杂志概述
主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院文献情报中
心
中国高科技产业化研究
会
协办单位：中国科技金融促进会
维依埃龙源电工研究
院
出版单位：科腾世界(北京)文化
传媒有限公司
国内刊号：CN 11—3556/N
国际刊号：ISSN1006—222X
编辑部
社长 / 主编：汤疆平
主编助理：黄晓艳
编辑 / 记者：黄晓艳/费文/张岚/卢欢欢/谭颖莹/曹汉霞/刘隆平
主编助理：黄晓艳
编辑 / 记者：黄晓艳/费文/张岚/卢欢欢/谭颖莹/曹汉霞/刘隆平
招商合作/征稿启事
邮政地址:北京海淀区紫竹院路100号信弘大厦B306（100089）
电子信箱: hq88517750@126.com
联系电话: 010-88517750
电子信箱: hq88517750@126.com
联系电话: 010-88517750
风电场电气二次系统组网设计
■ 吴小青 薛立 孙进 西北电力设计院
随着煤炭、石油、天然气等常规能源的日益紧缺，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越多的得到世界各国的关注。风能利用的主要形式是风力发电，据统计，截至2007年，全国已累计安装风电机组6458台，装机容量622.0万kw，风电场100多个。越来越多的风力发电机组的接入，对电网运行的安全性和稳定性也产生了重大的影响，因此，提高风电场电气自动化水平及运行管理水平，加深对风力发电机组控制系统设计研究，具有十分重要的意义。
风电场整体上分为两个部分，风电场变电站部分和风场部分。风电场变电站构架与常规变电站相同，目前在我国，变电站的控制技术已比较成熟，数字化变电站作为一种先进、安全的设计方案，已有不少成功案例。针对风电场场区范围大，风力发电机组分散分布的特点，将风电场箱变监控系统和风力发电机组控制系统一起纳入变电站控制系统，进一步实现数字化风电场，成为一种全新的设计思路。结合宏腾能源西乌风电场一期工程实际对数字化风电场的二次系统方案进行研究。
一、工程概述
宏腾能源西乌风电场远景规划200mw，一期工程安装40台单机容量1250kw的风力发电机组，装机容量为50mw。每台机组采用“一机一变”单元接线方式。风力发电机发出电量经箱式变升压至35kv，经4条35kv集电线路接入风场变电所35kv配电装置，每条集电线路10台风机，35kv配电装置采用单母线接线，35kv母线上装设自动无功补偿装置。风场变电站内本期设置一台220kv有载调压升压主变压器，主变压器高压中性点采用经隔离开关接地方式，低压中性点采用经电阻接地方式。220kv配电装置采用变压器-线路组接线，以220kv一级电压接入内蒙220kv电网，向北出线一回，至巴彦乌拉220kv变电所。
二、二次控制系统监控范围
根据风电场的特点，宏腾能源西乌风电场一期工程设置两套相对独立的电气控制系统：一套为风力发电机组监控系统，另一套为风电场变电站监控系统，二者通过通信连接。
1．风力发电机组监控系统
风力发电机监控系统由在线的各风力发电机组的控制器和主控室中集中监控装置组成。风力发电机组的控制器系统包括二部分：第一部分为计算机单元，它的主要功能是控制风力发电机组；第二部分为电源单元，它主要功能是使异步风力发电机组与电网同期。集中监控系统的对象包括40台单机容量为1250kw的风力发电机组。
风力发电机组监控系统可对风力发电机组进行远方手动开机、手动停机、马达启动、风力发电机组向顺时针方向旋转或向逆时针方向旋转。风力发电机组在运行过程中，可持续监视风力发电机组的转速、风力发电机组的电流、功率及启停机开关状态。
2．风电场变电站监控系统
风电场变电站监控系统的对象主要包含风电场箱变和变电站二次设备。
（1）箱变的监控
监测箱变高低压侧电流、电压、高低压开关状态、变压器油温等必要的报警信号，实现高低压侧开关远方/就地控制。
