并網(wǎng)風電場全景監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)思路淺析

摘要：基于加強風電機組等新能源設(shè)備監(jiān)控能力的要求，對并網(wǎng)風電場全景監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)思路進行了分析，歸納出了系統(tǒng)建設(shè)三個關(guān)鍵面和五個階段，對底層數(shù)據(jù)采集方式也進行了對比分析，并提出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)風電場;特高壓輸電;全景監(jiān)控;數(shù)據(jù)采集

0 ? ?引言

近年來，在國家政策的指引下，風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，截至2019年末，全國并網(wǎng)風電容量已突破2億kW，成為非水可再生能源第一大發(fā)電形式。為了應對風電并網(wǎng)容量快速增長帶來的棄風問題，國家大力推行特高壓跨省輸電通道建設(shè)。2015年至今，僅寧夏電網(wǎng)就先后投運了銀東、靈紹等數(shù)條直流特高壓輸電線路，有效緩解了電量消納難題。

但由于直流特高壓線路運行過程中發(fā)生換向或閉鎖故障后將向臨近交流系統(tǒng)短時注入大量有功、無功，造成系統(tǒng)電壓較大幅度波動，存在引發(fā)近區(qū)風電機組大規(guī)模脫網(wǎng)的風險，因此，2018年起寧夏區(qū)域內(nèi)各風電場已先后針對風電機組及SVG電壓、頻率耐受能力進行了改造，提升設(shè)備故障穿越性能。然而，僅依靠提高設(shè)備耐受能力還不夠，還需要加強主動管控措施，雙管齊下切實保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1 ? ?風電場當前監(jiān)控系統(tǒng)概況和全景監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)必要性

自2011年國家發(fā)布第一版《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》以來，新建風電場電力監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成和功能日趨完善。以寧夏近年并網(wǎng)風電場為例，場站電力監(jiān)控系統(tǒng)一般涵蓋升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、風機監(jiān)控系統(tǒng)、風功率預測系統(tǒng)、功率/電壓控制系統(tǒng)、繼電保護和故障錄波等子系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

其中，升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、風功率預測系統(tǒng)、功率/電壓控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)經(jīng)場站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線組網(wǎng)，通過RTU與調(diào)度主站建立可靠傳輸通道，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)及調(diào)節(jié)指令的上行下達。風機監(jiān)控系統(tǒng)與調(diào)度主站目前尚未直接聯(lián)通，而是通過集成在SCADA服務器上的OPC Server程序與OPC Client主機連接，再由OPC Client主機接入場站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總線向RTU傳輸機組風速、功率、電流、電壓、機組啟停狀態(tài)等遙信、遙測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輪詢間隔一般為1 s。如果以并網(wǎng)點為管理界面進行衡量，現(xiàn)有電力監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)能夠基本滿足調(diào)度機構(gòu)管理要求。但是如果按照國網(wǎng)西北分部要求，即具備新能源項目故障過程實時跟蹤、發(fā)電設(shè)備精益控制、可控資源池監(jiān)視及多頻振蕩監(jiān)測功能，加強系統(tǒng)保護能力，適應特高壓電網(wǎng)發(fā)展需要來衡量的話，那么現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)在風機數(shù)據(jù)采集、機組調(diào)控、故障跟蹤、系統(tǒng)間數(shù)據(jù)聯(lián)動等方面還存在需要改進之處，而這也正是全景監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)目標和著力點。

2 ? ?并網(wǎng)風電場全景監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)思路

對應目標與要求，建設(shè)并網(wǎng)風電場全景監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵要把握好三個方面：

（1）完善風機實時數(shù)據(jù)采集、上送系統(tǒng)。增加采集數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)傳輸速度，開放功能接口，使風機具備接收、執(zhí)行上級控制系統(tǒng)下發(fā)指令的能力。

（2）建立集中控制系統(tǒng)。對采集的風機實時數(shù)據(jù)進行存儲、匯總、運算和判別，既要具備根據(jù)預定策略就地控制功能，也要與調(diào)度主站建立起可靠連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳和指令接收功能。

（3）重新整合子系統(tǒng)，實現(xiàn)全景監(jiān)控。將集中控制系統(tǒng)與已有電力監(jiān)控系統(tǒng)有機融合，建立互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)傳輸體系。

對應三個關(guān)鍵面，全景監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)劃分為五個階段：

第一階段，提升風機數(shù)據(jù)采集能力。按照機組狀態(tài)實時跟蹤要求，確定需采集的遙信、遙測數(shù)據(jù)點，開放機組遠程遙控功能，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸速率，建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

第二階段，在場站側(cè)部署集中控制終端。集中控制終端與交換機或數(shù)據(jù)服務器組網(wǎng)，匯集風機運行數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)比照、單機模擬等方式驗證集中控制終端數(shù)據(jù)運算、邏輯判斷和預定策略執(zhí)行等功能。

