圖5 所示，通過裝置信息界面，可查看海上錄波裝置的軟件版本、電壓狀態、對時狀態、存儲磁盤狀態信息。故障錄波裝置的主要任務是記錄大擾動發生前后的系統電壓、電流、頻率、開關位置和跳閘信號的變化全過程，是繼電保護動作行為及分析設備故障性質和原因的重要依據。實時、準確、完整反饋現場一次設備的電氣量是判斷繼電保護和斷路器的動作情況，及時發現設備缺陷的基礎。

圖5 向量數據Fig.5 Vector data

3.2 配置模塊

配置模塊包括：配置管理和定值管理。該模塊主要用來完成數字化功能的配置，包括海上故障錄波裝置地址配置、全站SCD 導入配置、SV、GOOSE、MMS 監測配置、變比配置、錄波通道選取、錄波通道配置、錄波啟動定值等。海上錄波裝置計算配置文件“settings”的校驗和存儲，通過短幀報文方式實時上送至錄波集中運維管理裝置，錄波集中運維管理裝置計算本地配置文件的校驗和存儲于緩存區。當緩存區找到指定報文幀頭的報文時進行對比校驗，校驗通過則配置同步，校驗不通過，由操作員進行干預，如果以海上錄波器為基準，則進行召喚配置操作替換本體配置；如果以錄波集中運維管理裝置為基準，則進行下裝配置操作替換海上錄波裝置配置，完成配置同步。如緩存區未找到指定報文幀頭的報文時，等待1 min 緩存區數據，如果有新數據則添加到緩存區結尾繼續匹配，無新數據則清空整個校驗數據緩存區，在錄波集中運維管理裝置顯著標識，如圖6所示。

圖6 同步配置示意圖Fig.6 Schematic diagram of synchronization configuration

3.3 文件管理模塊

文件管理模塊包括：文件管理和事件管理。該模塊可檢索查詢歷史報文、暫穩態錄波、故障錄波事件、網絡事件、變位事件、運行事件等，可根據需要下載對應報文文件及錄波文件。報文文件采用通用數據包pcap 格式存儲，可使用報文分析工具打開查看或者拷貝出來用wireshark 等分析軟件分析；錄波文件采用IEEE 標準電力系統暫態數據交換通用格式（COMTRADE）存儲，包含DAT、CFG、HDR、DMF、INF 5個文件，記錄故障前后電氣量和非電氣量的數據以及錄波配置等信息［16］。錄波分析工具用于讀取COMTRADE故障錄波文件，并將打開的歷史數據以波形、表格等形式直觀表現出來。

1）錄波分析工具主視圖的分割線左側是名稱視域，用于顯示通道名稱的相關信息；分割線右側是波形視域，用于顯示數據波形，如圖7所示。錄波分析工具主要有常規分析、路線分析、變壓器分析3大分析功能，常規分析包括波形向量分析、工頻變化量分析、序分量分析、頻率分析、分周期分量分析、諧波分析、功率分析等。線路分析包括故障測距和阻抗分析。變壓器分析包括縱差分析、自耦變分差零差分析和過激磁分析。

圖7 波形工具示意圖Fig.7 Schematic diagram of waveform tools

2）報文分析工具主視圖分為報文分組列表區、報文簡略信息列表區、報文詳細信息分析區，如圖8 所示。報文數據文件通常都比較大，包含成千上萬個報文，查找起來比較困難，可以通過查找定位與過濾功能定位報文?？稍O定的報文關鍵字有：時間、時間差（us）、APPID、SamCnt、源地址、目標地址、協議、長度等，如果需要快速定位特定報文時，選擇好關鍵信息后點擊確認即可快速定位到符合條件的報文。在過濾命令行設置報文過濾規則，然后點擊應用，即可在報文簡略信息列表區顯示出符合過濾條件的報文列表。例如“goose.appid == 0x4001”即可篩選出所有appid 為0x4001的GOOSE報文。

圖8 報文工具示意圖Fig.8 Schematic diagram of message tools

3.4 數據壓縮與存儲

故障錄波集中運維管理裝置與海上錄波器遠傳通信交互規約采用兼容擴展方式，使用專有端口號進行通訊，該通訊方式具有傳輸速度快、費用低、安全性高的優勢，保證了數據傳輸的安全、快速。

集中運維管理裝置系統采用1T 大容量串口硬盤作為存儲介質，同時配備硬件壓縮芯片，實現了海量數據高效完整存儲，以滿足用戶對歷史數據查看的需求［16-19］。在硬件設計方面，主處理器通過2.5 Gbps 的PCI express 總線擴展了一個硬件壓縮模塊，模塊中的壓縮芯片選用的是8201B-F。該芯片的數據傳輸速率最高可達1.2 Gbps，可支持LZS 和GZIP 兩種壓縮算法核心。集中運維管理裝置使用GZIP算法核心，它兼容RFC1951 和RFC1952 標準，同時支持動態Huffman 算法，可實現很高的壓縮比。

在軟件設計方面，數據壓縮與數據存儲通過兩個獨立的線程實現，即數據的顯示、分析、壓縮、存儲之間均相互獨立。裝置分配128 M緩存塊提供數據臨時存儲，當數據線程忙碌堵塞時，會動態調整緩存塊的大小，以優先滿足分析顯示功能，可最大程度提高運行效率，降低數據延遲，保證裝置運行的可靠性。

4 應用場景

故障錄波集中運維管理系統可解決海上風電站面臨的一系列技術難題，為運行人員提供功能全面、技術先進、方便快捷的監控手段，為運行人員提供功能全面、技術先進、可靠性高、使用方便的裝置，為變電站的安全穩定運行提供可靠的保障［20-23］。結合其功能特點和風電站的發展情況，其應用可以進一步擴展。首先在海上風電站應用優勢明顯，其次在陸上風電站、分布式光伏發電站、潮汐發電站等場景均能發揮重要作用［9］，起到降低運維成本、提高事故處理效率，保證變電站的安全可靠運行，綜合應用場景如圖9所示。

圖9 應用場景Fig.9 Application scenario

而相較傳統的繼電保護信息子站，故障錄波集中運維管理系統具有成本低、配置簡單、操作方便和分析全面等優勢［9］，已應用于包括亞洲最大海上風電場-華能如東300 MW海上風電場、華能射陽300 MW海上風電等在內的多個風電項目。如圖10所示，我國海上風電站近10年來的裝機容量增長趨勢迅猛，近兩年更是以成倍速度突破。隨著我國以新能源為主的變電站不斷加速建設，新型電力系統運維要求也在不斷提高，錄波裝置作為變電站的重要組成部分，故障錄波集中運維管理系統的作用也更加突顯，可以給運維提供重要的輔助手段和技術保障。

圖10 海上風電裝機容量Fig.10 Installed capacity of offshore wind power

5 結語

海上風電開發難度遠大于陸上風電，而深遠海的海上風電場又是極具活力的新興產業［9］，因此對繼電保護運維技術要求更高，標準更嚴格。故障錄波集中運維管理系統通過電力數據網與海上錄波器組成錄波專網，在統一的人機界面下實現對各區域海上故障錄波器錄波數據集中采集、分析及存儲管理，為繼電保護、調度人員及時、準確地掌握電網故障情況提供了依據，提高了故障處理速度及事故分析水平，從而促進電網運行管理水平的發展，提高電網運行的經濟性。