（2）变电站设备的监控
监控220kv线路电流、电压、功率及保护信号，220kv线路断路器状态和保护信号，220kv隔离开关和接地开关状态信号，220kv变压器高低压侧电流、电压、保护、非电量及有载开关档位信号。
监控35kv母线电压、馈线电流、功率及保护信号及馈线断路器状态信号。
监测直流、ups系统报警及馈线开关状态信号、计量仪表电能量信号、svc系统报警信号及其他电气控制系统重要信号。
三、电气二次组网系统设计方案
1．风力发电机组监控系统二次网络及配置
对于分布分散的风力发电机组，根据其布置位置和集电线路的规划，分成4条光纤通讯线路，每条通讯线路包含10台风机监控数据，每条通讯线路内部网络拓扑为环网，4条光纤通讯线路连接至变电站控制中心，光纤通讯线路与控制中心之间网络拓扑图为星型网状拓扑。
风力发电机组就地控制器通过就地rj45/光口的光电转换器将电信号转换成光信号，再由光缆向远方控制中心输出风机发电机组的功率、风速、保护及启停机开关状态等监控信号。风力发电机组就地控制器和变电站控制中心之间及风力发电机组监控系统与变电站监控系统之间通过以太网tcp/ip协议进行数据交换。
2．风电场变电站监控系统二次网络及配置
风电场变电站监控系统由监控系统主网，35kv开关柜控制系统子网，箱变控制系统子网和其他非电气控制系统通讯网络组成。
（1） 监控系统主网
监控系统主网采用双光纤以太网结构，以太网的网络拓扑采用全交换星型网状拓扑。
传统变电站监控系统采用了分层分布式结构，即监控系统分为变电站层和间隔层。变电站层包括监控、远动、五防闭锁等需要集中全站信息完成的功能，而间隔层设备主要对应于一次间隔设备的保护、测量和控制。间隔层设备之间，间隔层设备和互感器及开关刀闸等一次设备之间通过大量控制电缆进行信号传输。
本工程结合风电场的实际布置特点，电气二次网络采用基于iec 61850 标准提出了3 层次模型的自动化系统网络结构，将监控系统分为变电站层、间隔层和过程层。
过程层：主要完成电气设备电气量的采集、电气设备状态量的采集及操作控制电气设备的功能。由于现阶段智能断路器及光电互感器受技术性、经济性的制约，本项目研究的断路器、刀闸、互感器等一次设备暂不具备实现数字化的条件，本工程采用传统互感器ct/pt+智能接口装置和传统断路器+断路器智能接口装置的方式，断路器智能装置与间隔层通过goose 网进行联系，ct/pt智能接口装置和间隔层通过iec-61850-9-1/2标准进行通讯，取消常规涉及电流、电压、控制、信号等回路大量二次控制电缆，由几根光缆代替。今后随着数字化推广发展深化，智能断路器及光电互感器技术成熟且经济合理，可对智能断路器及光电互感器进一步应用。
间隔层：主要由线路测控及保护装置和主变测控及保护装置组成。测控及保护装置保护装置采用保护、测控分开的原则。保护装置完全支持iec 61850标准，具有实时的全站逻辑闭锁功能，支持goose 方式实现间隔层防误闭锁功能，组成面向两个电压等级间隔、针对过程层的、基于goose机制的控制网，以实现220kv断路器及35kv进线断路器的遥信、遥控及保护功能，并能与其它应用交互信息。同时通过goose 网与过程层主变本体及有载调压智能接口装置相连实现控制功能。间隔层设备按iec 61850标准组成双星型以太网与变电站层相连。
变电站层：由上位机系统、通信管理系统、远动主站、gps装置等组成，变电站层采用100m双光纤以太双网，完成人机接口及监控、管理功能，风电场ied设备的对时功能，调度信息的远传功能。
（2） 35kv开关柜控制系统子网
35kv馈线综保装置和母线pt综保装置与35kv配电装置一起安装在开关柜中，综保装置同时具有测控和保护功能，可直接采集ct/pt信号，完成馈线断路器的监控功能。35kv综保装置组成通讯子网，通过iec61850与变电站监控系统主网相连。
