智能光伏及風(fēng)電場區(qū)域集控研究與設(shè)計(jì)*

張 華 ，馬保軍 ，翟新軍 ，張 磊 ，楊 健

（1.中廣核新能源投資（深圳）有限公司新疆分公司，烏魯木齊830011；2.中廣核青河太陽能有限公司，阿勒泰836200）

1 引 言

目前，國內(nèi)已經(jīng)有大批風(fēng)力發(fā)電站和光伏電站建成投入運(yùn)行，但電站大量建設(shè)后的管理問題卻日趨嚴(yán)重，其中最重要的問題之一就是風(fēng)能和光伏電站監(jiān)控平臺的研究、建設(shè)及運(yùn)用。在國內(nèi)都還在學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)新能源并網(wǎng)電站、如何進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)候，國外已經(jīng)悄然開始了新能源電站運(yùn)行、維護(hù)和管理體系的建立，其中非常重要的一點(diǎn)就是電站如何在管理上實(shí)現(xiàn)突破[1]。從最初的電站巡檢到后期的局域網(wǎng)監(jiān)控，再到現(xiàn)在風(fēng)能、光伏網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺的設(shè)立，這使得國外風(fēng)能、光伏電站實(shí)現(xiàn)了真正的遠(yuǎn)程管理。

新疆是風(fēng)能和太陽能資源十分豐富的地區(qū)，目前，中廣核已在新疆建設(shè)了大量的光伏及風(fēng)力發(fā)電站，隨著規(guī)模性的風(fēng)能和太陽能電站陸續(xù)開工建設(shè)和投入運(yùn)營，需要對各個(gè)電站的運(yùn)行狀況進(jìn)行集中監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲、分析、顯示等功能，以便掌握電站的運(yùn)營管理，同時(shí)，需要總結(jié)部分電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分析，為電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及未來光伏電站的設(shè)計(jì)提供充實(shí)的科學(xué)依據(jù)。

基于以上目的，中廣核新能源投資有限公司新疆分公司、中廣核青河太陽能有限公司建設(shè)了新能源項(xiàng)目遠(yuǎn)程集控中心管理平臺，可對各個(gè)電站的全生命周期的運(yùn)行情況、發(fā)電情況、告警情況、運(yùn)維情況進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的量化評估，從而主動發(fā)現(xiàn)電量提升點(diǎn)，完成對電站的精細(xì)化、規(guī)范化管理，確保電站健康運(yùn)行、收益穩(wěn)定提升，實(shí)現(xiàn)電站價(jià)值最大化。

2 電場設(shè)計(jì)依據(jù)與原則

電站管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除技術(shù)條件中規(guī)定的技術(shù)參數(shù)和要求外，其余均遵照最新版本的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DL）、國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）和IEC標(biāo)準(zhǔn)及國際單位制（SI），這是對設(shè)備的最低要求。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足如下原則[2-3]：

(1)先進(jìn)性與前瞻性原則：系統(tǒng)建設(shè)采用符合未來發(fā)展趨勢而適當(dāng)超前的、先進(jìn)的、開放的設(shè)計(jì)方案，在建設(shè)中采用流行的、成熟的、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、開發(fā)模式和管理方式。總體設(shè)計(jì)充分參照國際上的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，主流網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行系統(tǒng)，采用B/S體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)上，采用先進(jìn)的分散式技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)、備份恢復(fù)技術(shù)等。

(2)擴(kuò)展性原則：系統(tǒng)建設(shè)完成后應(yīng)具備良好的擴(kuò)展功能，當(dāng)有新的風(fēng)電、太陽能光伏電站（或設(shè)備）建成后，要能夠方便地添加到該系統(tǒng)中。

(3)開放性原則：作為專業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)，必須具有良好的開放性，必須符合相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以充分保障系統(tǒng)與其他應(yīng)用系統(tǒng)的無縫集成。支持不同系統(tǒng)之間的互訪。提供第三方數(shù)據(jù)接口服務(wù)，為第三方數(shù)據(jù)接入提供服務(wù)，并提供數(shù)據(jù)開放接口，為第三方數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)開放接口。

(4)可靠性和穩(wěn)定性：應(yīng)選用技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定的產(chǎn)品，在設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等各個(gè)方面充分考慮軟件、硬件的可靠性和穩(wěn)定性，并可在非理想環(huán)境下有效工作。

