新能源調(diào)度自動化系統(tǒng)的設(shè)計

韓 強，馬 進

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

0 引言

能源危機與環(huán)境污染的加劇使人類對可再生新能源發(fā)電的關(guān)注度日益增加，而在眾多新能源發(fā)電方式中，風(fēng)能與太陽能發(fā)電以其資源豐富、高效便利、安全無污染、產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)好等優(yōu)點而備受青睞。伴隨“十二五”規(guī)劃對新能源領(lǐng)域加大投入的機遇，我國新能源發(fā)電正從小規(guī)模開發(fā)、就地消納向大規(guī)模集中開發(fā)和并網(wǎng)遠距離輸送方向發(fā)展。

然而，風(fēng)電場大多處于電網(wǎng)末端，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對薄弱，電源結(jié)構(gòu)較為單一，風(fēng)電大規(guī)模接入必將給這些地區(qū)的電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來很大壓力。同時，由于風(fēng)能與常規(guī)能源發(fā)電方式的種種差異，風(fēng)電的大容量遠距離輸送將對整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、繼電保護及電能質(zhì)量產(chǎn)生諸多不利影響[1]，光伏電站并網(wǎng)也存在類似的問題[2]。這些都是新能源場站并網(wǎng)后電網(wǎng)調(diào)度中心必須考慮的問題。

作者在考察國內(nèi)新能源調(diào)度管理支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[3-5]，提出了新能源調(diào)度自動化系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方案基于調(diào)度集控基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，利用一體化的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)多種電力高級應(yīng)用，提升調(diào)度和駕馭新能源發(fā)電的能力。

1 系統(tǒng)基本功能

1.1 系統(tǒng)功能簡介

新能源調(diào)度自動化系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，總體上可分為數(shù)據(jù)平臺、實時系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)、Web服務(wù)和通信接口4個主要部分。

圖1 新能源調(diào)度自動化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)平臺是以操作系統(tǒng)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、通信組件及實時數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理中心，完成監(jiān)控數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及其它系統(tǒng)互聯(lián)數(shù)據(jù)的整合和分析功能，為電網(wǎng)的分析決策、研究開發(fā)、統(tǒng)計考核和安全經(jīng)濟運行提供技術(shù)支撐，為應(yīng)用系統(tǒng)提供完整的數(shù)據(jù)整合解決方案。實時系統(tǒng)面向生產(chǎn)調(diào)度，主要完成新能源發(fā)電實時監(jiān)視和控制、實時生產(chǎn)運行及調(diào)度等功能。生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)面向日常生產(chǎn)管理信息和歷史數(shù)據(jù)的管理和分析，對實時性要求比較低，對數(shù)據(jù)完整性和統(tǒng)計、分析手段及輔助支持工具的要求比較高。由于新能源調(diào)度自動化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，Web服務(wù)和通信接口主要完成不同層面監(jiān)控信息的上傳下送功能。

各子系統(tǒng)的功能可由1個或多個應(yīng)用軟件實現(xiàn)，各應(yīng)用軟件采用一體化和模塊化設(shè)計，運行在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺上。系統(tǒng)的各應(yīng)用軟件可以按照電力調(diào)度生產(chǎn)流程和不同安全區(qū)的使用要求部署在3個安全區(qū)。應(yīng)用軟件可以運行在實時態(tài)、研究態(tài)、測試態(tài)等，不同運行態(tài)可同時運行且互不干擾，系統(tǒng)與安全Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)中其它系統(tǒng)的互聯(lián)符合電力二次系統(tǒng)安全防護的要求。

1.2 一體化的數(shù)據(jù)模型

一體化的數(shù)據(jù)模型構(gòu)成如圖2所示。

圖2 一體化數(shù)據(jù)模型

系統(tǒng)的全部功能組件及子系統(tǒng)均以數(shù)據(jù)軟總線為數(shù)據(jù)交換基礎(chǔ)，以一體化的數(shù)據(jù)模型為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，一體化數(shù)據(jù)模型將新能源調(diào)度所需的全部數(shù)據(jù)整合在一起，統(tǒng)一管理和維護，具有以下特點：

（1）數(shù)據(jù)分類存貯，管理簡單。根據(jù)數(shù)據(jù)特點采用不同的數(shù)據(jù)存貯方式，節(jié)約系統(tǒng)資源。

（2）分類數(shù)據(jù)可根據(jù)需求重新組織成相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型；數(shù)據(jù)處理中心負責處理系統(tǒng)內(nèi)外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（3）可對整合數(shù)據(jù)做深入分析，以多種形式提供給運行系統(tǒng)。

