CN113872244A - 新能源场站多功能智能ied及新能源全景信息监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源场站多功能智能IED，新能源场站多功能智能IED具有箱变保护、监视、测量、控制，发电单元数据采集与控制、发电单元次/超同步振荡监视、告警以及通信功能；其中，新能源场站多功能智能IED包括用于模拟量变换的交流插件、用于开入及模拟量采集两部分扩展功能的扩展插件、用于信号采集及开入量采集的开入插件、集成多路模拟量AD转换组件、接入外部开入量组件、保护逻辑及数据处理组件、次/超同步振荡监视、告警、连续录波及存储组件、用于存储录波的存储器、按照既定策略进行跳闸出口、并集成通信功能的CPU插件。本发明解决了为安装源控终端专门定做户外柜或需要风机厂家改造风机塔筒结构的问题，节省了铺设电缆和网线的投资，同时设备集成合一，减少了新能源场站运维工作量。

Description

新能源场站多功能智能IED及新能源全景信息监控系统

技术领域

本发明是关于新能源发电技术领域，特别是关于一种新能源场站多功能智能IED及新能源全景信息监控系统。

背景技术

随着“双碳”目标的提出，新能源在电网中的占比逐步提高，电力系统呈现“双高”特征。《GBT19963-2011风电场接入电力系统技术规定》、《GB19964-2012光伏发电站接入电力系统技术规定》等国标对新能源场站在信息采集、紧急控制、电压控制等方面提出了具体要求，因此，为全面掌握新能源场站的运行状态，完善电网安全控制手段，需要部署新能源场站全景监控系统，实现场站侧可控资源监视、毫秒级实时跟踪与精益精细控制等功能的全景全过程监视和控制，提高新能源场站管理和新能源消纳水平。

与新能源集中控制装置的衔接环节，实现发电单元运行信息的快速采集与上送、控制指令的快速接收与执行。要实现新能源场站全景监控功能，就需要在风机/逆变器侧安装源控终端，对于集中式逆变器的光伏场站，每台集中式逆变器需要配置一台源控终端IED设备(对应每个箱变安装一个源控终端)；对于组串式逆变器的光伏场站，每个逆变器方阵需要配置一台源控终端IED(对应每个箱变安装一个源控终端)；对于风电场，每台风机需要配置一台源控终端IED(对应每个箱变安装一个源控终端)。源控终端IED对下实现与逆变器进行快速通讯，对上实现与新能源集中控制装置通信，根据风电场及光伏场站的规模，一般每个场站要实现全景监控系统都需要安装几十台甚至上百台源控终端。

新能源场站箱变低压侧都安装有箱变保护、测控IED，对于新能源场站需要部署新能源全景监控系统，还需要安装源控终端IED，根据新能源场站工程实际，一般源控终端也需要安装在箱变低压侧，但实际上箱变厂家提供的箱变内没有预留源控终端的安装位置，只有箱变保护、测控IED的安装位置，源控终端只有安装在新增户外箱内或风机塔筒内，户外箱需要重新生产和定做，风机塔筒需要协调风电厂家进行改造，风机塔筒操作平台会随着风机发电产生振动，对源控终端的运行会产生一定的影响，并且需要从箱变低压侧铺设电压、电流电缆至源控综端安装位置，供采集电压和电流。铺设网线，供源控终端与逆变器或数采装置通信，同时进行相关组网，增加新能源场站的装置数量及建设投资成本。

除了上述需要给源控终端IED提供安装位置及铺设相关电缆及网线外，对于新能源场站运维人员来说，需要对箱变保护、测控IED运行维护外，还需要对源控终端IED进行运行维护，增加运行维护工作量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新能源场站多功能智能IED及新能源全景信息监控系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种新能源场站多功能智能IED，其特征在于，所述新能源场站多功能智能IED具有箱变保护、监视、测量、控制、发电单元数据采集与控制、发电单元次/超同步振荡监视、告警以及通信功能；其中，所述新能源场站多功能智能IED包括用于模拟量变换的交流插件、用于开入及模拟量采集两部分扩展功能的扩展插件、用于信号采集及开入量采集的开入插件、集成多路模拟量AD转换组件、接入外部开入量组件、保护逻辑及数据处理组件、连续录波及存储组件、用于存储录波的存储器、按照既定策略进行跳闸出口、并集成通信功能的CPU插件；其中，所述新能源多功能智能IED包括电量保护功能模块、非电量保护功能模块、测量功能模块、发电单元采集与控制模块以及发电单元次/超同步振荡监视、告警模块。

