基于風功率預測的可移時負荷監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

周宏偉+常學飛+李德鑫

摘要：為了實現(xiàn)風電場與可移時負荷的集中管理，本文研發(fā)了一套基于風功率預測的可移時負荷監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)風電功率預測信息，采取多時間尺度協(xié)調的負荷用電控制，對可移性負荷的狀態(tài)信息進行實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控處理。本文基于WinCC、Visual Studio 2012開發(fā)平臺，采用C++語言來編寫算法，對多目標函數(shù)進行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結果，對負荷側進行調度，實現(xiàn)電源側與負荷側的良性有序互動。

關鍵字：風功率預測；可移時負荷；監(jiān)控系統(tǒng)；WinCC；

中圖分類號：TM614文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016） 10（c）-0000-00

0 引言

隨著風電行業(yè)的迅速發(fā)展，風電本身的不確定性給大規(guī)模風電并網(wǎng)帶來了很大的困難，從而導致了嚴重的棄風問題 [1-2]。為解決這些難題，我國北部的冬季供熱地區(qū)大力推廣以蓄熱式電鍋爐為代表的可移時負荷（柔性負荷）來促進風電的就地消納。本文采用蓄熱式電鍋爐與電化學儲能聯(lián)合系統(tǒng)作為可移時負荷。開發(fā)了一套基于風功率預測的可移時負荷監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠保證電能和熱能供求平衡，便于調度管理；而且可以做到實時監(jiān)測風電場、可移時負荷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以便盡快發(fā)現(xiàn)問題，處理故障。

文獻[1] 設計了風電場集成系統(tǒng)的監(jiān)控平臺，可實現(xiàn)有功控制、電壓控制、發(fā)電與檢修計劃安排等高級應用功能。文獻[2] 介紹了基于GPRS網(wǎng)絡的電力負荷遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了分散電力大用戶的數(shù)據(jù)實時采集、傳輸、存儲、事件報警以及WEB發(fā)布等功能。本文提出的基于風功率預測的可移時負荷監(jiān)控系統(tǒng)可以同時獲取源荷兩端的相關數(shù)據(jù)，以此來協(xié)調控制可移時負荷的運行方式，具有適應性強、開放性高等優(yōu)點。

1 研發(fā)的系統(tǒng)功能需求

風電場和可移時負荷系統(tǒng)屬于分布式布置，需要進行集約化管理，因此研發(fā)了基于風功率預測的可移時負荷的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)中，云端為數(shù)據(jù)傳輸提供了一個大的平臺，起“緩沖”作用，可以對接收的數(shù)據(jù)進行簡單的整理；而信息處理及協(xié)調控制中心相當于“神經(jīng)中樞”，起到了協(xié)調控制，分析處理的作用，顯然是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。這一監(jiān)控系統(tǒng)的總體布置如圖1所示：

可移時負荷的監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如下：基于GPRS技術，可以將風電場和蓄熱式電鍋爐示范工程的參數(shù)和信號以數(shù)據(jù)流的形式傳送至云平臺；云平臺實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的管理，同時能夠實現(xiàn)快速的收發(fā)數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調控制中心；可以應用協(xié)調控制算法，實現(xiàn)多目標聯(lián)合應用調控系統(tǒng)的功能需求，獲得優(yōu)化的數(shù)據(jù)，來協(xié)調風電場和可移時負荷的運行，再將調整的運行方案通過云端發(fā)送至風電場和蓄熱式電鍋爐的現(xiàn)場調度中心，實現(xiàn)源荷匹配的總體目標。

（1）風電場數(shù)據(jù)采集終端

風電場數(shù)據(jù)采集終端通過數(shù)據(jù)平臺從風功率預測服務器獲取數(shù)據(jù)，并對所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理，將該數(shù)據(jù)經(jīng)單向隔離裝置，通過GPRS無線通信傳送到云數(shù)據(jù)平臺。

（2）可移時負荷終端

可移時負荷所在地擁有自己獨立的數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中可以實時獲取這些數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸至云端，供信息處理及協(xié)調控制中心進行分析，協(xié)調系統(tǒng)運行。

（3）云平臺

云平臺是一個虛擬的存儲、處理大數(shù)據(jù)的平臺，可以對數(shù)據(jù)進行分析、整理計算。通過云平臺，可以將準確可靠的風電場以及蓄熱式電鍋爐示范工程的各類數(shù)據(jù)傳送至信息處理及協(xié)調控制中心，以便于協(xié)調控制中心準確的確定方案，實施管理。

（4）信息處理及協(xié)調控制中心

信息處理及協(xié)調控制中心通過硬件與軟件的組合，實現(xiàn)了綜合監(jiān)控、風機監(jiān)控、風功率預測，柔性負荷管理等功能。通過運用相應的控制策略，滿足負荷用電的邊界條件，給出負荷用電的用電指導方案，將指導方案通過總線的方式發(fā)送給風電場以及蓄熱式電鍋爐示范工程。

信息處理及協(xié)調控制中心具備查詢、存儲所轄風電場設備以及可移時負荷運行的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的功能。