（3） 风电场箱变控制系统子网
对于分布分散的风电场箱变，与风力发电机组控制就地控制器一起，根据其布置位置和集电线路的规划，分成4条光纤通讯线路，每条通讯线路包含10台箱变就地测控装置数据，每条通讯线路内部网络拓扑为环网，4条光纤通讯线路组成通讯子网，通过iec61850与与变电站监控系统主网相连。
（4）其他电气控制系统
其他电气控制系统包括直流系统、ups系统、计量仪表系统、svc控制系统等，这些系统不一定支持iec6180标准，可通过rs485口应用其他开放式协议与变电站控制系统通讯管理机相连，实现信息交换。
风电场电气二次网络及配置图见图1。
四、电气二次系统组网设计的特点
1．网络化
所有的开关量、模拟量输入/输出逐步实现通过网络的数字化传输。总体建立在 iec61850 通信技术规范基础上，通过采用符合标准的数据建模和通信服务实现ied间的信息共享和互操作性。
间隔层与变电站层设备间采用iec61850-8-1通信协议。
间隔层与过程层ct/pt智能接口装置间采用iec61850-9-1/2等通信协议。
间隔层保护与智能接口单元采用goose协议。
2． 一体化
35kv馈线综保装置安装在户内开关柜，风电场箱变测控装置按照在变压器就地，实现一体化设计，35kv馈线综保装置和风电场箱变测控装置直接采集ct/pt信号，监控开关状态，可进一步省略智能接口装置。
3 .提高可靠性
采用双以太网，实现双网热备用，提高可靠性；
过程层、间隔层、变电站层之间用光缆连接，最大程度减少了电磁兼容问题。
提高电气设备的监控水平。对今后运行、检修提供极大便利。
4 .提高经济性
风电场二次控制和保护系统统一规划，最大程度的实现了信息共享和系统集成，避免重复投资，减少二次盘柜数量，减小继电器小室面积 ，同时过程层、间隔层、变电站层之间用光缆连接，基本取消了控制电缆，仅增加了组网光缆，降低了投资，提高了经济性。
5 .技术先进
由于iec 61850是一个开放的国际标准，其面向对象建模、抽象通信服务等思想较为先进，并且标准本身较好地兼顾了互操作性和可扩展性，因而得到了许多其他领域的关注，从而让iec 61850不再局限于变电站自动化系统内部。这些应用中比较引人注目的有：在风力发电方面，目前已经形成了基于iec61850的iec 61400-25 系列标准，规定了风电领域的标准逻辑节点ln 和公用数据类cdc，还建立了一套使用xml的准实时scsm（特定通信服务映射），在以后风电场的扩建中，如果风力发电机设备厂家采用iec 61400-25 系列标准，与风电场变电站控制系统就能更好的实现数据全面共享。
五、存在的问题
由于传统的监控系统都是一个独立系统。它们的安全性来自于它们的硬件平台和逻辑结构与外界不同。当采用了iec 61850的综合自动化系统基于开放的、标准的网络技术之上。带来的问题是可能导致计算机控制系统的安全性降低。iec61850明确表示支持internet应用，这样如果考虑风电场监控系统与用户办公intranet开放网络甚至internet相连的情况，必须考虑连接安全问题。对于电力系统这样一个要求高可靠性和安全稳定性的系统而言，安全问题尤其突出。因此对于采用了iec 61850的综合自动化系统的具体设计和实施而言安全问题十分重要，要求风电场监控系统应该能识别来自站内或站外的访问连接，同时采取必要的安全防护措施。现可采用的安全防护措施分为两类：加密技术与防火墙。前者对网络中传输的数据进行加密处理，到达目的地址后再解密还原为原始数据，从而防止非法用户对信息的截取和盗用。防火墙技术通过对网络的隔离和限制访问等方法，来控制网络的访问权限，从而保证综自系统的网络安全。
六、结论
