海上风电场二次系统设计关键技术

闫培丽，袁兆祥，齐立忠，谷松林，吴聪颖

(国网北京经济技术研究院，北京市102209)



海上风电场二次系统设计关键技术

闫培丽，袁兆祥，齐立忠，谷松林，吴聪颖

(国网北京经济技术研究院，北京市102209)

随着国家新能源战略的进一步深入，海上风电即将迎来大发展时期。由于远离陆地，海上风电场具有所处环境复杂、气候恶劣、施工困难、运行维护不便等特点，使其在运行值班模式、继电保护配置、组网方案、信息流传输、设备状态监测、模块化设计等二次关键技术方面与陆地风电场存在较大差异。该文对海上风电场二次系统相关设计技术进行了研究，进一步规范、优化了设计方案，对保证海上风电运行的可靠性，提升自动化水平和建设水平，有序推动我国海上风电的健康发展具有十分重要的意义。

海上风电场；拓扑结构；二次系统；模块化设计

0 引 言

海上风电场由于受海洋气候、环境及地质等因素影响，其投资成本远高于陆地风电场。海上风电场远离陆地，海上环境复杂、天气状况恶劣，存在很多不可预见性问题[1-3]。海上风电机组和海上升压平台建设施工较为困难，宽海域内的海上风电机组运行维护较为不便，海上自然条件严重制约着海上升压站电气设备的运行、检修和现场操作[4-6]。海上风电机组和海上升压站以及海底电缆的信息需全部发送至陆上集控中心，运行人员在陆上集控中心远程监控海上电气设备。因此，海上风电场在运行管理模式、监控系统组网方案、信息传输、继电保护配置、状态监测等方面的设计与陆地风电场的存在较大差异[7-9]。

针对我国当前海上风电场研究与建设现状，本文对相关二次系统设计技术进行研究。首先给出海上风电场并网拓扑结构，将海上风电场二次系统划分为风电机组及升压设备、海上升压站、陆上开关站(陆上集控中心)3个部分；然后根据海上风电场并网拓扑结构对系统继电保护、调度自动化、计算机监控系统、设备在线监测系统、信息流传输五大类二次系统设计关键技术进行研究，并给出相应的配置原则及实现方案；最后对海上风电工程模块化设计及运行值班模式进行论述，形成完整的海上风电场二次系统设计体系。研究内容对保证海上风电运行的可靠性，提高海上风电场的投资效益，指导和规范海上风电二次系统设计，提升海上风电场的自动化水平和建设水平具有重要的现实意义。

1 海上风电场并网拓扑结构

根据国家电网公司科技项目“海上风电成本模型与电气系统典型设计研究”所给出的研究成果，海上风电场并网拓扑结构如图1所示。图中陆上开关站是海上风电并网的系统接入点，可以设立在海底电缆登陆点，也可以在海底电缆登陆经过一段架空线后建设一座220 kV开关站。通常情况下陆上开关站内设有陆上集控中心，用于安装海上风电场延伸至陆上集控中心的站控层设备，实现对海上风电机组和海上升压站设备的远程监控以及与调度端进行通信。将陆上开关站与陆上集控中心等效为同一节点，则海上风电场二次系统可划分为风电机组及升压设备、海上升压站、陆上开关站(陆上集控中心)3部分，各部分功能如下。

(1)海上风电场将各风电机组输出的690 V电压通过箱式变压器升压至35 kV。各风电机组变压器电能通过阵列电缆集中，经35 kV光电复合缆将电能送到海上升压站。

(2)海上升压站汇集集电线路电能，通过升压变压器将35 kV电压升至220 kV，经220 kV光电复合缆将电能输送到陆上开关站。

(3)陆上开关站布置陆上无功补偿装置，实现海底电缆与架空线路的连接，将海上风电场的电能并入交流电网。

图1 海上风电场并网拓扑结构

2 二次系统设计关键技术

根据海上风电场并网拓扑结构，二次系统设计应符合电力系统二次部分技术规范及相关技术规程，并满足系统提出的风功率预测、有功功率、无功电压、低电压穿越、运行频率、电能质量等相关技术要求[10-17]。根据工程技术需求，本节对二次系统配置关键技术进行研究，给出继电保护、调度自动化等方面的工程配置方案。