（4）具有實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、第三方系統(tǒng)安全訪問接口和系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換接口。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

2.1 系統(tǒng)拓撲配置

系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計遵循開放性原則，設(shè)備選型應(yīng)采用符合國際標準的產(chǎn)品，以達到系統(tǒng)的可擴充和可維護性。

新能源調(diào)度自動化系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為站控層、集控層和調(diào)度層。站控層實現(xiàn)新能源場站監(jiān)測信息上送和執(zhí)行遙控、遙調(diào)命令的功能。集控層完成對多個站控點的集中控制，調(diào)度層進行整個電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度。每層的各功能子系統(tǒng)合理分布在通過局域網(wǎng)互聯(lián)的冗余、集群配置的服務(wù)器和工作站之上。新功能擴展可以通過增加新節(jié)點方式完成。

為滿足系統(tǒng)安全防護的要求，與外部系統(tǒng)的通信要通過設(shè)置在邊界網(wǎng)絡(luò)處的物理隔離設(shè)備和硬件防火墻。

系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，該圖示意的是某一層通用拓撲，不同層可根據(jù)實際需求配置各自的應(yīng)用功能軟件。

2.2 系統(tǒng)軟件部署

新能源調(diào)度自動化系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)SOA（面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)）的軟件工程新思想，按照EAI（企業(yè)應(yīng)用集成）理念，構(gòu)造數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)以及ESB（企業(yè)服務(wù)總線），將新能源調(diào)度功能分別部署于安全Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區(qū)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用功能整合，為系統(tǒng)運行提供功能強大、方便易用的集成支撐環(huán)境。

SOA實質(zhì)上是1個組件模型，將不同的應(yīng)用功能單元通過預(yù)定義的接口聯(lián)系起來，接口獨立于具體的硬件平臺、編程語言和操作系統(tǒng)。而EAI是完成多種應(yīng)用和數(shù)據(jù)源之間共享交換信息的標準技術(shù)。ESB則是企業(yè)應(yīng)用集成領(lǐng)域的新型中間件技術(shù)，可以消除不同應(yīng)用之間的技術(shù)差異，使不同的應(yīng)用服務(wù)器協(xié)調(diào)運作，作為分布式系統(tǒng)的連接中樞，它可以幫助實現(xiàn)面向服務(wù)的體系架構(gòu)。

系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮調(diào)度中心各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及應(yīng)用需求，以EAI的思想建立為這些應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)的橫向跨越3個安全區(qū)、縱向連接上下級調(diào)度中心的數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)由3個數(shù)據(jù)匯聚中心及相應(yīng)的ESB組成。在3個電力生產(chǎn)安全區(qū)分別建立數(shù)據(jù)匯聚中心，ESB則在保證安全的前提下貫穿3個安全區(qū)。數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)既是數(shù)據(jù)的匯聚中心和提供者，又是優(yōu)良的應(yīng)用集成環(huán)境。

根據(jù)面向不同的應(yīng)用人群及應(yīng)用內(nèi)容建立若干應(yīng)用群，如實時監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度與管理以及研究分析等，實現(xiàn)新能源發(fā)電監(jiān)視與控制、發(fā)電計劃制定等相關(guān)功能，為新能源并網(wǎng)發(fā)電提供技術(shù)支撐。

3 調(diào)度自動化高級應(yīng)用

3.1 新能源發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)

并網(wǎng)新能源場站的發(fā)電受天氣變化影響，其容量和時間變化較大，對電網(wǎng)運行和調(diào)度有一定影響，在目前儲能設(shè)備不能大量投運的情況下，如能準確預(yù)測未來幾小時至幾天的發(fā)電情況，將有助于電網(wǎng)運行方式安排和調(diào)度提前計劃，保證電網(wǎng)經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

新能源發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 功率預(yù)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖3 新能源調(diào)度自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

預(yù)測系統(tǒng)采用統(tǒng)計方法、物理方法以及混合方法等算法[6-7]，根據(jù)預(yù)測時間尺度的不同使用上述算法構(gòu)成組合預(yù)測模型，對每一種算法的預(yù)測結(jié)果選取適當?shù)臋?quán)重進行加權(quán)平均，從而得到最終預(yù)測結(jié)果。選擇權(quán)重可以采用等權(quán)平均法、最小方差法，以提高預(yù)測的精度。

