風力發電場發展趨勢及集中監控系統解決方案

江蘇安科瑞電器制造有限公司 范宏博

作為清潔能源之一，風力發電場近幾年裝機容量快速增長。8月17日，國家能源局發布1-7月份全國電力工業統計數據。截至7月底，全國累計發電裝機容量約27.4億千瓦，同比增長11.5%。其中，太陽能發電裝機容量約4.9億千瓦，同比增長42.9%；風電裝機容量約3.9億千瓦，同比增長14.3%。風力發電場分為陸上風電和海上風電，一般地處偏僻，安裝比較分散，環境也比較惡劣，因此風電場需要一套遠程監控系統，便于運維人員管理風電場運行。

1. 風力發電場的電氣設備

每臺發電機組的頂部機倉配備有一個渦輪發電機，前端是可調整角度的風葉，系統可根據不同的風力狀況來調整風葉的傾斜角度，風葉一般的轉速為10～15轉/分，通過變速箱可調節到1500轉/分的轉速驅動發電機。在機倉里同時也配置一臺工業 PLC用于控制及相關數據采集，通過PLC采集風速、風向、轉速、發電有功功率及無功功率等相關數據，并通過采集的數據對發電機進行實時控制。陸上在風機塔底端還設置箱變負責升壓和匯流，根據功率和地理條件，多臺風機一次升壓后并聯匯流接入升壓變電站，通過升壓變壓器進一步提升電壓后并入大電網為電網輸送電能。風力發電場的電氣接線示意圖如圖1所示。風機發出的電壓一般為0.69kV，經過箱變升壓為10kV或者35kV，多臺并聯匯流后接入升壓變電站的低壓側母線，再次經過主變壓器升壓至110kV或者更高電壓等級后接入電網。

不同于陸上風電，海上風電由于環境惡劣（高濕度、高鹽密度），用于一次升壓的干式變壓器集成在風機的機倉內，這樣既解決了整個機組的占地面積問題，又避免了將變壓器安裝在較低位置所帶來的防護困難問題。

2. 風力發電場的保護和測控設備

風力發電場從風機發電-升壓箱變-匯流-升壓站中壓母線--主變壓器-升壓站高壓母線--高壓出線--電網并網，中間需要經過兩次升壓后并入電網，電氣設備的數量和種類比較多，任意環節出現故障都會影響風力發電場的正常運行。因此需要在風力發電場的各個環節設置保護和測控裝置，監測風電場的運行狀態。圖2為風力發電場的保護和測控裝置配置示意圖。

2.1 箱變測控裝置

在陸上風力發電場為降低線路損耗，一般在風機旁配置0.69/35(10)kV箱式升壓站。風電場各風機間距達數百米，離集控室較遠；升壓變均處于空曠的野外，自然環境比較惡劣，不方便人工巡視，使得箱變測控成為風電場的監控難點。箱變測控裝置是風電場監控系統的核心部分，對箱變實現智能化管理。箱變測控裝置能夠對風電箱變進行保護和遠程監控，實現“遙信、遙測、遙控、遙調”功能，大大提高風電場的運維效率。

AM6-PWC箱變保護測控裝置針對風電及光伏升壓變不同要求的集保護、測控、通訊一體化裝置，其功能配置如下表所示。

2.2 低壓側線路和母線保護測控

多臺風機經過第一次升壓為35(10)kV后并聯為一個回路接入升壓變電站低壓側母線，當風電場風機數量比較多時，匯入升壓變電站低壓側母線的線路也比較多。為了實現監測，線路配置線路保護裝置、多功能測控儀表、電能質量監測裝置、無線測溫裝置，實現對線路電氣保護、測量以及溫度的實時監測，低壓側母線設置弧光保護裝置

表1 低壓側線路、母線保護測控配置

2.3 主變壓器保護測控

風機發電在低壓側母線匯流后經過主變壓器升壓至110kV并入電網。主變壓器配置差動保護、高后備保護、低后備保護、非電量保護、測控裝置及變壓器溫控、檔位變送器，實現對主變壓器的保護測控功能，集中組屏安裝。

2.4 高壓線路保護測控

風力發電場發出的電能經過兩次升壓至110kV后并入電網，110kV線路配置光纖縱差保護、距離保護、防孤島保護、測控裝置等。

3. 風力發電場監控系統

風力發電場監控平臺實現對風電場的運行狀態和風機的實時數據進行監測、控制和管理，提高風電場的可靠性和運行效率，降低維護成本，實現智能化管理。

風力發電場占地面積比較大，設備分散，系統對數據通訊可靠性和實時性要求比較高。在具備條件的情況下采用光纖冗余環網進行數據采集和通訊，也可以采用LORA無線方式進行數據傳輸。

風機機組PLC和箱變測控裝置數據通過光纖環網上傳至控制室數據服務器，升壓站綜合自動化系統數據通過以太網上傳數據服務器，多功能儀表、無線測溫、溫度變送器、檔位變送器、直流系統以及其它智能設備接入通訊管理機上傳數據服務器，如圖4所示。

3.1 風場監控

對整個風電場風機的基本參數（包括風速，功率，轉速等）的綜合展示，并且可通過遠程控制單個或多個風機的啟停，實現對每個風機的日發電量，月發電量，年發電量的監控，便于實時監視風機的運行狀況。

1.1 機組監控

對機組內的各個控制模塊的參數以及控制狀態的監控，模塊包括：變槳，偏航，齒輪箱，發電機，液壓站，機艙，變流器，電網，安全鏈，轉矩，主軸，塔基，測風儀等。實現對每個模塊的參數、故障及趨勢圖的綜合展示。

1.2 實時數據顯示

風電場內的風機、變電站等設備都配備傳感器和監測設備，能夠實時采集設備的運行電氣數據、溫度、振動等參數，異常時及時預警。

1.3 功率管理

對有功參數和無功參數的展示、有功與無功的控制調節等功能，切實可行的降低企業的運營成本，為實現節能減排的目標提供數據支撐。

1.4 生產報表

對風電量、風場性能指標、機組新能等重要參數進行報表功能的顯示和，支持按照時間維度（日、月、年）統計各風電場設備的運行情況。按日、月、年的查詢方式，對重要參數進行分類分項統計，并生成報表。

1.5 統計分析

支持多種統計分析功能，充分挖掘數據潛在價值，提供節能優化方案，為管理者提供決策依據，切實可行的提高企業的管理水平，并且實現節能減排、科學生產的目標。分析方式包括：故障統計，功率曲線，可利用率統計，風玫瑰圖，風速功率報表，月日利用率以及停機時間統計等。