基于分散式風(fēng)電的集控方案設(shè)計與實施

華東勘測設(shè)計研究院 ■ 沈漢琴

南京南瑞繼保電氣有限公司 ■ 黃山峰

一 引言

我國風(fēng)力資源非常豐富，風(fēng)電每年發(fā)電規(guī)模已經(jīng)達到6000多萬kW。國際新能源研究機構(gòu)BNEF發(fā)布的研究報告稱，中國陸上風(fēng)力發(fā)電裝機量占全球比重為35%，2012年中國風(fēng)電裝機量為15.9千MW，已取代美國位居世界第一。近年來，中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了爆發(fā)式增長，且多注重規(guī)?；?、大型基地化發(fā)展。高度集中、遠距離、高電壓是目前風(fēng)電場的特點。由于風(fēng)電出力特性不同于常規(guī)能源，它的隨機性、波動性較大，可預(yù)測性較低，風(fēng)電達到一定規(guī)模后調(diào)度運行很難做到不棄風(fēng)。風(fēng)電已經(jīng)進入“發(fā)展越快，損失越大”的惡性循環(huán)。在此背景下，風(fēng)電發(fā)展轉(zhuǎn)型勢在必行。許多有經(jīng)驗的人員認(rèn)為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)采用“小規(guī)模、分布式、低電壓、就地分散接入電力系統(tǒng)”的形式，將大有可為。

所謂分散式指的是：在用電負(fù)荷中心附近，不采用集中遠距離接入電力系統(tǒng)為目的，所生產(chǎn)的電力就近接入電力網(wǎng)，并在本地消納的風(fēng)力發(fā)電項目。分散式發(fā)電方式特點有：規(guī)模較小，對風(fēng)速、占地面積要求較低；輸電距離較短，一般利用風(fēng)場附近電網(wǎng)現(xiàn)有的變電站和輸送線路；總裝機容量低，風(fēng)機切入切出對微電網(wǎng)沖擊很??；經(jīng)濟效益高，發(fā)出的電能可以就地消化。分散式風(fēng)電這種分散不集中的特點，也為運行管理帶來諸多不便，特別是對監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的技術(shù)要求。

以“中廣核哈密地區(qū)69MW風(fēng)電場”為例。該項目共有4個風(fēng)場，分別為巴里坤縣西部礦區(qū)黑眼泉2.4萬kW、哈密市東南部風(fēng)區(qū)黃山東0.9萬kW、沙泉子0.9萬kW以及雅滿蘇2.7萬kW。每個風(fēng)場地理位置偏僻，各風(fēng)場間都相距上百公里，所以風(fēng)場的運行管理難度非常大。對于此問題，設(shè)計出了針對分散式風(fēng)電的集控系統(tǒng)，通過本系統(tǒng)的上線運行和推廣可實現(xiàn)對風(fēng)電場設(shè)備進行遠程監(jiān)視和控制，合理安排運行方式，提高調(diào)度管理水平，使整個風(fēng)電場安全，可靠，經(jīng)濟地運行，從而為逐步實現(xiàn)風(fēng)電場無人值班提供技術(shù)支持。

二 分散式風(fēng)場集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1 設(shè)計方案

(1)從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的角度來看調(diào)度系統(tǒng)與集控系統(tǒng)同為平級的兩個系統(tǒng)，都可同時監(jiān)控各風(fēng)場運行狀態(tài)。正常情況下由調(diào)度通過電話對監(jiān)控中心下達調(diào)度命令和要求，監(jiān)控中心通過遠程遙控執(zhí)行調(diào)度要求。緊急情況下，調(diào)度也可直接對各風(fēng)場進行遠程遙控。

(2)集控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍為：第一是各風(fēng)場開關(guān)站的遙信、遙測數(shù)據(jù)，包括各個間隔的測量量數(shù)據(jù)、保護信號數(shù)據(jù)、電能量數(shù)據(jù)等。第二是各風(fēng)場風(fēng)機相關(guān)數(shù)據(jù)，包括各風(fēng)機的測量量數(shù)據(jù)、開關(guān)量數(shù)據(jù)、測風(fēng)塔數(shù)據(jù)等。第三是各風(fēng)場視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括風(fēng)場內(nèi)各攝像頭采集的數(shù)據(jù)。

(3)集控系統(tǒng)設(shè)有一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)。配有開關(guān)站SCADA系統(tǒng)、風(fēng)機SCADA系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理功能、畫面顯示功能、遙控與操作閉鎖功能、事件順序記錄功能(SOE)、事故追憶功能、計算分析功能、報表打印功能等，還可實現(xiàn)電壓管理等[1]。

(4)監(jiān)控中心內(nèi)配備基于監(jiān)控系統(tǒng)的高級應(yīng)用，如風(fēng)功率預(yù)測、自動發(fā)電控制(AGC)和自動電壓控制(AVC)。

