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        大型風電場一體化監(jiān)控平臺的設計與實現(xiàn)

        2014-11-09 12:44:38
        山西建筑 2014年23期
        關鍵詞:風電場風電風機

        張 超

        (空軍濟南房管處,山東濟南 250000)

        0 引言

        近年來,我國的風電大規(guī)模迅猛發(fā)展,與常規(guī)電源相比,風電場的輸出功率具有波動性[1]和間歇性的特點,因此大量風電接入電網(wǎng)將對電網(wǎng)的運行帶來較大的影響。尤其很多地區(qū)風電具有反調峰特性,給風電豐富地區(qū)的電網(wǎng)調度和電力市場管理帶來越來越大的壓力。風電場能否安全穩(wěn)定運行成為了在保證電網(wǎng)安全的情況下能否最大化有效接納風電的一個關鍵。為了實現(xiàn)風電場的安全穩(wěn)定運行,如何對風電場進行監(jiān)視和控制成為了解決這一問題的有效辦法。為解決大規(guī)模風電可調可控等難題,并與現(xiàn)有智能電網(wǎng)調度平臺很好地結合在一起,實現(xiàn)調控一體化,為電網(wǎng)運行做好充分準備,需要通過先進的信息手段建設完善、穩(wěn)定的大型風電場一體化監(jiān)控平臺,并與智能電網(wǎng)調度一體化支撐平臺[2]無縫結合在一起。大型風電場一體化監(jiān)控平臺應提供完善的風電預測、風電監(jiān)控[3]、風電場有功控制、風電場無功控制等功能,采用先進的預測技術和合適的控制策略,實現(xiàn)對風電場進行監(jiān)控管理[4],保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行。

        1 大型風電場一體化監(jiān)控平臺的設計思路

        結合國家電網(wǎng)公司發(fā)布的風電接入電力系統(tǒng)的系列標準,大型風電場的一體化監(jiān)控平臺應具備風電場監(jiān)控、風電預測、風電AGC控制、風電AVC控制等功能。針對現(xiàn)有風電場監(jiān)控系統(tǒng)不統(tǒng)一、不同風機配備不同的風機監(jiān)控系統(tǒng)、操作不方便、風電監(jiān)控系統(tǒng)高級應用(如AGC,AVC)不能直接控制風機、時間上不滿足調度要求等問題,結合最新的信息技術要求,提出新一代大型風電場監(jiān)控平臺,集中了預測,AGC,AVC,SCADA[3]等高級應用。通過在風機側安裝通信控制器,實現(xiàn)對不同類型風機的統(tǒng)一監(jiān)視與控制。監(jiān)控平臺從通訊控制器獲取風機遙測信息,例如有功、無功等信息,通過有功控制邏輯和無功控制邏輯下發(fā)指令到風機,實現(xiàn)全場的有功與無功控制。監(jiān)控平臺遵循SOA思想,采用具有生命力的、成熟有效的IT技術,構建一個面向應用、安全可靠、標準開放、資源共享、易于集成、好用易用、維護最小化的綜合監(jiān)控系統(tǒng),使其成為風電場值班人員有力的工具和友好的助手。

        2 大型風電場一體化監(jiān)控平臺總體設計

        2.1 大型風電場一體化監(jiān)控平臺的總體架構

        結合智能電網(wǎng)技術支持系統(tǒng),大型風電場一體化監(jiān)控平臺硬件配置原則是保證系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行。本系統(tǒng)服務器與其他系統(tǒng)服務器之間通信快捷順暢,接口齊全規(guī)范,終端頁面美觀友好,易于操作,響應速度不超過1 s。

        本系統(tǒng)按照冗余配置原則,包括兩臺內網(wǎng)服務器(主,備),一臺外網(wǎng)天氣預報服務器,一臺操作員工作站。一臺StoneWall反向型隔離設備,兩臺主交換機、風機通信適配器。

        根據(jù)現(xiàn)場實際情況,并按照其技術條件要求,將風電場監(jiān)控平臺設計為一個分層、分級的分布式系統(tǒng)[4]。如圖1所示整個系統(tǒng)分為三個層次。整個監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構,系統(tǒng)分為站控層、間隔層、過程層三層。

