汪 超，許洪華，崔楊柳

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司 南京供電公司，江蘇 南京 210019；2．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司 檢修分公司，江蘇 南通 226000)

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海上風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法綜述

汪 超1，許洪華1，崔楊柳2

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司 南京供電公司，江蘇 南京 210019；2．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司 檢修分公司，江蘇 南通 226000)

介紹了我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展?fàn)顩r，分析了海上風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的意義。闡述了海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備檢修的實(shí)際困難。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變電站及海底復(fù)合電纜的狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，總結(jié)目前對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)電氣主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)所提出的一些方法。提出利用IEC61850在海上風(fēng)電場(chǎng)建立通信系統(tǒng)，對(duì)智能變電站下的IEC61850做發(fā)電機(jī)邏輯節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。結(jié)合新興技術(shù)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行了展望。

海上風(fēng)電場(chǎng)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；通信系統(tǒng)；IEC61850；傳感器

由于世界各國(guó)受到短缺及環(huán)境問(wèn)題的影響。因此，尋找清潔的可再生能源成為當(dāng)務(wù)之急。其中可再生的風(fēng)能受到越來(lái)越多專(zhuān)家學(xué)者的青睞，全球風(fēng)電發(fā)展迅速，海上風(fēng)電已成為風(fēng)電發(fā)展的重要領(lǐng)域[1]。海上風(fēng)能豐富且穩(wěn)定，發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高，對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響小，適宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)[2]。我國(guó)大陸海岸線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)18 000 km，可利用海域面積300多萬(wàn)平方千米，海上風(fēng)能資源豐富。經(jīng)初步評(píng)估，我國(guó)近海淺水海域風(fēng)能資源可開(kāi)發(fā)量約2億千瓦。而海上風(fēng)電資源潛力大，距離電力負(fù)荷中心近，隨著技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)性提高，海上風(fēng)電將具備大規(guī)模開(kāi)發(fā) 的條件，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)展目標(biāo)、完成減排溫室氣體任務(wù)發(fā)揮重要作用。在“十二五”能源和可再生能源規(guī)劃中，我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展目標(biāo)是：2015年建成500萬(wàn)千瓦，形成海上風(fēng)電的成套技術(shù)并建立完整產(chǎn)業(yè)鏈；2015年后，我國(guó)海上風(fēng)電將進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平，到2020年建成海上風(fēng)電3 000萬(wàn)千瓦。由于海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)范圍也從過(guò)去的近海，往離岸幾十km的深海方面發(fā)展。以歐盟為例，歐盟在建的海上風(fēng)電項(xiàng)目平均水深在27 m左右，平均離岸距離達(dá)到了28 km，海上風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)期處于如此特殊的地理氣候環(huán)境中，電氣設(shè)備的故障率會(huì)提高，同時(shí)海上設(shè)備的檢修比陸地設(shè)備檢修復(fù)雜得很多，代價(jià)更高。因此，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，及早發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備可能存在的問(wèn)題，有利于提高海上風(fēng)電場(chǎng)的管理效率，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的意義

海上風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備繁多，且氣候環(huán)境惡劣，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備易受到海風(fēng)海浪、鹽霧以及冰凍的侵襲，因而海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備的故障率會(huì)更高。且海上風(fēng)電場(chǎng)距離海岸一般10～50 km，海上設(shè)備檢修需要專(zhuān)業(yè)船只或直升飛機(jī)，費(fèi)用昂貴。相關(guān)研究表明，在海上風(fēng)電場(chǎng)使用傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)檢修方式，將有25%～30%的發(fā)電收入需要投入到設(shè)備檢查維護(hù)上[3]。傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)維修包括計(jì)劃維修與事后維修兩類(lèi)，計(jì)劃維修是按照風(fēng)電場(chǎng)規(guī)程在指定時(shí)間對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行例行維護(hù)，事后維修則是在設(shè)備發(fā)生故障后，維修人員再到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備維修[4]。計(jì)劃維修難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常并修正，而事后維修總是在設(shè)備發(fā)生故障甚至停止運(yùn)行后才能采取措施，這難免會(huì)影響供電可靠性并帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)施海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，通過(guò)各類(lèi)傳感器及IED及時(shí)獲取設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，在設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，檢修人員能夠在第一時(shí)間對(duì)設(shè)備予以維護(hù)并排除隱患。這將提高海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行管理效率。