2.1 系统继电保护配置

考虑到国内外海底电缆制造水平，目前国内35 kV和110 kV海底电缆制造水平已成熟，220 kV海底电缆也日趋成熟，而更高电压等级海底电缆目前只能进口，造价过高。因此从经济技术方面考虑，升压平台的高压侧电压等级不宜大于220 kV；风电场场内集电线路均采用35 kV电压等级，升压平台低压侧也宜采用35 kV电压等级。海上风电的接入系统典型方案为220 kV海底电缆接入系统，一般采用海上升压站-海底电缆-并网点-架空线路将风电汇集升压后送出。

风电厂与系统联络线发生故障时，风电机组至少应具备0.625 s的低电压运行能力[18]。低电压运行期间，风电机组的电压、电流特性持续变化，均可能对保护元件性能产生影响。因此，应将风电场的35、220 kV部分作为一个整体来考虑继电保护配置，给出具体配置方案如下。

(1)35 kV集电线路配置单套的相间电流保护及零序电流保护，并与机组保护相配合。集电线路保护动作时间应大于机组熔断器动作时间。

(2)35 kV汇流母线配置单套的微机型母线差动保护，其整定值取决于母线风电场侧故障时所产生的最大不平衡电流。

(3)海上升压站主变压器配置双重化的差动保护。

(4)海上升压站220 kV母线宜配置双重化母线保护，含失灵保护功能。

(5)海上升压站-陆上开关站、陆上开关站-电网的公共连接点220 kV线路，其两侧宜配置2套完全独立的纵联电流差动保护，均含有完整的阶段式后备保护及过负荷报警功能，不投入使用重合闸功能。

2.2 调度自动化系统配置

陆上集控中心应配置调度自动化系统，作为海上风电场向调度端传输远动、计量等信息并执行调度端指令的控制中枢。海上升压站和陆上开关站按需配置调度自动化各系统数据采集装置或其子系统。最终由陆上集控中心将海上风电机组和升压设备、海上升压站和陆上开关站/集控中心相关远动、计量等信息按照调度端要求的通道和规约上传，并执行调度端实时指令。根据调度端需求配置调度自动化系统，具体方案如下。

(1)配置电能量计量系统，关口计量点设置在产权分界处，如海上风电场与电网产权分界点、能准确计量不同风机业主或不同上网电价的分界点、外引站用电源高压侧等。配置0.2 S级双表，接入电能量远方终端，通过电力调度数据网、电话拨号等方式将电能量数据传送至电能量计费系统主站。

(2)配置有功功率控制系统，按照调度指令调节和控制海上风电机组输出的有功功率，保证风电场有功控制调节的可靠性和快速性。在紧急情况下可快速自动切除或降低风电场有功功率。有功功率控制系统独立设置，或嵌入风电场监控系统。

(3)配置无功电压控制系统，按照调度指令自动调节风电场发出(或吸收)的无功功率，包括对海上风电机组、无功补偿装置(包括海上和陆上)以及海上升压平台主变压器分接头的调节与控制，以满足风电场并网点电压的要求。依据控制对象和方式的不同，无功电压控制系统独立设置或嵌入风电场监控系统。

(4)配置相量测量系统，由相量测量采集装置和相量测量集中器组成。每套相量测量装置应能采集不少于6条线路的相量，采集单元的配置可结合风电场远景规模考虑。

(5)配置电能质量监测系统，电能质量在线监测点应设置在陆上开关站并网点或能够有效反应并区分不同业主电能质量的点。采集的三相电压、三相电流及相应的开关状态等信息，通过海底光电复合电缆传输至陆上集控中心。

(6)配置风电功率预测系统，包含风电功率预测系统主机、海上测风塔及实时气象数据采集装置、数值天气预报数据采集处理装置及网络设备，应具有0～72 h短期风电功率预测以及15 min～4 h超短期风电功率预测功能。风电场范围内至少有1座测量高度不低于100 m的测风塔，海上测风塔数据采集量应至少包括10、60 m(80 m)高处、轮毂高度处及测风塔最高层的风速和风向以及气温、气压等信息。测风塔数据可通过无线方式传输至风电功率预测系统。

