省級風(fēng)電及光伏運(yùn)行監(jiān)測分析平臺研究

楊勤勝，李 劍，祝永晉，郝雨辰

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

新能源作為非化石能源的重要組成部分，對我國構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系有著非常重要的作用。隨著大規(guī)模的新能源接入電力系統(tǒng)，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨巨大挑戰(zhàn)［1］。近年來，在相關(guān)新能源發(fā)展政策的引導(dǎo)下，江蘇省新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)（特別是太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電）呈持續(xù)發(fā)展趨勢。據(jù)國網(wǎng)江蘇省電力公司統(tǒng)計(jì)，2015—2020 年江蘇省新能源并網(wǎng)情況如表1所示。6年來江蘇省新能源并網(wǎng)逐年增長，特別是在2020 年風(fēng)電/光伏迎來并網(wǎng)高峰，12 月甚至出現(xiàn)風(fēng)電搶裝潮。

表1 江蘇省新能源近幾年并網(wǎng)情況 （單位：萬千瓦）

由于新能源電站對氣象依賴度大，具有波動性、隨機(jī)性大等特點(diǎn)，使其難以可靠預(yù)測，也難以指定準(zhǔn)確的發(fā)電計(jì)劃，對電網(wǎng)可靠性以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性帶來一定的影響。因此迫切需要建設(shè)省級風(fēng)電及光伏運(yùn)行監(jiān)測平臺，通過完備的全過程運(yùn)行監(jiān)測以及精準(zhǔn)的發(fā)電負(fù)荷預(yù)測，加強(qiáng)電源與電網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)、科學(xué)的調(diào)度控制以滿足新能源發(fā)電管理要求。

本文從電網(wǎng)調(diào)度需求出發(fā)，參照國家及地方政府要求，研發(fā)適用于江蘇電網(wǎng)規(guī)模和新能源并網(wǎng)特征的監(jiān)管平臺。

1 平臺設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)來源

省級風(fēng)電及光伏運(yùn)行監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)主要包括風(fēng)電場/光伏電站全站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、風(fēng)電場/光伏電站單機(jī)數(shù)據(jù)、風(fēng)電場/光伏電站預(yù)測數(shù)據(jù)以及高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，具體如表2所示。接入的數(shù)據(jù)特點(diǎn)如下。

表2 監(jiān)測平臺所需數(shù)據(jù)

（1）數(shù)據(jù)的多源化。接入的數(shù)據(jù)來源于各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)相對比較分散。例如：風(fēng)電場/光伏電站全站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及單機(jī)數(shù)據(jù)來源于調(diào)度D5000系統(tǒng)；風(fēng)電場/光伏電站功率預(yù)測數(shù)據(jù)來源于中國電科院；高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)來源于科陽電力。

（2）數(shù)據(jù)的多樣化。隨著風(fēng)電及光伏電站并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，接入的數(shù)據(jù)量也持續(xù)增長。同時(shí)接入的數(shù)據(jù)種類較多、數(shù)據(jù)維度多，且數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不一致。例如：高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)及風(fēng)電場/光伏電站功率預(yù)測數(shù)據(jù)采集頻率均為15 min，而風(fēng)電場/光伏電站全站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及單機(jī)數(shù)據(jù)的采集頻率為1 min。

（3）數(shù)據(jù)的復(fù)雜化。各類數(shù)據(jù)之間的關(guān)系較為復(fù)雜。比如，風(fēng)電場/光伏的功率、風(fēng)機(jī)待機(jī)/停運(yùn)情況等均會受到氣象因素的影響。因此，需對各層數(shù)據(jù)之間的關(guān)系展開深入的研究分析，挖掘各層數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，為更好地服務(wù)新能源消納做準(zhǔn)備。

1.2 平臺架構(gòu)

監(jiān)測分析平臺分為數(shù)據(jù)處理模塊和運(yùn)行監(jiān)測可視化模塊，具體如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)

數(shù)據(jù)處理模塊對風(fēng)電場/光伏電站全站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、單機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)、功率預(yù)測數(shù)據(jù)以及高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲、統(tǒng)計(jì)分析等處理；運(yùn)行監(jiān)測可

視化模塊實(shí)現(xiàn)模型管理、運(yùn)行情況監(jiān)視、氣象資源監(jiān)視、并網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測、消納監(jiān)測分析等展示功能。平臺后續(xù)可根據(jù)需求，開展更深入的數(shù)據(jù)分析工作，例如風(fēng)電場指標(biāo)分析及評價(jià)等，具有較好的延展性。

