新能源并網(wǎng)發(fā)電遠程測試診斷系統(tǒng)架構(gòu)研究

王 琦，丁 瑋

（山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101）

隨著新能源并網(wǎng)發(fā)電測試診斷需求的不斷提高，遠程測試診斷技術(shù)應(yīng)運而生，它是由計算機、網(wǎng)絡(luò)通信和測試診斷等技術(shù)手段相結(jié)合的一種測試診斷方式[1]。對于現(xiàn)場設(shè)備并網(wǎng)測試數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)來說，遠程測試診斷系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程短時傳送以及異地專家分析，能夠減輕由于現(xiàn)場技術(shù)人員不足所造成的工作壓力，保證測試診斷數(shù)據(jù)的實時性。傳統(tǒng)的遠程測試診斷系統(tǒng)為了達到降低風電場和光伏電站投資成本的目的，故而搭建基于混合模式的遠程測試診斷系統(tǒng)架構(gòu)，即測試診斷分析中心與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心異地部署：在科研院所部署測試診斷分析中心，本地監(jiān)控中心搭建在風電場和光伏電站內(nèi)部。但異地部署的主要問題在于測試診斷數(shù)據(jù)存儲在測試現(xiàn)場，而知識庫卻存儲在診斷中心，這就面臨著系統(tǒng)診斷信息無法實現(xiàn)全局共享的問題。同時風電場和光伏電站也需要更多的計算能力和存儲能力來應(yīng)對隨著風電場和光伏電站的快速發(fā)展而導致的電站設(shè)備數(shù)量以及設(shè)備歷史故障診斷數(shù)據(jù)愈發(fā)增多的問題[2]。

1 遠程測試診斷平臺架構(gòu)設(shè)計

平臺架構(gòu)由數(shù)據(jù)源、并網(wǎng)遠程測試與診斷數(shù)據(jù)平臺、具體應(yīng)用和展示發(fā)布三部分構(gòu)成，下一級為上一級提供服務(wù)。

數(shù)據(jù)源是基礎(chǔ)，包括風電場SCADA數(shù)據(jù)、光伏電站集中監(jiān)控數(shù)據(jù)、升壓站綜自數(shù)據(jù)、并網(wǎng)特性測試裝置數(shù)據(jù)等新能源并網(wǎng)發(fā)電實時狀態(tài)運行數(shù)據(jù)。研究不同源數(shù)據(jù)的特點和數(shù)據(jù)接口，提出滿足電網(wǎng)信息安全防護要求與遠程測試需求的新能源并網(wǎng)發(fā)電遠程測試與診斷大數(shù)據(jù)接入方法和實現(xiàn)方案。

并網(wǎng)遠程測試與診斷數(shù)據(jù)平臺是核心，構(gòu)建面向新能源并網(wǎng)特性測試數(shù)據(jù)與實時狀態(tài)運行數(shù)據(jù)等復雜數(shù)據(jù)的全新的新能源并網(wǎng)發(fā)電遠程測試診斷軟硬件支撐平臺。平臺能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的同步采集與存儲，同時訪問接口的信息發(fā)布情況滿足測試診斷需求。數(shù)據(jù)平臺中的計算引擎結(jié)合新能源設(shè)備臺帳等信息對狀態(tài)數(shù)據(jù)和測試特性數(shù)據(jù)進行計算處理，提高數(shù)據(jù)處理效率。

具體應(yīng)用和數(shù)據(jù)展示發(fā)布是落腳點。在數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)上，對測試設(shè)備進行狀態(tài)評價和量化分析，實現(xiàn)面向試驗人員、檢測設(shè)備、測試流程、海量數(shù)據(jù)等多源信息融合的設(shè)備管理；進行數(shù)據(jù)挖掘和邏輯計算，針對新能源電站設(shè)備的性能狀態(tài)，給出故障診斷和分析結(jié)果并進一步提出問題解決方案，實現(xiàn)基于全壽命周期的新能源電站設(shè)備遠程專家故障診斷。

2 遠程測試診斷系統(tǒng)平臺功能實現(xiàn)