(5)安全性：系統(tǒng)設(shè)有安全權(quán)限管理，不同范圍的人員對不同功能模塊有不同的使用權(quán)。

(6)規(guī)范性：本系統(tǒng)是一個(gè)集多種功能于一體的綜合性監(jiān)測、分析、管理系統(tǒng)，應(yīng)遵從各個(gè)相關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，使系統(tǒng)滿足標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與管理的要求。

(7)構(gòu)架式設(shè)計(jì)：所有具體的功能實(shí)現(xiàn)、功能模塊都依附于構(gòu)架，各功能模塊或接口程序應(yīng)可根據(jù)實(shí)際需求而靈活配置。

3 電場系統(tǒng)總體架構(gòu)與設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求滿足集控項(xiàng)目的整體需求，符合系統(tǒng)建設(shè)的整體規(guī)劃，以及對各系統(tǒng)的定位及目標(biāo)。架構(gòu)規(guī)劃中，需要梳理、分析各層面（集控中心和現(xiàn)場）中與集控相關(guān)的功能與信息，在架構(gòu)設(shè)計(jì)中能提供有效的整合的全面統(tǒng)一的風(fēng)場、風(fēng)機(jī)和光伏設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，并能依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，為客戶提供必要的關(guān)聯(lián)信息，如報(bào)警及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)該集中存儲，數(shù)據(jù)的維護(hù)工作也應(yīng)該集中，以確保各電場信息的單一數(shù)據(jù)源，確保業(yè)務(wù)信息的一致性[4-5]。

為提高本地的性能，使得總體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方式合理、高效[6]，確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在現(xiàn)場、集控中心間的同步，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的一致性[7]，集控中心主要部署了 4個(gè)子系統(tǒng)（SCADA、EMS、RDP及 Web和BAO），基本構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

3.1 電廠實(shí)時(shí)監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)功能

(1)設(shè)備接入及信息轉(zhuǎn)發(fā)功能

①支持風(fēng)機(jī)、光伏電站、變電站等電站設(shè)備的接入及監(jiān)控，支持標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議（OPC、IEC104、Modbus）；

②針對集中監(jiān)控信息，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)信息列表可根據(jù)接收方要求靈活配置。

(2)級聯(lián)監(jiān)控及分級監(jiān)控

能夠?qū)崿F(xiàn)多層級（級聯(lián)）及分級監(jiān)控，支持北京中心、區(qū)域中心、風(fēng)電場和單臺設(shè)備就地的分級監(jiān)控，并針對每一級的監(jiān)控關(guān)鍵信息進(jìn)行梳理并分層顯示；支持不同設(shè)備接入時(shí)顯示狀態(tài)的統(tǒng)一映射，支持設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入及存儲[8]。

(3)電場多維度告警及歷史事件查詢

針對接入設(shè)備支持多維度的事件告警及聲光報(bào)警功能：告警類型包括設(shè)備故障告警、遙信變位、遙測越限、設(shè)備異常、硬件系統(tǒng)資源監(jiān)視告警；故障頻發(fā)報(bào)警功能：針對具體到單臺設(shè)備的故障，具備統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能，當(dāng)設(shè)備具體故障在某一個(gè)時(shí)間段發(fā)生頻次超過設(shè)定閥值時(shí)，自動發(fā)出報(bào)警，并進(jìn)一步與EMM子系統(tǒng)集成，自動觸發(fā)缺陷單；針對報(bào)警事件：支持歷史事件查詢，內(nèi)置多種查詢模板（如事件順序記錄SOE、設(shè)備故障時(shí)間），支持用戶自定義報(bào)警模版；能對所有的告警，按字段進(jìn)行排序。

(4)設(shè)備復(fù)位權(quán)限管控

集成各接入設(shè)備的復(fù)位規(guī)范并有針對性地設(shè)置權(quán)限分層功能，由系統(tǒng)來規(guī)范區(qū)域中心運(yùn)行值班人員的操作習(xí)慣。該功能詳細(xì)規(guī)定了具體到單臺設(shè)備每個(gè)故障的復(fù)位次數(shù)限定，運(yùn)行人員在遠(yuǎn)程控制的時(shí)候?qū)涝谄錂?quán)限下，哪些故障可以復(fù)位，還可以復(fù)位多少次；操作記錄功能，針對每一次復(fù)位操作，系統(tǒng)都會詳細(xì)的記錄下時(shí)間點(diǎn)、用戶、操作主機(jī)、操作類型、操作對象、操作是否成功等信息。