        圖1 系統(tǒng)總體架構圖

        站控層是整個系統(tǒng)的最高層,實現(xiàn)風電場數(shù)據(jù)采集、有功控制、無功控制,同時它作為風電場的人機交互的窗口,可完成各種圖形顯示、報表打印、信息轉發(fā)功能。各個功能模塊分布到系統(tǒng)的各個網(wǎng)絡節(jié)點上,保證了系統(tǒng)的可擴充性。NWP服務器為外網(wǎng)服務器,接收數(shù)值天氣預報,并經(jīng)隔離設備送至數(shù)據(jù)庫。間隔層設備由通訊控制器構成,通訊控制器實現(xiàn)與站控層和過程層設備通信。實現(xiàn)遙信、遙測的上傳和有功、無功控制指令下發(fā)。為了滿足調度直控風電場,遠程實現(xiàn)有功功率和無功電壓控制功能,更好的發(fā)揮風機變流器的功率調節(jié)能力,需要對現(xiàn)有變流器和主控系統(tǒng)之間的通訊方式和控制算法與邏輯進行改造,增加硬件配置通訊控制器。改變現(xiàn)有的通訊和連接模式,實時性要求不高的數(shù)據(jù)按照原有模式通過主控PLC轉發(fā),但是對于實時性要求很高的功率控制,將直接通過通訊控制器連接,避免了中間的環(huán)節(jié),提高了控制速度和精度。過程層設備由逆變器控制器和風機主控器組成,負責對風機、變流器的數(shù)據(jù)采集和控制。

        2.2 監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)交互

        監(jiān)控平臺應用包括SCADA采集、風電預測、AGC有功控制、AVC無功控制、在線統(tǒng)計分析等應用功能。

        通訊控制器將采集的風電運行信息傳送給SCADA監(jiān)控平臺,以便實時監(jiān)控、預警并進行風電監(jiān)控,同時將有用的信息存儲到數(shù)據(jù)庫;風電預測模塊利用數(shù)值天氣預報(NWP)數(shù)據(jù)、從SCADA平臺獲取的實時測風數(shù)據(jù)和歷史運行數(shù)據(jù)生成短期、超短期風電功率數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)送給有功控制模塊。風電有功控制模塊接收主站下發(fā)的AGC指令,根據(jù)從SCADA監(jiān)控平臺獲取的預測功率和風電場機組狀態(tài)數(shù)據(jù)進行有功的分配和機組的啟??刂啤?/p>

        AVC控制子系統(tǒng)能夠自動接收來自電網(wǎng)調度的AVC指令,并根據(jù)功率預測的結果,進行機組之間的無功功率分配并控制風電場無功補償裝置,實現(xiàn)對風電場的無功電壓控制。

        2.3 監(jiān)控平臺的安全防護設計

        監(jiān)控平臺應滿足《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》(國家電力監(jiān)管委員會5號令)對電網(wǎng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)和系統(tǒng)之間互聯(lián)的安全要求,符合《全國電力二次系統(tǒng)安全防護總體框架》的有關規(guī)定。應用各功能部署在合理的安全分區(qū)內。系統(tǒng)的信息采集及監(jiān)控和AGC控制、AVC控制布置在安全Ⅰ區(qū);風電預測和在線統(tǒng)計分析功能布置在安全Ⅱ區(qū)。氣象信息接入功能模塊放在安全Ⅲ區(qū),用于從外網(wǎng)獲取天氣預報信息并傳送到安全Ⅱ區(qū),風電預測功能利用獲取的氣象信息進行預測。

        同時對于系統(tǒng)服務器、工作站,應采用安全成熟的、國內調度系統(tǒng)認可的安全操作系統(tǒng),禁止不必要的服務和應用;安裝防病毒軟件、防木馬軟件。安裝于主機上的應用程序可與防病毒軟件協(xié)調運行,保證防病毒軟件進行掃描時,應用程序仍能正常工作。并采取各種措施防止內部人員對系統(tǒng)軟、硬件資源、數(shù)據(jù)的非法利用,嚴格控制各種計算機病毒的侵入與擴散,當入侵發(fā)生時系統(tǒng)能及時報告、檢查與處理,系統(tǒng)萬一被入侵成功或發(fā)生其他情況導致系統(tǒng)崩潰時要能及時恢復。

