小容量非統(tǒng)調(diào)電源運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

姜新凡，潘飛來，胡迪軍，謝培元，周農(nóng)傖

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410014；2.國網(wǎng)湖南省電力公司懷化供電分公司，湖南懷化418000)

小容量非統(tǒng)調(diào)電源運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

姜新凡1，潘飛來1，胡迪軍1，謝培元1，周農(nóng)傖2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410014；2.國網(wǎng)湖南省電力公司懷化供電分公司，湖南懷化418000)

對湖南省內(nèi)小容量非統(tǒng)調(diào)電源運(yùn)行信息采集現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種針對性較強(qiáng)的運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)方案，重點(diǎn)對系統(tǒng)架構(gòu)、通道方案及規(guī)約、設(shè)備配置及安全防護(hù)進(jìn)行了闡述，試點(diǎn)運(yùn)行結(jié)果證明方案可行，可推廣應(yīng)用。

小容量電源；實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)；GPRS；北斗衛(wèi)星

湖南境內(nèi)小容量非統(tǒng)調(diào)電源是湖南省電力供應(yīng)和湖南電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、綠色、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效補(bǔ)充。小容量電源在有效保障地區(qū)電力供應(yīng)的同時(shí)，也因其自身的局限性，對湖南電網(wǎng)安全運(yùn)行和電力可靠供應(yīng)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。因此，湖南電網(wǎng)各級調(diào)控機(jī)構(gòu)亟需及時(shí)掌握小容量電源運(yùn)行信息。然而，湖南電網(wǎng)省、地兩級調(diào)度自動化系統(tǒng)雖然均通過專線通道或調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)途徑實(shí)現(xiàn)了對直接調(diào)度管轄的并網(wǎng)電廠實(shí)時(shí)運(yùn)行信息的直接采集與處理，但是，限于當(dāng)時(shí)的主客觀條件，各級調(diào)度自動化系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)對湖南省內(nèi)小容量電源、自備電廠等非統(tǒng)調(diào)電源運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)采集處理，不利于精益化開展湖南電網(wǎng)全口徑發(fā)電數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)與運(yùn)行分析工作。結(jié)合湖南境內(nèi)各地區(qū)獨(dú)具的山區(qū)、丘陵、湖區(qū)等地形地貌特點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了可適應(yīng)不同地形地貌的小容量電源運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，并成功開展了試點(diǎn)應(yīng)用。對信息采集存在的問題、技術(shù)方案及對策建議進(jìn)行了探討，以期有效解決當(dāng)前小容量非統(tǒng)調(diào)電源運(yùn)行信息采集困境。

1 現(xiàn)狀分析

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，湖南省內(nèi)裝機(jī)容量6 MW及以上、30 MW以下非新能源發(fā)電廠共250余座，總?cè)萘考s6 200 MW，分別由14個(gè)地調(diào)調(diào)度管理。其中98座 (總?cè)萘? 630 MW)電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)已分別由對其直接調(diào)度管轄的地調(diào)實(shí)時(shí)采集統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)采集率38.9%。納入地調(diào)調(diào)度管理的企業(yè)自備電廠70余座，容量約3800 MW，13座 (共計(jì)容量200 168 kW)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)采集率18.05%。6 MW以下2 700余座，總?cè)萘考s3 000 MW，數(shù)據(jù)采集率0。

造成湖南省內(nèi)非統(tǒng)調(diào)發(fā)電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集率較低現(xiàn)象的主要原因有:1)絕大部分小容量非統(tǒng)調(diào)電廠位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞€通道未覆蓋，無法通過常規(guī)的專線通道或調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)規(guī)約通信方式實(shí)現(xiàn)信息采集和傳送。2)小容量電廠僅有計(jì)量設(shè)備，無自動化設(shè)備，不能滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集需求。3)小容量電廠難以承擔(dān)數(shù)據(jù)采集裝置建設(shè)費(fèi)用及運(yùn)維費(fèi)用，且缺乏專業(yè)人員履行設(shè)備運(yùn)維職責(zé)，設(shè)備維護(hù)難到位，電源側(cè)的設(shè)備廠商后續(xù)服務(wù)欠缺。4)電網(wǎng)調(diào)控機(jī)構(gòu)對地方電源、非并網(wǎng)電廠缺乏相應(yīng)管理權(quán)限，難以通過專業(yè)管理手段在電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)統(tǒng)一部署和組織所有小容量電廠開展運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集工作。