本文结合宏腾能源西乌风电场一期工程，对风电场二次监控系统进行组网设计，以光纤通讯为手段，iec61850标准为基础，实现风力发电场二次系统的数字化。通过以上分析，二次监控系统组网设计技术先进，可提高电气设备的监控水平，提高了监控系统的可靠性，实现了风电场的完全数字化、网络化，并且由于监控和保护装置的一体化，35kv综保装置与开关柜及箱变就地控制器与变压器的一体化，并大大减少了二次设备盘柜和控制电缆的投资，提高了经济性,同时方便扩建，对今后运行、检修提供了极大便利。
作者简介
吴小青，工程师，主要从事发电厂二次线设计工作。
薛立，工程师，主要从事发电厂二次线设计工作。
孙进，高级工程师，主要从事发电厂二次线设计工作。
随着煤炭、石油、天然气等常规能源的日益紧缺，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越多的得到世界各国的关注。风能利用的主要形式是风力发电，据统计，截至2007年，全国已累计安装风电机组6458台，装机容量622.0万kw，风电场100多个。越来越多的风力发电机组的接入，对电网运行的安全性和稳定性也产生了重大的影响，因此，提高风电场电气自动化水平及运行管理水平，加深对风力发电机组控制系统设计研究，具有十分重要的意义。
风电场整体上分为两个部分，风电场变电站部分和风场部分。风电场变电站构架与常规变电站相同，目前在我国，变电站的控制技术已比较成熟，数字化变电站作为一种先进、安全的设计方案，已有不少成功案例。针对风电场场区范围大，风力发电机组分散分布的特点，将风电场箱变监控系统和风力发电机组控制系统一起纳入变电站控制系统，进一步实现数字化风电场，成为一种全新的设计思路。结合宏腾能源西乌风电场一期工程实际对数字化风电场的二次系统方案进行研究。
一、工程概述
宏腾能源西乌风电场远景规划200mw，一期工程安装40台单机容量1250kw的风力发电机组，装机容量为50mw。每台机组采用“一机一变”单元接线方式。风力发电机发出电量经箱式变升压至35kv，经4条35kv集电线路接入风场变电所35kv配电装置，每条集电线路10台风机，35kv配电装置采用单母线接线，35kv母线上装设自动无功补偿装置。风场变电站内本期设置一台220kv有载调压升压主变压器，主变压器高压中性点采用经隔离开关接地方式，低压中性点采用经电阻接地方式。220kv配电装置采用变压器-线路组接线，以220kv一级电压接入内蒙220kv电网，向北出线一回，至巴彦乌拉220kv变电所。
二、二次控制系统监控范围
根据风电场的特点，宏腾能源西乌风电场一期工程设置两套相对独立的电气控制系统：一套为风力发电机组监控系统，另一套为风电场变电站监控系统，二者通过通信连接。
1．风力发电机组监控系统
风力发电机监控系统由在线的各风力发电机组的控制器和主控室中集中监控装置组成。风力发电机组的控制器系统包括二部分：第一部分为计算机单元，它的主要功能是控制风力发电机组；第二部分为电源单元，它主要功能是使异步风力发电机组与电网同期。集中监控系统的对象包括40台单机容量为1250kw的风力发电机组。
风力发电机组监控系统可对风力发电机组进行远方手动开机、手动停机、马达启动、风力发电机组向顺时针方向旋转或向逆时针方向旋转。风力发电机组在运行过程中，可持续监视风力发电机组的转速、风力发电机组的电流、功率及启停机开关状态。
2．风电场变电站监控系统
风电场变电站监控系统的对象主要包含风电场箱变和变电站二次设备。
（1）箱变的监控
监测箱变高低压侧电流、电压、高低压开关状态、变压器油温等必要的报警信号，实现高低压侧开关远方/就地控制。
（2）变电站设备的监控
监控220kv线路电流、电压、功率及保护信号，220kv线路断路器状态和保护信号，220kv隔离开关和接地开关状态信号，220kv变压器高低压侧电流、电压、保护、非电量及有载开关档位信号。
监控35kv母线电压、馈线电流、功率及保护信号及馈线断路器状态信号。
监测直流、ups系统报警及馈线开关状态信号、计量仪表电能量信号、svc系统报警信号及其他电气控制系统重要信号。
