新能源集控中心一體化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)的探究

何 婷，鄧子夜，李亦凡，龔傳利

（中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

1 研究背景

隨著全球能源問題的日益嚴(yán)峻，低碳經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，我國將風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)作為遠(yuǎn)期能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，新能源產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展十分迅速［1-2］。由于客觀原因，新能源電站大多地處偏遠(yuǎn)山區(qū)及高海拔地區(qū)，生活條件艱苦，工作環(huán)境惡劣，電站的運(yùn)行管理需要消耗大量的人力物力財(cái)力，給電網(wǎng)的集中調(diào)度和電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來諸多問題。建立遠(yuǎn)程新能源集控中心，建設(shè)科學(xué)合理的一體化監(jiān)控平臺(tái)，打造“無人值班、少人值守”的新能源電站，進(jìn)行集中運(yùn)行、檢修、經(jīng)營及后勤管理，實(shí)現(xiàn)減員增效，是新能源發(fā)電發(fā)展重要的趨勢(shì)，也保障了新能源發(fā)電綜合效益的最大化。

水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過多年發(fā)展，在我國的應(yīng)用已經(jīng)成熟完善。本文基于水電站監(jiān)控系統(tǒng)研究的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)［3］，對(duì)風(fēng)電、光伏電站的數(shù)據(jù)采集及運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)研，構(gòu)建了新能源集控中心一體化平臺(tái)。該項(xiàng)研究主要面臨兩方面挑戰(zhàn)：一方面，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)數(shù)量、光伏電站的逆變器數(shù)量都較多［4］，它們?cè)诓煌r下的工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的元數(shù)據(jù)；另一方面，由于新能源電站的設(shè)備制造商的差異化及多樣化，導(dǎo)致新能源電站各類設(shè)備提供的通信規(guī)約和數(shù)據(jù)格式不兼容［5］。打造新能源集控中心，需要對(duì)這些元數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合處理，將對(duì)平臺(tái)在采集和處理海量數(shù)據(jù)、統(tǒng)一各風(fēng)場(chǎng)/光伏電站的通信協(xié)議接口、采用智能分析手段提高運(yùn)維能力等方面提出更高的要求。

本文在海量數(shù)據(jù)處理與智能報(bào)警、子系統(tǒng)統(tǒng)一接口、新能源集控特色技術(shù)等方面進(jìn)行了深入探討，解決關(guān)鍵性問題，并根據(jù)風(fēng)電、光伏監(jiān)控的特殊要求擴(kuò)展新能源特色功能及技術(shù)，為新能源集控打造了合理、穩(wěn)定、高效的運(yùn)維環(huán)境，促進(jìn)了新能源監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。

2 一體化平臺(tái)的技術(shù)要點(diǎn)

為了滿足新能源集控中心對(duì)水電站、風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站等各種類型電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等多業(yè)務(wù)的需求，一體化平臺(tái)采用面向服務(wù)的架構(gòu)（Service-Oriented Architecture，縮寫SOA），以分布式總線為基礎(chǔ)，各服務(wù)之間以統(tǒng)一和通用的方式交互，系統(tǒng)層次分明，功能齊全、應(yīng)用多樣化［6-7］。一體化平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)由低到高分為元數(shù)據(jù)層、消息通信層、技術(shù)服務(wù)平臺(tái)層和數(shù)據(jù)組件平臺(tái)層4個(gè)層次，遵循一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、開發(fā)性、一致性、智能化的基本原則，如圖1所示。

圖1 iP9000一體化平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)