在無法實(shí)現(xiàn)小容量非統(tǒng)調(diào)電廠運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集的條件下，目前主要通過三種途徑采集統(tǒng)計(jì)非統(tǒng)調(diào)電廠數(shù)據(jù)。一是調(diào)度自動化系統(tǒng)通過小容量電廠(電廠群)并網(wǎng)側(cè)的變電站綜合自動化系統(tǒng)、RTU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及關(guān)聯(lián)計(jì)算，按合理的折算公式，計(jì)算出小電廠有功出力，適用于單個(gè)或多個(gè) (T接)小水電專線上網(wǎng)至變電站的情況，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但只能獲取電廠 (電廠群)上網(wǎng)總加出力，不能獲取電廠端機(jī)組運(yùn)行信息；二是用電信息采集系統(tǒng)通過小電廠計(jì)量關(guān)口實(shí)施數(shù)據(jù)采集，主要實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠關(guān)口電表的電能量采集，實(shí)時(shí)性較差，一般每日僅采集一次，通信方式主要采用GPRS和有線電話，通信可靠性低，數(shù)據(jù)覆蓋面窄，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完整性難以得到保障；三是通過縣級及以上供電公司人工報(bào)送全口徑發(fā)電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)周期為月度，每月產(chǎn)生月報(bào)表，每年經(jīng)核對產(chǎn)生年度報(bào)表。該人工月度報(bào)送方式實(shí)時(shí)性最差，數(shù)據(jù)完整性得不到保障。

2 技術(shù)方案

解決小容量電廠運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集難題的技術(shù)關(guān)鍵在于公網(wǎng)通信接入安全防護(hù)要滿足要求〔1〕、以最小的投資確保站端自動化采集設(shè)備能免維護(hù)式可靠運(yùn)行〔2－3〕、數(shù)據(jù)采集通道通信質(zhì)量不受偏遠(yuǎn)地區(qū)高山峽谷影響〔3－5〕等。

小容量非統(tǒng)調(diào)電源運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括省級及地區(qū)級主站系統(tǒng)采集方案、電廠端自動化設(shè)備采集方案、信息安全防護(hù)方案等環(huán)節(jié)。

2.1 省級主站系統(tǒng)采集方案

由于湖南電網(wǎng)小容量非統(tǒng)調(diào)電源點(diǎn)多面廣，且小電源主要通過35 kW及以下線路并入地區(qū)調(diào)度管轄電網(wǎng)，考慮專業(yè)管理及運(yùn)維管理分級界面，不考慮省級集中直接采集方式，而是采用省級主站系統(tǒng)間接采集方式，即省級主站通過湖南電網(wǎng)14個(gè)地區(qū)主站系統(tǒng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)對小電源運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)采集處理，見圖1。

圖1 省級主站系統(tǒng)采集方案

由圖1可知，地調(diào)主站安全接入?yún)^(qū)采集子系統(tǒng)獲取小電廠運(yùn)行信息后，通過反向物理隔離裝置經(jīng)安全接入?yún)^(qū)傳送至安全Ⅰ區(qū)SCADA實(shí)時(shí)庫，既滿足地調(diào)對小電廠運(yùn)行信息監(jiān)視處理需求，同時(shí)通過常規(guī)的104規(guī)約遠(yuǎn)動通信轉(zhuǎn)發(fā)方式將小電廠運(yùn)行信息實(shí)時(shí)傳送至省調(diào)主站系統(tǒng)，滿足省調(diào)對全省小電廠運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)采集與統(tǒng)計(jì)分析需求。