為保證數(shù)據(jù)的實時一致性，系統(tǒng)在各測試節(jié)點采用分層混合式的式中同步算法進行時鐘同步。同時，針對采樣頻率不同的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用內(nèi)插外推和最小二乘法對其進行處理。為節(jié)省傳輸時間，節(jié)約帶寬和存儲空間，系統(tǒng)還對采集的數(shù)據(jù)進行了壓縮處理。新能源遠程并網(wǎng)試驗與檢測數(shù)據(jù)中心由實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB發(fā)布服務(wù)器、數(shù)據(jù)計算及遠程視頻服務(wù)器組成；現(xiàn)場試驗管理與現(xiàn)場數(shù)據(jù)集中監(jiān)控由遠程視頻、集控系統(tǒng)、現(xiàn)場服務(wù)器等組成；新能源分布式數(shù)據(jù)采集功能單元既可獨立使用，完成單一測試和數(shù)據(jù)分析功能，又可組合使用，充當現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)備。

現(xiàn)場試驗管理與現(xiàn)場數(shù)據(jù)集中監(jiān)控部分在一定程度上可看做遠程通信的中繼分站，采用雙口RAM、雙單片機結(jié)構(gòu)，通信接口為RS232/485信號轉(zhuǎn)換設(shè)備，可同時與現(xiàn)場分布式數(shù)據(jù)采集功能單元和新能源遠程并網(wǎng)試驗與檢測數(shù)據(jù)中心進行遠程雙向網(wǎng)絡(luò)通信，接收遠程數(shù)據(jù)測試中心的遠程測試配置指令，下發(fā)控制指令給分布式數(shù)據(jù)采集設(shè)備功能單元完成現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)打包傳輸。

2.1 通信功能

系統(tǒng)具備與各模塊硬件平臺設(shè)備和新能源并網(wǎng)發(fā)電遠程測試平臺、遠程網(wǎng)絡(luò)通信的功能，完成數(shù)據(jù)通信、節(jié)點配置、遠程監(jiān)控等，同時提供其他通信總線接口如485、USB、以太網(wǎng)接口等。通信方式采用混合通信方式，既支持光纖以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)，同時支持無線通信方式，包括短距離無線網(wǎng)路、GPRS網(wǎng)絡(luò)Intenet接入、直接接入和通過數(shù)據(jù)單元接入方式等。具備規(guī)約轉(zhuǎn)換功能，通信規(guī)約支持多種標準電力通信規(guī)約。

測試數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場與遠程數(shù)據(jù)中心之間主要通過無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳送[3]。由于所有的通信鏈路都是在internet的基礎(chǔ)上建立的，控制、維護等典型用戶都可遠程訪問大量有用信息。與場站外部進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，需要進行數(shù)據(jù)加密與身份認證。安全認證的邏輯定點在遠程數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器連接是遠程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的邏輯節(jié)點與場站訪問點服務(wù)器的邏輯節(jié)點之間建立的通信鏈路。訪問點與服務(wù)器邏輯地址對應(yīng)。

2.2 遠程測試參數(shù)配置功能

遠程測試參數(shù)配置功能能夠下發(fā)新能源并網(wǎng)發(fā)電遠程測試平臺的遠程測試參數(shù)配置指令，下發(fā)控制指令給各模塊硬件平臺功能單元完成集中監(jiān)控系統(tǒng)所要求的對測試參數(shù)如單元測試功能、數(shù)據(jù)采集參量、數(shù)據(jù)存儲、采樣頻率、通信規(guī)約和云計算輔助等的配置。

場站的測試單元都是采用串口控制的，用戶可以在計算機上運行web服務(wù)器通過串口對現(xiàn)場測試單元進行配置和檢測。因此采用遠程通信技術(shù)在新能源遠程并網(wǎng)試驗與檢測數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)場場站之間構(gòu)建異地串口，將遠程數(shù)據(jù)中心的PC機發(fā)出的配置命令和參數(shù)通過internet網(wǎng)絡(luò)及3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綀稣緶y試單元，并按照現(xiàn)場各模塊的配置串口支持的通信協(xié)議對各模塊進行配置參數(shù)操作，遠程參數(shù)配置過程結(jié)束。