由于風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站各二級(jí)子站系統(tǒng)眾多，前置機(jī)需要先對(duì)海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行匯總，再通過數(shù)據(jù)采集通道接入新能源集控中心，如圖2所示。一體化平臺(tái)集成了轄區(qū)各場(chǎng)站的數(shù)據(jù)采集及控制、電能量采集及匯總運(yùn)算、保護(hù)主站、功率預(yù)測(cè)、在線監(jiān)測(cè)分析、風(fēng)機(jī)對(duì)標(biāo)、風(fēng)水光互補(bǔ)分析系統(tǒng)等功能。結(jié)合視頻監(jiān)控、調(diào)度電話，信息管理等系統(tǒng)，對(duì)分散各地的子站進(jìn)行統(tǒng)一集中的監(jiān)控和管理，極大地減輕了運(yùn)維壓力、節(jié)省成本，提高了經(jīng)濟(jì)運(yùn)營水平。

圖2 各電站接入集控中心示意圖

3 新能源集控應(yīng)用中的關(guān)鍵問題及解決方案

3.1 海量數(shù)據(jù)處理與智能報(bào)警 與普通水電站不同，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)備多且分布廣泛，光伏發(fā)電設(shè)備數(shù)量眾多，這些設(shè)備送達(dá)集控中心的采集數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，一座大型新能源電站數(shù)據(jù)點(diǎn)往往多達(dá)數(shù)十萬點(diǎn)。在特定的時(shí)間段，比如光伏電站早晨逆變器啟動(dòng)時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生數(shù)萬點(diǎn)變化的數(shù)據(jù)。如何保證采集數(shù)據(jù)的及時(shí)上送、不丟數(shù)、不卡數(shù)，并且保證集控中心系統(tǒng)能夠流暢地處理并及時(shí)存儲(chǔ)變化的海量數(shù)據(jù)及變位告警數(shù)據(jù)，對(duì)平臺(tái)的海量數(shù)據(jù)處理能力提出了很高的要求。只有在完成快速有效的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)后，才能夠提供大量真實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)備的智能診斷分析。

為了保證新能源集控中心系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠的采集數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)，一體化平臺(tái)針對(duì)數(shù)據(jù)特征設(shè)計(jì)了特有的數(shù)據(jù)處理流程：平臺(tái)通信接入各電站的數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過基礎(chǔ)功能模塊的預(yù)數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)流寫入實(shí)時(shí)庫，并依據(jù)不同電站的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入歷史庫，如圖3所示。

針對(duì)海量數(shù)據(jù)，一體化平臺(tái)給出了下列解決方案：

（1）實(shí)時(shí)庫采用分布式客戶/服務(wù)器架構(gòu)，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上開辟獨(dú)立內(nèi)存，專門用來提供高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取。支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的關(guān)系描述、快速存儲(chǔ)和訪問，提供基于地址指針的高速本地訪問接口、遠(yuǎn)方服務(wù)訪問接口和友好的人機(jī)界面，實(shí)時(shí)庫的訪問具有問答方式和發(fā)布訂閱方式，可獲取和存儲(chǔ)時(shí)間序列的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具備滿足生產(chǎn)管理要求的實(shí)時(shí)性。

（2）歷史數(shù)據(jù)庫支持Oracle、MySQL、MongoDB、達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫等主流商用數(shù)據(jù)庫，提供了統(tǒng)一抽象的數(shù)據(jù)庫接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用透明的增、刪、改、查等數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)接口。海量的模擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)行分鐘表自動(dòng)按月建表，并自動(dòng)按天分區(qū)，方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和刪除工作。對(duì)于保存時(shí)間較長及數(shù)據(jù)量較大的歷史事項(xiàng)表，通過建立表空間和索引表，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)，提高了查詢和存儲(chǔ)效率。歷史庫數(shù)據(jù)持久化方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，大大提高了歷史數(shù)據(jù)的訪問效率，減輕了新能源集控中心短時(shí)間大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理的壓力。

風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站的海量數(shù)據(jù)源使得新能源集控中心產(chǎn)生海量的告警信號(hào)。一體化平臺(tái)提供基于海量報(bào)警來源的智能報(bào)警技術(shù)，設(shè)計(jì)多項(xiàng)報(bào)警篩選機(jī)制，確保值班人員在海量告警信號(hào)面前不遺漏重要數(shù)據(jù)告警，通過智能分析報(bào)告更全面了解設(shè)備的健康狀況，如圖3所示。

