Zusammenfassung: Windparks zählen zu den sauberen Energiequellen und ihre installierte Leistung hat in den letzten Jahren rasant zugenommen. Man unterscheidet zwischen Onshore- und Offshore-Windparks. Sie befinden sich in der Regel an abgelegenen Standorten, sind weit verstreut und rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Daher benötigen Windparks ein Fernüberwachungssystem, um dem Betriebs- und Wartungspersonal eine effizientere Betriebsführung zu ermöglichen.
Stichwort: Windpark, zentrales Überwachungssystem, Mess- und Steuergerät für Kastentransformatoren
1. Elektrische Ausrüstung für Windparks
Die obere Kabine jedes Generatorsatzes ist mit einem Turbogenerator ausgestattet, dessen Vorderseite ein verstellbares Lüfterrad bildet. Das System passt den Neigungswinkel des Lüfterrads an unterschiedliche Windverhältnisse an. Die Standarddrehzahl des Lüfterrads liegt bei 10–15 U/min und kann über ein Getriebe auf bis zu 1500 U/min erhöht werden, um den Generator anzutreiben. Im Maschinenraum ist eine industrielle SPS zur Steuerung und Datenerfassung installiert. Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Drehzahl, Wirk- und Blindleistung sowie weitere relevante Daten werden von der SPS erfasst und der Generator in Echtzeit gesteuert. Am Boden befindet sich am Fuß des Windturms ein Transformator, der für die Spannungsbündelung und -einspeisung zuständig ist. Je nach Leistung und geografischen Gegebenheiten werden mehrere Windkraftanlagen gleichzeitig mit dem Transformator versorgt und parallel geschaltet, um den Strom im Umspannwerk zusammenzuführen und ins Netz einzuspeisen. Der Schaltplan des Windparks ist in Abbildung 1 dargestellt. Die vom Ventilator abgegebene Spannung beträgt üblicherweise 0,69 kV und wird mittels des Umspannwerkstransformators auf 10 kV oder 35 kV erhöht. Nach mehreren Parallelschaltungen werden die einzelnen Stromkreise an die Niederspannungs-Sammelschiene des Umspannwerks angeschlossen und anschließend mittels des Haupttransformators auf 110 kV oder höher für die Einspeisung ins Stromnetz transformiert.
Im Gegensatz zur Onshore-Windkraft wird bei der Offshore-Windkraft aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen (hohe Luftfeuchtigkeit, hohe Salzkonzentration) der für die Primärverstärkung verwendete Trockentransformator im Motorraum des Saugventilators integriert. Dies löst nicht nur das Problem des Platzbedarfs der gesamten Anlage, sondern vermeidet auch die Schwierigkeiten beim Schutz, die durch die Installation des Transformators an einer tieferen Position entstehen.
Abbildung 1 Schematische Darstellung der elektrischen Verkabelung des Windparks
2. Schutz-, Mess- und Regeltechnik für Windparks
Von der Windkraftanlage über den Transformator im Booster-Box-System, den Zusammenfluss, die Mittelspannungssammelschiene der Booster-Station, den Haupttransformator, die Hochspannungssammelschiene der Booster-Station, den Hochspannungsausgang und den Netzanschluss muss die Energie zweifach transformiert werden, bevor sie ins Netz eingespeist wird. Das Stromnetz umfasst eine Vielzahl elektrischer Betriebsmittel unterschiedlicher Art, und jeder Ausfall in einem dieser Bereiche beeinträchtigt den normalen Betrieb des Windparks. Daher ist es notwendig, in allen Bereichen des Windparks Schutz-, Mess- und Regeleinrichtungen zu installieren, um den Betriebszustand umfassend zu überwachen. Abbildung 2 zeigt ein schematisches Diagramm der Konfiguration der Schutz-, Mess- und Regeleinrichtungen des Windparks.
Abbildung 2 Konfigurationsdiagramm der Schutz-, Mess- und Steuergeräte für Windparks
2.1 Mess- und Steuergerät für Kastentransformatoren
Um die Leitungsverluste in Onshore-Windparks zu reduzieren, wird üblicherweise eine 0,69/35(10)-kV-Box-Boosterstation neben den Windkraftanlagen installiert. Die Windkraftanlagen im Windpark liegen mehrere hundert Meter voneinander entfernt, was eine große Entfernung zur zentralen Leitwarte bedeutet. Die Aufwärtstransformatoren befinden sich im Freien und sind relativ rauen Umweltbedingungen ausgesetzt, was manuelle Inspektionen erschwert. Die Mess- und Steuerungseinheit der Box-Boosterstation ist Kernbestandteil des Überwachungssystems des Windparks und ermöglicht deren intelligentes Management. Sie schützt und überwacht die Box-Boosterstation, realisiert die Funktionen „Fernsignalisierung, Telemetrie, Fernsteuerung und Fernjustierung“ und verbessert so die Effizienz von Betrieb und Wartung des Windparks erheblich.