2 系統(tǒng)硬件部分的組成

信息處理及協(xié)調控制中系統(tǒng)的硬件部分主要由路由器（數(shù)據(jù)路由器、視屏路由器等）、前置機（交換機、縱向加密）、終端服務器、通訊服務器等組成。為保證系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)的安全性，采用分布式體系雙局域網(wǎng)結構，通訊服務器都連接在兩條以太網(wǎng)上。采用雙網(wǎng)絡同時工作，系統(tǒng)自動平均分配網(wǎng)絡負荷，當一條網(wǎng)絡出現(xiàn)故障后，另一條網(wǎng)絡作為備用線路介入網(wǎng)絡，確保系統(tǒng)不受影響，能夠正常運行。在某些情況下，當兩個通信節(jié)點之間發(fā)生變化時，根據(jù)相應變化系統(tǒng)會重新設置通信狀態(tài)。其結構如圖2所示：

采用終端服務器作為通訊設備的前置機，保證了其通訊穩(wěn)定性。該配置可支持同步、異步的方式，適合數(shù)字通道和模擬通道的實用性。結構體系采用分布式，最大限度的實現(xiàn)了資源的優(yōu)化，把各個功能模塊分配到系統(tǒng)的各個網(wǎng)絡節(jié)點上，保證了系統(tǒng)在基本功能保證的情況下，實現(xiàn)了的可擴充性。

圖中的 A 框表示數(shù)據(jù)采集方式是采用終端服務器和調制解調器相結合的方式，B 框表示數(shù)據(jù)采集方式是采用路由器或交換機方式，可接入專線、同軸電纜、雙絞線、光纖等多種接入方式，A、B 方式可以互相結合使用，也可以互為備用。

3 系統(tǒng)軟件部分的研發(fā)

為了充分滿足監(jiān)控系統(tǒng)的整體需要，采用Qc來開發(fā)人機界面，利用德國西門子公司（SIEMENS）推出的WinCC（Windows Control Center）控制軟件，使用Microsoft SQL Server 2005作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫。

采用標準C++語言來編寫算法，通過協(xié)調控制算法優(yōu)化多目標函數(shù)，求得最有解指導系統(tǒng)優(yōu)化運行，實現(xiàn)高效的源荷匹配。監(jiān)控系統(tǒng)兼容多種不同設備運行及軟件平臺的支撐，在此狀態(tài)下，需要設備的規(guī)約轉換。而實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)服務器，可兼作為前置機信息處理規(guī)約和規(guī)約轉換。

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件構架如圖3所示：

數(shù)據(jù)服務層以及通用功能組件服務層主要用于整理數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)的歸檔存儲，以便調用。智能計算服務層用于分析數(shù)據(jù)，運用協(xié)調控制算法來優(yōu)化目標函數(shù)，同時輸出目標結果，工作人員以此來制定優(yōu)化后的系統(tǒng)運行方案。而監(jiān)控顯示界面則用來實時顯示由云平臺傳輸而來，經(jīng)協(xié)調控制中心整理之后所顯示的數(shù)據(jù)。

4 研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)界面

本文給出的模型為風電場裝機容量為100MW，由25臺額定功率為4MW的風機組成；可移時負荷為3臺額定功率為30MW的蓄熱式電鍋爐和與之配合的3套額定功率為10MW的電化學儲能系統(tǒng)組成，電鍋爐在夜間22：00-次日5：00運行，其余時間由蓄熱罐為供熱公司供熱。

監(jiān)控畫面主要顯示以下內容，風功率的預測數(shù)據(jù)、風場的電流和電壓；電鍋爐實時的電功率、電壓、罐體內溫度和壓力、出水和回水溫度；儲能裝置主要顯示實時的功率流向及大小、運行極限報警以及儲能電池的溫度等信息。以便為調度計劃提供較為準確的依據(jù)。部分主要的監(jiān)控畫面如下圖4所示：

圖4中可以監(jiān)測到預測的風電場、蓄熱式電鍋爐和電化學儲能系統(tǒng)的總體數(shù)據(jù)，圖中風電場顯示的為集電系統(tǒng)中的總體的電流電壓；蓄熱式電鍋爐中電功率與電壓顯示的是1號蓄熱式電鍋爐的數(shù)據(jù)，包括電鍋爐的功率、蓄熱罐的罐內溫度和氣壓等實時的數(shù)據(jù)，

圖5中，風功率顯示的為一天內風場預測功率；圖中僅給出了1號電鍋爐的運行數(shù)據(jù)，而2號與3號電鍋爐與1號電鍋爐的運行狀態(tài)基本一致；與電鍋爐配合的電化學儲能系統(tǒng)，有正有負，當為負值時供給電鍋爐電能，當為正值，則自身儲存能量，圖中僅給出了與1號電鍋爐想配合的電化學儲能系統(tǒng)的運行狀況。

5 結論

本文開發(fā)了一套可移時負荷監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對風電場、蓄熱式電鍋爐和儲能系統(tǒng)等可移時負荷進行遠程監(jiān)視和集中控制及數(shù)據(jù)的管理。該監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)實現(xiàn)了風電場與可移時負荷的集中化管理，通過協(xié)調控制算法可以優(yōu)化風電場與可移時負荷的運行，使得這一聯(lián)合系統(tǒng)能夠更節(jié)能環(huán)保的解決本地部分居民的供熱問題和風電場的棄風問題。

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