為提高預(yù)測的準確性，系統(tǒng)將影響因素全部納入預(yù)測信息系統(tǒng)，并綜合考慮各種數(shù)據(jù)信息，建立相應(yīng)的管理和優(yōu)化機制。這些信息包括天氣預(yù)報、電站實時信息、電站檢修計劃和歷史數(shù)據(jù)等，分別用于模型計算、數(shù)據(jù)修正等環(huán)節(jié)，從而得到更加準確的預(yù)測結(jié)果。

3.2 新能源自動發(fā)電控制

當電網(wǎng)頻率偏差較大、常規(guī)調(diào)頻容量不足時，為將系統(tǒng)頻率及聯(lián)絡(luò)線交換功率維持在計劃值，各控制地區(qū)可根據(jù)其區(qū)域內(nèi)控制誤差協(xié)調(diào)地區(qū)內(nèi)的風(fēng)電/光伏等新能源場站出力，輔助電網(wǎng)調(diào)頻。

調(diào)度中心以新能源發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)發(fā)布的場站日前最大可能出力為基礎(chǔ)，考慮電網(wǎng)運行安全和經(jīng)濟約束等條件，修正有功出力計劃曲線，制定發(fā)電控制策略，通過智能通信管理終端下發(fā)給場站級自動有功控制系統(tǒng)。站控層根據(jù)風(fēng)電機組、光伏逆變器等設(shè)備的控制特性和實時運行工況，實現(xiàn)目標出力在具體風(fēng)電機組和光伏逆變器上的優(yōu)化分配和發(fā)電跟蹤計劃曲線調(diào)整。新能源AGC（自動發(fā)電控制）實現(xiàn)原理如圖5所示。

圖5 新能源AGC實現(xiàn)原理

3.3 新能源自動電壓控制

新能源AVC（自動電壓控制）采用三級調(diào)控模式，場站級的無功電壓通過區(qū)域AVC集控站進行協(xié)調(diào)控制，區(qū)域站間的協(xié)調(diào)控制通過調(diào)度端新能源AVC主站實現(xiàn)。調(diào)度端采集全網(wǎng)無功電壓實時數(shù)據(jù)，利用狀態(tài)估計、最優(yōu)潮流等方法計算得出各新能源發(fā)電控制區(qū)域內(nèi)的中樞母線電壓指令并下發(fā)給AVC集控站。各AVC集控站根據(jù)本區(qū)域內(nèi)新能源場站的可用無功容量，結(jié)合本區(qū)域網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計算得到各場站的并網(wǎng)母線電壓控制目標，并下發(fā)給場站級AVC控制器執(zhí)行，場站級AVC據(jù)此將并網(wǎng)母線電壓值維持在允許范圍內(nèi)。新能源AVC實現(xiàn)原理如圖6所示。

圖6 新能源AVC實現(xiàn)原理

場站級AVC是1個多目標、多系統(tǒng)參與協(xié)調(diào)優(yōu)化的控制過程，由本地升壓站綜合自動化系統(tǒng)、風(fēng)機和光伏逆變器監(jiān)控系統(tǒng)和動態(tài)無功補償設(shè)備共同完成。文獻[8]提出一種針對風(fēng)電場的AVC 3層協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)，是考慮含有有載調(diào)壓變壓器、集中補償電容器和雙饋風(fēng)機等多種無功源設(shè)備的協(xié)調(diào)控制策略，值得借鑒。

一般來說，場站級AVC的控制策略順序是先調(diào)風(fēng)機或光伏逆變器的無功輸出，再調(diào)節(jié)動態(tài)無功補償設(shè)備，最后調(diào)節(jié)升壓站內(nèi)的固定電容器組和有載調(diào)壓變壓器分接頭。場站級無功優(yōu)化通過實時量測電壓偏差計算無功參考值，再按一定的優(yōu)化分配原則分配到各種無功源設(shè)備上，作為控制信號改變無功輸出，以實現(xiàn)新能源場站并網(wǎng)母線無功電壓的閉環(huán)控制。

3.4 新能源場站并網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測

由于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及儲能系統(tǒng)中應(yīng)用了逆變器、變流器等電力電子設(shè)備，使新能源電力并網(wǎng)時產(chǎn)生大量諧波污染電網(wǎng)，及時監(jiān)測和分析各個新能源場站并網(wǎng)點的電能質(zhì)量，將為后期電能質(zhì)量治理和統(tǒng)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)最為注重的是數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能，新能源調(diào)度中心要充分考慮各新能源場站的地理位置、電氣接線及關(guān)聯(lián)負荷與電源的基本情況，對歷史數(shù)據(jù)進行綜合分析，為電能質(zhì)量治理提供詳實的數(shù)據(jù)。電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電能質(zhì)量監(jiān)測拓撲結(jié)構(gòu)

