徐佳宇，陳燕華

（1.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際風(fēng)電開(kāi)發(fā)有限公司，呼和浩特市010200;2.重慶電力高等?？茖W(xué)校電力系，重慶 400053）

數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用研究和發(fā)展方向

徐佳宇1，陳燕華2

（1.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際風(fēng)電開(kāi)發(fā)有限公司，呼和浩特市010200;2.重慶電力高等專科學(xué)校電力系，重慶 400053）

介紹數(shù)字化變電站在風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用的發(fā)展歷程，基本功能，系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和案例，系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題以及今后的發(fā)展趨勢(shì)與展望。

數(shù)字化;風(fēng)電;IEC61850

0 引言

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的快速建設(shè)，風(fēng)電場(chǎng)電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的各項(xiàng)新技術(shù)、新產(chǎn)品也得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。本文闡述的是現(xiàn)階段正在實(shí)施的數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)升壓站。

隨著數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)向電力系統(tǒng)的電廠領(lǐng)域的不斷推廣，數(shù)字化電廠的建設(shè)已由理論研究階段走向工程實(shí)踐階段。目前，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)正式由原名“變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”變更為“電力公用事業(yè)自動(dòng)化的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”，并隨之推出了眾多面向發(fā)電廠的IEC61850模型及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn):IEC61400－25風(fēng)電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)、IEC61850－7－410水電站標(biāo)準(zhǔn)和IEC61850－7－420分布式能源風(fēng)電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

在數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)工程中，運(yùn)用的技術(shù)涉及到數(shù)字化變電站中的各種技術(shù)，包括MMS通訊，電子式光電互感器，GOOSE過(guò)程層信號(hào)傳輸?shù)?。在?guó)內(nèi)，電力企業(yè)和相關(guān)廠家基于眾多數(shù)字化變電站工程實(shí)踐和數(shù)字化火電廠升壓站監(jiān)控工程實(shí)踐，積累了大量的IEC61850數(shù)字化廠站經(jīng)驗(yàn)，完全具備IEC61850數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)升壓站的技術(shù)條件。由于風(fēng)電場(chǎng)升壓站系統(tǒng)與變電站系統(tǒng)情況有眾多相似性，因此，方案設(shè)計(jì)充分借鑒當(dāng)前IEC61850在數(shù)字化廠站中的典型應(yīng)用模式，并考慮到卓資風(fēng)電場(chǎng)自身特點(diǎn)，推出卓資風(fēng)電場(chǎng)升壓站IEC61850數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方案及相應(yīng)系統(tǒng)配置。

1 數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的意義

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)思想并借鑒我國(guó)現(xiàn)有IEC61850化變電站經(jīng)驗(yàn)，依照:IEC61850數(shù)字化升壓站采用過(guò)程層GOOSE應(yīng)用。主變高壓側(cè)電流電壓應(yīng)用電子式互感器，中心點(diǎn)采用當(dāng)前先進(jìn)的全光纖電子式互感器。系統(tǒng)改造范圍包括2套示范風(fēng)電場(chǎng)箱式變壓器保護(hù)測(cè)控裝置。主變和線路保護(hù)應(yīng)用智能終端（智能操作箱）。風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均遵循IEC61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一支持集控站/廠站監(jiān)控系統(tǒng)的各種應(yīng)用，集SCADA、圖模庫(kù)一體化、拓?fù)浞治觥⒈Ｗo(hù)信息管理、實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)監(jiān)控升壓站電氣監(jiān)控相融合、AGC和AVC的功能等高級(jí)應(yīng)用于一體，從而能使全風(fēng)場(chǎng)的自動(dòng)化水平上升到一個(gè)新的臺(tái)階。

