劉啟飛 周宏志

(東方電氣自動控制工程有限公司， 四川 德陽， 618000)

基于OPC通訊的風(fēng)場功率管理應(yīng)用

劉啟飛 周宏志

(東方電氣自動控制工程有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章介紹了采用 OPC通訊接口的風(fēng)場功率管理控制軟件的原理、 結(jié)構(gòu)、 流程、 控制功能等， 通過在某大型風(fēng)電場的應(yīng)用測試，整個(gè)功率管理軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足現(xiàn)階段國家電網(wǎng)對風(fēng)機(jī)功率管理的要求。

風(fēng)場； 功率管理； OPC通訊； 電網(wǎng)

0 引言

隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，將會有越來越多的風(fēng)力發(fā)電能量分布于電網(wǎng)配電系統(tǒng)中。風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有較強(qiáng)的分散自治性，其輸出功率往往隨自然風(fēng)速具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和間歇性。因此，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率難以像常規(guī)發(fā)電機(jī)組那樣遵從電網(wǎng)調(diào)度的發(fā)電計(jì)劃。這給系統(tǒng)調(diào)度和穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利影響。隨著國家大力倡導(dǎo)發(fā)展可再生能源，風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加，作為電力系統(tǒng)要接納大容量的風(fēng)電， 需要付出更多的代價(jià)（如更多的備用電源，更多的系統(tǒng)網(wǎng)損）[1]。

1 風(fēng)場功率管理控制要求

風(fēng)電場接入電網(wǎng)規(guī)定要求，風(fēng)電場必須具有有功功率調(diào)節(jié)能力，并能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門的指令控制其有功功率輸出。為了實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場有功功率的控制，風(fēng)電場需安裝有功功率控制系統(tǒng)，能夠接收并自動執(zhí)行調(diào)度部門遠(yuǎn)方發(fā)送的有功出力控制信號，確保風(fēng)電場最大輸出功率及功率變化率不超過電網(wǎng)調(diào)度部門的給定值。

對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，對其進(jìn)行功率管理控制必須要充分滿足國家電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、盡可能充分利用風(fēng)電容量、考慮風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行限制、對風(fēng)力機(jī)組的保護(hù)、系統(tǒng)的自動化管理水平等等。

2 功率管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

功率控制系統(tǒng)軟件配合監(jiān)控軟件完成對風(fēng)電場有功功率的分配和控制。功率控制系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)執(zhí)行功率分配，監(jiān)控系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)將采集到的功率控制軟件需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給功率控制軟件，并將功率控制軟件計(jì)算的風(fēng)力機(jī)的設(shè)定功率轉(zhuǎn)發(fā)給各風(fēng)力機(jī)。整個(gè)風(fēng)電場有功功率控制的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了盡量適應(yīng)當(dāng)前風(fēng)電場的結(jié)構(gòu)，該軟件運(yùn)行在監(jiān)控室 PC機(jī)上， 接收監(jiān)控軟件采集的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，按照設(shè)定周期定時(shí)將功率分配結(jié)果返回給監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件再發(fā)送給各臺風(fēng)力機(jī)，進(jìn)而控制風(fēng)力機(jī)組出力。

2.1 功率管理控制軟件結(jié)構(gòu)

圖1 風(fēng)電場有功功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)電場是由多個(gè)風(fēng)力機(jī)集成的單元，風(fēng)電場控制系統(tǒng)的主要目的是集中控制接入電網(wǎng)的有功功率。風(fēng)電場控制系統(tǒng)不斷收集單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)電場各風(fēng)力機(jī)平均功率，通過功率預(yù)測模塊，預(yù)測在不強(qiáng)加調(diào)度的情況下各臺風(fēng)力機(jī)下一周期的發(fā)電功率，累加算出整個(gè)風(fēng)電場下一周期的預(yù)測發(fā)電功率，同時(shí)對比電網(wǎng)調(diào)度功率，算出兩者差值，通過功率分配模塊將電網(wǎng)調(diào)度功率 P0轉(zhuǎn)換成單個(gè)風(fēng)力機(jī)的功率參考信號 （Pi， i=1， 2， 3…）， 傳送至各臺風(fēng)力機(jī)，強(qiáng)制風(fēng)力機(jī)改變當(dāng)前運(yùn)行狀況，從而滿足整個(gè)風(fēng)電場的電網(wǎng)調(diào)度。風(fēng)電場功率控制軟件如圖2所示。

