山東新能源調(diào)度運(yùn)行模式及技術(shù)支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 強(qiáng)，劉紅軍，尚 力，韓少曉，延 峰，荊 銘

（山東電力調(diào)度控制中心，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

以風(fēng)電為代表的新能源具有清潔、綠色的特點(diǎn)，將在未來能源使用構(gòu)成中占據(jù)重要地位。然而，受來風(fēng)情況和風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行特性的限制，風(fēng)電機(jī)組難以具備常規(guī)火、水電機(jī)組一樣的功率調(diào)節(jié)能力，其固有的“隨機(jī)性”、“間歇性”對電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等帶來的沖擊是顯而易見的，尤其隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的持續(xù)增大，這種影響將日益凸顯。為此，學(xué)術(shù)界［1-9］、工程界［10-16］早已開展相關(guān)影響和應(yīng)對策略研究與實(shí)踐，取得了大量指導(dǎo)性和可借鑒性成果。

針對山東新能源調(diào)度控制的相關(guān)理論和實(shí)踐問題，在現(xiàn)狀介紹后，首先分析并提出山東新能源調(diào)度運(yùn)行模式；之后重點(diǎn)就新能源調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)架構(gòu)、功能、特點(diǎn)等進(jìn)行闡述；最后給出了山東新能源調(diào)度控制研究與實(shí)踐的下一步工作建議。

1 規(guī)模及現(xiàn)狀

山東作為風(fēng)能資源富集區(qū)，截至2012年6月，擁有并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場53座，機(jī)組2278臺，總?cè)萘考s3 346 MW，占電網(wǎng)總裝機(jī)容量的6.07%，分布于渤黃沿海和內(nèi)地臨沂山區(qū)；山東風(fēng)電場多以220 kV（占 24%）和 110 kV（占 65%）電壓等級并入主網(wǎng)。擁有光伏電站6座，總?cè)萘考s57 MW。預(yù)計(jì)十二五期間山東新能源裝機(jī)還將穩(wěn)步快速增長。

2 山東新能源調(diào)度運(yùn)行模式分析

調(diào)度運(yùn)行模式是基礎(chǔ)性和關(guān)鍵性問題，其先進(jìn)性和適用性決定了新能源調(diào)度的整體水平。適應(yīng)山東新能源調(diào)度需求和目標(biāo)的調(diào)度運(yùn)行模式可體現(xiàn)在協(xié)調(diào)型計(jì)劃編制及功率調(diào)整、精益化運(yùn)行方式安排、全方位信息技術(shù)支撐三個(gè)方面。

2.1 協(xié)調(diào)型計(jì)劃編制及功率調(diào)整

計(jì)劃編制及功率調(diào)整一是要綜合考慮傳統(tǒng)能源和新能源，在保證安全的情況下以新能源接納能力最大為目標(biāo)；二是注重安全和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，同時(shí)考慮網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的調(diào)節(jié)能力，這就要求按照控制施效時(shí)間尺度的不同，加強(qiáng)運(yùn)行規(guī)劃（日級以上）、調(diào)度計(jì)劃（小時(shí)級）、實(shí)時(shí)調(diào)度（分鐘級）、AGC/AVR（秒級）各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)平滑過渡，如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)型計(jì)劃編制及功率調(diào)整

在有功控制上，山東新能源應(yīng)既具有執(zhí)行日前或滾動計(jì)劃的能力，同時(shí)具備參與ACE調(diào)整的閉環(huán)AGC控制功能?？紤]到風(fēng)電的隨機(jī)性和間歇性，有功控制模式應(yīng)是以跟蹤基于功率預(yù)測的日前計(jì)劃或滾動計(jì)劃為主，風(fēng)電直接參與AGC控制為輔。

