智慧风电场监控系统及辅控系统技术分析

董良  ,潘磊 , 龚伊然  ,杨臻,罗晖

摘要：智慧风电场的核心组成包括了风机、升压站以及各种辅助性的控制系统，研究智慧风电场升压站监控系统的实现方法，重点突出了信息化监控系统的架构。在辅助控制系统方面介绍了安全防护、消防、智能锁控等一系列内容，智慧风电场的建设全面提高了其安全性、维护管理效率以及精细化，各种终端传感器采集数据，作为智能化监控与控制的依据和参数，智慧化是风电场的主要发展趋势。

关键词：智慧风电场；监控系统；辅控系统

引言：

为了应对日益严峻的碳排放问题，世界各国纷纷加入节能减排的行列中，国家已经制定了“碳达峰”和“碳中和”的时间表，风力发电是一种潜力巨大的可用于代替传统化石燃料的清洁发电技术，现代化的风电场倡导运用信息技术、先进的传感器以及电气自动化设备提高其智能化监控水平，为了实现这一目标，重点是提高分机、升压站以及各种辅助控制设备的智能化和自动化水平。

一、研究意义及内容

（一）研究意义

信息技术、自动化控制技术的全面进步为现代智慧风电场的建设提供了有效的技术途径，绿色、低碳、智能化是未来风电场的主要发展方向。智慧风电厂要全面提高其信息化的监控能力，利用各种先进的传感器、视频监控探头以及网络系统实时获取风电场内各种关键设备的运行参数，同时对人员、环境等影响因素实时有效的监控，这种立体化、系统化的感知能力可显著提高风电场的自动化运维能力，减少设备管理对人员的依赖性[1]。另外，智慧风电场还具备远程自动巡检、自动控制的能力，风电场的管理人员无需前往现场，只需在控制室中远程操作，就能完成对特定的控制目标和任务。

（二）研究内容

智慧风电场涵盖范围和内容较为广泛，以风电场的核心模块为对象，可将其划分为以下几个方面。其一是智慧风机，其二是风电场的升压站（变电站），其三是各种辅助性的管理设备和设施。此次以智慧升压站和智慧型的风电场辅助控制设备为研究内容。分析了智慧型升压站的整体架构，研究了其子系统，包括二次辅助控制系统在内，同时还探讨了主系统和子系统之间的联动逻辑。在辅助控制设备方面，重点研究了集电线路的智慧化设计和精细化设计，总结和相关的规范。

二、智慧风电场升压站及其监控系统

智能变电站的升压站是非常关键的系统模块，传统的升压站使用站控层网络，这种通信网络设置在间隔层设备和过程层设备之间，在二者之间实现数据的有效传输，并且系统中还会应用大量的电缆硬接线，当电缆中通过电流时会对周围的其他电缆产生电磁场作用，进而形成干扰。在智能升压站中，传统的站控层网络被MMS网所替代，同时增加了过程层网络，采用GOOES网，这种配置方式取消了电缆硬接线，避免其电磁干扰的问题。智慧升压站的主体架构可参考图1来理解。升压站内的设备具有多种类型，最核心的变压器以及配套的变身设备和设施，变电站I区为主设备监控系统，具体包括了监控主机、网络交换机以及数据采集终端。除了这些关系到变电操作的核心设备，升压站内还存在很多辅助性的设备和功能，环境因素也会影响设备运行。在全面的智慧监控系统中，还要对升压站的各种辅助设备和功能设置专门的监控主机，具体涵盖如下几个方面：1）环境监测。主要包括了升压站内的温度、湿度、烟雾、浸水等环境参数；2）视频监测。在升压站的入口位置设置探头，所有进入其中的人员都要接受严格的资质审查，防止不具备电工资质的人员进入其中操作设备。并且进入变电站的人员要通过视频监控系统来实时掌握其具体位置，相关人员要携带定位装置；3）在线监测。智慧风电场的变电站使用在线模拟软件实时显示各种设备的运行状态，以图形化、参数化的形式来呈现，这种辅助管理手段在系统中发挥着重要的作用；4）巡检机器人。变电站内的设备上具有很多显示其运行状态的按钮和参数，在智能变电站中引入了自动巡检机器人，以视频或者直接的数据采集将相关参数传输到管理后台；5）六氟化硫断路器监测。断路器用于控制变电回路的启动和停止，是非常重要的安全管理设备，智能升压站中也将断路器的监控作为重点；6）消防监控。借助视频探头、温度传感器、烟雾探测器等设备及时掌握升压站内的火灾风险因素，并且将其和自动灭火装置关联起来[2]。