圖3 一體化平臺(tái)數(shù)據(jù)處理流程

智能報(bào)警后臺(tái)分析技術(shù)的應(yīng)用降低了值班員人工監(jiān)視和處理海量告警事項(xiàng)的難度，實(shí)現(xiàn)了量化到點(diǎn)的開關(guān)量、模擬量、分模式、分等級(jí)處理；實(shí)現(xiàn)了新事項(xiàng)和人工干預(yù)后事項(xiàng)、信號(hào)復(fù)歸事項(xiàng)的區(qū)別顯示，確保全網(wǎng)事項(xiàng)狀態(tài)一致，確認(rèn)后的事項(xiàng)可以從界面刪除或保留；實(shí)現(xiàn)了事項(xiàng)分等級(jí)、分頁面顯示與處理，重要信號(hào)優(yōu)先處理并重點(diǎn)顯示。

在新能源電站的報(bào)警信息展示中，由于設(shè)備運(yùn)行工況復(fù)雜、各關(guān)聯(lián)參數(shù)間的報(bào)警策略比傳統(tǒng)電站要復(fù)雜得多。以光伏電站的零電流報(bào)警策略和風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)故障智能報(bào)警解析為例。

光伏電站的零電流報(bào)警策略：當(dāng)逆變器正常發(fā)電時(shí)，表示電流數(shù)字信息的顏色正常顯示；當(dāng)匯流箱支路發(fā)生故障時(shí)電流為零，相應(yīng)的報(bào)警信息字體變成紅色，并產(chǎn)生事件報(bào)警；當(dāng)逆變器脫網(wǎng)，此時(shí)支路電流全部為零，電流顏色則需要恢復(fù)正常顯示，不產(chǎn)生報(bào)警。

風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)故障智能報(bào)警解析：報(bào)警系統(tǒng)需要預(yù)先將風(fēng)機(jī)故障碼遙測(cè)值實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的故障報(bào)警，并將故障信息事實(shí)推送到相關(guān)操作員的報(bào)警監(jiān)測(cè)窗口，源故障信息經(jīng)過智能告警解析計(jì)算，進(jìn)行報(bào)警過濾、報(bào)警等級(jí)智能評(píng)定、按需要對(duì)報(bào)警進(jìn)行自動(dòng)確認(rèn)、分類存儲(chǔ)等。

一體化平臺(tái)通過對(duì)海量數(shù)據(jù)的智能診斷分析計(jì)算，最終形成具有統(tǒng)計(jì)意義的數(shù)據(jù)分析報(bào)告、設(shè)備巡檢報(bào)告，使得運(yùn)維人員對(duì)電站設(shè)備的運(yùn)行狀況能夠進(jìn)行全面的監(jiān)視，達(dá)成設(shè)備部件故障預(yù)警的目的。

3.2 集控中心多協(xié)議統(tǒng)一接口技術(shù) 新能源集控中心通常需要同時(shí)接入多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站，不同電站的設(shè)備不同、生產(chǎn)廠家眾多、各廠家各類設(shè)備的數(shù)據(jù)通信協(xié)議各不相同。一體化平臺(tái)通過調(diào)研不同廠家的風(fēng)光SCADA系統(tǒng)接口、風(fēng)機(jī)控制單元接口、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口、光伏逆變器控制單元接口、風(fēng)光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)接口、無功補(bǔ)償裝置接口、風(fēng)光電能量系統(tǒng)接口、故障信息子站接口等，開發(fā)了不同的規(guī)約，包括IEC104、IEC102、IEC103、OPC、MODBUS等，統(tǒng)一由場(chǎng)站前置采集機(jī)進(jìn)行配置和采集，再通過IEC104規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)到集控中心。

