风电场电气二次系统组网设计.pdf

风电场电气二次系统组网设计 本文主要针对风电场二次系统设计进行研究 通过分析风电场二次系统的 特点 并结合宏腾能源西乌风电场一期工程的实际情况 提出一个全新的基于 标准规约的数字化风电场二次系统设计理念 对风电场二次系统进 行组网设计 并对二次系统组网设计的网络配置 特点和存在问题进行论述 吴小青 薛立孙进西北电力设计院 随着煤炭 石油 天然气等常规 能源的日益紧缺 风能作为一种清洁 的可再生能源 越来越多的得到世界 各国的关注 风能利用的主要形式是 风力发 电 据 统计 截至年 全 国已累计安装风电机组台 装机容量万 风电场 多个 越来越多的风力发电机组的接 入 对电网运行的安全性和稳定性也 产生了重大的影响 因此 提高风电 场电气 自动化水平及运行管理水平 加深对风力发电机组控制系统设计研 究 具有十分重要的意义 风电场整体上分为两个部分 风 电场变电站部分和风场部分 风电场 变电站构架与常规变电站相同 目前 在我国 变电站的控制技术已比较成 熟 数字化变电站作为一种先进 安 全的设计方案 已有不少成功案例 针对风电场场区范围大 风力发电机 组分散分布的特点 将风电场箱变监 控系统和风力发电机组控制系统一起 纳入变电站控制系统 进一步实现数 字化风电场 成为一种全新的设计思 路 结合宏腾能源西乌风电场一期工 程实际对数字化风电场的二次系统方 案进行研究 一 工程概述 宏腾 能源 西乌风电场远景规划 一期工程安 装台单机 容量的风力发 电机组 装 机容量为 每台机组采用 一 机一变 单元接线方式 风力发电机 发出电量 经箱式变升压 至 经 条集电线路接入风场变电所 配电装置 每条集电线路台 风机 配电装置采用单母线接 线 伙 母线上装设自动无功补偿 装置 风场变电站 内本期设 置 一台 有载调压升压主变压器 主变 压器高压中性点采用经 隔离开关接地 方式 低压中性点采用经电阻接地方 式 配电装置采用变压器 一 线 年月号 目目四田回汤困 路组接线 以 权一级电压接入内 蒙电网 向北出线一 回 至巴 彦乌拉变电所 二 二次控制系统监控范围 根据风电场的特点 宏腾能源西 乌风电场一期工程设置两套相对独立 的电气控制系统一套为风力发电机 组监控系统 另一套为风电场变电站 监控系统 二者通过通信连接 风力发电机组监控系统 风力发电机监控系统由在线的各 风力发电机组的控制器和主控室中集 中监控装置组成 风力发电机组的控 制器系统包括二部分第一部分为计 算机单元 它的主要功能是控制风力 发电机组第二部分为电源单元 它主 要功能是使异步风力发电机组与电网 同期 集中监控系统的对象包括台 单机容量为的风力发电机组 风力发电机组监控系统可对风力 发电机组进行远方手动开机 手动停 机 马达启动 风力发电机组向顺时 针方向旋转或向逆 时针方向旋转 风 力发电机组在运行过程中 可持续监 视风力发电机组的转速 风力发电机 组的电流 功率及启停机开关状态 风电场变电站监控系统 风电场变电站监控系统的对象主 要包含风电场箱变和变电站二次设备 箱变的监控 监测箱变高低压侧电流 电压 高低压开关状态 变压器油温等必要 的报警信号 实现高低压侧开关远方 就地控制 变电站设备的监控 监控线路电流 电压 功 率及保护信号 线路断路器状 态和保护信号 隔离开关和接 地开关状态信号 变压器高低 压侧电流 电压 保护 非电量及有 载开关档位信号 监控母线电压 馈线电流 功率及保护信号及馈线断路器状 