2.2 功率管理控制軟件功能

風(fēng)電場有功功率控制軟件是為了對整個(gè)風(fēng)電場所有風(fēng)力機(jī)任一時(shí)刻的發(fā)電功率進(jìn)行統(tǒng)一控制，以使得風(fēng)電場輸出功率滿足國家電網(wǎng)要求，保證風(fēng)電場輸出的電能質(zhì)量。

圖2 風(fēng)電場有功功率控制系統(tǒng)模型圖

功率管理控制軟件需要與風(fēng)電場監(jiān)控軟件進(jìn)行通訊，采集風(fēng)速、功率、故障狀態(tài)等信號；功率管理軟件必須具備風(fēng)電場功率預(yù)測功能；具備限值模式、調(diào)整模式、斜率控制模式、差值模式4種控制模式[2]， 可根據(jù)需要選擇采用哪種控制模式；根據(jù)風(fēng)電場功率控制策略計(jì)算每臺可控風(fēng)力機(jī)功率設(shè)定值，滿足電網(wǎng)調(diào)度需求；能夠顯示各臺風(fēng)力機(jī)包括通訊正常、通訊中斷、正常發(fā)電、降功率發(fā)電、停機(jī)等狀態(tài)。

功率管理變化率按照國家電網(wǎng)要求執(zhí)行，見表1。

表1 國家標(biāo)準(zhǔn)功率變化率 （MW）

控制精度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，風(fēng)電場全場控制精度為： Max （1MW， 負(fù)荷變化的 5%）[3]。

3 OPC通訊技術(shù)

OPC （OLE for Process Control） 是為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息， 基于 Windows 的應(yīng)用程序由系統(tǒng)集成商開發(fā)的一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動程序。

3.1 OPC 技術(shù)功能

OPC 規(guī)范了接口函數(shù)， 不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來。

OPC 主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集技術(shù)、 歷史數(shù)據(jù)訪問、報(bào)警和事件處理、數(shù)據(jù)冗余技術(shù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問等， OPC 解決了設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)中的異構(gòu)問題，使控制軟件能夠與硬件分別設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和發(fā)展，并有利于獨(dú)立的第三方軟件供應(yīng)商產(chǎn)生與發(fā)展。

3.2 風(fēng)場監(jiān)控軟件 OPC 通訊數(shù)據(jù)點(diǎn)

風(fēng)場功率管理控制系統(tǒng)，根據(jù)軟件的交互模式，整個(gè)系統(tǒng)管理軟件與上位機(jī)風(fēng)場監(jiān)控軟件之間采用 OPC 接口進(jìn)行通訊， 通訊信息包括 OPC 數(shù)據(jù)點(diǎn)名稱、 IP 地址、 各數(shù)據(jù)點(diǎn)代表的實(shí)際意義，客戶端必須是 OPCuser用戶。

3.3 風(fēng)場監(jiān)控軟件 OPC 通訊流程

風(fēng)場監(jiān)控軟件作為 OPC 服務(wù)器， 功率控制軟件為 OPC客戶端。 功率控制軟件客戶端采用訂閱方式獲得風(fēng)場監(jiān)控軟件 OPC 服務(wù)器中風(fēng)機(jī)和風(fēng)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 即風(fēng)場監(jiān)控軟件 OPC 服務(wù)器的實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)有變化就會通知功率控制軟件 OPC 客戶端； PPM 客戶端采用異步寫的方式， 每控制周期向風(fēng)場監(jiān)控軟件 OPC服務(wù)器寫入每臺風(fēng)機(jī)的設(shè)定值。通訊流程如圖3所示。