2.2 精益化運(yùn)行方式安排

新能源利用上，一方面要盡可能利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電，同時(shí)適應(yīng)可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性，在儲能技術(shù)尚未大規(guī)模成熟利用前，需要用傳統(tǒng)能源發(fā)電為之備用；因此在大規(guī)模集中式新能源發(fā)電并網(wǎng)后的運(yùn)行方式安排上，要綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、可再生能源特性，借助EMS中的安全分析、風(fēng)險(xiǎn)評估等輔助完成。另外，隨著系統(tǒng)中發(fā)電類型的多樣化，風(fēng)電等發(fā)電特性雖對電網(wǎng)調(diào)峰帶來不利影響，但也應(yīng)看到趨利避害、實(shí)現(xiàn)多種發(fā)電資源綜合利用的可能。例如，風(fēng)電、光伏與電動汽車儲能的配合，利用電池儲能的快速調(diào)節(jié)平抑新能源出力的波動；火風(fēng)并存，而火電因供熱等原因不能停時(shí)，在負(fù)荷低谷時(shí)段，可考慮利用風(fēng)電進(jìn)行火電廠碳捕集，從而實(shí)現(xiàn)資源綜合利用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 全方位信息技術(shù)支撐

智能電網(wǎng)環(huán)境下，含新能源的智能調(diào)度模式要求提高信息的協(xié)調(diào)程度，通過各環(huán)節(jié)、各層面的信息互動實(shí)現(xiàn)資源整合利用?？v向上，加強(qiáng)省調(diào)與含新能源的地調(diào)、各風(fēng)場、光伏電站的信息交流，就新能源運(yùn)行監(jiān)視、功率預(yù)測、控制指令、靜態(tài)參數(shù)等進(jìn)行頻繁互動；橫向上，省調(diào)內(nèi)部新能源系統(tǒng)要與現(xiàn)有EMS、發(fā)電計(jì)劃、OMS、綜合數(shù)據(jù)平臺等交換關(guān)心的信息，共同實(shí)現(xiàn)新能源監(jiān)控的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。而上述功能的實(shí)現(xiàn)有賴于建設(shè)適應(yīng)山東新能源調(diào)度模式的新能源調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)。

3 新能源調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)

在國調(diào)“智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)（SGOSS）”建設(shè)框架指導(dǎo)下，按照I、II、III區(qū)同步建設(shè)的原則，山東省調(diào)與中國電力科學(xué)研究院合作，率先研發(fā)并實(shí)現(xiàn)基于D5000平臺、集“信息采集與實(shí)時(shí)監(jiān)視、功率預(yù)測、功率控制、調(diào)度管理（OMS）”于一體的新能源調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)。

3.1 體系架構(gòu)

系統(tǒng)由設(shè)在山東省調(diào)的主站端、設(shè)在各風(fēng)場的子站端以及數(shù)據(jù)通信鏈路三部分組成，系統(tǒng)體系架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

主站端I區(qū)布置信息采集與監(jiān)控，II區(qū)為風(fēng)功率預(yù)測，同時(shí)在III區(qū)建設(shè)調(diào)度管理模塊。主站系統(tǒng)與省調(diào)原有的EMS、綜合數(shù)據(jù)平臺、OMS、發(fā)電計(jì)劃等系統(tǒng)具有良好的外部接口功能，可通過反向物理隔離裝置獲取數(shù)值天氣預(yù)報(bào)信息，與其他系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)和歷史信息、功率預(yù)測結(jié)果、發(fā)電計(jì)劃、有功無功控制指令交互。

子站端對應(yīng)包括信息采集與監(jiān)控、風(fēng)功率預(yù)測、調(diào)度管理模塊。子站與主站的信息交互集中通過安裝在風(fēng)電場當(dāng)?shù)氐木C合通信管理終端完成，綜合終端與風(fēng)電場升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、動態(tài)無功補(bǔ)償裝置、測風(fēng)塔氣象采集等設(shè)備通信讀取實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，對實(shí)時(shí)信息進(jìn)行定時(shí)采樣形成歷史數(shù)據(jù)存儲在終端中，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳到主站系統(tǒng)，同時(shí)從主站接收有功/無功的調(diào)節(jié)控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)給風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、動態(tài)無功補(bǔ)償裝置等進(jìn)行遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)和控制。風(fēng)電場功率預(yù)測子系統(tǒng)接收氣象部門的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)信息，并根據(jù)歷史和運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、修正和校核，向主站上傳本地功率預(yù)測結(jié)果，并接收主站系統(tǒng)下發(fā)的發(fā)電計(jì)劃結(jié)果，通過綜合通信管理終端轉(zhuǎn)發(fā)風(fēng)機(jī)執(zhí)行。