1.3 平臺功能設(shè)計(jì)

平臺共分為9個(gè)功能模塊。

（1）數(shù)據(jù)接入與數(shù)據(jù)處理。與各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)接口，接入江蘇省新能源發(fā)電監(jiān)測所需數(shù)據(jù)，包括全站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、單機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)、功率預(yù)測數(shù)據(jù)以及高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，并對接入的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、存儲、整合以及計(jì)算分析。

為規(guī)范數(shù)據(jù)存儲流程，設(shè)計(jì)統(tǒng)一持久化模塊，所有的數(shù)據(jù)均通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)持久化模塊完成分區(qū)存儲。江蘇省統(tǒng)調(diào)風(fēng)電/光伏單機(jī)數(shù)據(jù)通過在并網(wǎng)期間上報(bào)對應(yīng)設(shè)備各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)點(diǎn)號至平臺，形成數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)點(diǎn)號的對應(yīng)關(guān)系，通過對應(yīng)關(guān)系對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)模型，使用平臺數(shù)據(jù)持久化模塊完成存儲；對于全站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)則通過前期整理的遙測編號形成對應(yīng)關(guān)系；功率預(yù)測數(shù)據(jù)由平臺側(cè)統(tǒng)一定義文件格式和內(nèi)容，上報(bào)后按照預(yù)先分配的電站ID 標(biāo)示電站并檢查文件格式內(nèi)容是否符合要求，根據(jù)定義的動態(tài)文件解析規(guī)則對文件進(jìn)行解析。

（2）模型管理。對江蘇省各電站的信息進(jìn)行配置。例如：對電站的基本信息（名稱、類型、總?cè)萘?、并網(wǎng)容量、地理位置）等信息進(jìn)行設(shè)置。

（3）采集數(shù)據(jù)質(zhì)量管理。建立采集數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)對新能源發(fā)電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的有效、全面治理。設(shè)計(jì)各種信息校驗(yàn)算法，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)質(zhì)量考核，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效監(jiān)控。

（4）綜合場景監(jiān)測。按照區(qū)域、地市、電站、單機(jī)的維度對新能源電站的運(yùn)行狀態(tài)開展集中監(jiān)控。分別從地市/區(qū)域維度體現(xiàn)地市/分區(qū)的總裝機(jī)容量、實(shí)時(shí)出力、發(fā)電量情況等；從電站維度對電站的基本信息、機(jī)組分布情況、電站的出力/風(fēng)速走勢、消納情況及電量走勢進(jìn)行全面監(jiān)視；從單機(jī)維度對單機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、功率、電量情況進(jìn)行全面監(jiān)視。

（5）并網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測。依據(jù)已接入數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)新能源發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量考核指標(biāo)體系。根據(jù)建立的指標(biāo)體系，對新能源發(fā)電電能質(zhì)量開展在線監(jiān)測分析，及時(shí)掌握并網(wǎng)電壓、功率越限等情況，并進(jìn)行越限告警。

（6）消納監(jiān)測分析。設(shè)計(jì)監(jiān)控指標(biāo)，對風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)重新規(guī)范化定義，實(shí)現(xiàn)理論發(fā)電量、電網(wǎng)限額、受損電量、場外陪停受損電量等功能，準(zhǔn)確區(qū)分場內(nèi)、場外棄風(fēng)電量，進(jìn)行在線監(jiān)測。通過準(zhǔn)確的電量計(jì)算結(jié)果，在平臺中生成地區(qū)、風(fēng)電場機(jī)組利用小時(shí)數(shù)，完成差異率統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果評估風(fēng)電場設(shè)備情況及運(yùn)行維護(hù)情況。

（7）氣象資源監(jiān)視。依托接入的高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，通過風(fēng)速、降水、輻照度、溫度、濕度等不同維度對江蘇/華東/送端地區(qū)的氣象情況進(jìn)行全面監(jiān)視；同時(shí)對地市平均風(fēng)速、平均風(fēng)速同比/環(huán)比情況進(jìn)行監(jiān)視。

（8）營銷分布式光伏出力估計(jì)。根據(jù)接入的光伏電站（含營銷分布式光伏電站）數(shù)據(jù)以及高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，建立營銷分布式光伏實(shí)時(shí)出力估計(jì)模型及預(yù)測模型，估計(jì)江蘇省各區(qū)域營銷分布式光伏實(shí)時(shí)出力，并結(jié)合0~72 h高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，預(yù)測營銷分布式光伏電站出力。

