基于風電場的云平臺集中調(diào)度管理系統(tǒng)

潘 嵩，鞠振河，趙 音

（1.沈陽工程學院a.研究生部；b.新能源學院，遼寧 沈陽 110136；2.遼寧太陽能研究應用有限公司，遼寧 沈陽 110136）

風電作為目前世界上增長速度最快的清潔能源之一，其上網(wǎng)量不斷增加，對電網(wǎng)的影響程度也逐步擴大。我國的風電事業(yè)已經(jīng)向高能效、低成本的方向邁進。由于社會生產(chǎn)和人民生活對能源需求的日益提高，風能等可再生能源的大力發(fā)展又不能完全保證電能質(zhì)量，這樣的雙重壓力對電網(wǎng)造成了很大的影響，嚴重時導致電網(wǎng)癱瘓。為充分利用風能，使風電廠可以滿負荷工作并提高發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益，同時靈活運用儲能設備，在對風能的發(fā)電特性進行分析后發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)度儲能，可以使電網(wǎng)對風能等可再生能源的容納程度有所提高。因此，將風電集中調(diào)度平臺管理終端安裝在風電場內(nèi)，并與調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)相連，使采集數(shù)據(jù)能夠傳輸給風電信息綜合監(jiān)控主站，進一步提高了應急處理能力，確保供電的安全性。

鹿婷［1］等人為解決風電系統(tǒng)的高比例接入而導致的輸出功率的隨機波動性對系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度產(chǎn)生影響的問題，利用儲能平抑風電場功率波動的容量設計與控制策略，改進了原本的儲能系統(tǒng)，在調(diào)度配比上提高了電網(wǎng)接納新能源的能力。嚴毅［2］等人提出了一種微網(wǎng)復合儲能的主動控制策略，從峰谷電價差的經(jīng)濟性和用戶負荷需求等角度出發(fā)，實現(xiàn)了功率統(tǒng)一調(diào)配。白道華［3］結(jié)合某大型新能源公司對風電大數(shù)據(jù)生產(chǎn)調(diào)度平臺所涉及的關鍵技術進行總結(jié)，提出了當前風電生產(chǎn)調(diào)度平臺建設中存在的幾個主要問題，如傳感器等設備的可信度低，數(shù)據(jù)存儲和計算無法滿足大數(shù)據(jù)分析要求，數(shù)據(jù)采集指標數(shù)量不滿足大數(shù)據(jù)分析要求，風電管理基礎相對薄弱，數(shù)據(jù)分析標準匱乏等。

由于存儲高電壓的電池管理控制器的價格是隨電壓等級指數(shù)成倍提高的，因此本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術設計了一款調(diào)度管理系統(tǒng)，通過云平臺的集中調(diào)度管理，將風電場的棄電進行分布式存儲，降低儲能設備的成本，并通過采集周期數(shù)據(jù)，在用電負荷高峰期并網(wǎng)發(fā)電，實現(xiàn)云平臺集中調(diào)度管理。

1 云平臺集中調(diào)度管理系統(tǒng)

1.1 儲能控制系統(tǒng)

近年來，儲能技術逐漸成熟，為可持續(xù)電力系統(tǒng)提供了新的運行模式。由于儲能技術的靈活性等特點，充放電速度更快，對于風電的短時爬坡問題處理更及時，可解決風力發(fā)電的隨機性和波動性對電力系統(tǒng)造成的不可忽視的負面影響。儲能技術可隨風量以及負荷的動態(tài)變化進行調(diào)度，使風電廠達到滿負荷發(fā)電的目的。儲能控制器的主機原理如圖1所示。

