智能電網(wǎng)風電場信息采集系統(tǒng)的設計及工程應用

施閩華

（華電（福清）風電有限公司）

智能電網(wǎng)風電場信息采集系統(tǒng)的設計及工程應用

施閩華

（華電（福清）風電有限公司）

電力負荷的不斷增長使得對于電力系統(tǒng)的運行要求更加嚴格，太陽能、風能屬于清潔能源，能耗較低，因此智能電網(wǎng)建設開始引進可再生能源，其占據(jù)電力供應的比重也會逐漸提高。同時，信息技術的應用使得電網(wǎng)運行效率提高，其質量和安全性也有所保證。本文對智能電網(wǎng)風電場信息采集系統(tǒng)的設計以及工程應用進行分析，為風電信息采集以及調度建設提供參考。

智能電網(wǎng)；雙網(wǎng)冗余通信；風電調度；智能監(jiān)控

1 引言

隨著社會生活生產(chǎn)水平的不斷提高，人們對于電能的需求日益提升，且對于電能質量以及服務質量提出了較高的要求。就當前我國的發(fā)展形勢來說，嚴格遵循綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展路線。因此，電網(wǎng)建設也開是引進風力發(fā)電以及太陽能發(fā)電等新模式?；诖耍娏φ{度中心對于清潔能源電廠的監(jiān)控以及自動控制要求也會更高，為此，作為設計人員，需要綜合多種影響因素進行規(guī)劃設計，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2 當前風力發(fā)電在電力系統(tǒng)中運行狀況

當前風力發(fā)電在電力系統(tǒng)中運行現(xiàn)狀中存在多種問題，其主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①風電場AGC方案和傳統(tǒng)電廠有很大差異。當前國內(nèi)的火電廠或者是水電站一般都是采用AGC方案實現(xiàn)監(jiān)控調度功能，該方案是通過控制汽輪機或者是水輪機DCS控制系統(tǒng)對機組的處理等進行調整，但是因為風力發(fā)電受自然因素影響較大，其發(fā)電量以及發(fā)電質量都取決于氣象因素。因此，該方案的可操作性不強。②風電場信息傳輸速度慢，實時性不達標。風電場建設均為同一規(guī)劃建設，且集中分布，統(tǒng)一管理，一個千兆瓦等級的風電基底通常都是由多個風電長共同接入同一個升壓站。該升壓站可以將電力傳送給其他單位，調度系統(tǒng)可以接收到變電站端監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的電力潮流，風電場當前的各風機出力參數(shù)不能準確掌握，不能實現(xiàn)對風電場的實時監(jiān)控。③風電場系統(tǒng)中的廠家數(shù)量多，這就意味著調度系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)約以及接口不能實現(xiàn)，我國風電場建設任務由多個企業(yè)承建，每家發(fā)電集團采用的設備型號等有所不同，甚至是同一個風電廠也會有不同的風機廠家。此外，為了保證區(qū)域之間電網(wǎng)負荷的平衡關系，各風電場會增設一套風力負荷預測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以依據(jù)氣象條件對發(fā)電量進行合理估測，并且將評估信息傳送到調度系統(tǒng)，但是每個風電場采用的供貨商不同，這種多樣性就會造成調度不能使用相同的接口，監(jiān)控方式也不能統(tǒng)一。④風電廠家眾多會導致調度下發(fā)功率曲線的二次分配問題。因為調度對于同一風電場只會下發(fā)一條符合曲線，若該風電場有多個廠家，那么就會存在負荷曲線二次分配問題，依據(jù)實際的運行情況，分配方法也會有所差異，不同廠家制定的分配方案也有所不同，分配方法也就不相同。⑤風機OPC系統(tǒng)以及變電站之間沒有建立信息交互機制，這就導致發(fā)電以及實際送出時間之間存在時間差。風機廠家的OPC系統(tǒng)不能獲得變電站相匹配的風機線路送出的實際功率值，這樣風機OPC系統(tǒng)若僅僅依據(jù)自身采集的風機信息對發(fā)電目標值進行設置，因為風機通訊通道可靠性不達標，就會造成實際送出和目標值之間的誤差，從而對調度目標的調度工作造成不良影響。