2.3 计算机监控系统配置

海上风电机组和升压设备监控系统采集风电机组和升压设备的信息，通过海底光电复合缆传输至海上升压站，海上升压站监控系统采集平台上电气设备及风场设备的信息，通过海底光电复合电缆将信息传输至陆上集控中心(陆上开关站)，在陆上集控中心将所有信息上传至电网调度中心，并接收调度端指令，实现对海上风电场设备的控制和调节。根据海上风电场的特点，海上升压站采用无人值守运行方式，计算机监控系统设备配置和功能要求按无人值班设计，陆上设远程集控中心。具体配置方案如下。

(1)计算机监控系统采用开放式分层分布式结构，分为站控层和间隔层。海上升压站的监控采用拉网延伸的方式延伸至陆上集控中心，陆上集控中心布置站控层设备，海上升压站布置间隔层设备、操作员站和工程师站。计算机监控系统连接方式如图2所示。

(2)计算机监控系统统一建模，统一组网，采用DL/T 860通信标准实现信息共享。具有微机五防闭锁、顺序控制、智能告警等功能。

(3)风电机组就地测控装置一般按集电线路组网，通过35 kV海底光电复合缆组建光纤环网接入海上升压站。

(4)升压设备配置一套变压器保护测控装置，宜与海上风电机组监控系统共用传输介质，占用35 kV海底光电复合缆不同纤芯，组光纤环网接入海上升压站。

图2 计算机监控系统

2.4 设备在线监测系统配置

海上风电场受海上盐雾腐蚀、台风、海浪等恶劣自然环境的影响，螺栓等机械系统失效加快，二次设备故障率大幅上升。针对海上风电场特有环境情况，其设备在在线监测要求较高，具体配置方案如下。

(1)配置海上风电机组状态监测系统，对风电机组的齿轮箱和发电机等重要部件的振动情况进行监测。

(2)配置海上升压站状态监测系统，对主变压器油中溶解气体、铁心接地电流、绕组温度进行监测，同时对组合电器SF6气体密度、微水以及对避雷器泄漏电流、动作次数等进行监测。

(3)海上风电机组和主要电气设备状态在线监测数据信息接入陆上集控中心，实现设备状态实时监测、在线分析与告警处置相关功能。

2.5 信息流传输方案

海上风电场、海上升压站、陆上开关站、陆上集控中心之间信息流传输的海上部分通过海底光电复合缆实现，陆上部分通过随架空线路敷设OPGW、ADSS光缆实现，光缆芯数应满足各部分信息流传输要求，并留有适当余量。海上风电场信息流传输如图3所示，具体传输方案如下。

(1)海上风电场与海上升压站间的信息流传输，包括海上风电机组监控、海上风电机组升压设备监控、海上风电机组振动状态在线监测、海上风电场智能辅助控制系统、海上风电机组IP电话、海上风电机组基础监测等，各信息流占用35 kV海底光电复合缆的不同纤芯。统计不同功能用途的光纤需求量，海上风电场35 kV海底光电复合缆实际需用24芯，备用12芯，故35 kV海底光电复合缆宜选36芯。当光缆芯数过多造成剥离困难时，可将每根35 kV海底光电复合缆划分为2个光纤单元，即采用2×24芯35 kV海底光电复合缆。

(2)海上升压站与陆上开关站间的信息流传输，包括220 kV线路保护、故障录波、保护及故障信息管理、升压站计算机监控系统、海上风电机组监控系统、时钟同步系统、相量测量、电能量计量、状态在线监测系统、智能辅助控制系统、电话系统、基础监测、海底电缆在线监测等，各信息流占用220 kV海底光电复合缆的不同纤芯。统计不同功能用途的光纤需求量，海上升压站至海底电缆登陆点实际需占用220 kV A相海底电缆约25芯，备用16芯，220 kV C相海底电缆约11芯，备用11芯。为防止任意一海底电缆的故障，建议220 kV A、C相海底电缆均采用2×24芯光电复合缆，保证海上升压站与路上集控中心的可靠通信。

图3 海上风电场信息流传输

3 模块化设计及运行值班模式

3.1 模块化设计方案

针对海上风电场远离陆地、环境复杂、气候恶劣、施工困难、运行维护不便等特点，可采用预制技术、装配式建设技术、预制光电缆“即插即用”技术及一体化设计、制造、调试技术，以大幅降低海上作业的风险与成本。