2 電氣主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)GIS模態(tài)分析

圖1為海上風(fēng)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可看出海上風(fēng)電場(chǎng)的主要電氣設(shè)備包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、海上變電站及海纜。針對(duì)海上的特殊環(huán)境，海上風(fēng)電場(chǎng)需要監(jiān)測(cè)更多的狀態(tài)量。

圖1 海上風(fēng)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包括異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁直驅(qū)或半驅(qū)式發(fā)電機(jī)。對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其最核心的功能結(jié)構(gòu)為風(fēng)輪-齒輪箱-發(fā)電機(jī)所構(gòu)成的中軸線(xiàn)，該中軸線(xiàn)涉及到機(jī)械-傳動(dòng)-電力三者。海面上風(fēng)速較大卻不夠穩(wěn)定，且風(fēng)向經(jīng)常變更，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)難以處于穩(wěn)定狀態(tài)，加之海面上極端環(huán)境的侵襲，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障率較高。針對(duì)如此狀況，有必要對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組實(shí)施全面的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。及時(shí)了解機(jī)組各部件的運(yùn)行情況，提前對(duì)機(jī)組維護(hù)，從而降低風(fēng)電機(jī)組的故障率。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組，主要的監(jiān)測(cè)量包括振動(dòng)、溫度、濕度、電壓、電流等。其中振動(dòng)是最常見(jiàn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)量，通過(guò)在風(fēng)電機(jī)組預(yù)先選定的位置安裝振動(dòng)加速傳感器，收集風(fēng)電機(jī)組各部件振動(dòng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[5]通過(guò)采集相關(guān)部件的振動(dòng)狀態(tài)信息來(lái)分析海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況；文獻(xiàn)[6]通過(guò)振動(dòng)信號(hào)分析設(shè)備故障情況。溫度作為電氣設(shè)備的一項(xiàng)重要指標(biāo)，能夠反映風(fēng)電機(jī)組的散熱情況，結(jié)合電流、電壓可分析機(jī)組的繞組及線(xiàn)路問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]針對(duì)整個(gè)機(jī)組全面監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，提出一種優(yōu)化的狀態(tài)維護(hù)方法，該方法首先基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息分別計(jì)算單個(gè)部件的故障率與整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的故障率，然后以此為基礎(chǔ)確定狀態(tài)維護(hù)步驟，定位故障機(jī)組與故障部件。文獻(xiàn)[8]較為詳細(xì)地總結(jié)了海上風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

2.2 海上變電站

通常，海上變電站主要包括主變室、GIS室、主控室、電容室、接地電阻室等，從電氣結(jié)構(gòu)來(lái)看，海上變電站主要包括電力變壓器、各級(jí)電壓配電裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置、過(guò)電壓保護(hù)與接地裝置、繼電保護(hù)裝置、就地測(cè)量與操縱設(shè)備、遠(yuǎn)程微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、母線(xiàn)與電纜設(shè)施等。

變電站電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量[9]

圖2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)質(zhì)量

變壓器作為海上變電站最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，對(duì)變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)也顯得尤為重要。文獻(xiàn)[10]探討了基于關(guān)鍵參數(shù)的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)模塊涉及局部放電、油中溶解氣體以及繞組變形。文獻(xiàn)[11]提出基于聲波分析的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，許多新技術(shù)也應(yīng)用到變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，文獻(xiàn)[12]介紹了自動(dòng)化技術(shù)、信息處理技術(shù)等新技術(shù)在變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

2.3 海底復(fù)合電纜

海底復(fù)合電纜不但承載著傳輸電能的任務(wù)，同時(shí)也是風(fēng)電場(chǎng)信息通信的媒介。因此，海底復(fù)合電纜的正常運(yùn)行對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)極其重要。海底電纜的故障主要由地質(zhì)運(yùn)動(dòng)及船只作業(yè)引起。由于海底電纜沉在海底，海纜的絕緣性能顯得尤為重要。目前海纜監(jiān)測(cè)主要是在海纜中復(fù)合光纖單元，如圖3所示，通過(guò)光纖分布式傳感技術(shù)對(duì)電纜監(jiān)測(cè)。