3 系統(tǒng)設計

基于以上所述風電廠中存在的問題和實際應用需求的變化，本文在NS2000變電站監(jiān)控系統(tǒng)架構上對風電信息采集系統(tǒng)進行功能特定性設計，該系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 風電采集系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)的特征主要為：首先，因為風電發(fā)電會受到氣象變化影響，因此要想準確知道后期發(fā)電量，合理預估是非常重要的，其對于調度控制和發(fā)電目標的設定都有著決定性意義，因此當前調度風電AGC控制系統(tǒng)中都會對風電場投產(chǎn)的風力發(fā)電預測系統(tǒng)有嚴格要求，該系統(tǒng)能夠依據(jù)衛(wèi)星提供的氣象數(shù)據(jù)，對下一階段的發(fā)電量進行模擬計算，合理估算數(shù)據(jù)，但是因為該系統(tǒng)仍然處于試驗階段，其只作為調度AGC的參考數(shù)據(jù)，工作人員需要對接受到的氣象數(shù)據(jù)以及發(fā)電預測值進行分析處理，再整理發(fā)送給調度系統(tǒng)。

其次，當前風電調度的AGC方案，可以依據(jù)地方調度的實際情況以及要求對風電調度計接口進行設計，如這里以該調度D5000被調系統(tǒng)的設計以及聯(lián)調要求為基礎，風電調度采用實時IEC104通道（Ⅰ區(qū)）、非實時sftp方式（Ⅱ區(qū)），通道均支持風機基本數(shù)據(jù)的傳輸需求，如有功、無功、風力以及風向要求。IEC104通道還可以接受調度下發(fā)的功率曲線，sftp需要將風力發(fā)電預測系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)上傳到指定中心。

然后，就風變電站、風力預測系統(tǒng)廠家的不同，該系統(tǒng)提供了IEC104（client，server）、modbus（client，server）、sftp 規(guī)約，借助以太網(wǎng)訪問方式接入系統(tǒng)中，并且可以將數(shù)據(jù)都儲存在相應的庫存中，這樣廠家可以通過庫存記錄直接查詢所需信息，也可以實現(xiàn)廠家之間的信息共享。所有的數(shù)據(jù)都有相應的畫面報表，便于運行人員調用查看。最后，根據(jù)調度曲線下發(fā)之后的分配問題，該系統(tǒng)可以設置曲線分配比例，運行工作人員可以依據(jù)風場內(nèi)風機的實際情況在系統(tǒng)控制中心的監(jiān)視畫面上直接進行設置，從而可以保證能夠功率分配合理，尤其是在出現(xiàn)故障可能性較高的風電阻可以分配到足夠的功率。

4 工程應用

該采集系統(tǒng)配置如圖2所示，該系統(tǒng)為雙機雙網(wǎng)結構，每個服務器都配置了4個網(wǎng)口，其中網(wǎng)卡一、二配置是系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)，主要功能是兩臺服務器數(shù)據(jù)的共享，網(wǎng)卡三的功能是廠內(nèi)風機控制系統(tǒng)OPC、變電站遠動系統(tǒng)、風力發(fā)電預測系統(tǒng)的接入，網(wǎng)卡四的功能是接入調度端傳iec104以及sftp通道。

圖2 風電廠信息采集系統(tǒng)配置示意圖

在這兩個風電廠中的變電站信息接入方式都是iec104_client，就站內(nèi)風機控制系統(tǒng)接入方式來說，該風電廠的廠家分別為華創(chuàng)風電以及歌美颯風電，歌美颯風電控制系統(tǒng)采用modbus_client訪問變電站的線路潮流，采用modbus_server方式提供風機數(shù)據(jù)訪問功能，OPC系統(tǒng)采用iec104_server的方式接受下發(fā)曲線調節(jié)至。華創(chuàng)的風機控制系統(tǒng)采用modbus_server方式訪問風機數(shù)據(jù)，并采用寫寄存器地址方式接收變電站數(shù)據(jù)，OPC系統(tǒng)采用iec104_server方式接受下發(fā)曲線調節(jié)值。在該風電廠中，采用了modbus_server的方式，其主要作用就是提供風機的運行數(shù)據(jù)，并且通過寫寄存器的方式接收變電站數(shù)據(jù)并且下發(fā)曲線。在上述兩個風電廠風機和變電站數(shù)據(jù)接入過程中，大多就支持接入的規(guī)約以及主從方式，調試結果也顯示數(shù)據(jù)的接入和不同系統(tǒng)之前的數(shù)據(jù)也可以交互共享，最終都統(tǒng)一為iec104和sftp規(guī)約，將其傳送給風機調度系統(tǒng)。在該風電廠中存在兩家廠家的背景下，需要對調度下行的功率曲線分割分配，該系統(tǒng)提供了計劃值定義表，對曲線進行分別定義，其對應的就是歌美颯和華創(chuàng)分配曲線值，在其中增加公式定義部分的分配比例值，該比例值可以根據(jù)變化進行調整，當iec104接受到調度下行的曲線之后，可以讀取公式定義部分的分配比例，將分配之后的數(shù)值填入對應的計劃值定義表列中，然后通過風機控制單元通訊的進程將數(shù)據(jù)傳送給對應的工作單元，最終實現(xiàn)調度曲線自定義的按比例分配目的。