在一个优选的实施方式中，其中，电量保护功能模块用于三段式过电流保护、过负荷保护、反时限过流保护、负序过电流保护、零序电流保护、零序反时限保护、低电压保护以及TV断线检测告警；

在一个优选的实施方式中，其中，非电量保护功能模块用于重瓦斯跳闸、轻瓦斯告警、超高温跳闸、高温告警、油位低告警、油位高告警以及压力释放告警；

在一个优选的实施方式中，其中，测量功能模块用于三相电压、三相电流的采集，以及有功、无功及功率因数等模拟量的计算；

在一个优选的实施方式中，其中，发电单元数据采集与控制模块用于发电单元并网状态、脱网状态、低穿状态、高穿状态、待机状态、发电单元有功功率、发电单元无功功率的获取，A相电压有效值、B相电压有效值、C相电压有效值、A相电流有效值、B相电流有效值、C相电流有效值、有功功率、无功功率以及视在功率计算；

在一个优选的实施方式中，其中，发电单元次/超同步振荡监视、告警模块用于根据采集的电压电流，进行A相电压次/超同步振荡主导分量频率和幅值、B相电压次/超同步振荡主导分量频率和幅值、C相电压次/超同步振荡主导分量频率和幅值、A相电流次/超同步振荡主导分量频率和幅值、B相电流次/超同步振荡主导分量频率和幅值、C相电流次/超同步振荡主导分量频率和幅值的计算、监视，并根据计算结果进行次/超同步振荡告警。

在一个优选的实施方式中，其中，所述三段式过电流保护具体为：设Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段定时限过电流保护，其中，各段电流及时间定值能够独立整定；当电流大于电流定值时，进行过电流保护动作；过负荷保护具体为：当电流大于过负荷定值时，进行过负荷保护动作；反时限过流保护具体为：当电流大于反时限过流定值时，进行反时限过流保护动作；负序过电流保护具体为：当负序电流大于负序过流定值时，进行负序过电流保护动作；零序电流保护具体为：当零序电流大于零序电流定值时，进行零序电流保护动作；零序反时限保护具体为：当零序电流大于零序反时限定值时，进行零序反时限保护动作；低电压保护具体为：设置低电压保护，其中，低电压在本侧有电流或者本侧断路器处于合位时才投入；其中，在TV断线时，实时闭锁低电压，当电压小于低电压定值时，进行低电压保护动作；TV断线检测告警具体为：设置TV断线告警保护，在检测到TV断线时，延时发告警信号，在母线电压恢复正常1s后保护返回；非电量保护功能具体为：设置重瓦斯动作、轻瓦斯告警、超高温动作、高温告警保护、油位低告警保护、油位高告警保护以及压力异常告警保护，当非电量动作或者告警以后如果非电量故障状态一直存在，则动作信号灯或告警信号灯一直点亮，直到非电量故障状态解除，按复归键才可以把动作信号灯或告警信号灯熄灭；箱变测控功能用于进行三相电压、三相电流的采集，有功、无功及功率因数等模拟量的计算，遥信开入采集，遥控跳合闸功能及故障录波等功能。

在一个优选的实施方式中，其中，所述CPU插件内嵌环网交换机功能，具备4个环网光纤以太网通信口，分别用于箱变监控系统的环网通信和新能源全景监控系统的环网通信。

在一个优选的实施方式中，其中，所述新能源场站多功能智能IED具有2路RJ45口、8路485串口，支持Modbus、GOOSE、UDP、以太网104通信规约，所述新能源场站多功能智能IED用于和风机主控器或光伏逆变器通信，以获取风机或逆变器的运行信息，其中，所述运行信息包括发电单元并网状态、发电单元脱网状态、发电单元低穿状态、发电单元高穿状态以及发电单元允控状态。

本发明提供了一种新能源全景信息监控系统，其特征在于，所述新能源全景信息监控系统包括电网侧安全稳定控制装置、场站侧安全稳定控制装置、新能源集中控制装置以及如前述的新能源场站多功能智能IED。