3 應(yīng)用于遠程測試診斷平臺的硬件架構(gòu)加工

應(yīng)用于遠程測試診斷平臺的各新能源數(shù)據(jù)采集模塊可獨立裝置使用，對數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場分析，又可充當現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)組合使用，將特性數(shù)據(jù)打包傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理監(jiān)控中心進行存儲分析。新能源并網(wǎng)發(fā)電遠程測試平臺采用虛擬儀器的核心理念進行風電場、光伏電站測試現(xiàn)場各分布式測試數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計，即通過不同的軟件對同一分布式數(shù)據(jù)采集單元硬件平臺進行編程，實現(xiàn)用戶自定義儀器功能，完成實現(xiàn)不同測試數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸。

本文針對新能源并網(wǎng)測試對電能質(zhì)量、無功補償、功率控制等測試標準的要求，適用于風電場和光伏電站的不同測試數(shù)據(jù)的要求，測試數(shù)據(jù)采集測點布置如圖1、圖2所示。

圖1 風電場測試數(shù)據(jù)采集測點布置圖

圖2 光伏電站測試數(shù)據(jù)采集測點布置圖

4 應(yīng)用于遠程測試診斷平臺的軟件功能開發(fā)

本文的新能源數(shù)據(jù)采集裝置在分布式數(shù)據(jù)采集單元硬件平臺的基礎(chǔ)上，通過編程定義不同的軟件功能模塊，實現(xiàn)不同的特性試驗，包括電能質(zhì)量分析模塊、故障行為特性分析模塊、有功功率控制能力測試模塊和防孤島分析模塊。

4.1 電能質(zhì)量分析模塊

在電能質(zhì)量方面，截止至2013年底，我國在參考國際標準IEC61000-4-30的基礎(chǔ)上，制定了符合我國國情的八項國家標準，見表1。但這八項標準并沒有規(guī)定各項電能質(zhì)量參數(shù)的評估方法，只給出了單項參數(shù)的限值。

表1 電能質(zhì)量相關(guān)標準

國外很早就開始研究電能質(zhì)量評估方面的問題，目前已提出多種評估方法。但由于電能質(zhì)量包含多種參數(shù)指標，故而對其量化評估沒有形成統(tǒng)一標準[4]。國家電網(wǎng)公司在2016年發(fā)布了企業(yè)標準《電能質(zhì)量評估技術(shù)導則》，該標準仍沒有規(guī)定電能質(zhì)量評估的具體執(zhí)行方法，僅給出了大致方向。因此，我們在研究新能源電能質(zhì)量特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出符合新能源并網(wǎng)特性的電能質(zhì)量評估方法。

電能質(zhì)量分析模塊對電壓偏差、暫態(tài)壓降、三相不平衡、電壓波動、電壓閃變、電壓諧波、頻率偏差、供電可靠性和服務(wù)性指標9項電能質(zhì)量指標進行分析，并依照國家標準將電能質(zhì)量等級分為5級，電能質(zhì)量情況從高到低分別對應(yīng)為優(yōu)質(zhì)、良好、中等、合格、不合格。指標綜合權(quán)重通過采用熵值法和層次分析法分別對客觀權(quán)重、主觀權(quán)重進行線性加權(quán)的方式來確定。首先要得到成本型決策矩陣，即利用線性比例變換法對評估樣本與等級指標進行指標去量綱。成本型決策矩陣在標準歸一化處理的基礎(chǔ)上進一步形成無量綱決策矩陣，最后進行線性加權(quán)處理確定指標的綜合權(quán)重向量。

4.2 故障行為特性分析模塊

故障行為特性分析模塊以光伏風電場故障行為為研究對象。首先需要建立模型，包括風電場動態(tài)模型以及單級式和兩級式并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。模型通過Matlab/Simulink仿真工具箱SimpowerSystem建立。然后利用模型分析其在無窮大電力系統(tǒng)中發(fā)生嚴重三相短路故障時，故障對風電光伏發(fā)電機組出口電壓的影響。監(jiān)測量包括直流母線電壓/電流、有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電壓/電流和轉(zhuǎn)速等。仿真模型輸入由風速、光輻照度和無功功率給定，輸出通過變壓器及輸電線路與電網(wǎng)相連，并采用中國的低電壓穿越（LVRT）標準和美國的高電壓穿越（HVRT）標準驗證發(fā)電機組故障穿越能力。

