海上风电场换流站智慧型监控管理系统.pdf
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1、第8卷 第3期2 0 2 3年6月分布式能源D i s t r i b u t e d E n e r g yV o l.8 N o.3J u n.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 3 0 6海上风电场换流站智慧型监控管理系统卿子龙,王 伟,刘剑欣(国网电力科学研究院有限公司,江苏省 南京市 2 1 0 0 3 1)摘要:现有的陆上换流站综合自动化系统不能满足未来深远海域海上换流站的监控管理要求,为此提出换流站智慧化建设的理念。首先分析海上风电场换流站的运维特点及换流站综合自动化系统现状;然后基于海上换流站现场智能
2、化监控和远程智慧化运维管理的需求分析,通过对设备状态全面感知、无人机巡视巡检、设备异常主动预警、设备故障智能诊断、主辅设备智能联动、远程操作一键顺控、人员行为智能管控、运维管理智慧决策等技术的应用研究,提出海上风电场换流站智慧型监控管理一体化系统的设计思想,并研究分析该系统的体系架构和功能特征,为海上换流站的智能化、智慧化建设提供可行性方案。关键词:海上风电场;海上换流站;智慧型;监控管理一体化系统中图分类号:T K 8 3;TM 7 6 文献标志码:AC o n v e r t e r S t a t i o n I n t e l l i g e n t M o n i t o r i n
3、 g a n d M a n a g e m e n t S y s t e m o f O f f s h o r e W i n d F a r mQ I NG Z i l o n g,WANG W e i,L I U J i a n x i n(S t a t e G r i d E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,N a n j i n g 2 1 0 0 3 1,J i a n g s u P r o v i n c e,C h i n a)A B S T R A C T:T
4、h e e x i s t i n g i n t e g r a t e d a u t o m a t i o n s y s t e m o f o n s h o r e c o n v e r t e r s t a t i o n s c a n n o t m e e t t h e m o n i t o r i n g a n d m a n a g e m e n t r e q u i r e m e n t s o f o f f s h o r e c o n v e r t e r s t a t i o n s i n t h e f u t u r e,s o
5、t h i s p a p e r p u t s f o r w a r d t h e c o n c e p t o f i n t e l l i g e n t c o n s t r u c t i o n o f c o n v e r t e r s t a t i o n.T h e p a p e r f i r s t a n a l y z e s t h e o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f o f f s h o r e w i n d f
6、a r m c o n v e r t e r s t a t i o n s a n d c u r r e n t s t a t u s o f i n t e g r a t e d a u t o m a t i o n s y s t e m o f c o n v e r t e r s t a t i o n s.B a s e d o n r e q u i r e m e n t a n a l y s i s o f t h e f i e l d i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g a n d r e m o t e i
7、n t e l l i g e n t o p e r a t i o n,a n d m a i n t e n a n c e a n d m a n a g e m e n t o f o f f s h o r e c o n v e r t e r s t a t i o n,t h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n r e s e a r c h o f t e c h n o l o g i e s s u c h a s c o m p r e h e n s i v e p e r c e p t i o n o f e q u i
8、p m e n t s t a t u s,u n m a n n e d m a c h i n e i n s p e c t i o n,a c t i v e w a r n i n g o f e q u i p m e n t a b n o r m a l i t i e s,i n t e l l i g e n t d i a g n o s i s o f e q u i p m e n t f a u l t s,i n t e l l i g e n t l i n k a g e o f m a i n a n d a u x i l i a r y e q u i
