一种海上风电站的录波集中运维管理系统

孔先鑫，栾庆武，岳 蔚

（国电南瑞科技股份有限公司深圳分公司，广东 深圳 518055）

0 引言

数据显示，2021 年，全国风电并网发电装机容量3.3亿kW，同比增长16.6%左右，相比2016年底实现了翻番，连续12 年稳居全球第一［1-4］。其中2021 年全国海上风电装机容量2 639 万kW，相比2020 年，新增装机规模几乎翻番，海上风电装机跃居世界第一。即使2021 年底海上风电的补贴到期，在碳达峰、碳中和目标的驱动下，江浙、山东、广东等沿海地区还在加紧推进海上风电项目的建设，增加清洁能源占比。

海上风电站由风力机组、海上升压站、集控中心三大部分组成，多台风力机组所发的电能通过海缆汇总到升压站，将电压升高，然后输送到岸上的集控中心并网，通常风力机组离岸距离超过10 km，海上升压站布置在风机群中部且离岸距离近的地方，这样整个场区集电线路长度最短、线损最小［5］。即便如此，风力机组到升压站海缆长度最短2 km，最长预计30 km 左右。集电线路一旦发生故障，排查海底线缆故障成本高、时间长、难度大等问题都将影响故障的处理［6-9］。升压站一般都是无人值守，因此需要运行人员前往海上升压站从故障录波装置调取故障波形，查看故障时刻电压电流、故障相别、故障测距、分析故障原因等，然后安排人员前往相应海缆海域下水检查，如遇天气不好，则需延迟前往升压站排查，这样大大增加了故障处理时间［10-13］。部署在集控中心的录波集中运维管理系统很好地解决了上述问题，当集电线路发生故障时，通过录波集中运维管理装置直接调取海上升压站内所有录波装置的波形，查看分析故障原因、故障相别及故障测距等，大大降低了人力、物力和时间成本。

1 原理分析

故障录波器是海上风电场升压站重要的二次设备，用于自动、准确、完整地记录电力系统发生故障时，故障前、后一段时间内各种电气量的变化情况，并通过分析这些电气量，判断继电保护和断路器的动作情况，及时发现设备缺陷，提升系统安全运行水平［9］。录波集中运维管理系统可以实现远程对海上风电站故障录波器进行实时管理，维护，调试功能［14］。

海上升压站内一般安装多套独立的故障录波器，用于对线路和主变设备电气量实时监控，岸上集控中心安装一套故障录波集中运维管理装置。远端的故障录波集中运维管理装置在物理层上通过海底光电复合缆与海上升压站内多套故障录波器装置连接［15］，如图1所示，在应用层，通过定义的一种与海上故障录波器兼容的通信规约进行交互，实现对海上故障录波器的运维管理。

图1 海上风电站示意图Fig.1 Schematic diagram of offshore wind power station

故障录波集中运维管理系统实现远端监控及维护功能，基于中央处理系统采用多线程处理方式，由数据系统处理不同故障录波装置上送的数据，实时监控站端向量数据；配置系统完成海上录波装置的配置同步功能，实时同步海上录波装置和集控中心管理装置的配置；存储系统完成包括日志、波形、数据等的存储及调取，以闪存方式存储数据，利用压缩方式保证文件存储的可靠性及空间的合理使用；自恢复系统在装置异常故障情况下触发，尝试复原系统文件；人机系统为用户提供了友好的操作、数据展示和故障分析界面，这也是用户体验的核心系统，它完成与用户交互的所有命令反馈；时钟系统完成时钟同步服务，是提供有效的实时数据和故障问题定位的前提条件。

2 装置框架

故障录波集中运维管理装置采用高可靠双核CPU全嵌入式架构硬件平台，搭配8 G DDR2 RAM 内存和128 G 固态硬盘。整机箱为标准2U 高度，装置正面使用3 个运行指示灯简洁面板；装置背面拥有4 个外置USB3.0接口、6个10 M/100 M/1 000 M自适应网口、6组告警输出接点、1 个IRIG-B 对时接口、1 个VGA 接口，如图2所示。

图2 装置架构Fig.2 Device architecture

主CPU 插件采用D525，Atom D525 是双核心四线程CPU，主频1.80 GHz，同时支持DDR2、DDR3 两种内存规格，热设计功耗却依然保持在13 W。作为录波集中运维管理装置最核心的部分，这款CPU的搭配提供了一个强大的数据处理和通讯平台，极大提高了记录单元数据的吞吐能力、处理实时性动态响应特性。

