基于全景精細(xì)化模型的風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)研制及應(yīng)用

賈 寧，王 彬，孫宏斌，郭慶來，張伯明，吳文傳

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基于全景精細(xì)化模型的風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)研制及應(yīng)用

賈 寧1，王 彬2,3，孫宏斌2,3，郭慶來2,3，張伯明2,3，吳文傳2,3

(1.中電國(guó)際新能源控股有限公司,上海 200086; 2.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,清華大學(xué),北京 100084; 3.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京 100084)

為了提高風(fēng)電場(chǎng)能量管理和運(yùn)行控制水平，基于風(fēng)電場(chǎng)分布式能量管理系統(tǒng)(EMS) 的體系結(jié)構(gòu)，研發(fā)了基于全景精細(xì)化模型的風(fēng)電場(chǎng)EMS。首先，闡述了風(fēng)電場(chǎng)在能量管理層面面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)及EMS功能層次劃分，然后分別從公用數(shù)據(jù)平臺(tái)、精細(xì)化建模、實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知、評(píng)估預(yù)警、優(yōu)化調(diào)度、有功/無功協(xié)調(diào)控制等多個(gè)層面介紹各關(guān)鍵模塊的信息流和主要功能。所研發(fā)的智能化風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)已經(jīng)在多家風(fēng)電場(chǎng)投入應(yīng)用。

電力系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電；智能化風(fēng)電場(chǎng)；全景精細(xì)化模型；能量管理系統(tǒng)

0 引言

目前中國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量高居世界第一，且根據(jù)“十二五”規(guī)劃，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)將在2020年達(dá)到1.5 億kW[1]。由于風(fēng)電自身具有的強(qiáng)間歇性、隨機(jī)波動(dòng)性和低可調(diào)度性特點(diǎn)，如何在保障電網(wǎng)安全的基礎(chǔ)上提高風(fēng)電利用率是業(yè)界研究熱點(diǎn)[2-3]，可行的思路之一是在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)建立能量管理系統(tǒng)(W-EMS)，利用風(fēng)電場(chǎng)的能動(dòng)性，抑制風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，提高風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)接入的友好程度。

由于傳統(tǒng)集中式能量管理系統(tǒng)(EMS)在風(fēng)電消納的局限性[4-6]，文獻(xiàn)[7]提出了分布式EMS 的功能框架和體系結(jié)構(gòu)，目前與風(fēng)電場(chǎng)能量管理和運(yùn)行控制有關(guān)的研究已經(jīng)涵蓋了風(fēng)電場(chǎng)建模、風(fēng)功率預(yù)測(cè)、有功控制、無功電壓控制等領(lǐng)域[8-29]，為開展風(fēng)電場(chǎng)EMS奠定了較好的理論基礎(chǔ)。但完整的W-EMS現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少，文獻(xiàn)[30]提出并實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)集成監(jiān)控平臺(tái)，以風(fēng)功率預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，包含有功控制、電壓控制和發(fā)電與檢修計(jì)劃安排等功能，文獻(xiàn)[31]提出并實(shí)現(xiàn)了基于預(yù)測(cè)的分布式發(fā)電能量管理系統(tǒng)，闡述了光伏陣列發(fā)電預(yù)測(cè)的工作原理，提出了一種分布式發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制算法。

作為文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[7]的延續(xù)，本文研發(fā)了智能化風(fēng)電場(chǎng)EMS，首先分析風(fēng)電場(chǎng)EMS在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的技術(shù)挑戰(zhàn)，然后闡述智能化風(fēng)電場(chǎng)EMS的信息流程、主要功能及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)，最后介紹現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

1 ?技術(shù)挑戰(zhàn)及功能架構(gòu)

1.1 技術(shù)挑戰(zhàn)