Abbildung 3 Mess- und Regelgerät für Windpark-Boxstationen
Das AM6-PWC-Gehäusegerät zur Transformatorüberwachung und -steuerung ist ein integriertes Gerät, das Schutz, Messung, Steuerung und Kommunikation für die unterschiedlichen Anforderungen von Aufwärtstransformatoren in Windkraft- und Photovoltaikanlagen vereint. Seine Funktionskonfiguration ist in der folgenden Tabelle dargestellt.
| Name | Hauptfunktion |
| Fernmessung | Wechselstrommessung: Dreiphasenstrom, Dreiphasenspannung, Frequenz, Leistungsfaktor, Wirkleistung, Blindleistung |
| 6 Stromkanäle, 6 Spannungskanäle | |
| Gleichstrommessung: insgesamt 4 Kanäle Standardmäßig 2 Kanäle 4–20 mA oder 2 Kanäle 5 V DC Standardmäßiger 2-Kanal-Wärmewiderstand (Zwei- oder Dreidrahtsystem) | |
| Fernsignalisierung | 29 offene Eingangskanäle, von denen die ersten 10 Kanäle als Eingänge für Nicht-Netzschutzsignale fest konfiguriert sind. |
| Fernbedienung | 6-Kanal-Relaisausgänge für Schutzausgang oder normalen Fernsteuerungsausgang |
| Schutz | Schutz bei fehlender Stromversorgung: Leichtgas, Schwergas, hohe Temperatur, ultrahohe Temperatur, niedriger Transformatorölstand, konventioneller Schutz des Druckbegrenzungsventils: dreistufiger Stromschutz, Nullstromschutz, Überspannungsschutz, Unterspannungsschutz; Nullstrom-Überspannungsschutz |
| Kommunikation | 2 selbstheilende Glasfaser-Kommunikationsschnittstellen, die ein Glasfaserringnetzwerk bilden können |
| Ethernet-Kommunikationsschnittstelle mit 3 Kanälen (optional, bitte bei der Bestellung angeben) | |
| 4 RS485-Kommunikationsanschlüsse | |
| Protokollkonvertierung | 4-Kanal-RS485-Kommunikationsschnittstelle, frei konfigurierbar und kompatibel mit verschiedenen Protokollen |
| Aufzeichnen | Erfassen Sie die letzten 35 Unfälle und 50 Aktionsberichte. |
2.2 Messung und Steuerung des Niederspannungs-Seitenleitungs- und Sammelschienenschutzes
Mehrere Windkraftanlagen werden erstmals auf 35 (10) kV hochskaliert und anschließend parallel geschaltet, um einen Stromkreis zu bilden, der an die Niederspannungs-Sammelschiene des Umspannwerks angeschlossen ist. Zur umfassenden Überwachung ist die Leitung mit Leitungsschutzgeräten, multifunktionalen Mess- und Steuergeräten, Netzqualitätsüberwachungsgeräten und drahtlosen Temperaturmessgeräten ausgestattet, um die elektrische Sicherheit, die Messwerte und die Temperatur der Leitung in Echtzeit zu überwachen. Die Niederspannungs-Sammelschienen sind mit Lichtbogenschutzvorrichtungen versehen.