软件方面，故障录波集中运维管理系统与海上录波器交互规约采用兼容扩展方式，主要的交互命令包含：召唤录波文件、召唤配置、修改配置、同步配置、查看录波间隔电气量、录波器运行状态、实时波形信息、升级程序版本等，软件框架如图3所示，通过这些人机服务可以实现对海上录波器的远程运维管理。存储服务用于存储故障录波的数据、波形文件和配置文件，其中波形文件包括暂态和稳态文件，暂态文件是不定时、大小随机、分散的，因此分配指定磁盘分区存储，便于用户查找，也可以直接通过软件界面打开查看；稳态文件特点是大小一致、时间固定，因此按照时间、录波装置、存储分区等规则，采用多级目录方式递进式存储，便于系统维护及存储空间循环利用。

图3 软件架构Fig.3 Software architecture

3 装置功能

由故障录波集中运维管理装置、分析管理单元、采集记录单元组成的故障录波系统工作示意图如图4所示。

图4 故障录波系统Fig.4 Fault recording system

分析管理单元和采集记录单元分布在海上变电站，实现就地数据采集显示和波形分析功能。录波集中运维管理装置分布在路上集控中心站，实现对海上故障录波装置数据、波形和报文文件的调取，包括流量统计、向量数据、配置管理、定值管理、文件管理、事件管理、装置信息等功能模块。

3.1 数据展示模块

数据展示模块包括：流量统计、向量数据和装置信息三部分。通过流量统计和向量数据界面可查看每个采集端口、SV 块或GOOSE 块的包计数、包速率、流量统计、端口负载等信息以及线路、母线的电压相量、电流相量、功率、序量、频率等信息，如图5 所示，通过装置信息界面，可查看海上录波装置的软件版本、电压状态、对时状态、存储磁盘状态信息。故障录波装置的主要任务是记录大扰动发生前后的系统电压、电流、频率、开关位置和跳闸信号的变化全过程，是继电保护动作行为及分析设备故障性质和原因的重要依据。实时、准确、完整反馈现场一次设备的电气量是判断继电保护和断路器的动作情况，及时发现设备缺陷的基础。

图5 向量数据Fig.5 Vector data

3.2 配置模块

配置模块包括：配置管理和定值管理。该模块主要用来完成数字化功能的配置，包括海上故障录波装置地址配置、全站SCD 导入配置、SV、GOOSE、MMS 监测配置、变比配置、录波通道选取、录波通道配置、录波启动定值等。海上录波装置计算配置文件“settings”的校验和存储，通过短帧报文方式实时上送至录波集中运维管理装置，录波集中运维管理装置计算本地配置文件的校验和存储于缓存区。当缓存区找到指定报文帧头的报文时进行对比校验，校验通过则配置同步，校验不通过，由操作员进行干预，如果以海上录波器为基准，则进行召唤配置操作替换本体配置；如果以录波集中运维管理装置为基准，则进行下装配置操作替换海上录波装置配置，完成配置同步。如缓存区未找到指定报文帧头的报文时，等待1 min 缓存区数据，如果有新数据则添加到缓存区结尾继续匹配，无新数据则清空整个校验数据缓存区，在录波集中运维管理装置显著标识，如图6所示。

图6 同步配置示意图Fig.6 Schematic diagram of synchronization configuration

3.3 文件管理模块

文件管理模块包括：文件管理和事件管理。该模块可检索查询历史报文、暂稳态录波、故障录波事件、网络事件、变位事件、运行事件等，可根据需要下载对应报文文件及录波文件。报文文件采用通用数据包pcap 格式存储，可使用报文分析工具打开查看或者拷贝出来用wireshark 等分析软件分析；录波文件采用IEEE 标准电力系统暂态数据交换通用格式（COMTRADE）存储，包含DAT、CFG、HDR、DMF、INF 5个文件，记录故障前后电气量和非电气量的数据以及录波配置等信息［16］。录波分析工具用于读取COMTRADE故障录波文件，并将打开的历史数据以波形、表格等形式直观表现出来。

