Zentralisierte Überwachungssystemlösung für Windparks

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Acrel Co., Ltd.

Abstrakt:Als eine der sauberen Energiequellen ist die installierte Kapazität von Windparks in den letzten Jahren rasant gewachsen. Windparks werden in Onshore- und Offshore-Windparks unterteilt. Sie befinden sich in der Regel an abgelegenen Standorten, sind verstreut und unterliegen rauen Umgebungsbedingungen. Daher benötigen Windparks ein Fernüberwachungssystem, um dem Betriebs- und Wartungspersonal einen effizienteren Betrieb zu ermöglichen.

Stichwort:Windpark, zentrales Überwachungssystem, Mess- und Steuergerät für Kastentransformatoren

1.Elektrische Ausrüstung für Windparks

Die obere Kabine jedes Stromaggregats ist mit einem Turbinengenerator ausgestattet, und an der Vorderseite befindet sich ein verstellbares Lüfterblatt. Das System kann den Neigungswinkel des Lüfterblatts an unterschiedliche Windverhältnisse anpassen. Die allgemeine Geschwindigkeit des Lüfterblatts beträgt 10–15 U/min und kann über das Getriebe auf eine Geschwindigkeit von 1500 U/min eingestellt werden, um den Generator anzutreiben. Im Maschinenraum ist außerdem eine industrielle SPS zur Steuerung und Erfassung der zugehörigen Daten konfiguriert. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Drehzahl, Wirkleistung und Blindleistung der Stromerzeugung und andere zugehörige Daten werden von der SPS erfasst, und der Generator wird anhand der erfassten Daten in Echtzeit gesteuert. An Land ist am Fuß des Windturms ein Kastentransformator installiert, der für die Verstärkung und Zusammenführung zuständig ist. Je nach Leistung und geografischen Bedingungen werden mehrere Windturbinen einmal verstärkt und parallel geschaltet, um zum Verstärkungsunterwerk zusammengeführt zu werden. So wird Strom ins Netz eingespeist. Der Schaltplan des Windparks ist in Abbildung 1 dargestellt. Die vom Lüfter abgegebene Spannung beträgt in der Regel 0,69 kV und wird durch den Kastentransformator auf 10 kV oder 35 kV erhöht. Nach mehreren parallelen Zusammenführungen werden sie an die Niederspannungssammelschiene des Umspannwerks angeschlossen und anschließend durch den Haupttransformator auf 110 kV oder mehr erhöht und ins Stromnetz eingespeist.

Anders als bei der Windkraft an Land ist der für die Primärverstärkung verwendete Trockentransformator aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen (hohe Luftfeuchtigkeit, hohe Salzdichte) bei der Windkraft auf See in den Motorraum des Zugventilators integriert. Dadurch wird nicht nur das Problem des Platzbedarfs der gesamten Einheit gelöst, sondern auch die Schutzschwierigkeiten vermieden, die durch die Installation des Transformators an einer niedrigeren Position entstehen.

Abbildung 1 Schematische Darstellung der elektrischen Verkabelung eines Windparks

2. Schutz- und Mess- und Regeltechnik für Windparks

Von der Stromerzeugung durch die Windturbine – Booster-Box-Transformator – Zusammenfluss – Booster-Station Mittelspannungssammelschiene – Haupttransformator – Booster-Station Hochspannungssammelschiene – Hochspannungssteckdose – Netzanschluss: Der mittlere Abschnitt muss vor der Einspeisung ins Netz zweimal verstärkt werden. Das Stromnetz verfügt über eine große Anzahl und Art elektrischer Geräte, und jeder Ausfall einer Verbindung beeinträchtigt den normalen Betrieb des Windparks. Daher ist es notwendig, in allen Verbindungen des Windparks Schutz-, Mess- und Steuergeräte zu installieren, um den Betriebszustand des Windparks umfassend zu überwachen. Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung der Konfiguration der Schutz-, Mess- und Steuergeräte des Windparks.