从电力物联网的原理看，智慧风电场的升压站可分为三个层次。第一层是感知层，主要是设置在升压站内的各种终端设备，具体包括一、二次设备，监测和控制设备等，其中监控的参数为主变套管油压、铁芯及夹件电流、主变油温、避雷器泄漏电流等。第二层是平台层，这一层的主要作用是将感知层获取的数据进行边缘计算，并且将计算所得结果上传到集控中心，其中的典型组成包括了交直流一体化电源系统、安防系统、消防系统、门禁系统、六氟化硫监测系统等。第三层是升压站的业务应用层，以生产监控指挥中心为基础平台，能够汇集各方智慧变电站的信息，在功能上可实现实景3D建模、站内作业管控、感知数据归集、远方智能巡检等

[3]。

图1 智慧升压站的主体架构图

三、智慧风电场二次及辅助控制系统

（一）二次系统的新技术

第一，保护及测量装置。1）一次设备就地模块。在设备终端采用智能化的探测技术，以数字量采集并模拟出电压参数、电流参数以及开关量。变电站设备的数据采集主要分为两类，一种是开关量，另一种是模拟量。在智慧化变电站中，这些智能化采集终端能够精确而快速地获取电流、油温、油压等数字化参数，为智能化控制和管理提供可靠的依据。这些智能终端设备可集成在一、二次设备上，或者就近安装在其附近，并且这些就地模块还应该具备足够的抗干扰性能和防护性能，与此同时，探测设备的成本要相对较低，一旦出现故障，可通过直接更换的方式作为检修策略，这样做的优势在于降低管理维护的工作量[4]。

第二，冗余测控装置。智慧化升压站对测控功能具有高度的依赖性，如果测控装置出现故障，且未能及时修复，智慧电场的安全性就会受到很大的威胁，在设计时要为其创造冗余性的测控功能。冗余测控装置包含了多个虚拟性的测控单元，按间隔实现变电站测控装置的集中式冗余后备功能，在冗余测控装置的作用下，智慧变电站监控设备的可靠性得到了显著的提升。

第三，智慧化的高级应用。1）一键顺控。这一功能主要实现远程控制，其基础条件是变电专业管理的集约化水平不断提高，并且一次设备位置双确认技术也越发成熟，在变电站的监控系统中可将一键顺控的功能集成进去，具体功能涵盖了任务自动生成、票库操作、指令执行、操作记录、模拟预演、权限管理、防误闭锁等。一键顺控的安全性非常突出，并且其操作流程标准成熟；2）监视一、二次设备的状态。二次设备和一次设备相互配合，并且相互之间存在着特定的对应关系，在监控设备的运行状态时也要同步确定一、二次设备的对应关系是否正确。因此，在高级应用中要监视一、二次设备的对应关系，一旦出现异常的对应关系，监视功能可发出告警信息，并且这种报警信息是多重报警；3）检修断面比对。智能变电站内经常要开展设备检修活动，但是由于设备比较复杂，检修结束之后要将拆卸下来的元器件原样恢复，这一过程中有可能出现偏差，检修之前可利用智能化的方式将原状信息保存下来，然后再恢复时将其作为对照，确保不会出现任何遗漏。因此，在高级应用中集成了专门的断面对比工具，该工具可逐级显示出一、二次设备的原状信息，并和当前的安装情况加以对比，将其中不同的部分以红色逐级标注出来；4）自动验收。这一功能在具体实施时存在三个基本阶段，分别是校核模型及点表信息、网管闭环信息，站内同步验收的结果，最后一个阶段是调度验收。自动验收装置具备校核RCD、SCD的功能，在自动验收功能的支持下， 调试对点的效率会大幅提升，进而节省验收和调试的时间[5]。

（二）辅助控制系统

第一，整体设计思路。智慧化的辅助控制系统按照“一体设计、精简层级、数字传输、标准接口、远方控制、智能联动、方便运维”的思路来设施，其作用是全面加强辅助控制设备的管控能力。辅助控制系统采用IEC61850协议，有些辅助设备的属于存在一定的结构要求，还有些设备对数据结构不作要求，辅助控制系统可同时满足这些要求[6]。智能辅助控制系统涵盖的内容非常广泛，例如，图像监视及安全警卫子系统、人员自动跟踪子系统、环境监测子系统、风机智能控制子系统、智能照明、开关量及图像视频信号等。

