一種新能源電站的綜合通信管理系統(tǒng)及其應(yīng)用

李 莉，孫耀東，丁浩川

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

國家“十四五”規(guī)劃中明確提出實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，隨著國家大力推動重點領(lǐng)域節(jié)能降碳革新，制定碳達(dá)峰行動方案，全面開始建設(shè)綠色制造體系，新型電力系統(tǒng)以光伏、風(fēng)電、水電等作為重要資源的新能源電站被大力推廣并建設(shè)，從而推動電網(wǎng)穩(wěn)定快速發(fā)展。國家能源局規(guī)劃2030 年非化石能源消費占比達(dá)到25%左右和風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量達(dá)到12億kW以上［1-2］。因此未來新能源發(fā)電將成為趨勢，風(fēng)力、太陽能作為優(yōu)質(zhì)自然資源，具有構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的天然條件和優(yōu)勢，發(fā)展風(fēng)電、光伏新能源電站能夠推動電網(wǎng)后續(xù)革新［3］。

新能源對自然資源具有絕對的依賴，其布局分散、運行環(huán)境復(fù)雜等特點，給新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和運行帶來難題。新能源電站自動化設(shè)備類型種類繁多，不同廠家設(shè)備之間通訊接口類型不同，給新能源電站現(xiàn)場的施工調(diào)試及后續(xù)的運維帶來很多困難，大量新能源電站并網(wǎng)也影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為充分利用自然資源，確保采集的新能源數(shù)據(jù)信息、實時監(jiān)視設(shè)備運行狀態(tài)、傳輸系統(tǒng)控制指令等通信的準(zhǔn)確性和及時性，掌握新能源電站未來發(fā)電能力，本文提出了一種用于新能源電站的綜合通信管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒄緝?nèi)所接入的設(shè)備及主站系統(tǒng)集中管理并入新能源電站，使得新能源主站端有效集控運營，提升遠(yuǎn)方控制水平，統(tǒng)籌區(qū)域電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟運行［4-6］。

1 新能源電站架構(gòu)

新能源電站中接入的設(shè)備及系統(tǒng)主要有：風(fēng)電系統(tǒng)（風(fēng)電機組）、光伏系統(tǒng)（光伏逆變器）、測風(fēng)塔、環(huán)境監(jiān)測儀、功率預(yù)測系統(tǒng)、AGC 系統(tǒng)、AVC 系統(tǒng)、升壓站設(shè)備、無功補償裝置等。以綜合通信管理系統(tǒng)為依托的新能源綜合通信管理裝置通過串口或網(wǎng)絡(luò)方式與新能源電站的接入設(shè)備和系統(tǒng)建立通信并采集各種信息統(tǒng)一管理，不同設(shè)備的通信通道相互獨立。產(chǎn)生的信息類型有遙信量、遙測量、電能量、遙調(diào)量、控制命令、E 文件等。有些地方配置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以將生成的圖像文件傳送至綜合通信管理系統(tǒng)，方便主站端調(diào)閱［7］。同時新能源綜合通信管理裝置還與新能源主站系統(tǒng)建立通信，通過綜合通信管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令、文件等信息的交互。

光伏系統(tǒng)子陣多，控制命令通常會同時刻發(fā)出，綜合通信管理系統(tǒng)能夠?qū)刂泼钊赫{(diào)群控，管理光伏站各個逆變器，并將調(diào)節(jié)結(jié)果反饋給主站系統(tǒng)。升壓站、AGC/AVC 系統(tǒng)、光伏子站、風(fēng)機系統(tǒng)、功率預(yù)測等數(shù)據(jù)量較大，通常會將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為E 文件存儲并通過綜合通信管理系統(tǒng)傳送給新能源主站系統(tǒng)。同樣，新能源主站系統(tǒng)將統(tǒng)計的氣象預(yù)測信息文件、消息信息文件由綜合通信管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給下行接入的設(shè)備。

典型的新能源電站系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 新能源電站系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of new energy power station

2 新能源綜合通信管理系統(tǒng)架構(gòu)

在變電站自動化通信系統(tǒng)中通常采用通信及規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置作為中間層，對上與監(jiān)控系統(tǒng)、保信裝置通信，對下與繼電保護(hù)裝置、電度表、直流屏等智能設(shè)備通信，數(shù)據(jù)主要以遙信、遙測、遙脈、遙控等類型為主，傳輸數(shù)據(jù)不符合規(guī)范時，需要通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以便符合通信及規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置的數(shù)據(jù)類型接口要求。接入設(shè)備或數(shù)據(jù)量較大時，通信及規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置實時處理能力有限，必須多臺協(xié)調(diào)工作；當(dāng)通信需要以文件形式發(fā)布/調(diào)閱時，通信及規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置需要進(jìn)行重大改變才能支撐。