| Artikel | Bild | Modell | Funktion | Anwendung |
| Leitungsschutz |  | AM6-L | 35 (10) kV Strom- und Spannungsschutz, nichtelektrischer Schutz, Mess- und automatische Steuerungsfunktionen. | Leitungsschutz sowie Messung und Steuerung auf der Niederspannungsseite der Druckerhöhungsstation |
| Gerät zur Überwachung der Stromqualität |  | APView500 | Echtzeitüberwachung der Stromqualität, z. B. Spannungsabweichung, Frequenzabweichung, dreiphasige Spannungsunsymmetrie, Spannungsschwankungen und -flimmern, Oberschwingungen usw., Aufzeichnung verschiedener Stromqualitätsereignisse und Lokalisierung von Störungsquellen. | |
| Multifunktions-Energiezähler |  | APM520 | Es verfügt über eine vollständige Leistungsmessung, eine Messung der harmonischen Verzerrungsrate, eine Statistik der Spannungsdurchlassrate, eine Statistik der zeitlich aufgeteilten elektrischen Energie, Schalt-Ein- und Ausgänge sowie analoge Ein- und Ausgänge. | |
| Bus-Lichtbogenschutz |  | ARB6 | Es eignet sich zur Erfassung des Lichtbogensignals und des Stromsignals des Schaltschranks sowie zur Steuerung des Öffnens aller Schaltschränke an der Zuleitung, der Sammelschiene oder der Sammelschiene. | Sammelschienenschutz auf der Niederspannungsseite der Boosterstation |
| drahtloser Temperatursensor |  | ATE400 | Überwachung der Temperatur von Sammelschienen und Kabelanschlusspunkten von Spannungsverteilungssystemen mit 35 kV und darunter sowie Frühwarnung vor Temperaturanstiegen. | Temperaturmessung der Leitungskontakte und Sammelschienen auf der Niederspannungsseite der Boosterstation |
Tabelle 1 Niederspannungsseitige Leitung, Sammelschienenschutz-Mess- und Steuerungskonfiguration
2.3 Messung und Steuerung des Haupttransformatorschutzes
Nachdem der von der Windkraftanlage erzeugte Strom über die Niederspannungs-Sammelschiene zusammengeführt wurde, wird er mittels des Haupttransformators auf 110 kV hochgesetzt und an das Stromnetz angeschlossen. Der Haupttransformator ist mit Differenzialschutz, Hochspannungs- und Niederspannungsschutz, nichtelektrischem Schutz, Mess- und Steuergeräten, einer Transformator-Temperaturregelung und einem Getriebetransformator ausgestattet, um die Schutz-, Mess- und Steuerungsfunktionen des Haupttransformators zu realisieren. Zudem ist eine zentrale Gruppenanzeige installiert.
| Artikel | Bild | Modell | Funktion | Anwendung |
| Differenzialschutzvorrichtung |  | AM6-D2 | Differenzialschutz auf beiden Seiten des Haupttransformators | Haupttransformator der Druckerhöhungsstation |
| Hoch- und Niederspannungs-Backup-Schutz | AM6-TB | Dreistufiger Phasen-Phasen-Überstromschutz, zweistufiger Nullfolgen-Überstromschutz, zweistufiger Spaltüberstromschutz, zusammengesetzte Spannungsblockierung zweistufiger Nullsequenz-Überspannungsschutz, Leistungsschaltersteuerung | Haupttransformator der Druckerhöhungsstation | |
| nichtelektrischer Schutz | AM6-FD | Schwergas, Leichtgas, Übertemperatur, Druckentlastungsschutz und Alarm | Haupttransformator der Druckerhöhungsstation | |
| Mess- und Steuergerät | AM6-K | Fernmessung, Fernsignalisierung, Fernsteuerung | Haupttransformator der Druckerhöhungsstation | |
| Temperaturtransmitter | ARTM-8L | Überwachung der Wicklungs- und Öltemperatur des Haupttransformators | Haupttransformator der Druckerhöhungsstation |
Tabelle 2 Konfiguration der Haupttransformator-Schutzmessung und -steuerung
2.4 Hochspannungsleitungsschutzmessung und -steuerung
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 optischen Differenzialschutz, Distanzschutz, Inselnetzschutz sowie Mess- und Steuergeräten ausgestattet.
| Artikel | Bild | Modell | Funktion | Anwendung |
| Schutzvorrichtung | | AM6-LD | Differenzialschutzgerät für optische Leitungen | auf beiden Seiten der Linie |
| AM6-L2 | Phasen-zu-Phasen-/Erdabstand, Nullstrom, Fehlerort usw. | diese Seite | ||
| AM6-K | Fernmessung, Fernsignalisierung, Fernsteuerung | |||
| AM5SE-IS | Anti-Inselbildungs-Schutzvorrichtung, die bei Trennung des externen Stromnetzes vom Stromnetz greift. | |||
| Gerät zur Überwachung der Stromqualität | | APView500 | Echtzeitüberwachung der Stromqualität, wie z. B. Spannungsabweichung, Frequenzabweichung, Dreiphasen-Spannungsunsymmetrie, Spannungsschwankungen und -flimmern, Oberschwingungen usw. Verschiedene Ereignisse im Zusammenhang mit der Stromqualität aufzeichnen und Störungsquellen lokalisieren. | diese Seite |
Tabelle 3: Konfiguration für Mess- und Steuerungsmaßnahmen zum Schutz von 110-kV-Leitungen
3. Windpark-Überwachungssystem
Die Windpark-Überwachungsplattform ermöglicht die Überwachung, Steuerung und Verwaltung des Betriebszustands des Windparks und der Echtzeitdaten der Windkraftanlagen, verbessert die Zuverlässigkeit und Betriebseffizienz des Windparks, reduziert die Wartungskosten und realisiert ein intelligentes Management.