(5)各系統(tǒng)高度可靠、冗余，在保證整個系統(tǒng)可靠性、設(shè)備運行的安全穩(wěn)定性、實時性和實用性前提下，充分考慮系統(tǒng)配置和設(shè)備選型的開放性[2]。

(6)根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》的要求對集中監(jiān)控系統(tǒng)進行分區(qū)。安全I區(qū)為實時控制區(qū)，直接實現(xiàn)對電力一次系統(tǒng)的實時監(jiān)控；安全II區(qū)為非控制生產(chǎn)區(qū)，在線運行但不具備實時控制功能；安全III區(qū)為生產(chǎn)管理區(qū)，可在不影響生產(chǎn)控制區(qū)安全的前提下根據(jù)安全需求劃分。

2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

(1)風(fēng)場端網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)風(fēng)場內(nèi)數(shù)據(jù)安全性、穩(wěn)定性要求不同，設(shè)計上送方式也不同。以黑眼泉風(fēng)場為例，如圖1所示。視頻數(shù)據(jù)獨立組網(wǎng)，直接接入光端機上送。開關(guān)站信息、無功補償信息本身是IEC103報文，可直接由遠動裝置采集。對于風(fēng)機監(jiān)控信息、氣象測風(fēng)信息、電能量信息、電能質(zhì)量在線監(jiān)測信息，需經(jīng)過規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為IEC103報文后由遠動裝置采集。遠動裝置再把數(shù)據(jù)分類處理轉(zhuǎn)換為IEC104報文通過縱向加密和路由器分別上送給監(jiān)控中心和調(diào)度。

圖1 風(fēng)場內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

(2)遠程通信網(wǎng)絡(luò)

每個風(fēng)場與監(jiān)控中心間都有3個2M的獨立數(shù)字通道。這些通道都是租用電力公司的專用通信通道。由離風(fēng)場最近的變電站接入，離監(jiān)控中心最近的變電站接出。這3個2M的通道分別提供給遠動信息、風(fēng)機信息和視頻信息使用。

圖2 遠程通信網(wǎng)絡(luò)

(3)監(jiān)控中心端網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控中心內(nèi)光端機把數(shù)據(jù)通過路由器和縱向加密送出，由數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器采集并處理IEC104報文數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

(4)監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)

圖3 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控中心內(nèi)采用雙網(wǎng)設(shè)計并且分有3個安全區(qū)。其中I區(qū)為實時控制區(qū)，由2個數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、2個監(jiān)控工作站、1個分機數(shù)據(jù)服務(wù)器、2個風(fēng)機操作員站、1個AGC服務(wù)器、1個AVC服務(wù)器和1個GPS組成。提供4座風(fēng)電場運行界面顯示、歷史數(shù)據(jù)儲存、安全監(jiān)控、人機交互及網(wǎng)絡(luò)管理功能。滿足風(fēng)電場無人值班的要求；滿足各風(fēng)場設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控需要；滿足對事故或異常狀態(tài)下的分析、判斷能力；滿足風(fēng)電場操作的安全性需要；滿足風(fēng)電場運行管理的需要；滿足監(jiān)控其他分析系統(tǒng)和應(yīng)用的需要。安全I區(qū)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 安全I區(qū)網(wǎng)絡(luò)

II區(qū)為非控制生產(chǎn)區(qū)，與I區(qū)經(jīng)過防火墻隔離，由電能量服務(wù)器、電能質(zhì)量工作站、風(fēng)功率預(yù)測服務(wù)器和風(fēng)功率預(yù)測工作站組成。電能量與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)通過I區(qū)的采集服務(wù)器統(tǒng)一從各個開關(guān)站內(nèi)的遠動設(shè)備中采集、處理，并實時同步到監(jiān)控中心的II區(qū)，由II區(qū)的電能量與電能質(zhì)量工作站完成人機交互和界面展視。安全II區(qū)網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

III區(qū)配置一臺運行管理工作站，用于日常的運行管理使用。視頻監(jiān)控單獨組網(wǎng)。安全III區(qū)網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

三 高級應(yīng)用

圖5 安全II區(qū)網(wǎng)絡(luò)

圖6 安全III區(qū)網(wǎng)絡(luò)

為了保證電力系統(tǒng)的可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行，制定合理的運行方式和調(diào)度計劃。風(fēng)場需要配備風(fēng)功率預(yù)測、風(fēng)場AGC、風(fēng)場AVC等子系統(tǒng)解決風(fēng)電穩(wěn)定并網(wǎng)問題。

1 風(fēng)功率預(yù)測

風(fēng)功率預(yù)測是以統(tǒng)計模型及物理模型分析為基礎(chǔ)，根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀況，得出風(fēng)電場未來的輸出功率[3]。

風(fēng)功率預(yù)測子系統(tǒng)根據(jù)測風(fēng)塔實測氣象數(shù)據(jù)、風(fēng)場實時有功無功數(shù)據(jù)和氣象部門的數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等多種算法，對風(fēng)電場在未來時段的發(fā)電狀況進行預(yù)測，并上報電力調(diào)度部門。