風(fēng)電場(chǎng)能量管理和運(yùn)行控制的技術(shù)挑戰(zhàn)：

(1)?風(fēng)電場(chǎng)模型等值與“微網(wǎng)結(jié)構(gòu)”之間的矛盾。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部為典型“微電網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，并且呈現(xiàn)出“空間分布”特點(diǎn)，一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)輒上百臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電氣節(jié)點(diǎn)數(shù)以百計(jì)，從風(fēng)機(jī)690 V上網(wǎng)點(diǎn)到風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)之間一般有幾公里到幾十公里不等的輸出線路連接。在風(fēng)電大發(fā)時(shí)期，各節(jié)點(diǎn)電壓差異較大(典型可超過5%)。而在控制中心，風(fēng)電場(chǎng)只是被簡(jiǎn)單等值為發(fā)電機(jī)(或者每條匯集線被等值為一個(gè)發(fā)電機(jī))，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)被簡(jiǎn)化。并且在現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)，在運(yùn)行和控制時(shí)，也只是關(guān)心有什么設(shè)備，但是沒有建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)模型，從而無法刻畫設(shè)備之間的電氣聯(lián)系。

(2)?集中控制與分散運(yùn)行之間的矛盾。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有多種控制系統(tǒng)，包括面向升壓站的升壓站監(jiān)控系統(tǒng)(既傳統(tǒng)的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng))，面向SVC/SVG的SVC/SVG監(jiān)控系統(tǒng)，面向風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，面向功率預(yù)測(cè)的風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，各系統(tǒng)生產(chǎn)廠家各不相同，相互獨(dú)立，并且缺乏有效的信息交互機(jī)制，導(dǎo)致一些控制策略或者高級(jí)應(yīng)用實(shí)施起來非常麻煩，以有功自動(dòng)控制(AGC)子站和無功電壓自動(dòng)控制(AVC)子站為例，其與上述4大系統(tǒng)接口如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有接口示意圖

這種接口方式一方面將導(dǎo)致各控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口壓力隨著應(yīng)用建設(shè)而不斷提高，另一方面對(duì)各控制系統(tǒng)和新上應(yīng)用系統(tǒng)的接口適應(yīng)度有較高要求，提高了系統(tǒng)建設(shè)難度，另外這種網(wǎng)式接口結(jié)構(gòu)也不利于調(diào)度管理和運(yùn)行維護(hù)。

1.2 功能架構(gòu)

為了解決上述問題，本文基于文獻(xiàn)[7]提出的風(fēng)電場(chǎng)分布式EMS體系結(jié)構(gòu)，研發(fā)了智能化風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)，功能架構(gòu)及信息流框架如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)分布式EMS體系架構(gòu)

基于面向關(guān)系型內(nèi)存庫(kù)的公用數(shù)據(jù)平臺(tái)，依數(shù)據(jù)流方向依次包括風(fēng)電場(chǎng)精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)建模、全場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知及狀態(tài)監(jiān)視、基于預(yù)測(cè)信息的評(píng)估預(yù)警、優(yōu)化調(diào)度和協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵功能，并最終提供多種形式的可視化人機(jī)界面，下節(jié)將介紹各模塊的關(guān)鍵技術(shù)。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于面向關(guān)系型內(nèi)存庫(kù)的公用數(shù)據(jù)平臺(tái)

針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)多源難題，本文提出了基于面向關(guān)系型內(nèi)存庫(kù)的公用數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了EMS高級(jí)應(yīng)用與4大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的隔離，如圖3所示。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)EMS公用數(shù)據(jù)平臺(tái)

主要技術(shù)特點(diǎn)：

(1)?提供DL/T 104規(guī)約、MODBUS規(guī)約、E文件接口、私有接口等多種格式數(shù)據(jù)接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型控制系統(tǒng)的自適應(yīng)接入。

(2)?提供面向關(guān)系的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，確保訪問速度和使用便捷，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)多類型數(shù)據(jù)的集成，為后續(xù)應(yīng)用提供高效數(shù)據(jù)接口。

(3)?提供DL/T 104規(guī)約、MODBUS規(guī)約、E文件接口、私有接口等多種格式數(shù)據(jù)接口，EMS各高級(jí)應(yīng)用模塊可根據(jù)自身特點(diǎn)選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口完成與基礎(chǔ)控制系統(tǒng)的信息交互。

2.2 全景精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)建模

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的典型“微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)”特征，建立風(fēng)電場(chǎng)全景精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)模型，如圖4所示。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)EMS精細(xì)化建模