圖1 卓資數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為卓資數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)，具有站控層MMS、數(shù)字化過(guò)程層、智能終端及箱變保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該方案為風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)數(shù)字化方案，方案不僅在升壓站內(nèi)部實(shí)現(xiàn)IEC61850數(shù)字化，還包括風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)和箱變監(jiān)控，能形成完整、統(tǒng)一的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控自動(dòng)化布局，符合風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。另外，隨著智能終端成為數(shù)字化廠站項(xiàng)目的重要特性，智能操作箱在升壓站中高壓側(cè)的應(yīng)用，大大提升了本風(fēng)電場(chǎng)工程的數(shù)字化特性。電子式互感器、智能操作箱在升壓站中的完美結(jié)合，最大限度發(fā)揮過(guò)程層數(shù)字化總線的優(yōu)勢(shì)，使得該項(xiàng)目具備了當(dāng)前數(shù)字化工程所有閃亮優(yōu)點(diǎn)。如果項(xiàng)目成功實(shí)施，可使得該項(xiàng)目不僅在國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)工程中具有示范效果，即使在全球風(fēng)電場(chǎng)工程，也同樣具有先進(jìn)示范意義。

該方案下IEC61850標(biāo)準(zhǔn)覆蓋升壓站內(nèi)的站控層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層以及過(guò)程層。在類似數(shù)字化變電站方案中，變電站系統(tǒng)增加了數(shù)字化過(guò)程層，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始了一些示范性工程，如浙江宣家變、南昌董家窯變、青島午山變、浙江大呂變等等。與當(dāng)前普通IEC61850變電站的差異是:該方案更進(jìn)一步的體現(xiàn)了升壓站數(shù)字化特性。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)覆蓋延伸到了過(guò)程層，過(guò)程層采用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)通訊方式建立間隔層裝置與一次設(shè)備之間的連接。該方案與上一個(gè)方案的差異體現(xiàn)在:1）裝置間大部分硬接點(diǎn)交互接線取消，用過(guò)程層GOOSE通訊代替;2）主變高壓側(cè)電子式互感器的應(yīng)用。由于本站為老站改造，各間隔已有大量傳統(tǒng)PT/CT，考慮到成本等原因，站內(nèi)大部分傳統(tǒng)PT/CT盡量保留（如果采用合并單元轉(zhuǎn)接傳統(tǒng)PT/CT，再通過(guò)數(shù)字化的方式將數(shù)字化信號(hào)光纖傳至保護(hù)裝置，這種數(shù)字化模擬采樣方案增加了中間裝置，系統(tǒng)可靠性降低，且沒(méi)有用到電子式互感器的優(yōu)勢(shì)，不推薦采用）。由于電子式互感器在高電壓等級(jí)具有眾多的優(yōu)勢(shì)，在主變高壓側(cè)進(jìn)行電子式互感器數(shù)字化改造，主變高壓側(cè)保護(hù)測(cè)控裝置取消傳統(tǒng)的模擬采樣模塊，用數(shù)字式電子采樣模塊代替，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)與合并單元，電子式互感器通訊。其中，1#、2#變壓器原傳統(tǒng)PT/CT保留，增加電子式互感器，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，常規(guī)有源式電子式互感器已經(jīng)成熟，主變高壓側(cè)電子式互感器可采用有源式電子互感器;在變壓器中性點(diǎn)配置純光學(xué)電子式互感器。本方案采用智能終端（智能操作箱）來(lái)操作斷路器，最大限度的利用GOOSE過(guò)程總線網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省二次電纜投資。并且，將系統(tǒng)監(jiān)控范圍擴(kuò)大到了全風(fēng)電場(chǎng)，在風(fēng)電場(chǎng)箱式變壓器旁增設(shè)保護(hù)測(cè)控裝置，同時(shí)將這些裝置通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)，以IEC61850規(guī)約接入到升壓站監(jiān)控系統(tǒng)中。在該方案下，升壓站內(nèi)配置兩種對(duì)時(shí)方式IRGB和SNTP，其中SNTP為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式;而在傳統(tǒng)方案下的風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)機(jī)附近的箱式變壓器相應(yīng)的測(cè)控裝置一般無(wú)法與系統(tǒng)對(duì)時(shí)，而在該方案下，也可以通過(guò)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)SNTP方式對(duì)時(shí)，這大大提高了風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)的對(duì)時(shí)效果，為系統(tǒng)功能的進(jìn)一步完善奠定了基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)總體配置