三、电气二次组网系统设计方案
1．风力发电机组监控系统二次网络及配置
对于分布分散的风力发电机组，根据其布置位置和集电线路的规划，分成4条光纤通讯线路，每条通讯线路包含10台风机监控数据，每条通讯线路内部网络拓扑为环网，4条光纤通讯线路连接至变电站控制中心，光纤通讯线路与控制中心之间网络拓扑图为星型网状拓扑。
风力发电机组就地控制器通过就地rj45/光口的光电转换器将电信号转换成光信号，再由光缆向远方控制中心输出风机发电机组的功率、风速、保护及启停机开关状态等监控信号。风力发电机组就地控制器和变电站控制中心之间及风力发电机组监控系统与变电站监控系统之间通过以太网tcp/ip协议进行数据交换。
2．风电场变电站监控系统二次网络及配置
风电场变电站监控系统由监控系统主网，35kv开关柜控制系统子网，箱变控制系统子网和其他非电气控制系统通讯网络组成。
（1） 监控系统主网
监控系统主网采用双光纤以太网结构，以太网的网络拓扑采用全交换星型网状拓扑。
传统变电站监控系统采用了分层分布式结构，即监控系统分为变电站层和间隔层。变电站层包括监控、远动、五防闭锁等需要集中全站信息完成的功能，而间隔层设备主要对应于一次间隔设备的保护、测量和控制。间隔层设备之间，间隔层设备和互感器及开关刀闸等一次设备之间通过大量控制电缆进行信号传输。
本工程结合风电场的实际布置特点，电气二次网络采用基于iec 61850 标准提出了3 层次模型的自动化系统网络结构，将监控系统分为变电站层、间隔层和过程层。
过程层：主要完成电气设备电气量的采集、电气设备状态量的采集及操作控制电气设备的功能。由于现阶段智能断路器及光电互感器受技术性、经济性的制约，本项目研究的断路器、刀闸、互感器等一次设备暂不具备实现数字化的条件，本工程采用传统互感器ct/pt+智能接口装置和传统断路器+断路器智能接口装置的方式，断路器智能装置与间隔层通过goose 网进行联系，ct/pt智能接口装置和间隔层通过iec-61850-9-1/2标准进行通讯，取消常规涉及电流、电压、控制、信号等回路大量二次控制电缆，由几根光缆代替。今后随着数字化推广发展深化，智能断路器及光电互感器技术成熟且经济合理，可对智能断路器及光电互感器进一步应用。
间隔层：主要由线路测控及保护装置和主变测控及保护装置组成。测控及保护装置保护装置采用保护、测控分开的原则。保护装置完全支持iec 61850标准，具有实时的全站逻辑闭锁功能，支持goose 方式实现间隔层防误闭锁功能，组成面向两个电压等级间隔、针对过程层的、基于goose机制的控制网，以实现220kv断路器及35kv进线断路器的遥信、遥控及保护功能，并能与其它应用交互信息。同时通过goose 网与过程层主变本体及有载调压智能接口装置相连实现控制功能。间隔层设备按iec 61850标准组成双星型以太网与变电站层相连。
变电站层：由上位机系统、通信管理系统、远动主站、gps装置等组成，变电站层采用100m双光纤以太双网，完成人机接口及监控、管理功能，风电场ied设备的对时功能，调度信息的远传功能。
（2） 35kv开关柜控制系统子网
35kv馈线综保装置和母线pt综保装置与35kv配电装置一起安装在开关柜中，综保装置同时具有测控和保护功能，可直接采集ct/pt信号，完成馈线断路器的监控功能。35kv综保装置组成通讯子网，通过iec61850与变电站监控系统主网相连。
（3） 风电场箱变控制系统子网
对于分布分散的风电场箱变，与风力发电机组控制就地控制器一起，根据其布置位置和集电线路的规划，分成4条光纤通讯线路，每条通讯线路包含10台箱变就地测控装置数据，每条通讯线路内部网络拓扑为环网，4条光纤通讯线路组成通讯子网，通过iec61850与与变电站监控系统主网相连。
（4）其他电气控制系统
其他电气控制系统包括直流系统、ups系统、计量仪表系统、svc控制系统等，这些系统不一定支持iec6180标准，可通过rs485口应用其他开放式协议与变电站控制系统通讯管理机相连，实现信息交换。