Abbildung 2 Konfigurationsdiagramm der Schutz-, Mess- und Steuergeräte für Windparks

2.1 Kastentransformator Mess- und Steuergerät

Um Leitungsverluste in Onshore-Windparks zu reduzieren, wird üblicherweise eine 0,69/35(10)-kV-Verstärkerstation in Kastenbauweise neben der Windkraftanlage installiert. Die Windkraftanlagen im Windpark sind mehrere hundert Meter voneinander entfernt und somit weit vom zentralen Kontrollraum entfernt. Die Aufspanntransformatoren befinden sich im freien Feld, und die rauen Bedingungen erschweren manuelle Inspektionen. Die Mess- und Steuereinrichtung des Kastentransformators ist das Herzstück des Überwachungssystems des Windparks und ermöglicht dessen intelligente Steuerung. Die Mess- und Steuereinrichtung der Kastenstation kann die Windkraftanlage schützen und fernüberwachen, die Funktionen „Fernsignalisierung, Telemetrie, Fernsteuerung und Ferneinstellung“ vollständig realisieren und so die Effizienz von Betrieb und Wartung des Windparks deutlich verbessern.

Abbildung 3 Mess- und Steuergerät für Windpark-Boxstationen

Das AM6-PWC Transformatorschutz-Mess- und Steuergerät ist ein integriertes Gerät, das Schutz, Messung, Steuerung und Kommunikation für die unterschiedlichen Anforderungen von Windkraft- und Photovoltaik-Aufwärtstransformatoren vereint. Seine Funktionskonfiguration ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

2.2 Messung und Steuerung des niederspannungsseitigen Leitungs- und Sammelschienenschutzes

Mehrere Windturbinen werden erstmals auf 35 (10) kV hochgefahren und dann parallel geschaltet, um einen Stromkreis zu bilden, der mit der Niederspannungssammelschiene des Aufwärts-Umspannwerks verbunden ist. Um eine umfassende Überwachung zu erreichen, ist die Leitung mit Leitungsschutzgeräten, multifunktionalen Mess- und Steuergeräten, Geräten zur Überwachung der Stromqualität und drahtlosen Temperaturmessgeräten ausgestattet, um eine Echtzeitüberwachung des elektrischen Leitungsschutzes, der Messung und der Temperatur zu realisieren, und die Niederspannungssammelschienen sind mit Lichtbogenschutzgeräten ausgestattet.

Tabelle 1 Niederspannungsseitige Leitungs-, Sammelschienenschutzmessung und Steuerungskonfiguration

2.3 Messung und Steuerung des Haupttransformatorschutzes

Nachdem die Stromerzeugung der Windkraftanlage über die Niederspannungssammelschiene eingeleitet wurde, wird sie über den Haupttransformator auf 110 kV hochgesetzt und an das Netz angeschlossen. Der Haupttransformator ist mit einem Differentialschutz, einem Hochspannungsschutz, einem Niederspannungsschutz, einem nichtelektrischen Schutz, einer Mess- und Steuereinrichtung, einer Transformatortemperaturregelung und einem Getriebetransmitter ausgestattet, um die Schutz-, Mess- und Steuerfunktion des Haupttransformators sowie die Installation einer zentralen Gruppenabschirmung zu gewährleisten.

Tabelle 2 Mess- und Steuerungskonfiguration für den Haupttransformatorschutz

2.4 Messung und Steuerung des Hochspannungsleitungsschutzes

Die vom Windpark erzeugte elektrische Energie wird zweimal auf 110 kV hochgesetzt und anschließend in das Stromnetz eingespeist. Die 110-kV-Leitung ist mit einem Glasfaser-Differentialschutz, Distanzschutz, Inselnetzschutz sowie Mess- und Regeleinrichtungen ausgestattet.

Tabelle 3: Mess- und Steuerungskonfiguration für den 110-kV-Leitungsschutz

3.Windpark-Überwachungssystem

Die Windpark-Überwachungsplattform ermöglicht die Überwachung, Steuerung und Verwaltung des Betriebsstatus des Windparks und der Echtzeitdaten der Windturbinen, verbessert die Zuverlässigkeit und Betriebseffizienz des Windparks, senkt die Wartungskosten und ermöglicht ein intelligentes Management.