1）录波分析工具主视图的分割线左侧是名称视域，用于显示通道名称的相关信息；分割线右侧是波形视域，用于显示数据波形，如图7所示。录波分析工具主要有常规分析、路线分析、变压器分析3大分析功能，常规分析包括波形向量分析、工频变化量分析、序分量分析、频率分析、分周期分量分析、谐波分析、功率分析等。线路分析包括故障测距和阻抗分析。变压器分析包括纵差分析、自耦变分差零差分析和过激磁分析。

图7 波形工具示意图Fig.7 Schematic diagram of waveform tools

2）报文分析工具主视图分为报文分组列表区、报文简略信息列表区、报文详细信息分析区，如图8 所示。报文数据文件通常都比较大，包含成千上万个报文，查找起来比较困难，可以通过查找定位与过滤功能定位报文。可设定的报文关键字有：时间、时间差（us）、APPID、SamCnt、源地址、目标地址、协议、长度等，如果需要快速定位特定报文时，选择好关键信息后点击确认即可快速定位到符合条件的报文。在过滤命令行设置报文过滤规则，然后点击应用，即可在报文简略信息列表区显示出符合过滤条件的报文列表。例如“goose.appid == 0x4001”即可筛选出所有appid 为0x4001的GOOSE报文。

图8 报文工具示意图Fig.8 Schematic diagram of message tools

3.4 数据压缩与存储

故障录波集中运维管理装置与海上录波器远传通信交互规约采用兼容扩展方式，使用专有端口号进行通讯，该通讯方式具有传输速度快、费用低、安全性高的优势，保证了数据传输的安全、快速。

集中运维管理装置系统采用1T 大容量串口硬盘作为存储介质，同时配备硬件压缩芯片，实现了海量数据高效完整存储，以满足用户对历史数据查看的需求［16-19］。在硬件设计方面，主处理器通过2.5 Gbps 的PCI express 总线扩展了一个硬件压缩模块，模块中的压缩芯片选用的是8201B-F。该芯片的数据传输速率最高可达1.2 Gbps，可支持LZS 和GZIP 两种压缩算法核心。集中运维管理装置使用GZIP算法核心，它兼容RFC1951 和RFC1952 标准，同时支持动态Huffman 算法，可实现很高的压缩比。

在软件设计方面，数据压缩与数据存储通过两个独立的线程实现，即数据的显示、分析、压缩、存储之间均相互独立。装置分配128 M缓存块提供数据临时存储，当数据线程忙碌堵塞时，会动态调整缓存块的大小，以优先满足分析显示功能，可最大程度提高运行效率，降低数据延迟，保证装置运行的可靠性。

4 应用场景

故障录波集中运维管理系统可解决海上风电站面临的一系列技术难题，为运行人员提供功能全面、技术先进、方便快捷的监控手段，为运行人员提供功能全面、技术先进、可靠性高、使用方便的装置，为变电站的安全稳定运行提供可靠的保障［20-23］。结合其功能特点和风电站的发展情况，其应用可以进一步扩展。首先在海上风电站应用优势明显，其次在陆上风电站、分布式光伏发电站、潮汐发电站等场景均能发挥重要作用［9］，起到降低运维成本、提高事故处理效率，保证变电站的安全可靠运行，综合应用场景如图9所示。

图9 应用场景Fig.9 Application scenario

而相较传统的继电保护信息子站，故障录波集中运维管理系统具有成本低、配置简单、操作方便和分析全面等优势［9］，已应用于包括亚洲最大海上风电场-华能如东300 MW海上风电场、华能射阳300 MW海上风电等在内的多个风电项目。如图10所示，我国海上风电站近10年来的装机容量增长趋势迅猛，近两年更是以成倍速度突破。随着我国以新能源为主的变电站不断加速建设，新型电力系统运维要求也在不断提高，录波装置作为变电站的重要组成部分，故障录波集中运维管理系统的作用也更加突显，可以给运维提供重要的辅助手段和技术保障。

图10 海上风电装机容量Fig.10 Installed capacity of offshore wind power

5 结语

海上风电开发难度远大于陆上风电，而深远海的海上风电场又是极具活力的新兴产业［9］，因此对继电保护运维技术要求更高，标准更严格。故障录波集中运维管理系统通过电力数据网与海上录波器组成录波专网，在统一的人机界面下实现对各区域海上故障录波器录波数据集中采集、分析及存储管理，为继电保护、调度人员及时、准确地掌握电网故障情况提供了依据，提高了故障处理速度及事故分析水平，从而促进电网运行管理水平的发展，提高电网运行的经济性。