与现有技术相比，本发明具有如下优点，本发明提出了一种适用于新能源场站的多功能智能IED集成方法，该方法使得箱变保护IED、箱变测控IED、源控终端IED完全集成为新能源场站多功能智能IED，新能源场站多功能智能IED直接替换原有箱变保护、测控IED，安装在箱变测控低压侧，这样既能实现箱变侧的保护、测控功能，又能实现新能源全景监控系统源控终端IED功能，解决了为安装源控终端专门定做户外柜或需要风机厂家改造风机塔筒结构的问题，节省了铺设电缆和网线的投资，同时设备集成合一，减少了新能源场站运维工作量。

附图说明

图1是本发明的新能源场站多功能智能IED集成构成。

图2是新能源多功能智能IED通信架构。

图3是多功能智能IED环网通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

本发明的目的是提供一种适用于新能源场站的多功能智能IED集成方法，以适用于新能源场站部署全景监控系统的工程建设需求，既能实现箱变侧的保护、测控功能，构建箱变保护、测控监控系统，又能实现新能源全景监控系统源控终端IED功能，构建全景监控系统。CPU插件内嵌环网交换机功能，减少环网通信交换机的配置，采用单环双向冗余通信架构模式，提高了数据可靠性；多功能智能IED的集成，既解决了源控终端安装位置问题，又节省了铺设电缆和网线的投资，同时减少了新能源场站运维工作量。

本发明涉及一种适用于新能源场站的多功能智能IED集成方法，如图1所示，为新能源场站多功能智能IED集成构成图。整个集成方法是把箱变保护IED、箱变测控IED、源控终端IED整合为集箱变保护、监视、测量、控制，发电单元数据采集与控制，发电单元次/超同步振荡监视、告警，通讯于一体的新能源场站多功能智能IED。新能源多功能智能IED机箱采用19/3英寸6U机箱，包括电量保护功能模块、非电量保护功能模块、测量功能模块、发电单元采集与控制模块、发电单元次/超同步振荡监视、告警模块。其中，电量保护功能模块主要包括三段式过电流保护、过负荷保护、反时限过流保护、负序过电流保护、零序电流保护、零序反时限保护、低电压保护、TV断线检测告警等；非电量保护功能模块主要包括重瓦斯跳闸、轻瓦斯告警、超高温跳闸、高温告警、油位低告警、油位高告警、压力释放告警等；测量功能模块主要进行三相电压、三相电流的采集，有功、无功及功率因数等模拟量的计算，发电单元数据采集与控制主要功能包括发电单元并网状态、脱网状态、低穿状态、高穿状态、待机状态、发电单元有功功率、发电单元无功功率的获取，A相电压有效值、B相电压有效值、C相电压有效值、A相电流有效值、B相电流有效值、C相电流有效值、有功功率、无功功率以及视在功率计算；发电单元次/超同步振荡监视、告警模块主要根据采集的电压电流，进行A相电压次/超同步振荡主导分量频率和幅值、B相电压次/超同步振荡主导分量频率和幅值、C相电压次/超同步振荡主导分量频率和幅值、A相电流次/超同步振荡主导分量频率和幅值、B相电流次/超同步振荡主导分量频率和幅值、C相电流次/超同步振荡主导分量频率和幅值的计算、监视，并根据计算结果进行次/超同步振荡告警。

新能源多功能智能IED通信架构如图2所示。新能源多功能智能IED安装于新能源场站箱变低压侧，采用一个箱变一个新能源多功能智能IED的安装方式，具备包括电量保护、非电量保护、箱变测控功能等，其中，电量保护中三段式过电流保护是指装置设Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段定时限过电流保护，各段电流及时间定值可独立整定，当电流大于电流定值时，过电流保护动作；过负荷保护是指当电流大于过负荷定值时，过负荷保护动作；反时限过流保护是指当电流大于反时限过流定值时，反时限过流保护动作；负序过电流保护是指当负序电流大于负序过流定值时，负序过电流保护动作；零序电流保护是指当零序电流大于零序电流定值时，零序电流保护动作；零序反时限保护是指当零序电流大于零序反时限定值时，零序反时限保护动作；低电压保护是指装置设有低电压保护，低电压在本侧有流(I>0.05A)或者本侧断路器处于合位时才投入，TV断线实时闭锁低电压，当电压小于低电压定值时，低电压保护动作；TV断线检测告警是指装置设有TV断线告警保护，检测到TV断线延时发告警信号，在母线电压恢复正常1s后保护返回。非电量保护功能是指装置设有重瓦斯动作、轻瓦斯告警、超高温动作、高温告警保护，油位低告警保护，油位高告警保护，压力异常告警保护，当非电量动作或者告警以后如果非电量故障状态一直存在，则动作信号灯或告警信号灯一直点亮，直到非电量故障状态解除，按复归键才可以把动作信号灯或告警信号灯熄灭。箱变测控功能主要进行三相电压、三相电流的采集，有功、无功及功率因数等模拟量的计算，遥信开入采集，遥控跳合闸功能及故障录波等功能。