（9）發(fā)電預(yù)測。依托采集的電站預(yù)測數(shù)據(jù)，結(jié)合高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，開展電站出力預(yù)測工作。對上報(bào)的預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化整合，實(shí)現(xiàn)電站、地址、分區(qū)多維度的電站出力預(yù)測。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)

平臺接入的數(shù)據(jù)比較多源化，各系統(tǒng)或單位提供的數(shù)據(jù)格式有所不同，因此需要采用不同的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后再存儲至數(shù)據(jù)庫。例如，高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)采用的是NETCDF格式，需要通過動態(tài)鏈接庫的解析方式；調(diào)度D5000 系統(tǒng)、中國電科院提供的數(shù)據(jù)采用E文本，需要采用文本格式定義對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

2.2 Kafka消息隊(duì)列技術(shù)

通過定義適用于業(yè)務(wù)場景的MQTT 協(xié)議配合消息隊(duì)列技術(shù)，在多源化數(shù)據(jù)的情況下，完成業(yè)務(wù)解耦，提高整體處理性能與可用性，解決了分布式物聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)和并行處理的問題。

2.3 Redis數(shù)據(jù)分層技術(shù)

使用數(shù)據(jù)分層技術(shù)，解決在業(yè)務(wù)具有一定多樣性場景下數(shù)據(jù)整合速度慢、維度多的問題。利用數(shù)據(jù)分層技術(shù)按照業(yè)務(wù)將數(shù)據(jù)定義為不同的數(shù)據(jù)熱度，提高整合速度，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

2.4 Flink流計(jì)算技術(shù)

通過全面使用基于內(nèi)存的分布式流計(jì)算，解決平臺中對各類業(yè)務(wù)需要的實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果輸出，利用高速內(nèi)存和分布式流對復(fù)雜計(jì)算業(yè)務(wù)進(jìn)行切割拆分，由若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算結(jié)果的快速輸出。

2.5 營銷分布式光伏發(fā)電功率估算技術(shù)

營銷分布式光伏因建設(shè)成本等原因，無法安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備，因此無法實(shí)時(shí)監(jiān)測并實(shí)時(shí)采集各設(shè)備的數(shù)據(jù)。目前營銷分布式光伏是將光伏電站中的逆變器、電表等設(shè)備的數(shù)據(jù)通過下接路由器等通信協(xié)議收集起來，并用GPRS 的上接方式傳送到用電信息采集系統(tǒng)［2］。采用GPRS 傳輸存在傳輸帶寬、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等問題，為了解決該問題，采用了一種基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泰森多邊形內(nèi)營銷分布式光伏發(fā)電功率估算方法，根據(jù)泰森多邊形原理將面積為10.72 萬平方公里的江蘇省劃分為900 多個(gè)泰森多邊形，找出泰森多邊形內(nèi)的氣象觀測數(shù)據(jù)（例如輻照度等）。然后再通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練得出訓(xùn)練模型，根據(jù)訓(xùn)練模型估算發(fā)電功率［3-4］。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果

平臺已在江蘇省上線運(yùn)行，目前已實(shí)現(xiàn)江蘇省約2 740 萬千瓦規(guī)模風(fēng)電場、光伏電站的全面采集與監(jiān)視。截至2021 年4 月，已接入風(fēng)電場129 座（風(fēng)電機(jī)組4 798臺）、統(tǒng)調(diào)光伏電站36座（光伏逆變器單機(jī)16 861臺）、非統(tǒng)調(diào)集中式光伏電站414座、非統(tǒng)調(diào)分布式光伏電站750 座，合計(jì)監(jiān)視風(fēng)電容量約1 541 萬千瓦，光伏容量約1 195萬千瓦。平臺具備運(yùn)行監(jiān)測、氣象資源監(jiān)視、營銷分布式光伏出力估計(jì)與預(yù)測等功能，具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4 結(jié)語

在新能源電站接入比例逐漸提高的情況下，為應(yīng)對江蘇新能源快速發(fā)展的趨勢以及為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)了省級風(fēng)電及光伏運(yùn)行監(jiān)測分析平臺，實(shí)現(xiàn)江蘇省風(fēng)電及光伏運(yùn)行全監(jiān)測。平臺的投入使用有利于電網(wǎng)規(guī)劃，促進(jìn)江蘇電網(wǎng)與新能源協(xié)調(diào)發(fā)展，并為業(yè)務(wù)部門的統(tǒng)計(jì)分析提供有力支撐。