2.2 地區(qū)主站系統(tǒng)采集方案

在地區(qū)調(diào)度自動化主站系統(tǒng)安全接入?yún)^(qū)部署小電源運(yùn)行信息采集子系統(tǒng)，直接采集小電源運(yùn)行信息。安全接入?yún)^(qū)子系統(tǒng)采用分布式星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可便于多個(gè)子站靈活方便接入主站系統(tǒng)。主站端主要設(shè)備包括前置采集服務(wù)器、遠(yuǎn)動通信安全網(wǎng)關(guān)及安全防護(hù)設(shè)備，子站端包括遠(yuǎn)動通信安全網(wǎng)關(guān)及配套自動化設(shè)備。地調(diào)主站安全接入?yún)^(qū)遠(yuǎn)動通信網(wǎng)關(guān)接收各廠站上傳的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)并發(fā)送至安全接入?yún)^(qū)前置服務(wù)器，通過物理隔離裝置與安全Ⅰ區(qū)地區(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng) (EMS)之間信息交互，實(shí)現(xiàn)地區(qū)調(diào)度對各小電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。

地區(qū)主站采集子系統(tǒng)與小電廠采集終端之間采用GPRS，北斗衛(wèi)星通信通道，見圖2。對于采用GPRS通信方式的小電廠，站端采集裝置經(jīng)公網(wǎng)路由器接入至主站通信安全網(wǎng)關(guān)，主站通信安全網(wǎng)關(guān)接收站端上傳的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成104規(guī)約發(fā)送至安全接入?yún)^(qū)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。對于采用北斗衛(wèi)星通信方式的小電廠，站端采集裝置直接經(jīng)由北斗用戶機(jī)，遵循北斗通信規(guī)約及安全通信措施傳送至地調(diào)主站。

圖2 地區(qū)主站采集系統(tǒng)

2.2.1 GPRS通道方案

采用GPRS通信方式時(shí)，主站遠(yuǎn)動通信安全網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)口連接至移動專線路由，進(jìn)而與GPRS網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，遠(yuǎn)動通信安全網(wǎng)關(guān)及站端GPRS卡配置固定IP地址，主站與站端建立虛擬專用網(wǎng) (VPN)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)密文傳輸。GPRS通道通信規(guī)則:低字節(jié)在前、高字節(jié)在后；異步傳輸方式，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，偶校驗(yàn)；電廠端主動上送遙測、遙信、遙脈報(bào)文；可變幀長數(shù)據(jù)幀格式。其中，數(shù)據(jù)幀由幀起始符、地址域、控制碼、數(shù)據(jù)域長度、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)碼、幀結(jié)束符組成。

2.2.2 北斗衛(wèi)星通道方案

采用北斗衛(wèi)星通信方式時(shí)，設(shè)置北斗衛(wèi)星用戶機(jī)、指揮機(jī)IC卡編碼，站端采集設(shè)備通過RS－422總線與北斗衛(wèi)星用戶機(jī)連接，采用北斗終端數(shù)據(jù)接口協(xié)議。主站采集設(shè)備通過RS－422總線與北斗衛(wèi)星指揮機(jī)連接，同樣采用北斗終端數(shù)據(jù)接口協(xié)議。北斗衛(wèi)星指揮機(jī)與用戶機(jī)之間采用專用通信加密機(jī)制進(jìn)行加密傳輸。

北斗終端數(shù)據(jù)接口協(xié)議內(nèi)容主要包括:北斗時(shí)間信息、發(fā)送通信信息、接收通信信息、緩存清理、定位信息等。數(shù)據(jù)通信內(nèi)容以指令的方式表示，指令內(nèi)容用ASCII碼編碼。