3.1 硬件配置

站控層設(shè)備（主機(jī)、操作員站、遠(yuǎn)動(dòng)工作站、OPC－IEC61850轉(zhuǎn)換PC機(jī)，五防系統(tǒng)、打印機(jī)、規(guī)約轉(zhuǎn)換器、音響報(bào)警裝置站控層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等），間隔層設(shè)備（測(cè)控裝置、繼保裝置、間隔層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及與站控層網(wǎng)絡(luò)的接口設(shè)備等）。其他設(shè)備還有智能終端，合并單元、電子式互感器，就地柜等。

3.2 軟件配置

包括系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、診斷程序、OPC規(guī)約轉(zhuǎn)IEC61850軟件，調(diào)試軟件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等），支持軟件（編譯軟件、管理軟件、人機(jī)接口軟件、通信軟件等），應(yīng)用軟件（滿足該系統(tǒng)功能和擴(kuò)展功能的所有應(yīng)用軟件）。

3.3 站控層設(shè)備

站控層主要設(shè)備包括主機(jī)/操作員工作站（包含音響報(bào)警裝置）2套、遠(yuǎn)動(dòng)工作站雙機(jī)1套、五防系統(tǒng)1套、打印機(jī)1臺(tái)、OPC－IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置1臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

3.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

全站網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用的自適應(yīng)10/100M雙冗余以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)（A、B網(wǎng)）。還將增加過(guò)程層GOOSE專網(wǎng)，需增加相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;還將增加風(fēng)電場(chǎng)環(huán)網(wǎng)，將8臺(tái)示范箱變保護(hù)裝置接入到監(jiān)控系統(tǒng)中。

4 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的接入

監(jiān)控系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)其系統(tǒng)服務(wù)器提供的OPC接口，并通過(guò)OPC網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接入監(jiān)控系統(tǒng)。如圖2所示，OPC網(wǎng)關(guān)軟件運(yùn)行于一臺(tái)獨(dú)立的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上。對(duì)下，通過(guò)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)服務(wù)器提供的OPC數(shù)據(jù)自動(dòng)訪問(wèn)接口獲取其下接風(fēng)機(jī)的信息數(shù)據(jù);對(duì)上，將獲取到的信息數(shù)據(jù)按照IEC60870－5－103格式，轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控系統(tǒng)中的后臺(tái)監(jiān)控機(jī)，也可轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)動(dòng)通訊裝置，并最終上送至電力調(diào)度中心。

5 數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)需要注意和解決的問(wèn)題

（1）目前后臺(tái)控制系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的通信接口還沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范，需要根據(jù)具體工程決定實(shí)施方案。國(guó)外進(jìn)口的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仍占據(jù)很大的份額，進(jìn)口風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的通信開(kāi)放性受到很大限制，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的通信周期、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度都對(duì)通信的實(shí)時(shí)性有很大影響。這就存在后臺(tái)控制系統(tǒng)廠家與風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)廠家的配合問(wèn)題，系統(tǒng)連接困難。后臺(tái)控制系統(tǒng)廠家需要加大對(duì)通信接口、通信規(guī)約的開(kāi)發(fā)力度，提高與風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）目前光電/電子式互感器的生產(chǎn)廠家數(shù)量有限，產(chǎn)品可選型號(hào)相對(duì)較少，部分高電壓等級(jí)的電流互感器變比較大，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需要。如內(nèi)蒙古220kV杜爾伯特?cái)?shù)字化變電站，線路電流互感器變比為1000/5，為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，只能在合并器（作用是將各電流互感器傳回的電流數(shù)據(jù)和由電壓互感器傳來(lái)的電壓數(shù)據(jù)處理后打包輸出，供各保護(hù)和測(cè)控裝置使用）上采用軟件的方法修改變比，使得TA的輸出精度可能無(wú)法滿足要求，給變電站的計(jì)量、保護(hù)都帶來(lái)一定的負(fù)面影響。