根据工程实际，确定工程现场环网数量，每个环网用一台数据服务器与主干以太网连接，通过主干以太网上送监控系统，构建的箱变保护、测控监控系统实现新能源升压站对光伏箱变的远程管理和自动化监控。

新能源全景监控系统包括新能源场站多功能智能IED、新能源集中控制装置和场站侧安全稳定控制装置。用于实现新能源故障过程实时跟踪、新能源发电单元信息精细化上送、精细化切机、光伏场站功率快速调节及新能源可控资源监视功能。新能源多功能智能IED集成源控终端IED功能，具有2路RJ45口、8路485串口，支持Modbus、GOOSE、UDP、以太网104等多种通信规约，用于和风机主控器或光伏逆变器通信，获取风机或逆变器的运行信息及实现对其的控制功能。运行信息主要包括发电单元并网状态、发电单元脱网状态、发电单元低穿状态、发电单元高穿状态、发电单元允控状态等信息，同时新能源场站多功能智能IED通过交流插件采集和CPU插件计算以下模拟量信息，包括A相电压有效值、B相电压有效值、C相电压有效值、A相电流有效值、B相电流有效值、C相电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率等模拟量信息。通过CPU的2个环网通信口组成单环双向的环网通信方式把这些状态和模拟量信息通过GOOSE上送给新能源集中控制装置，单环双向环网通信方式如图3所示，同时接收新能源集中控制装置下发的切发电单元命令和回降发电单元功率命令，用于精细化切机(以单个风机为单位)和光伏场站的快速功率调节。

新能源场站多功能智能IED对原始采样信号(三相电压、三相电流)进行连续录波，每分钟形成一个数据文件，文件数据格式符合COMTRADE格式要求；录波文件存储至非易失存储器中(32G)，并能够响应新能源集中控制装置召唤命令并上送录波文件。同时基于采样数据进行次/超同步振荡分析和告警，并将分析结果和告警信息上送至新能源集中控制装置。

新能源集中控制装置对下采用GOOSE与新能源场站多功能智能IED组成的各个环网进行通信，对上采用2M串口通信与场站侧安全稳定控制装置进行通信，实现发电单元信息的毫秒级汇聚与上送、紧急控制指令的快速接收与下发、次/超同步振荡信息的收集与传输等功能，以满足对新能源场站的感知和控制需求。

场站侧安全稳定控制装置是新能源场站全景监控系统与电网安全稳定控制系统的连接设备，对下采用2M串口与新能源集中控制装置通信，对上采用2M串口与电网侧安全稳定控制装置通信，实现新能源发电单元信息的快速传递、切机、功率快速控制等功能，提高电力遇到大扰动时的安全稳定水平。

本发明既能用于构建箱变保护、测控监控系统，又能用于构建新能源全景监控系统，实现了对新能源场站的监测和控制。解决传统的新能源监控感知手段不足，控制手段粗放，无法精准统计和监视新能源可控资源，无法对每个发电单元开展精益控制以及难于适应新能源高占比电网安全稳定控制的要求。

应当理解的是，在本发明的各种实施例中，上述各过程的撰写的先后顺序并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种新能源场站多功能智能IED，其特征在于，所述新能源场站多功能智能IED具有箱变保护、监视、测量、控制、发电单元数据采集与控制、发电单元次/超同步振荡监视、告警以及通信功能；

其中，所述新能源场站多功能智能IED包括用于模拟量变换的交流插件、用于开入及模拟量采集两部分扩展功能的扩展插件、用于信号采集及开入量采集的开入插件、集成多路模拟量AD转换组件、接入外部开入量组件、保护逻辑及数据处理组件、连续录波及存储组件、用于存储录波的存储器、按照既定策略进行跳闸出口、并集成通信功能的CPU插件；