精細(xì)化建模的主要功能包括：

(1)?建立覆蓋“風(fēng)機(jī)-箱變-饋線-升壓站-并網(wǎng)線路”的全風(fēng)電場(chǎng)電力模型。

(2)?由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)35?kV饋線未換相以及主變中性點(diǎn)未接地等，部分風(fēng)電場(chǎng)存在三相不平衡問題， 220 kV并網(wǎng)母線電壓的A、B相電壓之差可達(dá)3~5 kV。為此，需要建立風(fēng)電場(chǎng)的三相電力模型[32]。

(3)?風(fēng)電場(chǎng)外網(wǎng)等值電抗的精確程度將影響控制設(shè)備調(diào)節(jié)對(duì)電壓靈敏度的計(jì)算準(zhǔn)確度，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)具備外網(wǎng)等值功能，自動(dòng)接入調(diào)度主站下發(fā)的外網(wǎng)等值信息并與本地模型進(jìn)行拼接形成完整的風(fēng)電場(chǎng)電力模型。

2.3 風(fēng)電場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知

為了解決風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)多種監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的問題，智能化風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)需要研制風(fēng)電場(chǎng)的態(tài)勢(shì)感知及狀態(tài)監(jiān)視功能，如圖5所示。

(1)?基于DL/T 104規(guī)約、MODBUS規(guī)約、E文件接口、私有接口等多種數(shù)據(jù)接口，分別從風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，從升壓站監(jiān)控系統(tǒng)采集升壓站數(shù)據(jù)，從SVC/SVG監(jiān)控系統(tǒng)采集SVC/SVG設(shè)備數(shù)據(jù)，從風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)采集風(fēng)功率預(yù)測(cè)信息，通過量測(cè)映射，建立風(fēng)電場(chǎng)的電力量測(cè)模型。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)EMS實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知

(2)?風(fēng)電場(chǎng)測(cè)點(diǎn)主要集中在升電站內(nèi)和風(fēng)機(jī)機(jī)端，饋線和箱變上基本沒有測(cè)點(diǎn)，需要使用狀態(tài)估計(jì)工具完成風(fēng)電場(chǎng)狀態(tài)計(jì)算，并結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)量測(cè)特點(diǎn)研制風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)辨識(shí)[33-34]模塊以提高支路參數(shù)精度，研制風(fēng)電場(chǎng)量測(cè)優(yōu)化配置模塊為提高風(fēng)電場(chǎng)可觀測(cè)度提供依據(jù)。

(3)?風(fēng)場(chǎng)在有功出力較小(甚至為零)時(shí)，風(fēng)機(jī)、SVC/SVG等控制設(shè)備依然可以作為無功源參與電網(wǎng)調(diào)壓，因此，需要改變區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)潮流計(jì)算時(shí)根據(jù)有功出力大小來判斷是否活島的判據(jù)，使得風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)在小風(fēng)(甚至停風(fēng))狀態(tài)下依然發(fā)揮作用。

(4)?結(jié)合精細(xì)化模型提供的高精度外網(wǎng)等值模型以及準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，通過雅可比矩陣求逆，分別在線計(jì)算控制設(shè)備有功/無功調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各電壓等級(jí)母線電壓以及全場(chǎng)有功損耗的靈敏度，為后續(xù)控制決策提供基礎(chǔ)靈敏度信息。

11月19日中國(guó)尿素出口價(jià)格指數(shù)（CNEI）為1983.93點(diǎn)，環(huán)比下跌6.77點(diǎn)，跌幅為0.34%；比基期上漲124.93點(diǎn)，漲幅為6.72%。

2.4 評(píng)估預(yù)警

快速波動(dòng)性和隨機(jī)性是風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，為此，需要智能風(fēng)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)提供評(píng)估預(yù)警功能，一方面對(duì)風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，另一方面需要結(jié)合預(yù)測(cè)信息，完成風(fēng)電場(chǎng)未來運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估，并對(duì)可能面臨的危險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警，主要功能如圖6所示。

在風(fēng)電場(chǎng)評(píng)估模塊：

(1)?結(jié)合測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)和標(biāo)桿風(fēng)機(jī)的“風(fēng)力-電氣”數(shù)據(jù)，建立風(fēng)機(jī)最大有功出力的評(píng)估模型，一方面為全風(fēng)電場(chǎng)最大有功出力評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，另一方面為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有功分配提供評(píng)估基準(zhǔn)。