态 信号 监测直流 尸 系统报警及馈线 开关状态信号 计量仪表电能量信号 系统报警信号及其他电气控制系 统重要信号 三 电气二次组网系统设计方案 风力发电机组监控系统二次网络及 配置 对于分布分散的风力发电机组 根据其布置位置和集电线路的规划 分成条光纤通讯线路 每条通讯线 路包含台风机监控数据 每条通 讯线路内部网络拓扑为环 网 条光 纤通讯线路连接至变电站控制中心 光纤通讯线路与控制中心之间网络拓 乎 卜 图为星型网状拓扑 风力发电机组就地控制器 通过 就 地光口的光电转换器将 电 信号转换成 光信号 再由光缆 向远 方控制中心输出风机发电机组的功率 风速 保护及启停机开关状态等监控 信号 风力发电机组就地控制器和变 电站控制中心之间及风力发电机组监 控系统与变电站监控系统之间通过以 太网下协议进行数据交换 风电场变电站监控系统二次网络及 配置 风电场变电站监控系统由监控系 统主网 开关柜控制系统子网 箱变控制系统子网和其他非电气控制 系统通讯网络组成 监控系统主网 监控系统主网采用双光纤以太网 结构 以太网的网络拓扑采用全交换 星型网状拓扑 传统变电站监控系统采用了分层 分布式结构 即监控系统分为变电站 层和间隔层 变电站层包括监控 远动 五防闭锁等需要集中全站信息完成的 功能 而间隔层设备主要对应于一次 间隔设备的保护 测量和控制 间隔 层设备之间 间隔层设备和互感器及 开关刀闸等一次设备之间通过大量控 制电缆进行信号传输 本工程 结合风 电场 的实际布置 特点 电气二次 网络采用基于 标准提出了层次模型的自动 化系统网络结构 将监控系统分为变 电站层 间隔层和过程层 过程层主要完成电气设备电气 年月号 量的采集 电气设备状态量的采集及 操作控制电气设备的功能 由于现阶 段智能断路器及光 电互感器受技术 性 经济性的制约 本项目研究的断 路器 刀闸 互感器等一次设备暂不 具备实现数字化的条件 本工程采用 传统互感器 下 智能接口装置和 传统断路器断路 器智能接口装置 的方式 断路器智能装置与间隔层通 过网进行联系 尸丁智能 接口装置和间隔层通过 一 一 标准进行通讯 取消常规涉及 电流 电压 控制 信号等回路大量 二次控制电缆 由几根光缆代替 今 后随着数字化推广发展深化 智能断 路器及光电互感器技术成熟且经济合 理 可对智能断路器及光电互感器进 一步应用 间隔层主要由线路测控及保护 装置和主变测控及保护装置组成 测 控及保护装置保护装置采用保护 测 控分开的原则 保 护装置完全 支持 标准 具有实时的全站逻 辑 闭锁功能 支持方式实 现间隔层防误闭锁功能 组成面向两 个电压等级间隔 针对过程层的 基 于机制的控制网 以实现 断路器及进线断路器的 遥信 遥控及保护功能 并能与其它 应用交互信息 同时通过网 与过程层主变本体及有载调压智能接 口装置相连实现控制功能 间隔层设 备按标准组成双星型 以 太网与变电站层相连 变电站层由上位机系统 通信 管理系统 远动主站 装置等组 成 变电站层采用双光纤以太 双 网 完成人机接口及监控 管理功 能 风电场设备的对时功能 调 度信息的远传功能 开关柜控制系统子网 馈线综保 装置和母线 下 综保装置与配电装置一起安装 在开关柜中 综保装置同时具有测控 和保护功能 可直接采集 尸丁信 号 完成馈线断路 器的监控功能 伙 综保装置组成通讯子网 通过 与变电站监控系统主网相 连 风电场箱变控制系统子网 对于分布分散的风电场箱变 与 风力发电机组控制就地控制器一起 