圖3 海底復(fù)合電纜

絕緣電阻法以及示波器法是海底電纜監(jiān)測(cè)的常用方法，文獻(xiàn)[14]介紹了利用分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)海底電纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其主要是利用高功率激光脈沖在光纖中傳播所獲得的散射光來(lái)估計(jì)溫度、壓力等物理量。文獻(xiàn)[15]提出利用BOTDA技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)海底負(fù)荷電纜沿線(xiàn)溫度應(yīng)力測(cè)量。文獻(xiàn)[16]利用電纜護(hù)套中的接地電流來(lái)監(jiān)測(cè)電纜護(hù)套絕緣，并利用低頻電壓電流監(jiān)測(cè)電纜的主絕緣。

3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)

IEC61850的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互操作，其作為國(guó)際統(tǒng)一變電站通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)獲得廣泛的認(rèn)同與應(yīng)用。鑒于該標(biāo)準(zhǔn)給設(shè)備通信帶來(lái)的便利，其技術(shù)和方法已逐步推廣到其他領(lǐng)域[17]，對(duì)以智能變電站為主要電氣設(shè)備的海上風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，將有利于整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與信息共享。在實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)化過(guò)程中，首先需要進(jìn)行邏輯節(jié)點(diǎn)建模，IEC61850中已定義了約80種邏輯節(jié)點(diǎn)，其中包含了發(fā)電機(jī)邏輯節(jié)點(diǎn)ZGEN類(lèi)，但對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，需要對(duì)該邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)予以擴(kuò)充，包括發(fā)電機(jī)制動(dòng)(DPC)，風(fēng)機(jī)方向控制(DPC)，以此完善對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的監(jiān)測(cè)[18]。

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)可將海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行分層處理，包括過(guò)程層、間隔層、站控層。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)包括GOOSE與SV網(wǎng)絡(luò)，GOOSE作為面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)，具有傳播速度快等優(yōu)點(diǎn)，GOOSE服務(wù)以peer-to-peer通信為基礎(chǔ)，保證了GOOSE報(bào)文傳輸?shù)目煽啃?，在IEC61850體系中，SV報(bào)文及GOOSE報(bào)文均采用發(fā)布者/訂閱者模型進(jìn)行通信，如圖3所示，過(guò)程層通信協(xié)議棧中應(yīng)用層數(shù)據(jù)直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層，然后傳遞給物理層發(fā)送，而會(huì)話(huà)層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層均為空。簡(jiǎn)化了協(xié)議棧，過(guò)程層數(shù)據(jù)傳輸時(shí)減少了協(xié)議棧的處理過(guò)程，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，符合過(guò)程層傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。GOOSE還設(shè)立了重發(fā)機(jī)制并且在報(bào)文中攜帶“報(bào)文存活時(shí)間”(TAL)和數(shù)據(jù)品質(zhì)等參數(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠性[19]。

圖4 GOOSE報(bào)文傳輸?shù)膮f(xié)議堆棧

站控層與間隔層網(wǎng)絡(luò)之間采用以太網(wǎng)相連，且網(wǎng)絡(luò)為雙網(wǎng)冗余方式，雙網(wǎng)冗余技術(shù)大幅提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性。與智能變電站相類(lèi)似，海上風(fēng)電場(chǎng)站控層在通信規(guī)約層面上也遵循特定通信服務(wù)映射對(duì)MMS的映射。MMS通過(guò)對(duì)真實(shí)設(shè)備及其功能進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序或智能電子設(shè)備之間數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)交換。圖5為模擬智能變電站所構(gòu)建的海上風(fēng)電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。

圖5 海上風(fēng)電場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)

4 海上風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)展望

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。近年來(lái)，各類(lèi)新型傳感器不斷涌現(xiàn)。一方面，新型傳感器提高了測(cè)量精度，分析系統(tǒng)可獲取精確的數(shù)據(jù)，從而得到可靠的分析結(jié)果；另一方面，更多的狀態(tài)量可通過(guò)傳感器直接獲得，能更全面的監(jiān)測(cè)設(shè)備。無(wú)線(xiàn)傳感器的出現(xiàn)，簡(jiǎn)化了傳感器的通信線(xiàn)路，安裝也更加簡(jiǎn)便，另外各類(lèi)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)也推動(dòng)了數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸

海上風(fēng)電場(chǎng)的特殊地理氣候環(huán)境不利于工作人員長(zhǎng)期值守，因此需依賴(lài)可靠先進(jìn)的監(jiān)測(cè)及通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的管理。光纖通信已得到應(yīng)用，但光纖機(jī)械強(qiáng)度較差，布局受限。相比光纖通信，無(wú)線(xiàn)通信的成本更低，適應(yīng)性與擴(kuò)展性也要優(yōu)于光纖。文獻(xiàn)[20]提出利用ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)通信，文獻(xiàn)[21]提出了一種以太網(wǎng)和地面無(wú)線(xiàn)測(cè)控網(wǎng)相結(jié)合的大型風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能滿(mǎn)足海上風(fēng)電場(chǎng)需要傳遞大量數(shù)據(jù)的要求。但無(wú)線(xiàn)通信存在數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，通信距離受限，通信鏈路易受阻斷。因此，對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)，可考慮在局部范圍內(nèi)使用無(wú)線(xiàn)通信，長(zhǎng)距離傳輸時(shí)選用光纖通信。

4.3 新一代信息技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要的各種信息。物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)每個(gè)產(chǎn)品都有一個(gè)唯一的產(chǎn)品電子碼(EPC)，通常EPC碼被存入硅芯片做成的電子標(biāo)簽內(nèi)，附在被標(biāo)志產(chǎn)品上，被高層的信息處理軟件識(shí)別、傳遞、查詢(xún)，進(jìn)而在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上形成專(zhuān)為供應(yīng)鏈企業(yè)服務(wù)的各種信息服務(wù)。若在海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將大幅提高海上風(fēng)電場(chǎng)的智能化水平。通過(guò)智能監(jiān)測(cè)與輔助控制系統(tǒng)建立，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、圖像監(jiān)視、安全警衛(wèi)、火災(zāi)報(bào)警等，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行全方位立體式監(jiān)測(cè)。

云計(jì)算是一種基于分布式計(jì)算的新型服務(wù)計(jì)算。其借助分布式處理和計(jì)算技術(shù)，提高計(jì)算速度。在大型風(fēng)電場(chǎng)建立內(nèi)部云計(jì)算平臺(tái)，可在現(xiàn)有電力設(shè)備基本不變的情況下，利用風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)建立私有云，可以充分整合系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算處理和存儲(chǔ)資源，大幅提高數(shù)據(jù)處理和交互能力，構(gòu)建一個(gè)低成本的信息網(wǎng)絡(luò)。大數(shù)據(jù)能夠提供海量信息，運(yùn)用大數(shù)據(jù)與云計(jì)算，能夠詳細(xì)快速地處理數(shù)據(jù)，盡早發(fā)現(xiàn)異常情況，提高風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷水平。

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A Review of the Condition Monitoring Methods of Offshore Wind Farms

WANG Chao1, XU Honghua1, CUI Yangliu2

(1. Nanjing Power Supply Company, State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210019, China;2. Maintenance Branch, Nantong Department of State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nantong 226000,China)

The development of offshore wind farms in China is introduced and the benefits of offshore wind farms condition monitoring are analyzed. The practical difficulties of offshore wind farm equipment maintenance are described. Condition monitoring of wind turbines, substations and submarine composite cables are reviewed. Some of the ways of the main electrical equipment condition monitoring in the offshore wind farm are summarized. A communication system based on IEC61850 is proposed for offshore wind farms. Two important generator logic nodes are recommended to be added in IEC61850. Condition monitoring of offshore wind farms is discussed with the current emerging technologies.

offshore wind farm; condition monitoring; IEC61850; communication system; sensor

2016- 03- 18

江蘇省電力公司科技基金資助項(xiàng)目(J2016046)

汪超(1974-)，男，碩士，工程師。研究方向：電網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)維技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.045

TM614

A

1007-7820(2016)11-161-04