（3）由于光電/電子式互感器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，導(dǎo)致互感器的角差、比差現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難以進(jìn)行，甚至極性試驗(yàn)也無(wú)法開(kāi)展，只能等到設(shè)備投運(yùn)帶電后，才能檢驗(yàn)接線的準(zhǔn)確性。另外，光電/電子式互感器的局放試驗(yàn)、伏安特性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)也與常規(guī)設(shè)備有很大的區(qū)別，這都需要設(shè)備廠家和運(yùn)行主管單位專門制定。

（4）數(shù)字化變電站保護(hù)校驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜，在變電站運(yùn)行的條件下對(duì)部分間隔保護(hù)校驗(yàn)的難度很大，目前的常規(guī)繼電保護(hù)校驗(yàn)裝置無(wú)法提供數(shù)字化保護(hù)所需的電流量和電壓量，因?yàn)殡娏髁亢碗妷毫勘仨毥?jīng)過(guò)合并器才能進(jìn)入保護(hù)裝置，而要完成試驗(yàn)必須自帶合并器，提供模擬試驗(yàn)中的電流量和電壓量，要完成母差保護(hù)這類需要大量電流電壓量的保護(hù)校驗(yàn)便顯得尤為困難。

（5）IEC61850通信協(xié)議本身并未對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性做任何規(guī)定，同時(shí)協(xié)議本身的開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)性給變電站的網(wǎng)絡(luò)安全帶來(lái)重大隱患。要做到二次系統(tǒng)信息的保密性、完整性、可用性和確定性，符合二次系統(tǒng)安全防護(hù)的要求，是自動(dòng)化廠家仍需考慮和完善的技術(shù)環(huán)節(jié)。雖然目前已投運(yùn)的變電站采取了防火墻、分層分區(qū)隔離等手段進(jìn)行防護(hù)，但防護(hù)的效果仍有待時(shí)間的考驗(yàn)。

（6）數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展方向和展望

數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)順應(yīng)技術(shù)發(fā)展大潮，充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全面的技術(shù)提升，甚至對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)本身的發(fā)展也有重要的參考價(jià)值。針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，相信通過(guò)保護(hù)廠家、風(fēng)機(jī)廠家、風(fēng)電場(chǎng)與設(shè)計(jì)部門的密切配合，合理規(guī)劃，正確實(shí)施，一定會(huì)得到很好的解決。隨著數(shù)字化技術(shù)的日趨成熟穩(wěn)定和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，將真正得到用戶的廣泛接受和應(yīng)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)已有數(shù)個(gè)數(shù)字化變電站順利投運(yùn)，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的已近兩年，總的來(lái)看設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，各類數(shù)據(jù)采集、傳輸無(wú)誤，保護(hù)和自動(dòng)裝置動(dòng)作正常，至少可以說(shuō)明數(shù)字化變電站的技術(shù)運(yùn)用在實(shí)際中已初步通過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)，滿足了安全、穩(wěn)定的系統(tǒng)運(yùn)行要求。但同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)字化變電站經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，肯定會(huì)出現(xiàn)除本文提到的其他的、各種各樣的問(wèn)題，還有待各專業(yè)研究機(jī)構(gòu)和有能力的廠家進(jìn)一步深入研究和解決。

［1］ 陳倩茵.廠用電監(jiān)控系統(tǒng)在火電廠的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化設(shè)備，2005，（3）.

［2］ 李華東，劉長(zhǎng)明.發(fā)電廠廠用電電氣綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展綜述［J］.電氣應(yīng)用，2008，（1）.

［3］ 陳利芳.電氣系統(tǒng)監(jiān)控納入DCS改造的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，（4）.

The Application and Development of Digitized Wind Power Stations

XU Jia-yu1，CHEN Yan-hua2
（1.Inner Mongolian Datang International Wind Electricity Development CO.Ltd.，Hohhot Inner Mongolia 010200，China;2.Chongqing Electric Power College，Chongqing 400053，China）

This essay introduces the application of digitized substations in wind power stations in the aspects of the development history，the basic functions，the systematic structure and relevant cases.Besides，the essay discusses about the problems to be solved as well as the future trend of development.

digitization;wind power;IEC61850

TM614

A

1008-8032（2011）01-0082-03

2010-10-22

徐佳宇（1980－），工程師，研究方向:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。