(2)?在控制中心側(cè)，風(fēng)電場(chǎng)按等值發(fā)電機(jī)來處理，控制主站并不掌握等值發(fā)電機(jī)無功出力上下限，需要研制風(fēng)電場(chǎng)無功能力評(píng)估模塊，結(jié)合場(chǎng)內(nèi)各設(shè)備的無功限值約束以及場(chǎng)內(nèi)母線的電壓運(yùn)行約束，在線計(jì)算生成等值發(fā)電機(jī)的無功出力上下限。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)EMS評(píng)估預(yù)警

(3)?電網(wǎng)與風(fēng)電場(chǎng)的邊界是并網(wǎng)點(diǎn)，并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓運(yùn)行上下限由電網(wǎng)決定，同時(shí)由于風(fēng)電場(chǎng)的輻射網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)以及場(chǎng)內(nèi)缺乏必要的PV節(jié)點(diǎn)支撐，并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓高低將直接影響整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電壓水平，因此，需要研制風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓可行空間評(píng)估模塊，結(jié)合風(fēng)電內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的電壓約束以及各控制設(shè)備的無功調(diào)節(jié)能力，在線確定生成并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓可行約束。

在風(fēng)電場(chǎng)預(yù)警模塊，包括基態(tài)預(yù)警、-1預(yù)警、預(yù)測(cè)預(yù)警3個(gè)層次功能。

(1)?基態(tài)預(yù)警：巡視基態(tài)潮流信息，輸出電壓越上限/下限的母線信息，并實(shí)時(shí)告警；

(2)-1預(yù)警：在基態(tài)潮流的基礎(chǔ)上，按順序依次開斷風(fēng)電機(jī)組、饋線、主變，對(duì)可能發(fā)生的基態(tài)不越限但-1后越限的母線節(jié)點(diǎn)，輸出告警信息；

(3)?預(yù)測(cè)預(yù)警：結(jié)合風(fēng)功率預(yù)測(cè)信息，通過潮流分配和電壓調(diào)整，生成下一時(shí)刻(5?min后)的風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)潮流斷面，并基于預(yù)測(cè)潮流分別開展基態(tài)預(yù)警和-1預(yù)警。

2.5 優(yōu)化調(diào)度

風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度本質(zhì)是多目標(biāo)多變量多時(shí)段的混合整數(shù)規(guī)劃問題。從工程實(shí)用角度，分工如圖7。

圖7 風(fēng)電場(chǎng)EMS優(yōu)化調(diào)度

單斷面的優(yōu)化調(diào)度，包括有功和無功兩部分。

(1)?在有功層面。以風(fēng)電機(jī)組有功出力優(yōu)化變量，在自由狀態(tài)下，考慮尾流效應(yīng)，安排風(fēng)機(jī)出力，保證全風(fēng)電場(chǎng)有功出力最大；在棄風(fēng)狀態(tài)下，考慮到風(fēng)機(jī)有功總出力與并網(wǎng)上網(wǎng)有功的差異，考慮風(fēng)電場(chǎng)有功損耗最小，提高并網(wǎng)點(diǎn)上網(wǎng)功率。

(2)?在無功層面。以風(fēng)電機(jī)組無功出力和SVC/ SVG無功出力為控制變量，以控制設(shè)備調(diào)節(jié)能力和各側(cè)電壓為運(yùn)行約束，以風(fēng)電場(chǎng)有功損耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過無功優(yōu)化，從提高電壓和減少網(wǎng)內(nèi)無功流動(dòng)兩個(gè)方面降低網(wǎng)內(nèi)有功損耗。

連續(xù)時(shí)段(典型為1 h)的優(yōu)化調(diào)度，包括有功和無功兩部分。

(1)?在有功層面，以跟蹤調(diào)度主站下發(fā)的有功設(shè)定曲線和風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合超短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)以及各風(fēng)機(jī)的有功調(diào)節(jié)快慢特性，安排各風(fēng)機(jī)的有功出力計(jì)劃。