為了保證數(shù)據(jù)的實時性、準(zhǔn)確性與完整性，且能夠?qū)?shù)據(jù)以文件形式進(jìn)行傳輸，新能源綜合通信管理系統(tǒng)采用多線程和多個子系統(tǒng)的設(shè)計方案［8-10］，分解出實時庫子系統(tǒng)、歷史庫子系統(tǒng)、通信協(xié)議庫子系統(tǒng)、時鐘同步子系統(tǒng)、雙機冗余子系統(tǒng)、邏輯運算子系統(tǒng)、開出子系統(tǒng)、人機界面子系統(tǒng)、高級應(yīng)用子系統(tǒng)等［11-12］，各個子系統(tǒng)既能夠獨立運行又能夠交互協(xié)作，靈活地滿足各種需求和擴展功能，系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2 新能源綜合通信管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of new energy integrated communication management system

新能源綜合通信管理系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)功能如表1所示。

表1 分解子系統(tǒng)Table 1 Subsystem decomposition

2.1 通信協(xié)議庫子系統(tǒng)

綜合通信管理系統(tǒng)區(qū)別于其他通信產(chǎn)品的關(guān)鍵部分在于通信協(xié)議庫子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)對新能源自動化通信中具有承上啟下的作用。通信協(xié)議庫子系統(tǒng)上行和下行的遙信量、遙測量、電能量、遙調(diào)量等數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC60870-5-101、IEC60870-5-102、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MODBUS、部 頒CDT 等 協(xié)議［13-14］進(jìn)行交互，而文件采用IEC60870-5系列規(guī)約基礎(chǔ)上制定的新能源電站信息傳輸規(guī)約，該規(guī)約與IEC60870-5定義的標(biāo)準(zhǔn)保持最大限度的兼容，從而保證與不同廠家設(shè)備的通訊協(xié)議具備良好的接入性。

綜合通信管理系統(tǒng)文件交互的基本流程如圖3所示。

圖3 文件交互流程Fig.3 File interaction flow

新能源綜合通信管理系統(tǒng)接收文件處理的詳細(xì)流程為：

1）功率預(yù)測系統(tǒng)/視頻監(jiān)控系統(tǒng)/新能源主站作為客戶端，主動發(fā)起通信連接請求，新能源綜合通信管理系統(tǒng)作為服務(wù)端，響應(yīng)連接建立確認(rèn)。

2）通信連接建立后，功率預(yù)測系統(tǒng)將短期預(yù)測結(jié)果文件、視頻監(jiān)控系統(tǒng)將圖像文件、新能源主站系統(tǒng)將氣象預(yù)報文件等幾種文件的存儲路徑發(fā)送給服務(wù)端，服務(wù)端確認(rèn)路徑是否存在，不存在則創(chuàng)建該路徑用于文件存儲。文件路徑需要能夠反映文件類型，通常文件存儲路徑與文件類型關(guān)系如表2所示。

表2 文件路徑名稱與文件類型Table 2 File path name and file type

3）路徑建立后，客戶端將收集到的文件名稱、文件大小、MD5 校驗值等信息發(fā)送給服務(wù)端；服務(wù)端對此信息進(jìn)行確認(rèn)，并判斷該文件在存儲路徑中是否已存在，若存在則回復(fù)已存在，客戶端將不進(jìn)行后續(xù)步驟，等待新的文件產(chǎn)生后再從步驟1）重新開始執(zhí)行；若不存在進(jìn)入步驟4）。

4）文件信息確認(rèn)后，客戶端開始將文件數(shù)據(jù)內(nèi)容傳輸給服務(wù)端，由文件庫子系統(tǒng)統(tǒng)一管理。

5）文件內(nèi)容發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)端進(jìn)行結(jié)束確認(rèn)。此時文件傳輸流程結(jié)束，下一個文件產(chǎn)生后，重復(fù)1）-5）步驟。

新能源綜合通信管理系統(tǒng)發(fā)送文件處理的詳細(xì)流程為：

1）功率預(yù)測系統(tǒng)/新能源主站作為客戶端，主動發(fā)起通信連接請求，新能源綜合通信管理系統(tǒng)作為服務(wù)端，響應(yīng)連接建立確認(rèn)；

2）通信連接建立后，客戶端將文件路徑、名稱等信息發(fā)送給服務(wù)端，通知其需要召喚該文件；服務(wù)端的文件庫子系統(tǒng)對此文件進(jìn)行查找，文件已存在則通知客戶端準(zhǔn)備接收文件數(shù)據(jù)信息，文件不存在則通知客戶端等待下一周期查詢；

3）服務(wù)端開始傳輸文件數(shù)據(jù)內(nèi)容給客戶端；

4）文件發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)端進(jìn)行結(jié)束確認(rèn)，下一周期到達(dá)后，重復(fù)1）-4）步驟。

通常文件應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）定義如表3，此APDU可適用于大部分地區(qū)的文件傳輸要求。

表3 文件應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)Table 3 File application protocol data unit(APDU)

2.2 新能源數(shù)據(jù)管理

為滿足新能源電站對數(shù)據(jù)的要求，新能源綜合通信管理系統(tǒng)能夠通過邏輯運算子系統(tǒng)計算以下數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲［15-18］：