故障行為特性分析模塊分析故障時光伏、風電場與電網(wǎng)間的相互影響，有功暫態(tài)、無功暫態(tài)特性對故障的影響，以及故障恢復過程中有功功率，無功功率對電網(wǎng)運行的影響[5]。利用阻抗分壓切換在二次測模擬電壓跌落和躍升的暫態(tài)過程，跌落深度90%、80%、70%、60%、50%可調(diào)，高穿幅度為110%、120%，跌落、高穿時間可調(diào)。同時通過對并網(wǎng)點以及無功補償裝置支路無功功率變化的實時跟蹤記錄，完成對無功暫態(tài)和故障恢復時間進行特性分析。

該模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)設(shè)置、故障分析、指標評價以及優(yōu)化控制等功能。針對數(shù)據(jù)顯示功能，擁有實時數(shù)據(jù)、實時曲線與開始采集三個功能選項。通過實時數(shù)據(jù)和實時曲線，可以直觀看出場站運行狀態(tài)。

4.3 有功功率控制能力測試模塊

針對風電場、光伏電站，當前有功功率控制能力測試方法是直接由人工下達控制指令，輸出值采集記錄到單獨的測試裝置中，相關(guān)性能指標通過后期人工處理得到。但這種方法有許多不足之處。

（1）人工下達指令的方式?jīng)]有考慮到系統(tǒng)的整體性，不能準確測試場站響應(yīng)時間；

（2）采用獨立測試裝置采集記錄輸出值，數(shù)據(jù)處理后期工作量大，拉低了測試效率；

（3）后期數(shù)據(jù)人工處理可能導致數(shù)據(jù)失真；

（4）測試過程繁瑣，耗時長，影響系統(tǒng)發(fā)電量。

本模塊是實現(xiàn)風電場、光伏發(fā)電站有功功率控制現(xiàn)場測試一體化運行的系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了風電場、光伏電站有功功率控制測試的自動化，保證了測試效率，有效提高了測試準確度。

有功功率控制能力測試模塊由分布式數(shù)據(jù)采集單元承擔有功功率控制模擬功能，通過模擬調(diào)度單元對被測風電場、光伏發(fā)電站下達負荷指令，將預(yù)先設(shè)置好的功率曲線下發(fā)給遠動機。通過AGC系統(tǒng)實現(xiàn)光伏電站、風電場有功控制，同時實時跟蹤記錄并網(wǎng)點處有功功率變化，并將預(yù)先設(shè)置好的有功功率曲線與實時采集到的有功功率變化曲線擬合到同一時間坐標內(nèi)進行對比，直觀體現(xiàn)光伏電站、風電場有功功率控制能力。

4.4 防孤島分析模塊

防孤島性能能否滿足規(guī)范要求將直接影響風電場、光伏電站并網(wǎng)發(fā)電可靠性。但目前對防孤島性能進行測試分析的方法都各有利弊，還未生成最佳的分析框架，為此，本文提出一種高效、快速的孤島檢測方法，進而全面實現(xiàn)防孤島保護，盡可能的消除孤島效應(yīng)產(chǎn)生的危害。

防孤島分析模塊首先在小波分析的基礎(chǔ)上，實時采集公共連接點（PCC）電壓。公共連接點（PCC）電壓通過Clark轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標向量，通過派克變換將電壓信號轉(zhuǎn)換到只受電壓影響的旋轉(zhuǎn)坐標dq軸上。坐標變換的頻率、相角信息通過鎖相環(huán)技術(shù)得出。在不同尺度下將公共連接點（PCC）電壓通過小波分解技術(shù)分解得到高頻分量，并對高頻分量進行馬拉特算法處理，得到高頻分量特征值。然后針對公共連接點（PCC）電壓進行快速傅里葉變換（FFT），得到75 Hz頻譜的幅值。通過特征值和幅值同時與設(shè)定的孤島闕值進行比較的方式判斷是否發(fā)生孤島。防孤島模塊數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 防孤島模塊數(shù)據(jù)處理流程圖

5 結(jié)束語

本文針對新能源并網(wǎng)發(fā)電的數(shù)據(jù)檢測與診斷評估，分析了包括數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶表現(xiàn)層等多層架構(gòu)的數(shù)據(jù)支撐平臺具體設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了新能源并網(wǎng)發(fā)電遠程測試平臺和設(shè)備管理系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)研究。及時發(fā)現(xiàn)電站設(shè)備隱患并安排檢修，提高并網(wǎng)安全。