其中，所述新能源多功能智能IED包括电量保护功能模块、非电量保护功能模块、测量功能模块、发电单元采集与控制模块以及发电单元次/超同步振荡监视、告警模块。

2.如权利要求1所述的新能源场站多功能智能IED，其中，电量保护功能模块用于三段式过电流保护、过负荷保护、反时限过流保护、负序过电流保护、零序电流保护、零序反时限保护、低电压保护以及TV断线检测告警。

3.如权利要求2所述的新能源场站多功能智能IED，其中，非电量保护功能模块用于重瓦斯跳闸、轻瓦斯告警、超高温跳闸、高温告警、油位低告警、油位高告警以及压力释放告警。

4.如权利要求3所述的新能源场站多功能智能IED，其中，测量功能模块用于三相电压、三相电流的采集，以及有功、无功及功率因数等模拟量的计算。

5.如权利要求4所述的新能源场站多功能智能IED，其中，发电单元数据采集与控制模块用于发电单元并网状态、脱网状态、低穿状态、高穿状态、待机状态、发电单元有功功率、发电单元无功功率的获取，A相电压有效值、B相电压有效值、C相电压有效值、A相电流有效值、B相电流有效值、C相电流有效值、有功功率、无功功率以及视在功率计算。

6.如权利要求5所述的新能源场站多功能智能IED，其中，发电单元次/超同步振荡监视、告警模块用于根据采集的电压电流，进行A相电压次/超同步振荡主导分量频率和幅值、B相电压次/超同步振荡主导分量频率和幅值、C相电压次/超同步振荡主导分量频率和幅值、A相电流次/超同步振荡主导分量频率和幅值、B相电流次/超同步振荡主导分量频率和幅值、C相电流次/超同步振荡主导分量频率和幅值的计算、监视，并根据计算结果进行次/超同步振荡告警。

7.如权利要求6所述的新能源场站多功能智能IED，其中，所述三段式过电流保护具体为：设Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段定时限过电流保护，其中，各段电流及时间定值能够独立整定；当电流大于电流定值时，进行过电流保护动作；

过负荷保护具体为：当电流大于过负荷定值时，进行过负荷保护动作；

反时限过流保护具体为：当电流大于反时限过流定值时，进行反时限过流保护动作；

负序过电流保护具体为：当负序电流大于负序过流定值时，进行负序过电流保护动作；

零序电流保护具体为：当零序电流大于零序电流定值时，进行零序电流保护动作；

零序反时限保护具体为：当零序电流大于零序反时限定值时，进行零序反时限保护动作；

低电压保护具体为：设置低电压保护，其中，低电压在本侧有电流或者本侧断路器处于合位时才投入；其中，在TV断线时，实时闭锁低电压，当电压小于低电压定值时，进行低电压保护动作；

TV断线检测告警具体为：设置TV断线告警保护，在检测到TV断线时，延时发告警信号，在母线电压恢复正常1s后保护返回；

非电量保护功能具体为：设置重瓦斯动作、轻瓦斯告警、超高温动作、高温告警保护、油位低告警保护、油位高告警保护以及压力异常告警保护，当非电量动作或者告警以后如果非电量故障状态一直存在，则动作信号灯或告警信号灯一直点亮，直到非电量故障状态解除，按复归键才可以把动作信号灯或告警信号灯熄灭；

箱变测控功能用于进行三相电压、三相电流的采集，有功、无功及功率因数等模拟量的计算，遥信开入采集，遥控跳合闸功能及故障录波等功能。

8.如权利要求7所述的新能源场站多功能智能IED，其中，所述CPU插件内嵌环网交换机功能，具备4个环网光纤以太网通信口，分别用于箱变监控系统的环网通信和新能源全景监控系统的环网通信。

9.如权利要求8所述的新能源场站多功能智能IED，其中，所述新能源场站多功能智能IED具有2路RJ45口、8路485串口，支持Modbus、GOOSE、UDP、以太网104通信规约，所述新能源场站多功能智能IED用于和风机主控器或光伏逆变器通信，以获取风机或逆变器的运行信息，其中，所述运行信息包括发电单元并网状态、发电单元脱网状态、发电单元低穿状态、发电单元高穿状态以及发电单元允控状态。

10.一种新能源全景信息监控系统，其特征在于，所述新能源全景信息监控系统包括电网侧安全稳定控制装置、场站侧安全稳定控制装置、新能源集中控制装置以及如权利要求1-9之一所述的新能源场站多功能智能IED。

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