圖1 儲能控制器主機原理

儲能控制器的主機由并網(wǎng)逆變電路、充放電控制電路、主控制電路和蓄電池組組成。其中，除蓄電池組與充放電管理電路直接相連外、其他電路均通過RS485 總線進行通訊連接。為避免蓄電池的過放和過充電現(xiàn)象，在市電與蓄電池組間連接充放電管理電路。市電通過該電路對蓄電池組進行充電，蓄電池組通過該電路進行放電；同時，充放電管理電路的輸出端與并網(wǎng)逆變器的輸入端相連，只有通過并網(wǎng)逆變電路才能將電能傳輸至電網(wǎng)，從而實現(xiàn)市電與蓄電池組之間的電力傳輸。并網(wǎng)逆變電路與充放電管理電路均由主控制電路控制。

1.2 儲能控制器

儲能控制器的驅(qū)動流程及啟動的邏輯理路包括3 個步驟：本地數(shù)據(jù)的獲取、配置信息的獲取以及循環(huán)周期。圖2為儲能控制器的驅(qū)動邏輯圖。

1.2.1 本地數(shù)據(jù)的獲取

系統(tǒng)通電后，通過主控制電路對逆變器和充放電控制器加以控制，獲取系統(tǒng)當前時刻的狀態(tài)，并對電路初始化。如判斷逆變器是否正常工作，市電是否能通過控制器接入系統(tǒng)中，充放電控制器當前時刻運行狀況，蓄電池當前電壓等等。

圖2 儲能控制器驅(qū)動邏輯

1.2.2 配置信息的獲取

配置主控制器端口，利用SIM800 芯片通過GPRS，使廣域網(wǎng)與云端服務器相連。相連后，主控制芯片將本機ID 以及獲取的本地數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務器，并從云服務器中獲得RTC時鐘。RTC時鐘作為標準的實時時鐘，將獲得的時間存儲至本地處理器內(nèi)，得到配置信息，即峰值電價、峰谷時段時長信息以及峰谷時段起止時間等數(shù)據(jù)。

1.2.3 循環(huán)周期

在每次循環(huán)開始時，處理器首先獲取本地的RTC時間，通過對比云服務器配置的峰谷值時段信息，判斷其處于哪一電價時間段［4］。當該時刻屬于谷值電價時段，啟動充電模式，對蓄電池進行儲能，并停止并網(wǎng)；當該時刻屬于平價電價時段，啟動平價模式，不對蓄電池儲能，也不并網(wǎng)；當該時段屬于峰值電價時段，啟動并網(wǎng)模式，停止對蓄電池儲能，開始并網(wǎng)。通過這樣的循環(huán)模式，可使風電場的經(jīng)濟效益達到最大化。模式切換結(jié)束后，通過RS485控制充放電控制器和并網(wǎng)逆變器的功率，并檢測電池組的電源，計算出當前電池組的剩余容量。為了優(yōu)化通訊數(shù)據(jù)量的管理，對每次循環(huán)進行計數(shù)，當循環(huán)次數(shù)達到15 次后上報一次數(shù)據(jù)，并重新校準RCT 時間及配置數(shù)據(jù)，保證及時更新數(shù)據(jù)，降低云服務器的線程占用。

1.3 主控制電路

主控制電路由微處理器部分、電源部分、RS485 總線部分和SIM800 部分組成，如圖3 所示。微處理器電路選用高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3 系列處理器STM32F103ZET6，該處理器的最高主頻為72 MHz，內(nèi)部FLASH 為512 kB，內(nèi)部RAM為64 kB，處理器供電為3.3 V，支持RTC時鐘，采用144引腳封裝形式，具有5個串行通訊端口。

圖3 儲能控制器主電路

2 云平臺服務器

為提高用戶側(cè)負荷預測的精準度，對電力系統(tǒng)的負荷特性進行分析，并利用負荷特性對用戶側(cè)需求進行分析，調(diào)整調(diào)度儲能系統(tǒng)的運行模式，提高調(diào)度儲能設備的有效利用率。由于多種因素的影響，負荷隨時會發(fā)生改變［5］。本系統(tǒng)采集了小區(qū)內(nèi)用戶的用電情況，對用戶是否常年居住于家中，用電形式以及用電高峰時間等方面進行前期觀測，采集負荷數(shù)據(jù)，通過云平臺服務器對用戶側(cè)進行對比。例如晚間市電使用量增大，負荷增加，易跳閘，而同時間的風電與光伏的負荷并不大，棄風棄電問題嚴重［6］。因此，利用云平臺集中調(diào)度管理系統(tǒng)令蓄電池組存電，將風電系統(tǒng)發(fā)出的過剩電能儲存起來，必要時合理供能。