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中，針對(duì)不同的通信規(guī)約通常需要開發(fā)不同的通信程序來接入數(shù)據(jù)，這對(duì)于場(chǎng)站、設(shè)備眾多新能源集控中心來說容易導(dǎo)致系統(tǒng)管理混亂，通信進(jìn)程將耗費(fèi)大量的系統(tǒng)運(yùn)行資源。一體化平臺(tái)開發(fā)了兼容性、標(biāo)準(zhǔn)性、靈活性較強(qiáng)的前置數(shù)據(jù)采集架構(gòu)，提供了統(tǒng)一接口的協(xié)議，通過動(dòng)態(tài)加載配置的方式，各規(guī)約以動(dòng)態(tài)庫的形式嵌入到一體化平臺(tái)架構(gòu)中，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)通信的可靠性和靈活性。

新能源集控中心的特點(diǎn)就是每個(gè)電站的數(shù)據(jù)量多，而從場(chǎng)站側(cè)到集控側(cè)采用IEC104規(guī)約的傳輸速度有限，因此一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)采用多通道、分組上送、分時(shí)總召的方式將各個(gè)廠家的數(shù)據(jù)上送集控中心。場(chǎng)站前置機(jī)整合不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，需要建立大量的數(shù)據(jù)通道，比如風(fēng)電場(chǎng)的每個(gè)箱變都是一條獨(dú)立的通道，大型風(fēng)電站一個(gè)電站的前置機(jī)能夠達(dá)到數(shù)百個(gè)通道。為了保證數(shù)百條通道的正常運(yùn)行，一體化平臺(tái)對(duì)前置機(jī)的軟件架構(gòu)進(jìn)行了正對(duì)性的優(yōu)化，以滿足大量數(shù)據(jù)的吞吐能力。

對(duì)傳輸場(chǎng)站端保護(hù)信號(hào)類遙信數(shù)據(jù)，場(chǎng)站前置機(jī)采用基于dl476的規(guī)約實(shí)現(xiàn)遙信變位直傳集控的方式，解決此類動(dòng)作后1～2ms內(nèi)復(fù)歸信號(hào)的極速傳輸，避免使用IEC104規(guī)約產(chǎn)生實(shí)時(shí)庫掃描漏傳的問題。

多協(xié)議的統(tǒng)一接口使得場(chǎng)站前置機(jī)可將各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以便捷的方式匯總數(shù)據(jù)，優(yōu)化的前置架構(gòu)能夠容納大量的子系統(tǒng)通信通道，場(chǎng)站前置機(jī)與新能源集控中心多通道傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案極大地提高了集控中心對(duì)各場(chǎng)站海量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)采集能力。

3.3 應(yīng)用于新能源集控的特色技術(shù) 新能源集控中心對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站的運(yùn)維有針對(duì)風(fēng)機(jī)和光伏分析、控制的特殊需求，為了減少集控中心運(yùn)維人員的監(jiān)視和操作難度，一體化平臺(tái)在高級(jí)應(yīng)用中開發(fā)了實(shí)用的功能，對(duì)于提高管理能力、經(jīng)濟(jì)運(yùn)維有著積極的意義。

（1）風(fēng)機(jī)對(duì)標(biāo)分析：實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)預(yù)測(cè)分析、全場(chǎng)對(duì)標(biāo)分析、單機(jī)對(duì)標(biāo)分析、單機(jī)棄風(fēng)電量分析和機(jī)組功率對(duì)比等功能。

（2）群控功能：對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)，需要對(duì)全場(chǎng)或者某一條集電線路的風(fēng)機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的啟動(dòng)和停止操作；對(duì)于光伏電站，需要對(duì)全場(chǎng)或某一部分平單軸進(jìn)行統(tǒng)一的移動(dòng)方位操作。因此一體化平臺(tái)開發(fā)了群控功能，以滿足一鍵多令的需求，為運(yùn)行人員操作提供便捷。