(2)?在無功層面，以風(fēng)電場(chǎng)安全優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合風(fēng)功率預(yù)測(cè)，合理安排固定電容電抗器(人工調(diào)節(jié))、風(fēng)機(jī)(秒級(jí))、SVC/SVG(毫秒級(jí))等不同時(shí)間尺度控制設(shè)備的調(diào)節(jié)特性，確定升壓站內(nèi)電容電抗器的投切計(jì)劃。

2.6 協(xié)調(diào)控制

由于風(fēng)資源的隨機(jī)波動(dòng)、強(qiáng)不可控、難預(yù)測(cè)等特性，如何消除大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的影響是各級(jí)控制中心面臨的重要挑戰(zhàn)之一。可行的技術(shù)路線之一是通過風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)和自動(dòng)電壓控制(AVC)，充分調(diào)用風(fēng)電場(chǎng)自身的有功無功調(diào)節(jié)能力，實(shí)時(shí)追蹤調(diào)度主站的有功/無功電壓控制指令，提高風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)接入的友好程度。

AGC和AVC是風(fēng)電場(chǎng)能量管理和運(yùn)行控制的核心功能，主要功能如圖8所示。

圖8 風(fēng)電場(chǎng)EMS協(xié)調(diào)控制

在站控制中心角度，智能化風(fēng)電場(chǎng)的AGC和AVC功能主要應(yīng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的可觀性和可控性兩大問題。

2.6.1 提高風(fēng)電場(chǎng)可觀性措施

一般情況下，風(fēng)電場(chǎng)作為電源點(diǎn)在控制中心側(cè)被簡(jiǎn)單等值為1臺(tái)(或多臺(tái))發(fā)電機(jī)，控制中心并不掌握風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部“微網(wǎng)”細(xì)節(jié)。為了解決風(fēng)電場(chǎng)可觀性，確?？刂浦行闹髡鞠掳l(fā)指令的有效性和準(zhǔn)確性，需要在風(fēng)電場(chǎng)評(píng)估預(yù)警的基礎(chǔ)上，將風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息濃縮為風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)節(jié)能力和運(yùn)行需求，并以風(fēng)電等值機(jī)參數(shù)的形式實(shí)時(shí)上送至控制中心主站，包括：

(1)?調(diào)節(jié)能力。體現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的支撐能力，表現(xiàn)為風(fēng)電等值機(jī)的無功上下限和有功上下限約束。

(2)?運(yùn)行需求。體現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)需求，表現(xiàn)為并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓的上下限約束。

需要特別指出的是，由于風(fēng)電場(chǎng)有多種調(diào)節(jié)資源并且各類調(diào)節(jié)資源特性各異(比如風(fēng)機(jī)無功可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)調(diào)節(jié)，而SVC/SVG無功可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)調(diào)節(jié))。因此，風(fēng)電場(chǎng)提交的調(diào)節(jié)能力和運(yùn)行需求應(yīng)該根據(jù)調(diào)節(jié)資源的時(shí)間特性和調(diào)節(jié)成本加以分類，比如穩(wěn)態(tài)下的秒級(jí)無功調(diào)節(jié)能力(體現(xiàn)了風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)能力)、暫態(tài)下的毫秒級(jí)無功調(diào)節(jié)能力(體現(xiàn)了SVC/SVG的調(diào)節(jié)能力)等。

風(fēng)電場(chǎng)上送數(shù)據(jù)的刷新周期為秒級(jí)(典型值為10 s)，數(shù)據(jù)通信方式可采用風(fēng)電場(chǎng)和控制中心現(xiàn)有的實(shí)時(shí)通信接口。

2.6.2 提高風(fēng)電場(chǎng)可控性措施

風(fēng)電場(chǎng)接收調(diào)節(jié)主站指令周期為分鐘級(jí)(典型值為1 min)，有功指令為全場(chǎng)總有功設(shè)定值，無功電壓指令為并網(wǎng)點(diǎn)高壓側(cè)母線電壓設(shè)定值(或者全場(chǎng)總無功設(shè)定值)。

(1)?控制設(shè)備之間的協(xié)調(diào)