5 采集系統(tǒng)應用——以實時數(shù)據(jù)采集在風電負荷管理中的應用為例

5.1 負荷曲線的產(chǎn)生

負荷曲線，也就是單臺風力發(fā)電機組風速和發(fā)電功率對應函數(shù)的圖形化表述。在該系統(tǒng)中，負荷曲線也就是理論發(fā)電量計算的前提，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析準確的基礎就是獲得精確的負荷曲線。傳統(tǒng)的風機廠家不能提供對單臺風機的風速功率對應函數(shù)。因此，要想保證風速功率函數(shù)的準確，需要現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。根據(jù)風機機艙集成有風速儀，其數(shù)據(jù)信息都是由風機控制系統(tǒng)直接控制的。所以，通過數(shù)據(jù)采集，可以將負荷實時風速數(shù)據(jù)和功率數(shù)據(jù)采集整理為表1，建立風功率函數(shù)表。

表1 風功率函數(shù)表

5.2 理論功率的計算

（1）理論功率及在某一時刻的風速條件下，風電場各風機的總功率之和。理論功率由系統(tǒng)在積分采樣周期內(nèi)對風速瞬時采樣，并通過各風機的理論功率曲線自動轉換為風場總功率。理論功率計算公式：

式中：n-風機臺數(shù)：X-風機實時風速。

在計算理論功率時，應注意排除設備故障的影響，在某一時刻，如某臺風機故障而無法正常運轉時，應將其理論功率排除在風場的總理論功率之外。

5.3 限電損失的計算

5.3.1 限電損失計算條件

所謂限電損失。即因調度指令小于風機理論出力而導致企業(yè)損失的發(fā)電量。因此，限電損失發(fā)生應同時滿足以下條件：理論功率＞調度指令，且實際功率＜調度指令。

5.3.2 限電損失的計算公式

限電損失數(shù)學表達式就是實際和理論功率差對時間的定積分，通過實時系統(tǒng)周期采樣之后積分得到。因為實時系統(tǒng)采用的周期不是無限小的，并且采用周期也是不斷變化的，所以需要對積分公式進行合理設計，對周期間隔進行量化，從而對計算的準確性造成影響。

5.4 設備損失電量的計算

5.4.1 設備損失電量的計算條件

所謂設備損失電量，就是指由于設備原因造成的企業(yè)少發(fā)電。和限電損失有所不同，設備損失電量是企業(yè)關注的重點，需要加以防范。所以，需要對設備損失電量進行準確計算，這樣有利于設備管理和整治。風電場的單臺風機通常都有設備故障標志。實時系統(tǒng)可以采集故障標志風機的相關信息，借助風速功率函數(shù)轉變?yōu)楣β屎笤俜e分。設備損失電量計算如下：

Ft=true（t為故障風機編號，F(xiàn)t為故障標志位）

5.4.2 設備損失的計算公式

t=標志位為故障的風機；n為故障風機臺數(shù)；ft（x）=風機的風速功率轉換函數(shù)。

6 結束語

當前，智能電網(wǎng)風電場信息采集系統(tǒng)已經(jīng)開始投入運行，經(jīng)過短期的實踐證明，該系統(tǒng)應用推廣價值較高，對提高智能電網(wǎng)風電場生產(chǎn)效率和質量具有積極意義。但是由于該技術發(fā)展尚未成熟，仍然存在缺陷，需要根據(jù)實踐結果對存在的問題進行總結，方可保證設計完善的有效性。

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1004-7344（2016）18-0076-02

2016-6-1