2.3 電廠自動化設(shè)備配置方案

配置電廠簡易型、高可靠性實(shí)時(shí)運(yùn)行信息采集裝置1套。站端信息采集裝置應(yīng)集成RTU“四遙”(遙測、遙信、遙控、遙調(diào)) 功能，可采集開關(guān)量、交直流電壓電流信號，可輸出開關(guān)量信號、直流電流信號；應(yīng)具有較好的現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性、長期運(yùn)行的可靠性和多臺裝置的級聯(lián)擴(kuò)展性，滿足對現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)控的各項(xiàng)功能和性能要求。該裝置應(yīng)支持通過硬接線方式與TV和TA二次連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)組有功、無功、電壓、電流實(shí)時(shí)采集；支持通過RS－485通信方式與站端多功能電能表通信，獲取電能量及有功、無功等需量數(shù)據(jù)；支持通過串口或網(wǎng)絡(luò)與電廠當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)，獲取電廠實(shí)時(shí)運(yùn)行信息。站端信息采集裝置支持電廠根據(jù)現(xiàn)場條件，靈活選擇相應(yīng)的信息采集途徑。

采用北斗衛(wèi)星通道時(shí)，站端需同步配置北斗衛(wèi)星用戶機(jī)，通過RS－422與采集裝置互聯(lián)。采用GPRS通道時(shí)，需同步配置通信安全網(wǎng)關(guān)及GPRS通信模塊，通過 RS－232/RS－485與采集裝置互聯(lián)。

2.4 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

小容量非統(tǒng)調(diào)電廠運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)部署在安全接入?yún)^(qū)，傳輸通道采用北斗衛(wèi)星或GPRS等公用網(wǎng)絡(luò)。因此，站端設(shè)備和主站側(cè)公網(wǎng)前置機(jī)之間采用單向認(rèn)證和非對稱加密措施，公網(wǎng)前置機(jī)與主站調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)之間采用安全隔離措施。

站端安全防護(hù):在站端部署具有數(shù)據(jù)采集能力和進(jìn)行單向認(rèn)證數(shù)據(jù)傳輸能力的專用采集終端。

縱向通信的安全防護(hù):采用單向認(rèn)證裝置實(shí)現(xiàn)縱向通信的單向認(rèn)證和安全隔離。當(dāng)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)時(shí)，啟用公網(wǎng)自身提供的包括 APN＋VPN或VPDN在內(nèi)的無線虛擬專有通道安全措施，主站系統(tǒng)和公共網(wǎng)絡(luò)間采用有線專線GRE。當(dāng)采用北斗通道時(shí)，采用其提供的相應(yīng)安全防護(hù)措施。

主站安全防護(hù):接入?yún)^(qū)前置機(jī)采用安全加固的操作系統(tǒng)，并采取嚴(yán)格的訪問控制措施。在前置機(jī)邊界部署專用單向認(rèn)證裝置，對小容量非統(tǒng)調(diào)電廠上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)主站對子站的身份鑒別與報(bào)文完整性保護(hù)。專用單向認(rèn)證裝置同時(shí)具有相應(yīng)的邏輯隔離能力，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)與主站的隔離。橫向邊界安全防護(hù)采用正反向隔離裝置。

3 應(yīng)用效果

2013年以來，結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)地縣一體化工程建設(shè)，永州、郴州、懷化、湘西供電公司電力調(diào)控中心同步開展了地區(qū)小容量非統(tǒng)調(diào)電源運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)建設(shè)。其中，永州、郴州采用GPRS通道方案，懷化、湘西采用北斗衛(wèi)星通道方案。項(xiàng)目建設(shè)及試運(yùn)行實(shí)踐表明，GPRS和衛(wèi)星通道方案可以滿足信息采集需求。運(yùn)行結(jié)果表明GPRS和北斗衛(wèi)星兩種通道各有優(yōu)勢和適應(yīng)范圍。北斗衛(wèi)星通道具有覆蓋面廣，安全性好，可快速定位、雙向通信和精密授時(shí)等特點(diǎn)，受地形影響小，通信可靠性高，但同時(shí)也存在通信帶寬小、每次可發(fā)送字節(jié)有限 (如普通用戶每次可發(fā)送240字節(jié))等不利因素。另外，北斗通道方案需配置衛(wèi)星用戶機(jī)和指揮機(jī)，初期投資相對高一點(diǎn)。北斗通道適用于GPRS網(wǎng)絡(luò)未覆蓋或信號不可靠、數(shù)據(jù)傳輸容量及傳輸實(shí)時(shí)性要求不高的小電廠信息采集需求。GPRS通道則具有通信速率高、通信容量大等特點(diǎn)，初期投資較低，但GPRS網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋區(qū)域有一定局限性、信息傳輸存在安全防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)等不利因素。各地區(qū)可結(jié)合地形地貌及公用無線網(wǎng)絡(luò)通道質(zhì)量分析，綜合應(yīng)用GPRS和北斗衛(wèi)星通道。