在有功控制方面，需要協(xié)調(diào)機(jī)組離散投切和槳距角連續(xù)調(diào)節(jié)等多種控制手段，結(jié)合風(fēng)功率預(yù)測(cè)提前安排機(jī)組開機(jī)方式，避免頻繁啟停機(jī)操作，保留較多的連續(xù)快速調(diào)節(jié)裕度來實(shí)時(shí)追蹤調(diào)度主站有功指令，同時(shí)協(xié)調(diào)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)機(jī)間的有功分布，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上確保各風(fēng)機(jī)利用小時(shí)數(shù)趨向一致，并降低風(fēng)場(chǎng)內(nèi)不必要的有功損耗。

在無功電壓控制方面，基于預(yù)測(cè)信息，協(xié)調(diào)場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)和SVC/SVG等控制設(shè)備，提前安排較慢速的風(fēng)機(jī)無功出力，在保證風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓滿足安全要求(校正控制)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓滿足主站要求(追蹤控制)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化場(chǎng)內(nèi)無功分布(增強(qiáng)控制)，使得風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)保留足夠的快速無功調(diào)節(jié)裕度來應(yīng)對(duì)可能面臨的電網(wǎng)擾動(dòng)。

(2) AGC與AVC之間的協(xié)調(diào)

區(qū)別于傳統(tǒng)輸電網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)線路以架空線為主，阻抗比較大，并且風(fēng)電場(chǎng)位于電網(wǎng)末端，風(fēng)機(jī)的有功出力和無功出力均對(duì)電網(wǎng)電壓有較大影響，所以在AGC和AVC調(diào)節(jié)時(shí)，需要考慮有功和無功的協(xié)調(diào)，確保電網(wǎng)電壓安全不越限。

另外，針對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)，不同的運(yùn)行工況下對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓有不同的下限要求，因此，在有功控制時(shí)，需要考慮風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓下限約束，類似地，在無功電壓控制時(shí)，需要考慮當(dāng)前風(fēng)機(jī)的有功出力水平，確保風(fēng)機(jī)設(shè)備不會(huì)由于機(jī)端電壓陷落觸發(fā)Crowbar保護(hù)動(dòng)作而脫網(wǎng)。

2.7 可視化及人機(jī)交互

智能風(fēng)電場(chǎng)EMS系統(tǒng)的主要計(jì)算功能位于安全1區(qū)，所有控制結(jié)果均寫入公用數(shù)據(jù)平臺(tái)?；诠脭?shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)電場(chǎng)EMS的可視化及人機(jī)交互，如圖9所示。

圖9 風(fēng)電場(chǎng)EMS可視化及人機(jī)交互

在風(fēng)電場(chǎng)1區(qū)，基于C/S架構(gòu)，完成風(fēng)電場(chǎng)電力/風(fēng)力信息的實(shí)時(shí)展示，并提供主要的模型維護(hù)、參數(shù)設(shè)置等人機(jī)交互功能。

在風(fēng)電場(chǎng)3區(qū)，建立Web服務(wù)，通過物理隔離，從公用數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取風(fēng)電場(chǎng)信息，并提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽功能，實(shí)現(xiàn)方便、快捷及形象的風(fēng)電場(chǎng)信息顯示。

同時(shí)，基于Web服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)通信，智能化風(fēng)電場(chǎng)EMS還提供面向遠(yuǎn)方監(jiān)控中心的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)信息發(fā)布，包括以網(wǎng)頁(yè)形式展示風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)信息，以SVG文件格式描述風(fēng)電場(chǎng)圖形，以CIM-E文件格式描述風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)模型，以E語言文件格式描述風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3 ?應(yīng)用實(shí)例

本文描述的風(fēng)電場(chǎng)EMS系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，其中大部分功能已在江蘇、華北、西北等多家風(fēng)電場(chǎng)得到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。以下通過分析閉環(huán)測(cè)試中風(fēng)電場(chǎng)AVC的控制效果，說明風(fēng)電場(chǎng)EMS的有效性。風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模如表1。

表2給出了風(fēng)電場(chǎng)EMS相關(guān)的外部系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家、數(shù)據(jù)交互接口以及數(shù)據(jù)刷新周期。

表3給出了風(fēng)電場(chǎng)EMS各功能模塊的計(jì)算周期及單次計(jì)算用時(shí)。

表1 風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模

Table 1 Size of wind farm proposed

表2 風(fēng)電場(chǎng)已有系統(tǒng)接口

Table 2 Data interface of existing systems in wind farm proposed

表3 風(fēng)電場(chǎng)EMS技術(shù)指標(biāo)