在數(shù)據(jù)通信鏈路上，主子站I、II區(qū)的信息交互通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，雙套冗余配置，每套均通過2×2 M接入相應(yīng)地調(diào)接入網(wǎng)；III區(qū)信息通過管理信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交互，相應(yīng)設(shè)備通過1×2 M接入調(diào)度管理信息網(wǎng)地調(diào)節(jié)點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 信息采集與實(shí)時(shí)監(jiān)視

系統(tǒng)具備通過風(fēng)場直送、地調(diào)EMS轉(zhuǎn)發(fā)兩路互備數(shù)據(jù)源，實(shí)時(shí)獲取風(fēng)場運(yùn)行的電氣、氣象信息；定時(shí)接收風(fēng)場短期、超短期功率預(yù)測等文本信息；并可通過OMS實(shí)現(xiàn)風(fēng)場靜態(tài)參數(shù)的人工錄入。 大量、豐富的信息采集為運(yùn)行監(jiān)視和后續(xù)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 新能源系統(tǒng)中風(fēng)場上傳主站信息一覽

主站借助圖形、曲線、表格等可視化展示手段，沿用運(yùn)行人員習(xí)慣的監(jiān)視界面風(fēng)格，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)場升壓站、動態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備、風(fēng)機(jī)以及測風(fēng)塔運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)監(jiān)視，如圖3。

圖3 系統(tǒng)主站實(shí)時(shí)監(jiān)視界面

3.2.2 新能源功率預(yù)測

風(fēng)電功率預(yù)測?；贒5000平臺，采用符合山東氣候條件的高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品；針對新建風(fēng)電場歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)不足的特點(diǎn)，通過物理與統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的組合建模方式建立預(yù)測模型，增強(qiáng)了模型的適用性；對運(yùn)行時(shí)間較長的風(fēng)電場，充分利用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)方法建模，并定期進(jìn)行模型再訓(xùn)練；預(yù)測中考慮風(fēng)電場地形地貌、風(fēng)機(jī)類型及排布位置等因素影響，同時(shí)基于測風(fēng)塔歷史測風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律對結(jié)果進(jìn)行修正；采用模式輸出統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)歷史和當(dāng)前功率數(shù)據(jù)對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，提高了預(yù)測精度；實(shí)現(xiàn)了短期（未來3天）和超短期（未來15 min至4 h）功率預(yù)測功能，為日前和實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃制定提供依據(jù)。

光伏功率預(yù)測。針對山東省內(nèi)新建的光伏電站，采用物理方法，考慮光伏電站的地理位置、光伏電池的安裝方式、光伏電池板和逆變器的電氣特性，建立太陽位置模型、光伏電池板模型和逆變器模型，最終得到光伏電站的預(yù)測模型。該模塊具備完善的統(tǒng)計(jì)功能和新能源運(yùn)行評估功能，可實(shí)現(xiàn)對天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)、功率預(yù)測結(jié)果分布的統(tǒng)計(jì)分析，如圖4。

圖4 系統(tǒng)功率預(yù)測界面

3.2.3 新能源功率控制

結(jié)合新能源運(yùn)行控制特點(diǎn)，考慮當(dāng)前和遠(yuǎn)期功率控制需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)并部署了五類有功功率控制方式、三類無功功率控制方式及功能。

1）有功功率控制。

如圖5，在有功控制上，系統(tǒng)具備2種閉環(huán)控制方式、3種開環(huán)控制方式，二者切換通過現(xiàn)場上送的“允許投”和“投入AGC”信號。

圖5 山東新能源有功功率控制方式

閉環(huán)控制方式。

自動跟蹤發(fā)電計(jì)劃：主站AGC模塊利用讀入的發(fā)電計(jì)劃，生成實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃指令下發(fā) （按風(fēng)場），風(fēng)場自動跟蹤執(zhí)行。

參與ACE調(diào)節(jié)：系統(tǒng)的AGC模塊具備輔助常規(guī)能源機(jī)組調(diào)頻的功能，通過系數(shù)和零點(diǎn)偏移量的改變，調(diào)度員可以根據(jù)需要確定風(fēng)電參與ACE調(diào)節(jié)的程度。AGC應(yīng)用情況見圖6。