第二，辅助控制系统的子系统。1）视频监控系统。这一系统是对变电站大门、周边环境及其内部工作环境实现全面监测的有效措施，在视频显示端可实现视频预览、分画面显示等功能，当进入升压站的人员缺乏基本的资质时，系统还能发出报警信息。火灾消防、智能锁控、远程智能巡检等功能也要依靠视频监控系统来实现。该子系统在硬件方面主要包括了摄像机、硬盘录像机以及计算机主机；2）在线监测系统。该系统的主要构成设备包括在线监测主机（CAC）、在线监测IDE显示器以及在线监测就地模块，这些设备的主要功能在于在线采集、存储、分析和转发数据，将其存储在主站中；3）环境监测系统。升压站内的环境温度、湿度、溢水情况等直接决定着设备的运行状态的安全性，环境监测系统利用各种出传感器、就地箱以及集成控制系统采集升压站的室内环境参数，并且在某些参数异常的情况下联动控制风机或者空调等设备，对湿度、温度等实现有效地调节和控制。环境监测系统采集到室内的六氟化硫泄漏、湿度过高或者温度过高时可联动控制风机，完成自动的闭环控制和告警，并且风机在发生火灾的情况下会助长火势的阿蔓延速度，因此系统在设计时将风机和火灾报警系统也联动在一起，一旦后者发出报警信息，风机也会自动关闭。站内空调设备的作用和风机的作用非常接近，但是二者之间还是存在一定的差异，风机有利于散热和换气，对室内除湿的效果较为显著，而空调在调节温度方面的速度比风机更加突出[7]。

第三，消防系统。烟感和温感探测器将室内环境中的物理量转化成计算机和识别的电信号参量，然后在消防主机的判断和控制下对火灾报警联动以及自动灭火联动进行控制，在发出报警信息的同时启动布置在室内的自动灭火装置。与此同时，消防系统还通过专门的信号通道接入到辅助监控主机中，和其他的设备及系统实现有效的联动。在处理火情的过程中可获得照明、视频监控等设备的辅助。

第四，安全防护系统。升压站是风电场的关键场所，对进出的人员必须进行资格审查，因此，可通过安全防护系统实现防盗窃、防侵入、防人为破坏的安全管理目标。在变电站的入口位置设计专门的电子门禁系统，然后借助视频监控、人脸识别或者门禁卡的方式检查进入身份信息，如果发现其没有进入升压站的资质，那么门禁系统会将其隔离在外部。安防系统的形式具有多样性特点，除了门禁之外，还包括电子围栏、双鉴探测器、红外对射探测器等设备[8]。

第五，智能锁控系统。还系统的主要构成为电子钥匙、变电站锁具以及锁控控制器等。变电站内的各种锁具具备“一键开启”的功能，并且开锁可实现远程控制。开锁的流程以信息化的方式来实现，并且每一次的开锁都以信息化的方式记录并村粗下来。智能锁控系统的作用是全面代替传统的机械锁具，其管理的效率也更高。

四、结束语

智慧风电场要采用现代化的信息技术和自动控制技术来构建智慧升压站，采用先进的传感器、探测设备实现升压站的安全监控、消防监控、智能锁控、环境在线监测等功能。升压站是智慧风电场的关键组成，其中设置了变压器、高低压配电设备等核心装置，采用智慧化技术可全面提高求监控和管理水平。

参考文献

[1]阳熹,杨源.智慧型海上风电场一体化监控系统方案设计[J].南方能源建设, 2019,v.6;No.22(01):48-54.

[2]张国梁.风电场综合监控系统实施研究[J].电脑迷,2018,000(035):117.

[3]郭强,李峰.风电场智能视频识别与安全管控技术应用研究[J].  2021(2019-19):139-140.

[4]李建普,王东升.基于云桌面的风电场远程集中监控系统开发[J].中国设备工程,2017(7):3.

[5]刘涛,廖宏,董华莉.基于云桌面的风电场远程集中监控系统研究[J].东方汽轮机,2017(2):3.

[6]张艳锋,田震,杨海涛,等.风电场智慧运维管理浅谈[J].中国设备工程, 2019(15):3.

[7]何田昕,韩志惠.浅谈风电场智慧能源管理系统发展构想[J].电力系统装备, 2018(11):2.

[8]邸亮,唐起超.智慧风电场中智能变电站的探析[J].电力系统装备, 2020(4):2.