Der Windpark erstreckt sich über ein relativ großes Gebiet, und die Anlagen sind weit verstreut. Das System stellt relativ hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Datenkommunikation und die Echtzeitfähigkeit. Sofern die Bedingungen es zulassen, kann ein redundantes Glasfaserringnetz zur Datenerfassung und -übertragung genutzt werden; alternativ steht auch das drahtlose LoRa-Verfahren zur Verfügung.
Abbildung 4 Diagramm des Windpark-Überwachungssystems
Die Daten der SPS der Zugventilatoreinheit und des Mess- und Regelgeräts des Transformators werden über das Glasfaserringnetzwerk an den Datenserver im Kontrollraum übertragen, während die Daten des umfassenden Automatisierungssystems der Druckerhöhungsanlage über Ethernet an den Datenserver gesendet werden. Messumformer, Gleichstromsysteme und andere intelligente Geräte sind mit der Kommunikationsmanagement-Anlage verbunden, um Daten an den Server hochzuladen.
3.1 Überwachung von Windparks
Die umfassende Anzeige der grundlegenden Parameter des gesamten Windpark-Saugventilators (einschließlich Windgeschwindigkeit, Leistung, Drehzahl usw.) ermöglicht die Überwachung der täglichen, monatlichen und jährlichen Stromerzeugung und ist somit für die Echtzeitüberwachung des Betriebszustands des Saugventilators geeignet.
3.2 Überwachung durch die Besatzung
Überwachen Sie die Parameter und den Kontrollstatus jedes Steuermoduls der Anlage, einschließlich: Nick-, Gier-, Getriebe-, Generator-, Hydraulikstation, Maschinenraum, Umrichter, Stromnetz, Sicherheitskette, Drehmoment, Hauptwelle, Turmfuß, Windmesser usw. Realisieren Sie die umfassende Anzeige von Parametern, Fehlern und Trenddiagrammen jedes Moduls.
3.3 Echtzeit-Datenanzeige
Der Saugzugventilator, die Umspannwerke und andere Anlagen im Windpark sind mit Sensoren und Überwachungseinrichtungen ausgestattet, die die elektrischen Betriebsdaten, die Temperatur, die Vibrationen und andere Parameter der Anlagen in Echtzeit erfassen und im Falle von Störungen rechtzeitig Warnungen ausgeben können.
3.4 Energiemanagement
Die Anzeige von Wirk- und Blindleistungsparametern, die Steuerung und Anpassung von Wirk- und Blindleistung sowie weitere Funktionen können die Betriebskosten von Unternehmen effektiv senken und Daten zur Unterstützung des Ziels der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung liefern.
3.5 Produktionsbericht
Die Funktionen zur Anzeige und Berichterstellung wichtiger Parameter wie Windleistung, Leistungskennzahlen des Windparks und Anteil erneuerbarer Energien pro Einheit unterstützen Statistiken zum Betrieb der einzelnen Windparkkomponenten nach Zeitachse (Tag, Monat, Jahr). Anhand der Abfragemethode (Tag, Monat, Jahr) werden die relevanten Parameter klassifiziert, einzeln gezählt und der Bericht generiert.
3.6 Statistische Analyse
Die Software unterstützt vielfältige statistische Analysefunktionen, schöpft das volle Potenzial der Daten aus, bietet Lösungen zur Energieeinsparung und -optimierung, liefert Entscheidungsgrundlagen für Führungskräfte, verbessert die Unternehmensführung nachhaltig und trägt letztendlich zu Energieeinsparung, Emissionsreduzierung und wissenschaftlicher Produktion bei. Zu den Analysemethoden gehören: Fehlerstatistiken, Leistungskurven, Verfügbarkeitsstatistiken, Windrosendiagramme, Windgeschwindigkeits-Leistungsberichte, monatliche und tägliche Nutzungs- und Ausfallzeitstatistiken usw.
Referenzen:
[1] Acrel Enterprise Microgrid Design and Application Manual. Version 2022.05
Veröffentlichungsdatum: 06.05.2025