9、p m e n t,o n e-k e y s e q u e n t i a l c o n t r o l o f r e m o t e o p e r a t i o n,i n t e l l i g e n t c o n t r o l o f p e r s o n n e l b e h a v i o r,a n d i n t e l l i g e n t d e c i s i o n-m a k i n g o f o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e m a n a g e m e n t,t h i s p
10、a p e r p u t s f o r w a r d t h e d e s i g n p h i l o s o p h y o f i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g a n d m a n a g e m e n t i n t e g r a t i o n s y s t e m f o r c o n v e r t e r s t a t i o n s i n o f f s h o r e w i n d f a r m s,a n d s t u d i e s a n d a n a l y z e s t h e
11、a r c h i t e c t u r e a n d f u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s y s t e m.I t p r o v i d e s a f e a s i b l e s c h e m e f o r t h e i n t e l l i g e n t a n d w i s d o m c o n s t r u c t i o n o f t h e o f f s h o r e c o n v e r t e r s t a t i o n.K E Y WO R D S
12、:o f f s h o r e w i n d f a r m;o f f s h o r e c o n v e r t e r s t a t i o n;s m a r t t y p e;i n t e g r a t e d m o n i t o r i n g a n d m a n a g e m e n t s y s t e m基金项目:国网电力科学研究院科技项目(5 2 4 6 0 9 2 1 0 0 1 2)T h i s w o r k i s s u p p o r t e d b y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y
13、 P r o j e c t o f S t a t e G r i d E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e(5 2 4 6 0 9 2 1 0 0 1 2)0 引言 目前,我国的海上风电装机容量已跃居世界第一。近海可供能开发的风能资源已越来越少,未来海上风电场的建设将走向更加深远的海域。随着离岸距 离 的 增 长,考 虑 到 高 压 交 流(h i g h-v o l t a g e a l t e r n a t i n g c u r r e n t,HVA C)输电的海缆线路电容效应等不利因素,深远海域
14、风电的较好输电方式是高压直流(h i g h-v o l t a g e d i r e c t c u r r e n t,HV D C)输电1-3。直流输电系统的输送容量大、距离远、损耗低,且一个海上换流站就可负责周边多个风电场的接入,比交流输电方式更具经济性。由于换流站增加了换流阀、直流场等直流设备设施,HV D C系统的结构要比HVA C系统的结构更为复杂;叠加深远海域环境恶劣、气候复杂多变等不利因素,现场有V o l.8 N o.3卿子龙,等:海上风电场换流站智慧型监控管理系统4 1 人值班(守)的监控与运维管理的模式难度更大。换流站的设备数字化、智能化程度也较低,照抄现有陆上换流站
15、的综合自动化系统,远远无法满足海上换流站无人值班的要求。换流站的数字化、智能化、智慧化建设,能显著提高其自动化水平,有效降低运行与维护工作量;交、直流设备与主辅设施的监控管理系统一体化设计建设也是海上换流站远程高效运维的有力措施4-6。与交流站的智能化、智慧化设计建设的快速推进相比7-8,换流站的标准化、规范化设计研究较为滞后9-1 0;目前换流站主辅设备设施的数字化、智能化程度也较低。I E C 6 1 8 5 0通信标准统一了数字化智能换流站的信息交互模型1 1-1 2;全景数据监控、状态在线监测、智能巡检、视频监控及泛在电力物联网等技术为换流站的故障智能诊断预警提供了坚实的基础1 3-1
16、 8;一键顺控、辅助设施的智能化监控等技术综合推动了换流站主辅设备设施的互联互动1 9-2 3;图像扫描、数据信息可视化、基于5 G的智能分析、基于A I的运行决策等技术2 4-2 6,为换流站的智慧化运维,提供了良好手段。大数据、云边计算、泛在物联网、移动互联、人工智能、全数字仿真及数字孪生等新技术的发展,也为海上风电场换流站智慧型监控管理系统的研究与应用开发,提供了技术支撑。陆上智能站的智慧化建设,也为海上换流站的智能化、智慧化设计,提供了参考案例。本文在分析海上换流站的运维特点和现有换流站综合自动化系统的现状基础上,基于海上换流站主辅设备设施的现场智能化监控和远程智慧化运维管理等功能需求
17、的分析,通过对设备状态智能感知、无人机自主巡检、设备缺陷主动预警、设备故障智能诊断、远程操作一键顺控、主辅设备智能联动、运维管理智慧决策等技术的应用研究,提出海上风电场换流站智能化、智慧化的设计理念,研究分析换流站智慧型监控管理一体化系统的体系架构和功能特征,期望能为海上换流站的数字化、智能化、智慧化建设,提供规范可行的技术方案,为实现海上无人值班、陆上集控运维的一体化运营模式打下坚实基础。1 海上换流站的运维特点海上风电机组(含3 5k V箱式变电站)生产的电能,通常通过中压交流海缆汇集,至交流升压站(未来的发展方向是取消交流升压站)升压后,再通过高压交流海缆接至海上换流站转换成直流,然后通