2 風(fēng)場AGC

風(fēng)場AGC的主要作用是當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)較大的頻率偏差時，為了維持系統(tǒng)頻率及聯(lián)絡(luò)線的交換功率，各個控制地區(qū)將根據(jù)本區(qū)域內(nèi)的控制誤差來調(diào)控本地區(qū)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機組的出力，協(xié)調(diào)電網(wǎng)進行調(diào)頻。

電力系統(tǒng)調(diào)度將根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)發(fā)布的風(fēng)力發(fā)電場日前可能的最大出力，結(jié)合運行安全和經(jīng)濟約束等各方面的調(diào)度信息，來制定發(fā)電控制策略，再下發(fā)風(fēng)場出力目標(biāo)值給風(fēng)機服務(wù)器[3]。風(fēng)機服務(wù)器根據(jù)機組的控制特性和實時運行工況，進行目標(biāo)出力在具體風(fēng)機上的分配，實現(xiàn)風(fēng)場功率跟蹤和調(diào)整。

3 風(fēng)場AVC

由于風(fēng)場遠離負(fù)荷中心，處于接入末端電網(wǎng)，受風(fēng)力資源及負(fù)荷變化的影響，電壓波動幅度較大，風(fēng)場小發(fā)電時的高電壓和大發(fā)電時的低電壓問題日益嚴(yán)重，對電網(wǎng)的安全運行產(chǎn)生不利影響。因此有必要實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓和無功的自動控制[4]。

風(fēng)場AVC子系統(tǒng)是以電力調(diào)度下發(fā)的控制電壓目標(biāo)值為依據(jù)，根據(jù)風(fēng)場實時運行工況，結(jié)合電網(wǎng)和設(shè)備的安全因素，運用控制算法產(chǎn)生單臺風(fēng)機的無功輸出目標(biāo)值、場內(nèi)SVG(動態(tài)無功補償)的無功輸出目標(biāo)值，然后下發(fā)給風(fēng)機服務(wù)器、開關(guān)站SCADA服務(wù)器、SVG控制器執(zhí)行，完成風(fēng)場電壓自動調(diào)整功能。

四 應(yīng)用情況及效果

本文針對分散式風(fēng)電集中控制系統(tǒng)的設(shè)計，將風(fēng)電場不同類型的風(fēng)機、開關(guān)站保護設(shè)備、電能計量設(shè)備等運行數(shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)控中心。極大降低風(fēng)場運行維護成本，實現(xiàn)風(fēng)場的無人值守或少人值守，大幅提高了風(fēng)電運行管理水平。同時基于系統(tǒng)平臺和數(shù)據(jù)服務(wù)的高級應(yīng)用AGC、AVC和風(fēng)功率預(yù)測的投入，使系統(tǒng)可對出力變化趨勢進行準(zhǔn)確的預(yù)測，調(diào)度可根據(jù)預(yù)測值下發(fā)風(fēng)機出力目標(biāo)值或電壓目標(biāo)值，系統(tǒng)再根據(jù)目標(biāo)值對風(fēng)機進行調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)風(fēng)場自動發(fā)電控制。

中廣核哈密地區(qū)69MW風(fēng)電場項目已經(jīng)投運，集中監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)測試結(jié)果見表1。

五 展望

由于“三北”地區(qū)風(fēng)電消納日益嚴(yán)重，國家能源局曾多次召集有關(guān)單位研究討論如何開發(fā)分散式風(fēng)電項目，2011年7月下發(fā)了《關(guān)于分散式接入風(fēng)電開發(fā)的通知》，在年底緊接著又下發(fā)了《分散式接入風(fēng)電項目開發(fā)建設(shè)指導(dǎo)意見》。其出色的適應(yīng)性、性價比，決定了其將要大發(fā)展的趨勢。以后同一項目下的風(fēng)場可能越來越不集中，風(fēng)場數(shù)目越來越多，風(fēng)機的種類和型號越來越多樣，并入的電網(wǎng)的電壓等級不再相同。這些也對集中控制系統(tǒng)提出了新的任務(wù)。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

(1)硬件提高。隨著風(fēng)場的發(fā)展，風(fēng)場監(jiān)控的數(shù)據(jù)量越來越大，這就要求控制系統(tǒng)有更強大的硬件來提高系統(tǒng)運行效率。

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能加強。系統(tǒng)應(yīng)該能提供通用統(tǒng)計的功能，用戶通過自由選擇統(tǒng)計算法，實現(xiàn)對統(tǒng)計點某時間段內(nèi)的原始數(shù)據(jù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計運算。

(3)一體化。針對越來越復(fù)雜的風(fēng)場，控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該能提供一體化的解決方案?？刂葡到y(tǒng)能處理各種數(shù)據(jù)，AGC、AVC、風(fēng)功率預(yù)測等不再是相互獨立的系統(tǒng)，而是基于同個平臺、同個數(shù)據(jù)服務(wù)的高級應(yīng)用。

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