Table 3 Performance for W-EMS

4 ?結(jié)論

站在研發(fā)和應(yīng)用的角度，本文詳細(xì)闡述了智能化風(fēng)電場(chǎng)EMS的功能架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并通過應(yīng)用實(shí)例說明了風(fēng)場(chǎng)EMS相關(guān)功能指標(biāo)，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能滿足風(fēng)電場(chǎng)能量管理的實(shí)時(shí)性、復(fù)雜性和快速性要求。結(jié)論如下。

(1)?智能化風(fēng)電場(chǎng)EMS繼承于分布式EMS框架，并在研發(fā)過程中考慮了風(fēng)電場(chǎng)自身在能量管理和運(yùn)行控制方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

(2)?通過精細(xì)化建模、態(tài)勢(shì)感知和評(píng)估預(yù)警，智能化風(fēng)電場(chǎng)EMS提高了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的全面掌握能力，并通過信息濃縮和上傳，提高了控制中心對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的可觀度，為控制中心實(shí)施風(fēng)電匯集區(qū)域多風(fēng)電場(chǎng)/電廠/變電站的協(xié)調(diào)控制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)?通過優(yōu)化調(diào)度和協(xié)調(diào)控制，智能化風(fēng)電場(chǎng)EMS一方面提高了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)接入的友好程度，另一方面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)場(chǎng)內(nèi)多控制資源的優(yōu)化調(diào)控，在使得風(fēng)電場(chǎng)跟蹤調(diào)度主站指令的同時(shí)，確保風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行于安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

值得說明的是，本文研發(fā)的智能化風(fēng)電場(chǎng)EMS系統(tǒng)及其工程應(yīng)用還在初步階段，隨著運(yùn)行人員對(duì)風(fēng)電場(chǎng)認(rèn)識(shí)水平以及運(yùn)行需求的提高，智能化風(fēng)電場(chǎng)EMS系統(tǒng)將在風(fēng)場(chǎng)電力模型和風(fēng)力模型的融合、含儲(chǔ)能等新型設(shè)備的風(fēng)電場(chǎng)能量管理和運(yùn)行[35-36]、結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件的風(fēng)電場(chǎng)EMS實(shí)用化應(yīng)用等方面進(jìn)一步提升。

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(編輯 葛艷娜)

Development and application of panoramic fine modeling based wind farm energy management system

JIA Ning1, WANG Bin2, 3, SUN Hongbin2, 3, GUO Qinglai2, 3, ZHANG Boming2, 3, WU Wenchuan2, 3

(1. China Power International New Energy Holding Ltd., Shanghai 200086, China; 2. State Key Lab of Power Systems, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Dept of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Based on the architecture of wind farm side distributed energy management system, the wind farm intelligent energy management system (W-EMS) is proposed to improve the ability of energy management and operation in wind plant. Firstly, the main technology challenges on wind energy management and the hierarchically functional partitioning for W-EMS are expounded. Secondly, the information flow and function of W-EMS key modules are described, including common data integration platform, detailed network model, wind farm real-time situations awareness, evaluation and warning, optimal scheduling and coordinate control. The W-EMS developed in this paper has been put to actual application in several wind plants. This work is supported by National Key Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2013CB228201), National Natural Science Foundation of China (No. 51277105) and State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (No. LAPS13007).

power system; wind power; intelligent wind farm; panoramic fine modeling; energy management system

10.7667/PSPC150829

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃) (2013CB228201);國(guó)家自然科學(xué)基金(51277105);新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(LAPS13007)

2015-05-18

賈 寧(1982-)，男，博士研究生，工程師，要從事新能源運(yùn)行管理和研究工作； 王 彬(1984-)，男，通信作者，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)樾履茉唇尤牒蟮哪芰抗芾砗瓦\(yùn)行控制及電力系統(tǒng)調(diào)度控制；E-mail:wb1984@tsinghua.edu.cn 孫宏斌(1969-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，國(guó)家級(jí)教學(xué)名師，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，IET Fellow，主要從事智能電網(wǎng)能量管理、電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化領(lǐng)域的研究和教學(xué)工作。