(5)設(shè)備遠(yuǎn)程控制模塊

可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備。在設(shè)備廠家SCADA開放相應(yīng)控制點(diǎn)的情況下，支持對各機(jī)組的啟動、停機(jī)和復(fù)位；可以對風(fēng)場群/光伏電站中若干個(gè)設(shè)備進(jìn)行批量啟動停機(jī)、復(fù)位等操作。

(6)電場數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲和分析模塊

數(shù)據(jù)預(yù)處理可規(guī)整采集量格式，包括對模擬量數(shù)據(jù)、狀態(tài)量數(shù)據(jù)和脈沖量數(shù)據(jù)的預(yù)處理；測點(diǎn)歷史趨勢分析及越限報(bào)警功能，針對接入監(jiān)控系統(tǒng)的測點(diǎn)，支持對測點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析；內(nèi)置管理類報(bào)表，包含生產(chǎn)綜合報(bào)表、風(fēng)速報(bào)表、發(fā)電量報(bào)表、可利用率報(bào)表、故障統(tǒng)計(jì)報(bào)表、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)報(bào)表及功率曲線報(bào)表，具備以邏輯維度（全省、風(fēng)場層、風(fēng)機(jī)層）、時(shí)間維度（日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)）的統(tǒng)計(jì)聚合功能，支持圖表繪制、報(bào)表輸出、導(dǎo)出文件和打印。

(7)支持?jǐn)U展的多前置接入

測點(diǎn)接入裝置可以分配到多組前置機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡；持續(xù)配置的形式，隨著風(fēng)場和風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加作相應(yīng)的擴(kuò)展。

(8)電場多模塊、多層級的監(jiān)控畫面

系統(tǒng)可通過樹狀結(jié)構(gòu)監(jiān)控展示風(fēng)機(jī)、饋線、風(fēng)場及風(fēng)場群的多級結(jié)構(gòu)關(guān)系和統(tǒng)計(jì)信息，界面主要分為菜單欄、導(dǎo)航欄、主視圖、統(tǒng)計(jì)信息欄、事件列表、狀態(tài)欄等幾個(gè)模塊，各模塊均可隱藏和顯示并可通過鼠標(biāo)進(jìn)行拖放以改變位置，并記憶各模塊的位置。

3.2 能量管理（EMS）集控版系統(tǒng)功能

接收調(diào)度對電場的指令，直接根據(jù)指令設(shè)定值進(jìn)行對電場的限功率設(shè)置；支持風(fēng)機(jī)、光伏電站、變電站設(shè)備的接入及集中遙調(diào)，以各并網(wǎng)點(diǎn)為功率控制節(jié)點(diǎn)，根據(jù)調(diào)度命令集中管理接入同一并網(wǎng)點(diǎn)的各電場的出力；針對同一風(fēng)場內(nèi)從不同供應(yīng)商設(shè)備處采集的數(shù)據(jù)，EMS可以根據(jù)調(diào)度要求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，并進(jìn)行整合后轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的電網(wǎng)管理系統(tǒng)；支持調(diào)節(jié)各電場的功率分配，區(qū)域中心運(yùn)行人員可以根據(jù)命令對各電場的負(fù)荷進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

3.3 電場業(yè)務(wù)分析及優(yōu)化（BAO）系統(tǒng)功能

(1)績效儀表盤

將管理人員最關(guān)心的業(yè)績指標(biāo)KPI用圖表的方式實(shí)時(shí)展示，方便運(yùn)行管理人員發(fā)現(xiàn)問題并抓住問題的重點(diǎn)。常用的關(guān)鍵業(yè)績指標(biāo)包括：發(fā)電量、設(shè)備停機(jī)時(shí)間、時(shí)間可利用率、能量可利用率EBA、發(fā)電量計(jì)劃完成率。

(2)KPI數(shù)據(jù)圖表功能

對管理人員關(guān)注的業(yè)績指標(biāo)KPI進(jìn)行逐層的鉆取分析，探索問題的癥結(jié)，為下一步行動提供科學(xué)的指導(dǎo)。常用的KPI數(shù)據(jù)鉆取分析類型包括：收入（發(fā)電量）損失的原因分析、運(yùn)維成本的鉆取分析。

(3)查詢報(bào)表功能

幫助運(yùn)行人員根據(jù)制作各種報(bào)表的需要，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行特定查詢并獲得所需數(shù)據(jù)，用于下一步的數(shù)據(jù)分析和報(bào)表制作。常用的查詢報(bào)表包括：設(shè)備狀態(tài)查詢、綜合電量查詢、損失電量查詢、限功率記錄查詢、首發(fā)故障查詢、檢修記錄查詢、故障頻率查詢、員工工作負(fù)荷率查詢、部件運(yùn)行狀態(tài)查詢。