開環(huán)控制方式。

執(zhí)行發(fā)電計(jì)劃：退出AGC模式，由風(fēng)場自行跟蹤日前或滾動發(fā)電計(jì)劃曲線。

按風(fēng)發(fā)電：風(fēng)場按實(shí)際來風(fēng)情況發(fā)電。

圖6 山東新能源參與AGC控制監(jiān)視圖

即時(shí)調(diào)整：調(diào)度員根據(jù)電網(wǎng)需要，隨時(shí)發(fā)布調(diào)度命令，風(fēng)場執(zhí)行。

2）無功功率控制。

主站生成或接受外部電壓指令，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)I區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)給風(fēng)場綜合終端，協(xié)調(diào)風(fēng)場內(nèi)SVG、風(fēng)機(jī)等無功資源自動跟蹤調(diào)節(jié)。

主站指定電壓目標(biāo)值E文本和存放目錄，風(fēng)場通過FTP方式獲取，導(dǎo)入子站I區(qū)后按指定時(shí)刻下發(fā)，自動跟蹤調(diào)節(jié)。

主站可根據(jù)風(fēng)電場實(shí)際電壓和無功補(bǔ)償最大容量，按照設(shè)定的控制策略，通過D5000設(shè)點(diǎn)命令下發(fā)方式自行判斷、修改、下發(fā)風(fēng)電場目標(biāo)電壓值，風(fēng)場執(zhí)行。

3.2.4 新能源管理

系統(tǒng)在III區(qū)建設(shè)OMS模塊，實(shí)現(xiàn)了新能源電場靜態(tài)參數(shù)源端維護(hù)、并網(wǎng)流程監(jiān)視、互聯(lián)用戶郵件交流等，方便了新能源系統(tǒng)子站接入、并網(wǎng)驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)。更重要的是，通過該模塊的建設(shè)運(yùn)行，規(guī)范了新能源管理方面的辦事程序，提高了工作標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)度對新能源企業(yè)提供的并網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

在國網(wǎng)SGOSS框架下，基于D5000平臺，I、II、III區(qū)同步建設(shè)，兼具“信息采集、穩(wěn)態(tài)監(jiān)視、功率預(yù)測、功率控制、調(diào)度管理”完備功能于一體。

遵循山東新能源調(diào)度運(yùn)行模式，系統(tǒng)部署了完善、可行的有功和無功控制方式和功能，并實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場有功和無功閉環(huán)控制。其中在有功自動控制上，與省調(diào)現(xiàn)有主EMS系統(tǒng)既可聯(lián)動，又相對獨(dú)立，可在電網(wǎng)緊急需要時(shí)充分利用新能源的功率調(diào)節(jié)能力，輔助常規(guī)電源完成電網(wǎng)調(diào)整任務(wù)。

功率預(yù)測采用了符合山東氣候條件特點(diǎn)的高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品，對不同類型風(fēng)場采用針對性方法進(jìn)行建模，提高了預(yù)測模型的適應(yīng)性；采用模式輸出統(tǒng)計(jì)方法對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行動態(tài)修正和優(yōu)化，提高了預(yù)測精度。

系統(tǒng)接入信息量豐富（涵蓋每臺風(fēng)機(jī)、測風(fēng)塔、升壓站、SVG），界面可視化效果好、可用性強(qiáng)，運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析功能強(qiáng)大，為系統(tǒng)應(yīng)用、實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行考核提供了有力支撐。

4 結(jié)語

山東新能源調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)于2011年11月通過現(xiàn)場驗(yàn)收，投運(yùn)半年多來，接入59座風(fēng)場、5座光伏電站，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)場升壓站和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、有功控制、無功電壓閉環(huán)控制。2012年上半年，山東風(fēng)電累計(jì)發(fā)電30.9億kWh，光伏0.274億kWh，除春節(jié)調(diào)峰外，無限電或棄風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，系統(tǒng)已成為輔助山東新能源調(diào)度運(yùn)行的有力工具。

在此基礎(chǔ)上，為更好實(shí)現(xiàn)在保證大電網(wǎng)安全下新能源的有效接納，圍繞調(diào)度運(yùn)行，下一步需要開展大規(guī)模風(fēng)電接入的如下理論研究和實(shí)踐工作，包括：1）風(fēng)電有功、無功控制的深化研究及應(yīng)用；2）智能電網(wǎng)環(huán)境下，包含傳統(tǒng)能源、新能源、電動汽車儲能的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略和關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用等。