基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)無功調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張志明,朱群強(qiáng), 張宇舟,肖文君

(1.湖南勞動(dòng)人事職業(yè)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410137;2.湖南湘投新能源有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410036)

0 引言

當(dāng)前各風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償裝置(Static Var Generator,SVG)采用的方式為人工切除和選擇補(bǔ)償模式。人工切除和選擇補(bǔ)償模式是當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)需要進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí),風(fēng)電場(chǎng)集控中心通知工作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況切換無功補(bǔ)償方式,此操作過程需要大量專業(yè)人員進(jìn)行熟練配合才能完成,因此,這樣的人工操作具有反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、操作效率低、存在安全事故等缺點(diǎn)[1]。除此之外,低效的人工SVG運(yùn)行和維護(hù),不僅影響了風(fēng)電場(chǎng)本身的生產(chǎn)效益,還會(huì)因未能及時(shí)投入SVG導(dǎo)致功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)而受到處罰,造成額外的支出。因此,急需解決這些問題。

如今大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展,在電力、醫(yī)學(xué)、天文、交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。因此,可以采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一套風(fēng)電場(chǎng)SVG遠(yuǎn)程監(jiān)控一體化系統(tǒng)方案[2]。該SVG遠(yuǎn)控系統(tǒng)包括了SVG系統(tǒng)投切、運(yùn)行方式切換、對(duì)應(yīng)指標(biāo)的設(shè)定[3]。同時(shí),利用該系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生和累積的大量數(shù)據(jù),可預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的運(yùn)行趨勢(shì),對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié),提高生產(chǎn)效率,降低運(yùn)行成本[4]。

1 SVG監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

整個(gè)SVG遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體內(nèi)容包括:系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)的采集、通信環(huán)境建立與系統(tǒng)平臺(tái)搭建以及SVG運(yùn)行方式動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換界面設(shè)計(jì)。采集控制器通過采集各類傳感器數(shù)據(jù),傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ),并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦和手機(jī)端,最終在風(fēng)場(chǎng)集控中心的工作站實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能[5]。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SVG監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

該SVG遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候,首先應(yīng)先進(jìn)行底層數(shù)據(jù)的采集,并構(gòu)建SVG機(jī)房的通信網(wǎng)絡(luò)。在SVG機(jī)房和設(shè)備周邊加裝溫濕度傳感器、粉塵傳感器等終端設(shè)備,并通過采集控制器將采集到的傳感器數(shù)據(jù)和SVG自身數(shù)據(jù)上傳到前端處理器,完成對(duì)底層原始數(shù)據(jù)的采集[6]。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察和評(píng)估設(shè)計(jì),最終得到了如圖2所示的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集框圖。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

1.2 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)搭建

該監(jiān)控系統(tǒng)通信的建立是通過有線的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。在機(jī)房安裝SVG通信控制箱,內(nèi)置工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、前端處理器;在本地集控中心安裝監(jiān)控工作站。從SVG機(jī)房通信柜內(nèi)的通信端子引出通信線接入通信控制箱中(以太網(wǎng)或者485通信端子),敷設(shè)通信控制箱到本地監(jiān)控中心監(jiān)控工作站的光纖,完成SVG監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)搭建。

1.3 SVG運(yùn)行方式動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換界面設(shè)計(jì)

目前,SVG有4種運(yùn)行方式:恒功率因素、恒電壓、恒無功、負(fù)荷補(bǔ)償[7]。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的自然條件,當(dāng)風(fēng)場(chǎng)出力低,風(fēng)機(jī)頻繁偏航消耗無功,拉低電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓,SVG監(jiān)控系統(tǒng)能跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)處功率因數(shù)補(bǔ)償無功。當(dāng)風(fēng)場(chǎng)出力高,主變低壓側(cè)補(bǔ)充無功易導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)過壓,SVG監(jiān)控系統(tǒng)跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)處電壓補(bǔ)償無功[8]。當(dāng)功率因數(shù)與電壓均符合要求時(shí),SVG可處于熱備用狀態(tài),節(jié)省場(chǎng)用電,延長(zhǎng)本體運(yùn)行壽命。根據(jù)各風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)布局、集電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等具體情況,定制適“一場(chǎng)一策”配性的無功調(diào)度策略,設(shè)定特定觸發(fā)條件,轉(zhuǎn)換運(yùn)行狀態(tài)[9]。

除此之外,該SVG監(jiān)控系統(tǒng)通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化,通過接收SCADA系統(tǒng)里面的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù),解析出各臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù),并與風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián),形成單臺(tái)風(fēng)機(jī)小范圍氣象系統(tǒng),對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)出力進(jìn)行超短期預(yù)測(cè),針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)微電網(wǎng)風(fēng)機(jī)、集電線路等各點(diǎn)的電壓情況和無功需求,可即時(shí)就近調(diào)整出力,實(shí)現(xiàn)無功就地平衡。貫通風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)EMS、功率預(yù)測(cè)等各系統(tǒng)信息,實(shí)時(shí)分析風(fēng)場(chǎng)電氣狀態(tài),采用智能算法,減少或消除SVG或FC出力支撐,為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行提供智能控制[10]。該系統(tǒng)智能化控制流程如圖3所示。

圖3 SVG監(jiān)控系統(tǒng)智能化控制流程

最終將該SVG監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)模塊組裝起來,經(jīng)過多次運(yùn)行調(diào)試,并將其應(yīng)用于某風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試達(dá)到了預(yù)期的效果。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

將此套系統(tǒng)應(yīng)用于湖南某風(fēng)場(chǎng),通過控制SVG接入電網(wǎng)的時(shí)間,不僅可以將SVG壽命延長(zhǎng),而且通過及時(shí)將SVG接入電網(wǎng)補(bǔ)償無功功率,還可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益[11]。如表1所示,統(tǒng)計(jì)平均每月該風(fēng)電場(chǎng)的電費(fèi)處罰數(shù)據(jù)和功率因素。

表1 風(fēng)電場(chǎng)裝入該系統(tǒng)后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

如表1所示,通過將人工接入SVG月平均功率和系統(tǒng)自動(dòng)SVG月平均功率統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析看出(國(guó)家電網(wǎng)規(guī)定風(fēng)電場(chǎng)的功率因素必須為0.95～1[12]),功率因素有了大大的提高,月產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)處罰數(shù)額大大減少,不僅給風(fēng)電場(chǎng)帶來了好的經(jīng)濟(jì)利益,而且大大提高了風(fēng)電場(chǎng)的智能化水平。

3 結(jié)語

綜上所述,SVG監(jiān)控系統(tǒng)將各個(gè)模塊組裝安裝調(diào)試成功,不僅實(shí)現(xiàn)了SVG的自動(dòng)切換功能,避免了人工操作引起的安全事故,而且通過采集SVG機(jī)房中的數(shù)據(jù)和風(fēng)機(jī)參數(shù),實(shí)現(xiàn)SVG監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)下發(fā)控制指令,對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié),提高了生產(chǎn)效率,降低了運(yùn)行成本,保障了人身安全。未來,可進(jìn)一步引入人工智能技術(shù),將采集到的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)模型可實(shí)現(xiàn)SVG接入的智能決策,可為風(fēng)電企業(yè)安全穩(wěn)定發(fā)展,為國(guó)家能源發(fā)展、用電安全作出貢獻(xiàn)。