4 結(jié)論

運(yùn)行效果表明小容量非統(tǒng)調(diào)電源運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)方案可行，在技術(shù)層面可以有效解決當(dāng)前小容量電源運(yùn)行信息采集難題。但要實(shí)現(xiàn)小電源運(yùn)行信息采集覆蓋率100%，仍存在管理難度。永州等4個(gè)地區(qū)已在安全接入?yún)^(qū)建成投運(yùn)采集系統(tǒng)，新建小容量非統(tǒng)調(diào)電源投產(chǎn)并網(wǎng)前，可按照采集系統(tǒng)技術(shù)方案要求督促電廠配置站端采集設(shè)備，滿足小電源運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集需求。但對于已并網(wǎng)運(yùn)行的現(xiàn)役小容量非統(tǒng)調(diào)電源或未并網(wǎng)運(yùn)行的企業(yè)自備電廠，依據(jù)現(xiàn)有并網(wǎng)協(xié)議或政府相關(guān)部門授權(quán)的統(tǒng)計(jì)管理要求難以有效推動電廠接入該實(shí)時(shí)信息采集系統(tǒng)。亟需出臺相關(guān)管理要求，推動電源投資方實(shí)施配套改造，實(shí)現(xiàn)全省全口徑發(fā)電運(yùn)行信息的精益化統(tǒng)計(jì)與分析。

〔1〕國家電力調(diào)度控制中心.關(guān)于加強(qiáng)全口徑發(fā)電數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)工作的通知 〔R〕.2012.

〔2〕張國江，張鵬翔.用于中小型發(fā)電廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)－總體結(jié)構(gòu)及功能概述 〔J〕.電力自動化設(shè)備，2000，20(2):37-40.

〔3〕黃國政.小電廠遠(yuǎn)程采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的解決方案 〔J〕.電力信息化，2007，5(5):73-75.

〔4〕邱承武，宓群超.利用電力數(shù)據(jù)四級網(wǎng)實(shí)現(xiàn)小電廠數(shù)據(jù)的采集 〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(3):105-106.

〔5〕曾國強(qiáng).使用公用無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)GPRS的中小電廠信息采集系統(tǒng)//2006年電力行業(yè)信息化年會論文集 〔C〕.2008.

Scheme design and application of real time operation data acquisition system for small-size indirectly dispatched power plants

JIANG Xinfan1，PAN Feilai1，HU Dijun1，XIE Peiyuan1，ZHOU Nongcang2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410014，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Huaihua Power Supply Company，Huaihua 418000，China)

Based on the analysis of the current situation of operation data acquisition for small－size indirectly dispatched power plants located in Hunan Province，the paper designs a targeted scheme of real time operation data acquisition system which is successfully used in operation at several local power supply companies.The overall structure of the system，communication channels and protocols together with its design of hardware configuration and information security protection are illustrated in detail.

small－size power plants；real time operation data acquisition system；GPRS；Beidou satellite

TM734

B

1008－0198(2016)06－0040－04

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.011

姜新凡(1970)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)與運(yùn)維管理工作。

2016－07－15 改回日期:2016－08－09