圖3 OPC 通信流程

4 風(fēng)電場測試

以下是針對 FD70 型 200 臺風(fēng)機(jī)某大型風(fēng)電場進(jìn)行測試的結(jié)果。 功率控制軟件與 OPC 服務(wù)器能夠建立穩(wěn)定的連接，能夠完全準(zhǔn)確讀寫數(shù)據(jù)點(diǎn)，通訊穩(wěn)定性良好。

4.1 不同風(fēng)速下的功率控制效果分析

不同風(fēng)速下功率控制效果的測試環(huán)境如表2所示。

表2 不同風(fēng)速下功率控制效果測試環(huán)境

測試結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，在高風(fēng)速和低風(fēng)速下，功率控制軟件均能夠較準(zhǔn)確地將輸出功率控制在設(shè)定功率之內(nèi)。

表3 測試結(jié)果

4.2 對調(diào)度功率的響應(yīng)性能測試

測試環(huán)境如表4所示。

表4 測試響應(yīng)性能的環(huán)境

受控風(fēng)機(jī)數(shù)量83臺， 短時(shí)間內(nèi)頻繁修改調(diào)度功率， 跟蹤83臺受控風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)功率總值， 測試結(jié)果如表5所示。

受控風(fēng)機(jī)數(shù)量為 83 臺時(shí)， 平均誤差為4.09%， 誤差較小， 控制效果良好。

表5 83臺風(fēng)機(jī)功率控制使能的數(shù)據(jù)

4.3 功率控制穩(wěn)定性測試

測試環(huán)境如表6所示。

表6 功率控制穩(wěn)定性測試環(huán)境

測試結(jié)果及誤差分析：

對全風(fēng)電場進(jìn)行不間斷的功率控制 38個(gè)小時(shí)，在此期間，功率控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，極個(gè)別的風(fēng)機(jī)由于風(fēng)機(jī)本身控制原因會出現(xiàn)變槳失效或風(fēng)速大于功率的故障，如5號風(fēng)機(jī)等，整個(gè)功率控制過程穩(wěn)定可靠。

4.4 功率控制曲線

開啟功率控制功能后， 控制效果詳見圖4～圖7的曲線圖。

圖4 風(fēng)力發(fā)電廠調(diào)度功率不變時(shí)風(fēng)場功率控制曲線圖

圖5 風(fēng)場調(diào)度功率降低時(shí)功率控制效果曲線圖

圖6 風(fēng)場調(diào)度功率增加時(shí)功率控制曲線圖

圖7 風(fēng)場在功率控制過程頻繁修改功率時(shí)功率控制曲線圖

5 結(jié)論

基于 OPC通訊功率控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了讀寫風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)和風(fēng)電場數(shù)據(jù)的功能，能夠?qū)β瘦敵鲞M(jìn)行穩(wěn)定的控制。

在不同風(fēng)速下給定不同的調(diào)度功率，通過功率控制軟件的控制，風(fēng)電場功率輸出能夠迅速、準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值，且風(fēng)機(jī)狀態(tài)均正常，滿足電網(wǎng)調(diào)度功率控制要求。

[1] 谷峰.基于雙饋機(jī)組風(fēng)電場的功率控制研究 [D].濟(jì)南:山東大學(xué),2009

[2]Anca D.Hansen， Poul Sorensen， Florin Iov.Centralised power control of wind farm w ith doubly fed induction generators[J].Renewable Energy,31 （2006） :935-951

[3] 國家電網(wǎng)公司.風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[Z]. 北京: 國家電力出版社,2006

W ind Power Management and Application Base on OPC Comm unication

Liu Qifei， Zhou Hongzhi
（Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper introduced the principle,structure,process and control function ofwind powermanagement control software with OPC communication interface.After a series of application tests in a large-scale wind farm,the powermanagement software showed stability and reliability， meeting the currentwind turbine powermanagement requirements of State Grid.

wind p lant， power control， OPC communication， grid

劉啟飛 （1976-）， 男， 工程碩士學(xué)位， 工程師， 畢業(yè)于電子科技大學(xué)自動化學(xué)院， 現(xiàn)主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。