2.1 云平臺服務器部署功能

該終端設備內(nèi)設有SIM800 芯片，該芯片可與普通手機卡相連，在數(shù)據(jù)傳輸過程中消耗手機卡內(nèi)的流量，通過GPRS 將數(shù)據(jù)傳輸至服務器中，利用阿里云或百度云來構(gòu)建該終端設備所需的云平臺服務器。構(gòu)建服務器后，提供1個固定IP地址，將服務器端口部署到云服務器上。主要部署功能如下：

首先，設置1 個監(jiān)聽端口，SIM800 端向服務器傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)地址為云平臺服務器的固定IP 地址；其次，繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，確保監(jiān)聽端口可接收到該數(shù)據(jù)，并將其傳入到SIM800端口，根據(jù)終端以及服務器發(fā)出的數(shù)據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解調(diào)，將所需數(shù)據(jù)解調(diào)出來；最后，將數(shù)據(jù)分段，分析出并網(wǎng)時間以及數(shù)據(jù)當前所處狀態(tài)之后，保存至云平臺服務器的數(shù)據(jù)庫中，通過HTML5（H5）連接前端網(wǎng)頁與數(shù)據(jù)庫，當打開網(wǎng)頁后，可自動調(diào)取數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)并在前端顯示。同理，若在手機上應用云平臺服務器調(diào)用數(shù)據(jù)，則根據(jù)該原理制作云平臺APP。

2.2 云平臺服務器類別

服務器分為兩種：一類是http，另一類為TCP/IP。

常用的服務器為http，其優(yōu)勢在于所接收的數(shù)據(jù)可與終端斷開，可被多個用戶訪問，同時將多個用戶與服務器相連，對服務器硬件資源要求較小，節(jié)省流量；缺點在于不能實時刷新，將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器后，便與服務器斷開，間隔5 min～10 min 后再與服務器相連，輸送數(shù)據(jù)，實時性較差。而TCP/IP服務器的終端與服務器時刻保持連接，若長時間不收發(fā)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡協(xié)議或服務器側(cè)會將終端清除，若采用多終端與服務器同時相連，則需求會增多，要對服務器定期發(fā)送心跳包，才能保持與服務器的時時連接。

本文所設計的云服務平臺使用了http 服務器。通過登陸固定IP 地址，應用SIM800 對其進行控制。SIM800 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌髦校俚顷懙搅硪痪W(wǎng)頁觀察服務器是否有新的配置數(shù)據(jù)。新網(wǎng)頁服務器將新數(shù)據(jù)下發(fā)至端口，通過數(shù)據(jù)對比判斷是否需要重新配置。若無需重新配置，則下一周期再重新上傳數(shù)據(jù)進行對比。該云平臺服務器的優(yōu)勢在于流量需求少，服務器硬件要求低，經(jīng)濟性好。

3 結(jié)論

本文設計了一款風電場的云平臺集中調(diào)度管理系統(tǒng)，分別介紹了儲能控制系統(tǒng)的主機構(gòu)成、儲能控制器的驅(qū)動邏輯和主控制電路。與傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)連接云服務器，利用SIM800芯片通過廣域網(wǎng)與云端服務器相連，通過得到的RTC時鐘判斷時間區(qū)域，所得數(shù)據(jù)進入循環(huán)對比過程，以此對谷值電價時段、平價電價時段、峰值電價時段進行判定。云平臺集中調(diào)度管理系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能，當風電并網(wǎng)發(fā)生擾動時能夠及時響應，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行，具有更強的抗干擾能力，有效地解決了風電產(chǎn)能過剩和不足的問題。