Der Windpark erstreckt sich über ein relativ großes Gebiet, und die Anlagen sind verstreut. Das System stellt relativ hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Datenkommunikation und die Echtzeitleistung. Sofern die Bedingungen es zulassen, kann das redundante Glasfaser-Ringnetz zur Datenerfassung und -kommunikation genutzt werden. Auch die drahtlose LORA-Methode kann zur Datenübertragung eingesetzt werden.

Abbildung 4 Diagramm des Windpark-Überwachungssystems

Die Daten der SPS der Saugzuggebläseeinheit und des Mess- und Steuergeräts des Kastentransformators werden über das Glasfaserringnetz auf den Datenserver im Kontrollraum hochgeladen. Die Daten des umfassenden Automatisierungssystems der Druckerhöhungsanlage werden über Ethernet auf den Datenserver hochgeladen. Sender, Gleichstromsysteme und andere intelligente Geräte werden an die Kommunikationsmanagement-Maschine angeschlossen, um Daten auf den Server hochzuladen.

3.1 Windparküberwachung

Umfassende Anzeige der grundlegenden Parameter des gesamten Windpark-Zugventilators (einschließlich Windgeschwindigkeit, Leistung, Geschwindigkeit usw.) und ermöglicht die Anzeige der täglichen, monatlichen und jährlichen Stromerzeugung. Die Überwachung der Stromerzeugung ist praktisch für die Echtzeitüberwachung des Betriebsstatus des Zugventilators.

3.2 Überwachung der Besatzung

Überwachen Sie die Parameter und den Steuerungsstatus jedes Steuermoduls in der Einheit, einschließlich: Neigung, Gieren, Getriebe, Generator, Hydraulikstation, Maschinenraum, Konverter, Stromnetz, Sicherheitskette, Drehmoment, Hauptwelle, Turmbasis, Windmesser usw. Realisieren Sie die umfassende Anzeige von Parametern, Fehlern und Trenddiagrammen jedes Moduls.

3.3 Echtzeit-Datenanzeige

Der Saugzugventilator, die Umspannwerke und andere Geräte im Windpark sind mit Sensoren und Überwachungsgeräten ausgestattet, die die elektrischen Betriebsdaten, die Temperatur, die Vibration und andere Parameter der Geräte in Echtzeit erfassen und bei Anomalien rechtzeitig Warnungen ausgeben können.

3.4 Energieverwaltung

Durch die Anzeige von Wirk- und Blindparametern, die Steuerung und Anpassung von Wirk- und Blindleistung sowie weitere Funktionen können die Betriebskosten von Unternehmen effektiv gesenkt und das Ziel der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung mit Daten unterstützt werden.

3.5 Produktionsbericht

Anzeige- und Berichtsfunktionen für wichtige Parameter wie Windkraft, Windpark-Leistungsindikatoren und neue Energie pro Einheit sowie Unterstützung der Betriebsstatistik der einzelnen Windparkanlagen nach Zeiträumen (Tag, Monat und Jahr). Entsprechend der Abfragemethode für Tag, Monat und Jahr werden die wichtigen Parameter klassifiziert, nach Elementen gezählt und der Bericht erstellt.

3.6 Statistische Analyse

Unterstützt eine Vielzahl statistischer Analysefunktionen, schöpft das Datenpotenzial voll aus, bietet Lösungen zur Energieeinsparungsoptimierung, liefert Entscheidungsgrundlagen für Manager, verbessert das Managementniveau von Unternehmen auf praktikable Weise und erreicht schließlich das Ziel der Energieeinsparung, Emissionsreduzierung und wissenschaftlichen Produktion. Die Analysemethoden umfassen: Fehlerstatistiken, Leistungskurven, Verfügbarkeitsstatistiken, Windrosendiagramme, Windgeschwindigkeitsleistungsberichte, monatliche und tägliche Nutzungs- und Ausfallzeitstatistiken usw.

Quellen:

[1] Acrel Enterprise Microgrid Design- und Anwendungshandbuch. Version 2022.05