采用预制式智能控制柜等技术，实现一、二次设备的一体化设计，一体化供货，减少现场接线调试工作量、提高安装质量、提升建设效率。

采用预制光缆、预制电缆技术，实现电气设备“即插即用”。相对于传统的光缆熔接/电缆压接而言，该技术可以大幅降低现场施工强度、缩短变电站建设周期，同时消除传统操作带来的多种质量风险，提高系统长期运行可靠性。

采用一体化设计、制造、调试技术，以一次设备厂家为主体，二次设备、智能在线监测厂家配合，实现一、二次设备一体化设计制造，消除了不同设备厂家间沟通不畅的问题。

3.2 海上风电场运行值班模式

对于海上风电场，受海上盐雾腐蚀、台风、海浪等恶劣自然环境的影响，人员到达不便，螺栓等易损件失效加快，机械和电气系统故障率大幅上升，导致检修维护的频次加快，增大了风电机组维护的支出。在整个海上风电场项目中，风机只占总成本的35%，其他成本来自建设安装、运行维护、并网、管理和回收等部分，其中建设安装占24%，运行维护占22%，可见运行维护在海上风电项目中所占的投资比例非常大。

海上风电场的运行维护存在难度大、费用昂贵两大特点，海上风电场的设计需结合海上风电场的实际运行工作环境进行，以减少维护工作量或延长维护间隔周期。

海上风电场海上部分由海上风电机组及其升压设备和海上升压站部分组成，而海上的恶劣环境决定了海上风电场不能够长期滞留运维人员，因此海上升压站需采用无人值守远程监控的方式，陆地设集控中心，实现在陆地对海上风电机组和海上升压站设备的远程监控。调度命令下达到陆上集控中心，海上风电机组塔筒和海上升压站设置远程监视、应急通信和应急电源，实现在陆地对海上风电场的可靠监控，保障运维人员的安全。

海上风电场维护采用定期巡检和故障检修。定期巡检根据事先安排进行，故障检修则具有不可预见性，只有发生故障了才进行，通常成本较为昂贵。为尽可能减少故障检修，可以制定周密的定期检修计划，并通过状态监测来确定机组出现的早期问题，以便及时采取行动进行补救。

4 结 语

本文对海上风电场二次系统设计方案进行了研究，将海上风电场二次系统划分为风电机组及升压设备、海上升压站、陆上开关站(陆上集控中心)3个部分，给出了海上风电场继电保护、调度自动化、监控系统、监测系统、信息流传输、模块化设计及运行值班模式等配置方案。

海上风电即将迎来大发展时期，类似陆上风电大规模开发的情形将会在新一轮的海上风电建设高潮中再现。及时总结陆上风电建设的经验教训，超前谋划，储备海上风电场并网关键技术，落实应用于典型设计方案，以规范和指导海上风电场有序建设，对于推动我国海上风电的健康发展具有十分重要的意义。

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(编辑:张小飞)

Key Technology of Offshore Wind Farm Secondary System Design

YAN Peili，YUAN Zhaoxiang，QI Lizhong，GU Songlin，WU Congying

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

Along with the further deepening of the national new-energy strategy, offshore wind farm will step into a period of great development. Due to far away from the land, offshore wind farm has characteristics of complex environment, bad weather, difficult construction, inconvenient operation and maintenance, etc., and its secondary key technologies are different from those of wind farm on land, such as operation and duty mode, relay protection configuration, network scheme, information transmission, equipment condition monitoring, modular design and so on. This paper studied related design technologies of secondary system in offshore wind farm, further standardized and optimized the design scheme, which had very important significance to ensure the reliability of the running of offshore wind farm, enhance the levels of automation and construction, and promote the healthy development of offshore wind farm in China.

offshore wind farm; topological structure; secondary system; modular design

TM 72

A

1000-7229(2015)04-0129-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.021

2015-02-02

2015-02-29

闫培丽(1972)，女，注册电气工程师，高级工程师，主要从事系统继电保护、调度自动化及智能变电站研究与设计方面的工作;

袁兆祥(1970)，男，高级工程师，主要从事电力系统规划、设计和研究工作；

齐立忠(1968)，男，高级工程师，主要从事电力系统规划、设计和研究工作；

谷松林(1986)，男，博士，主要从事电力系统保护与控制方面的研究工作；

吴聪颖(1987)，男，硕士，主要从事电力系统保护与控制方面的研究工作。