第三階段，與調(diào)度主站建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸。對于機組數(shù)量少的風電場，可直接通過RTU進行數(shù)據(jù)遠傳;對于機組數(shù)量多的風電場，為避免大量數(shù)據(jù)造成RTU負荷率超限，影響其他業(yè)務，應首先完成通信測試。如發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有RTU設(shè)備不能滿足傳輸要求，可向調(diào)度部門申請新增2M通道，通過DDF向調(diào)度主站傳輸數(shù)據(jù)。

第四階段，與調(diào)度主站進行數(shù)據(jù)核對。逐一核對機組上傳數(shù)據(jù)，驗證數(shù)據(jù)準確性和上傳速率是否滿足要求。數(shù)據(jù)核對無誤后，接收調(diào)度主站下發(fā)的控制、調(diào)節(jié)指令，驗證遙控、遙調(diào)功能是否滿足閉環(huán)要求。

第五階段，進行監(jiān)控系統(tǒng)整合。對現(xiàn)有電力監(jiān)控系統(tǒng)重新歸類，原則上劃分為風機集中監(jiān)控、升壓站集中監(jiān)控和生產(chǎn)輔助系統(tǒng)三個功能模組。與風機密切相關(guān)的AGC、快速調(diào)頻等系統(tǒng)全部整合至風機集中監(jiān)控系統(tǒng)中，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高監(jiān)控效率。風機集中監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站集中監(jiān)控系統(tǒng)以及生產(chǎn)輔助系統(tǒng)間將在更高層次數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)互通和控制聯(lián)動，例如，同步相量測量系統(tǒng)監(jiān)測到系統(tǒng)次同步振蕩時，風機集中監(jiān)控系統(tǒng)可迅速接收有關(guān)信息并按預定策略對機組進行調(diào)控;系統(tǒng)故障出現(xiàn)暫態(tài)過電壓時故障錄波裝置也能自動捕捉記錄每臺風機故障前、中、后的電流、電壓波形，以便進行事故分析及后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化工作。整合后的全景監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3 ? ?風機數(shù)據(jù)采集方式對比

完善風機數(shù)據(jù)采集功能是建設(shè)全景監(jiān)控系統(tǒng)的第一階段，也是后續(xù)各階段的基礎(chǔ)。就風機數(shù)據(jù)采集而言，目前有兩種方式可供選擇。

方式一：在風機側(cè)增加硬件終端。組織場站控制終端生產(chǎn)廠家研發(fā)風機側(cè)控制終端，風機側(cè)控制終端部署在每臺風機底部主控柜內(nèi)，一方面與風機主控通過網(wǎng)口或串口通信，另一方面與風機變流器通過電纜連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與指令轉(zhuǎn)發(fā)功能。風機控制終端對外利用已建成的風機光纖通信線路通信，根據(jù)風機光纖通信線路組織形式，每個回路匯聚節(jié)點處需增設(shè)一臺環(huán)網(wǎng)交換機，用于匯集本回路風機控制終端通信數(shù)據(jù)，并與場站控制終端聯(lián)通，建立起完整的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。風機控制終端與風機主控及場站集中控制系統(tǒng)的連接示意圖如圖3所示。

為了完成數(shù)據(jù)采集和通信，風機控制終端至少應具備以下功能：

（1）實時采集風機電壓、電流、風速等模擬量，計算有功、無功輸出;實時采集風機啟停、電壓穿越等運行狀態(tài)信息，可通過硬接點開入監(jiān)控狀態(tài)量;數(shù)據(jù)刷新周期不大于100 ms。

（2）具備模擬量信息與數(shù)字量信息邏輯判別和運算功能。

（3）支持MODBUS、IEC 104、CAN等主流通信規(guī)約，能與風機主控和場站控制終端通信。

方式二：優(yōu)化現(xiàn)有OPC Server程序。在不改變各風電機組至場站風機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式的前提下，由風機監(jiān)控系統(tǒng)廠家對現(xiàn)有OPC Server程序重新開發(fā)，包括：提供更多的機組遙信、遙測數(shù)據(jù)點位，開放機組管理模塊相應功能，支持遠方遙控等。

兩種數(shù)據(jù)采集方式在技術(shù)路線上存在較大差異，在從實施難度、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等方面進行綜合對比（表1）后可知：方式一實施難度較大，所需費用高，但實時數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性強，而且打破了現(xiàn)有數(shù)據(jù)壁壘，將風機及輸變電設(shè)備納入了統(tǒng)一系統(tǒng)管理，不僅滿足了當前機組精益化控制目標，也為后續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)功能擴充、升級改造奠定了基礎(chǔ)，因此應當作為首選方案考慮。

4 ? ?結(jié)語

特高壓輸電線路的投運對電力系統(tǒng)運行管理提出了更高要求，以系統(tǒng)性思維構(gòu)建完善的保護體系勢在必行。結(jié)合國網(wǎng)西北分部要求和已并網(wǎng)風電場監(jiān)控系統(tǒng)實際運行情況，本文對全景監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)思路進行了探析，相信能夠?qū)Ω黠L電企業(yè)后續(xù)開展全景監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)給予一定的幫助。

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收稿日期：2020-02-21

作者簡介：陳征宇（1985—），男，河南人，工程師，研究方向：風力發(fā)電項目建設(shè)及生產(chǎn)運營管理。