风电场电气二次网络及配置图见图1。
四、电气二次系统组网设计的特点
1．网络化
所有的开关量、模拟量输入/输出逐步实现通过网络的数字化传输。总体建立在 iec61850 通信技术规范基础上，通过采用符合标准的数据建模和通信服务实现ied间的信息共享和互操作性。
间隔层与变电站层设备间采用iec61850-8-1通信协议。
间隔层与过程层ct/pt智能接口装置间采用iec61850-9-1/2等通信协议。
间隔层保护与智能接口单元采用goose协议。
2． 一体化
35kv馈线综保装置安装在户内开关柜，风电场箱变测控装置按照在变压器就地，实现一体化设计，35kv馈线综保装置和风电场箱变测控装置直接采集ct/pt信号，监控开关状态，可进一步省略智能接口装置。
3 .提高可靠性
采用双以太网，实现双网热备用，提高可靠性；
过程层、间隔层、变电站层之间用光缆连接，最大程度减少了电磁兼容问题。
提高电气设备的监控水平。对今后运行、检修提供极大便利。
4 .提高经济性
风电场二次控制和保护系统统一规划，最大程度的实现了信息共享和系统集成，避免重复投资，减少二次盘柜数量，减小继电器小室面积 ，同时过程层、间隔层、变电站层之间用光缆连接，基本取消了控制电缆，仅增加了组网光缆，降低了投资，提高了经济性。
5 .技术先进
由于iec 61850是一个开放的国际标准，其面向对象建模、抽象通信服务等思想较为先进，并且标准本身较好地兼顾了互操作性和可扩展性，因而得到了许多其他领域的关注，从而让iec 61850不再局限于变电站自动化系统内部。这些应用中比较引人注目的有：在风力发电方面，目前已经形成了基于iec61850的iec 61400-25 系列标准，规定了风电领域的标准逻辑节点ln 和公用数据类cdc，还建立了一套使用xml的准实时scsm（特定通信服务映射），在以后风电场的扩建中，如果风力发电机设备厂家采用iec 61400-25 系列标准，与风电场变电站控制系统就能更好的实现数据全面共享。
五、存在的问题
由于传统的监控系统都是一个独立系统。它们的安全性来自于它们的硬件平台和逻辑结构与外界不同。当采用了iec 61850的综合自动化系统基于开放的、标准的网络技术之上。带来的问题是可能导致计算机控制系统的安全性降低。iec61850明确表示支持internet应用，这样如果考虑风电场监控系统与用户办公intranet开放网络甚至internet相连的情况，必须考虑连接安全问题。对于电力系统这样一个要求高可靠性和安全稳定性的系统而言，安全问题尤其突出。因此对于采用了iec 61850的综合自动化系统的具体设计和实施而言安全问题十分重要，要求风电场监控系统应该能识别来自站内或站外的访问连接，同时采取必要的安全防护措施。现可采用的安全防护措施分为两类：加密技术与防火墙。前者对网络中传输的数据进行加密处理，到达目的地址后再解密还原为原始数据，从而防止非法用户对信息的截取和盗用。防火墙技术通过对网络的隔离和限制访问等方法，来控制网络的访问权限，从而保证综自系统的网络安全。
六、结论
本文结合宏腾能源西乌风电场一期工程，对风电场二次监控系统进行组网设计，以光纤通讯为手段，iec61850标准为基础，实现风力发电场二次系统的数字化。通过以上分析，二次监控系统组网设计技术先进，可提高电气设备的监控水平，提高了监控系统的可靠性，实现了风电场的完全数字化、网络化，并且由于监控和保护装置的一体化，35kv综保装置与开关柜及箱变就地控制器与变压器的一体化，并大大减少了二次设备盘柜和控制电缆的投资，提高了经济性,同时方便扩建，对今后运行、检修提供了极大便利。
作者简介
吴小青，工程师，主要从事发电厂二次线设计工作。
薛立，工程师，主要从事发电厂二次线设计工作。
孙进，高级工程师，主要从事发电厂二次线设计工作。