1）實時矢量平均量，如對風(fēng)速、風(fēng)向等實時氣象要素數(shù)據(jù)進(jìn)行時間滑差式矢量平均計算形成實時矢量平均量，計算數(shù)據(jù)周期可設(shè)為1 min、5 min、10 min、15 min；

2）實時算數(shù)平均量，如對風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、氣壓、濕度、輻照度等重要實時氣象要素數(shù)據(jù)以及實時有功功率進(jìn)行時間滑差式算術(shù)平均計算形成實時算數(shù)平均量；

3）自定義計算量，如支持加、減、乘、除的符號運算，邏輯判斷運算以及函數(shù)等生成新的實時計算量。

新能源綜合通信管理系統(tǒng)能夠存儲實時數(shù)據(jù)量，且根據(jù)不同應(yīng)用場景支持配置存儲周期，通常至少支持存儲60 d，便于新能源主站系統(tǒng)調(diào)度使用。

E語言文件用于存儲功率預(yù)測設(shè)備產(chǎn)生的日短期預(yù)測結(jié)果、超短期預(yù)測結(jié)果、氣象預(yù)報系統(tǒng)產(chǎn)生的氣象預(yù)報文件、視頻監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的視頻圖像文件，文件相關(guān)信息定義如表4所示。

表4 文件信息Table 4 File information

日短期預(yù)測結(jié)果文件和超短期預(yù)測結(jié)果文件由功率預(yù)測系統(tǒng)傳輸給新能源主站系統(tǒng)，從而上送調(diào)度，用于電網(wǎng)安排發(fā)電計劃規(guī)劃和管理。功率預(yù)測系統(tǒng)要產(chǎn)生精確的預(yù)測數(shù)據(jù)，要求高分辨率高精度的數(shù)值天氣預(yù)報作為數(shù)據(jù)依托［19-21］，因此氣象預(yù)報文件由氣象預(yù)報系統(tǒng)傳輸給新能源主站系統(tǒng)，再由新能源主站系統(tǒng)通過新能源綜合通信管理系統(tǒng)下發(fā)給功率預(yù)測系統(tǒng)，從而提升功率預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測精度。

圖像文件使用JPG 或者PNG 格式，由現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)周期上送，通過新能源綜合通信管理系統(tǒng)傳輸至新能源主站系統(tǒng)，并可在線展示，供運維人員了解現(xiàn)場實時情況，從而及時發(fā)現(xiàn)問題并處理。

3 工程應(yīng)用

使用新能源綜合通信管理系統(tǒng)的新型電力系統(tǒng)已在內(nèi)蒙、貴州、云南等地投入建設(shè)及并網(wǎng)運行。以貴州新能源電站系統(tǒng)為例，新能源綜合通信管理裝置采用綜合通信管理系統(tǒng)架構(gòu)，現(xiàn)場實施自動化系統(tǒng)部分如圖4所示。

圖4 工程實施系統(tǒng)Fig.4 Project implementation system

貴州新能源電站分布了3 個區(qū)，綜合通信管理裝置部署在II區(qū)，采用了雙機冗余配置方式，接入了功率預(yù)測系統(tǒng)；I區(qū)接入了保護(hù)測控裝置、風(fēng)機系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、AGC/AVC 系統(tǒng)，現(xiàn)場經(jīng)過防火墻接入了綜合通信管理系統(tǒng)；天氣預(yù)報系統(tǒng)設(shè)在III 區(qū)，通過正方向隔離接入綜合通信管理系統(tǒng)與主站通信。此設(shè)計方案已在貴州新型電力系統(tǒng)中投入實施，高效地利用了風(fēng)能、太陽能等自然資源，通過文件傳輸數(shù)據(jù)極大地提高了變電站自動化系統(tǒng)的通信能力，推動了新能源電力系統(tǒng)在貴州地區(qū)的落地應(yīng)用。

4 結(jié)語

隨著“雙碳”工作的不斷推進(jìn)，使用自然資源建設(shè)新型電力系統(tǒng)成為電力行業(yè)的重要發(fā)展方式。本文對風(fēng)電、光伏電站在推動新型電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的新能源綜合通信管理系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，新能源電站的自動化通信系統(tǒng)采用綜合通信管理系統(tǒng)作為中間層，對上與新能源主站系統(tǒng)等進(jìn)行通信，對下與風(fēng)機系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、功率預(yù)測系統(tǒng)、AGC/AVG 系統(tǒng)等多種設(shè)備進(jìn)行通信，并對數(shù)據(jù)量較大的文件信息在系統(tǒng)交互中的過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。以新能源綜合通信管理系統(tǒng)為依托建設(shè)新型電力系統(tǒng)的方案對工程應(yīng)用具有一定的實用價值，在“雙碳”目標(biāo)下推動電網(wǎng)發(fā)展、有效集控運營、統(tǒng)籌區(qū)域電網(wǎng)安全發(fā)揮著重要作用。