（3）手機(jī)移動(dòng)監(jiān)視功能：可通過手機(jī)APP查詢集控中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)告警等，也可查詢各子站的詳細(xì)信息。

（4）水風(fēng)光互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度計(jì)算：根據(jù)水電站的可參與補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度裕量，可自動(dòng)或手動(dòng)劃定參與互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度新能源機(jī)組范圍，將其視為虛擬電站。綜合風(fēng)光預(yù)測(cè)處理結(jié)果、集控中心調(diào)度計(jì)劃曲線和實(shí)測(cè)風(fēng)光出力數(shù)據(jù)，以風(fēng)光發(fā)電效益最大化為目標(biāo)，向風(fēng)光水電廠機(jī)組下達(dá)優(yōu)化后的AGC負(fù)荷指令。

4 一體化平臺(tái)在新能源集控中的應(yīng)用

為解決新能源集控在實(shí)際運(yùn)行中的二次系統(tǒng)互不聯(lián)系、管控難度大、維護(hù)復(fù)雜度高、智能決策水平差以及重復(fù)投資等問題，北京中水科水電科技開發(fā)有限公司應(yīng)用上述關(guān)鍵技術(shù)研制了iP9000一體化平臺(tái)［8］，建設(shè)了集控中心監(jiān)控系統(tǒng)、保信主站系統(tǒng)、風(fēng)/光功率預(yù)測(cè)、電能量系統(tǒng)、風(fēng)水光互補(bǔ)分析功能、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等各類自動(dòng)化系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)。

iP9000一體化平臺(tái)今年來已成功應(yīng)用于國內(nèi)多個(gè)中大型新能源集控中心（如表1）。各平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，在應(yīng)用中取得了良好的成效。其中，國家電投南昌生產(chǎn)運(yùn)營中心統(tǒng)一調(diào)度管理了7個(gè)光伏電站與5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，分別包含2977組光伏逆變器、449臺(tái)風(fēng)電機(jī)組及其箱變和升壓站設(shè)備。該項(xiàng)目被控設(shè)備多，分布范圍廣，平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)單線程訪問性能可達(dá)每秒百萬次以上。

表1 iP9000平臺(tái)在國內(nèi)新能源集控中心的應(yīng)用

5 結(jié)論

新能源集控中心一體化平臺(tái)采用了基于SOA架構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過對(duì)海量數(shù)據(jù)處理與智能報(bào)警、子系統(tǒng)統(tǒng)一接口、新能源特色技術(shù)等方面的研究，解決了新能源集控面臨的集控?cái)?shù)據(jù)量大而散，異構(gòu)廠家設(shè)備多差異大，新能源運(yùn)維高級(jí)應(yīng)用功能不足的問題。

在關(guān)鍵技術(shù)中采用了基于分布式的客戶端/服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)庫結(jié)構(gòu)，借助于優(yōu)化的歷史存庫方案、智能報(bào)警篩選機(jī)制解決了海量數(shù)據(jù)存取、分析報(bào)警問題；通過通訊接入多協(xié)議接口技術(shù)、統(tǒng)一底層通訊架構(gòu)等手段解決了大量新能源異構(gòu)廠家設(shè)備的數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)接入問題；集成了風(fēng)機(jī)對(duì)標(biāo)分析、群控、移動(dòng)設(shè)備監(jiān)視、水風(fēng)光互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度計(jì)算，這些應(yīng)用功能針對(duì)性的解決了新能源集控中心運(yùn)維管理中的具體需求。

隨著平臺(tái)功能的逐漸完善，iP9000一體化平臺(tái)近年來在五凌新疆、華能布爾津、國電投南昌等多個(gè)國內(nèi)大型新能源集控項(xiàng)目的應(yīng)用中取得了良好的效果，構(gòu)建了合理、穩(wěn)定、高效的新能源集控一體化平臺(tái)。