18、过高压直流海缆输送,至陆上换流站转换成交流后,并入大电网。海上换流站具有以下运维特点:(1)所处海洋环境高温差、高湿度、高盐雾,叠加雷电、台风的影响,交直流设备故障率较高。(2)海洋气候复杂多变、环境恶劣,人员现场运维困难重重,海上换流站有无人值班的需求。(3)海上换流站受制于离岸距离、气候、交通的约束,可达性差,巡视巡检不便。(4)换流站的交直流设备繁多,运维成本较高。(5)海上换流站的现场无人值班(守)、远程智慧运维,对设备设施的数字化、智能化及监控管理系统的自动化水平要求较高。2 换流站综合自动化系统的现状换流站的交直流设备繁多,但主辅设备设施的数字化、智能化程度却较低,综合监控管理系统
19、的自动化水平也不高,导致换流站的运行、维护、管理等存在诸多问题。主要体现如下:(1)一、二次设备相对独立,界限分明。一次设备没有真正的智能化,辅助设备设施的数字化、智能化程度低,不满足无人值班的要求。(2)二次设备、智能设备和站控系统之间,通信接口和规约不统一,数据信息交互共享不足。(3)监控系统的功能子系统多,没有深度融为一体,全站协调控制不便。(4)在线监测子系统多且相互独立,运维管理不便;没有综合一体,不能进行故障的综合诊断;难以及时发现故障隐患,无法合理安排运检。(5)辅控子系统数量多且相互独立,存在信息格式不规范、功能不完善等问题,导致信息共享困难,主辅设备的互联互动困难。(6)未来
20、海上换流站综合监控管理系统的自动化水平要求很高,目前的陆上换流站综合自动化系统满足不了海上换流站的基本运维要求。3 换流站智慧型监控管理系统的架构智能化的一次设备、网络化的二次设备、共享化的信息平台是数字化智慧型换流站的基础特征。基于开放可扩充的I E C 6 1 8 5 0标准,可较容易实现不同 厂 家 的 智 能 电 子 设 备(i n t e l l i g e n t e l e c t r o n i c d e v i c e,I E D)间的数据交互及互操作。智慧化建设4 2 分布式能源第8卷 第3期的重点是:基于一次设备的数字化、智能化,加强主辅设备的信息全面感知、主辅设施的互
21、联互动、设备设施缺陷的主动预警、设备故障的智能诊断和运维管理的智慧化决策。设备智能化、状态在线监测、无人机巡视巡检、图像智能识别及大云物移智仿等新技术的快速发展和广泛应用,为海上换流站的智慧化建设提供了关键技术支撑和示范案例。图1 海上换流站智慧型监控管理系统架构图F i g.1 A r c h i t e c t u r e d i a g r a m o f t h e i n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g a n d m a n a g e m e n t s y s t e m o f t h e o f f s h o r e c o n
22、 v e r t e r s t a t i o n 基于I E C 6 1 8 5 0标准的规范化基础平台,为不同的高级应用需求提供了统一的支撑平台。统一规范数据的采集、存储、共享、应用和展示,优化信息流的架构,提高数据模型和业务流程的标准化程度。以设备设施的可视化全景数据为基础,一体化系统全面优化整合、集成二次设备及各子系统的功能。以远程操作一键顺控、主辅设备智能联动、设备信息智能感知、无人机替代人工巡检、设备异常自主预警、设备故障远程智能诊断、运维管控智慧决策为建设目标,按照设备设施数字化接口、智能化联动、智慧化运维管理的设计理念,运用智能感知与物联网、大数据分析处理、人工智能诊断、可视
23、化运维、智慧化管理决策等先进技术,构建起分层分区、横向连通、纵向贯通的信息数据一体化可视平台,实现对全场设备设施的全天候、全方位的全景监控与管理。远程监控、信息综合分析与智能告警、高级应用和运维管理等功能的综合运行,实现了调控一体、运维合一的管理模式。图1为海上风电场换流站智慧型监控管理一体化系统的体系架构。该系统采用分层分布式结构,重要二次设备与系统完全冗余配置。在架构上分为运行人员控制及站控层、保护控制层、过程控制及I/O层;包含综合监控、阀组冷却、状态在线监测、环境监测、空调照明、防火防灾、安防门禁、智能锁控、视频监视、无人机巡检、海上基础平台监测、交直流一体化电源等子系统及高级业务综合
24、应用子系统,实现现场智能化监控和远程智慧化运维综合管理。系统主要功能有运行人员站控、直流输电系统的极控与阀控、交直流系统的控制保护、保护信息及录波、暂态故障录波、计量计费、远动通信等。站控平台及高级应用层在架构上采用海上监控平台和陆上集控平台两级模式,在陆上可集中实施海上风电全场远程监管的各项功能。海上换流站通常无人值班,因此,可适当简化海上换流站站控平台的设备配置。运行人员控制及站控层,其主要设备包括运行人员站、工程师站、仿真培训站、管理信息站、站长站、系统服务器、站局域网、W e b接口站、规约转换器、远动装置站、时钟系统等。通过网络汇总全站的实时数据与信息,具有数据存取、人机监控、联锁互
25、动及在线维护等功能。业务应用层具有数据统计分析、数据挖掘展示及大数据决策等功能,以应用层的各项功能为基础,实现主辅设备的智能联动、远程调控、远程视频巡视、远程预警及作业人员远方管控等功能,以及全站全景化展示、智能化控制、智慧化管理。控制保护层,其设备主要有各种控制、保护、安稳、计量等数字化二次设备,包括直流极的控制保护、换流阀冷却控制、交直流设备控制保护等,完成V o l.8 N o.3卿子龙,等:海上风电场换流站智慧型监控管理系统4 3 各种控制发令、设备保护、逻辑判别、操作联锁等功能,实现对阀厅设备、交直流场设备的监控与保护。通过站控层和过程层的网络,完成实时数据信息承上启下的通信传输功能
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