根据其布置位置和集电线路的规划 分成条光纤通讯线路 每条通讯线 路包含台箱变就地测控装置数据 每条通讯线路 内部网络拓扑为环网 条光纤通讯线路组成通讯子网 通 过与与变电站监控系统主 网相连 其他电气控制系统 其他电气控制系统包括直流系 统 系统 计量仪表系统 控制系统等 这些系统不一定 支持 标准 可通过 口应 用其他开放式协议与变电站控制系统 通讯管理机相连 实现信息交换 年月号 面且皿四口勿二通目 风电场电气二次网络及配置图见 图 四 电气二次系统组网设计的特点 网络化 所有的开关量 模拟量输入输 出逐步实现通过网络 的数字化传输 总体建立在通信技术规范 基础上 通过采用符合标准的数据建 模和通信服务实现间的信息共享 和互操作性 间隔层与变电站层设备 间采 用 一 一通信协议 间隔层与过程层 下智能接口 装置间采用眶 一一 等通信 协议 间隔层保护与智能接口单元采用 协议 一体化 馈线综保装置安装在户内 开关柜 风电场箱变测控装置按照在 变压器就地 实现一体化设计 馈线综保装置和风电场箱变测控装置 直接采集 尸 下信号 监控开关状态 可进一步省略智能接口装置 提高可靠性 采用双以太网 实现双网热备用 提高可靠性 过程层 间隔层 变电站层之间 用光缆连接 最大程度减少了电磁兼 容问题 提高电气设备的监控水平 对今 后运行 检修提供极大便利 提高经济性 风电场二次控制和保护系统统一 规划 最大程度的实现了信息共享和 系统集成 避免重复投资 减少二次 盘柜数量 减小继电器小室面积 同 时过程层 间隔层 变电站层之间用 光缆连接 基本取消了控制电缆 仅 增加了组网光缆 降低了投资 提高 了经济性 技术先进 由于是一个开放的 国际标准 其面向对象建模 抽象 通信服务等思想较为先进 并且标准 本身较好地兼顾了互操作性和可扩展 性 因而得到了许多其他领域的关注 从而让不再局 限于变电 站自动化系统内部 这些应用中比较 引人注目的有在风力发电方面 目 前已经形成了基于的 一 系列标准 规定了风电领 域的标准逻辑节点和公用数据类 还建立了一套使用的准 实时特定通信服务映射 在 以后风电场的扩建中 如果风力发电 机设备厂家采用 一 系列 标准 与风电场变电站控制系统就能 更好的实现数据全面共享 监控系统应该能识别来自站内或站外 的访问连接 同时采取必要的安全防 护措施 现可采用的安全防护措施分 为两类加密技术与防火墙 前者对 网络中传输的数据进行加密处理 到 达目的地 址 后再解密还原 为原始数 据 从而防止非法用户对信息的截取 和盗用 防火墙技术通过对网络的隔 离和限制访问等方法 来控制网络的 访问权限 从而保证综自系统的网络 安全 五 存在的问题 由于传统 的监控系统都是一个 独立系统 它们的安全性来自于它们 的硬件平台和逻辑结构与外界不 同 当采用了的综合 自动化 系统基于开放的 标准的网络技术 之上 带来的问题是可能导致计算机 控制系统的安全性降低 明确表示支持应用 这样 如果考虑风电场监控系统与用户办公 开放网络甚至相连 的情况 必须考虑连接安全问题 对 于电力系统这样一个要求高可靠性和 安全稳定性的系统而言 安全问题尤 其突出 因此对于采用了 的综合自动化系统的具体设计和实施 而言安全问题十分重要 要求风电场 六 结论 本文结合宏腾 能源西乌风电场 一期工程 对风 电场二次监控系统 进行组网设计 以光纤通讯 为手段 汇标准为基础 实现风力发 电场二次系统的数字化 通过以上分 析 二次监控系