3.5 風(fēng)光儲并網(wǎng)控制

由于風(fēng)能和太陽能具有隨機性、間歇性的特點，作為獨立的發(fā)電系統(tǒng)時難以提供穩(wěn)定、連續(xù)的功率輸出，如果采取風(fēng)、光互補發(fā)電并加入儲能裝置，形成風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，既可以充分利用風(fēng)能和太陽能在時間及地理上的天然互補性，也可以利用儲能系統(tǒng)的充、放電性能來平滑風(fēng)電、光伏功率輸出的波動性[9]。

通過分析調(diào)度區(qū)域內(nèi)的新能源發(fā)電分布情況，結(jié)合各種能源所占比重，采用風(fēng)電場、光伏電站單獨配置一定比例儲能的調(diào)度并網(wǎng)模式，也同時考慮區(qū)域儲能在廣域條件下能發(fā)揮更大平滑效應(yīng)的特點，進行調(diào)度范圍內(nèi)的風(fēng)光儲一體化并網(wǎng)控制。其基本功能應(yīng)包括：

（1）以風(fēng)光儲功率波動最小、調(diào)峰能力最大為目標，制定最優(yōu)的聯(lián)合發(fā)電計劃。

（2）可以根據(jù)系統(tǒng)需要采取多種處理策略，如保證儲能設(shè)備使用壽命最長、能參與系統(tǒng)削峰填谷等。

3.6 新能源并網(wǎng)一體化調(diào)度系統(tǒng)

風(fēng)力/光伏發(fā)電的特點是發(fā)電容量和發(fā)電時間穩(wěn)定性不高，屬于間歇性電源，隨著并網(wǎng)容量的增大，會給電網(wǎng)帶來一定沖擊。新能源并網(wǎng)一體化調(diào)度系統(tǒng)的任務(wù)就是將風(fēng)力/光伏發(fā)電變?yōu)橛押眯碗娫?，增強其可控性?/p>

并網(wǎng)一體化調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 并網(wǎng)一體化調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新能源并網(wǎng)一體化調(diào)度系統(tǒng)通過主站、風(fēng)力/光伏發(fā)電子站形成上下一體的控制和執(zhí)行系統(tǒng)，能夠完成計劃、緊急、事故等情況下的執(zhí)行策略。

并網(wǎng)一體化調(diào)度系統(tǒng)不僅與新能源發(fā)電場站相關(guān)，對全網(wǎng)的安全校驗及運行方式安排也必須結(jié)合全網(wǎng)運行情況來確定。因此，新能源并網(wǎng)一體化系統(tǒng)通過信息交互層完成與主調(diào)度系統(tǒng)及EMS系統(tǒng)的通信聯(lián)系，形成完整的調(diào)度系統(tǒng)，既考慮新能源發(fā)電的特點，又達到與原有系統(tǒng)融合的目的，從而成為主調(diào)度系統(tǒng)在功能上的補充。

通過新能源并網(wǎng)一體化調(diào)度系統(tǒng)，風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電子系統(tǒng)與調(diào)度主站形成了整體。調(diào)度主站系統(tǒng)根據(jù)功率預(yù)測結(jié)果，結(jié)合全網(wǎng)負荷及主電源情況，經(jīng)過EMS系統(tǒng)分析和校驗，制定新能源發(fā)電計劃，并將發(fā)電計劃下發(fā)至各新能源場站，由部署于各場站的子站系統(tǒng)自動執(zhí)行。在緊急情況下可以快速執(zhí)行主站的動作策略，從而保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

基于一體化數(shù)據(jù)模型構(gòu)建數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)，給出新能源調(diào)度自動化系統(tǒng)的設(shè)計方案。采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)和企業(yè)應(yīng)用集成的理念進行應(yīng)用軟件開發(fā)和部署，系統(tǒng)支持功率預(yù)測、自動發(fā)電控制、自動電壓控制、電能質(zhì)量監(jiān)測、風(fēng)光儲并網(wǎng)控制等高級分析決策系統(tǒng)，并能與電網(wǎng)EMS系統(tǒng)實現(xiàn)無縫集成。其分層結(jié)構(gòu)和功能組態(tài)適用于網(wǎng)、省、地、集控、廠站多級調(diào)度或監(jiān)控模式。隨著我國新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，該系統(tǒng)將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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