(4)定制化報(bào)告工具

幫助用戶快速生成常用的定制化報(bào)告，包括系統(tǒng)基于模版快速生成報(bào)告初稿，供報(bào)表制作人員進(jìn)行核對并添加手工注解，從而形成最終的報(bào)告。常用的定制化報(bào)告包括：運(yùn)維周報(bào)、運(yùn)維月報(bào)。

(5)可查詢KPI功能

實(shí)現(xiàn)四大類績效指標(biāo)的自動計(jì)算和數(shù)據(jù)的逐層鉆取。四類業(yè)績指標(biāo)包括風(fēng)能監(jiān)測類、生產(chǎn)運(yùn)行類、可利用率和性能類以及故障統(tǒng)計(jì)類。

(6)日、月報(bào)表等數(shù)據(jù)上報(bào)功能

實(shí)現(xiàn)電場生產(chǎn)、運(yùn)行報(bào)表數(shù)據(jù)電場級填報(bào)，電場管理定制化報(bào)表，發(fā)電量、可利用等分析報(bào)表導(dǎo)出等功能。

3.4 RDP及Web

該模塊基于同一個(gè)生產(chǎn)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，對同一個(gè)生產(chǎn)區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的服務(wù)器進(jìn)行必要的遠(yuǎn)程訪問和操作，解決突發(fā)性問題，作為實(shí)時(shí)監(jiān)控的補(bǔ)充。

4 結(jié)束語

上文所述內(nèi)容，對優(yōu)化大規(guī)模光伏、風(fēng)電機(jī)組群并網(wǎng)后的電能質(zhì)量以及電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著顯著的提升效果，同時(shí)減少了故障樣本的數(shù)量，提高了故障診斷的速率?？偟膩碚f，光伏、風(fēng)電場群遠(yuǎn)程集中監(jiān)控才剛剛起步，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，集中監(jiān)控中心將會增加更多的功能，從而真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守的生產(chǎn)運(yùn)作。

參考文獻(xiàn)：

[1]邢偉,董紅星.風(fēng)電場智能化遠(yuǎn)程集控管理系統(tǒng)的探索與設(shè)計(jì)[J].企業(yè)管理,2016(S2):110-111.XING Wei,DONG Hongxing.Exploration and design of intelligent remote centralized control management system for wind farm[J].Enterprise Management,2016(S2):110-111.

[2]翟安定.國電河南區(qū)域風(fēng)電場遠(yuǎn)程集控中心建設(shè)技術(shù)方案研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2015(20):18-20.ZHAI Anding.Study on technical scheme of construction of remote centralized control center of Guodian Henan regional wind farm[J].New Technology&New Products of China,2015(20):18-20.

[3]劉文斌.風(fēng)電場群集中監(jiān)控系統(tǒng)整體解決方案研究[J].風(fēng)能,2016(12):68-71.LIU Wenbin.Research on integrated solution of centralized monitoring system for wind farm cluster[J].Wind Energy,2016(12):68-71.

[4]孫悅紅,司慧琳,林建進(jìn).光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2012(7):34-35.SUN Yuehong,SI Huilin,LIN Jianjin.The design of the remote monitoring system for PV power plant[J].Microcomputer Information,2012(7):34-35.

[5]馮相賽.國內(nèi)光伏電站監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展綜述 [J].太陽能,2016(11):47-50.FENG Xiangsai.Review of research progress on monitoring technology of photovoltaic power station in China[J].Solar Energy,2016(11):47-50.

[6]張鑫.分布式光伏電站遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代電子技術(shù),2017,40(4):172-175.ZHANG Xin.Design of remote intelligent monitoring system for distributed photovoltaic power station[J].Modern Electronics Technique,2017,40(4):172-175.

[7]黃小鉥,翟長國,郭劍虹,等.光伏電站遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(7):61-63.HUANG Xiaoshu,ZHAI Changguo,GUO Jianhong，et al.Design of system structure for remote data center of photovoltaic power station[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(7):61-63.

[8]葉琴瑜,胡天友,何耀.基于CAN總線的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(3):76-78.YE Qinyu,HU Tianyou,HE Yao.Photovoltaic power station monitoring system based on CAN bus[J].Instrument Technique and Sensor,2012(3):76-78.