        3 大型風電場一體化監(jiān)控平臺的功能設計

        3.1 風機數(shù)據(jù)SCADA功能

        SCADA模塊主要完成數(shù)據(jù)采集和通信功能。具體功能如下:

        1)利用風機通信控制器完成風機運行數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)采集包括機端電壓、電流、有功、無功、機組溫度、槳距角、偏航角度、風機狀態(tài)。

        2)利用風機通信控制器完成風機的啟動,停止,復位,有功設點,無功設點控制。

        3)采集升壓站220 kV/35 kV母線電壓,頻率;220 kV送出線有功/無功,2臺主變有功/無功,35 kV集電線有功/無功,220 kV開關/刀閘及35 kV開關/刀閘狀態(tài)。

        4)通過通信控制器采集SVC設備電抗器實時無功出力,電容器投/切狀態(tài),SVC運行/停止狀態(tài),SVC故障狀態(tài)。

        5)利用通信控制器完成對SVC設備中的電抗器無功出力進行控制。

        6)利用遠動機向省網(wǎng)轉發(fā)AGC運行狀態(tài),各風機運行狀態(tài)(運行/投運,檢修/待風),風機有功/無功出力,各風機機頭風速。

        7)利用遠動機接收省網(wǎng)AGC指令。

        8)通過遠動機,向地調轉發(fā)AVC運行狀態(tài),各集電線有功/無功。

        9)利用遠動機接收地調AVC指令。

        3.2 風電預測功能設計

        風電預測功能包括對風電場的輸出功率進行預測,預測的時間尺度包括短期預測和超短期預測。在功能設計上主要實現(xiàn)功率預測、上報預測功率、功率預測查詢等功能模塊。

        功率預測模塊包括對風電場的短期功率預測和超短期功率預測。在短期預測模型的選擇上,對于并網(wǎng)時間較長的電站,這里優(yōu)先選用統(tǒng)計方法建立短期功率預測模型,對于剛并網(wǎng)的新建電站,由于電站缺乏必要的歷史功率數(shù)據(jù),則選擇物理方法[5]建立短期功率預測模型。同時采用基于時間序列分析的方法建立電站的超短期功率預測模型。

        上報預測功率模塊完成每天定期向省調發(fā)送預測功率E文件。

        功率預測查詢模塊主要包含短期功率預測、超短期功率預測及置信度功率預測查詢三個功能。

        4 結語

        本文提出的大型風電場一體化監(jiān)控平臺已于2013年12月投入運行。從投運以來的運行情況看,該系統(tǒng)實現(xiàn)了設計目標,較好地實現(xiàn)了與智能電網(wǎng)調度一體化支撐平臺的無縫結合,實現(xiàn)了對風電的實時監(jiān)控,加強了對風電場的調度管理,促使其不斷提高功率預測水平和管理能力,提高了對風電場的管理控制能力。研究結果對改進電網(wǎng)風電接入條件、發(fā)電計劃制定,發(fā)供電平衡,保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要的指導作用,對促進風電發(fā)展具有重要的工程應用價值。通過本項目建設,將實現(xiàn)風電場對未來發(fā)電量的評估,控制功能為新能源調度提供工具和手段,形成對新能源并網(wǎng)調度運行的全面支撐。

        大型風電場一體化監(jiān)控平臺在開發(fā)的過程中積累了大量的經(jīng)驗,同時由于開展監(jiān)控平臺研究的時間較短,系統(tǒng)尚存在不完善的地方,需要開展進一步的研究與開發(fā)工作。

        [1]雷亞洲.與風電并網(wǎng)相關的研究課題[J].電力系統(tǒng)自動化,2003,27(8):84-89.

        [2]國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 680.1-2011智能電網(wǎng)調度技術支持系統(tǒng)[Z].2011.

        [3]高宗和,騰賢亮,張小白,等.適應大規(guī)模風電接入的互聯(lián)電網(wǎng)有功調度與控制方案[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(17):30-40.

        [4]王曉波,董 存,郭 雷,等.吉林省規(guī)劃網(wǎng)架下松白電網(wǎng)風電接入能力分析[A].2008年中國電機工程學會年會論文集[C].2008.

        [5]范高鋒,王偉勝,劉 純,等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的風電功率預測[J].中國電機工程學報,2008,28(34):118-123.

        [6]李雪明,行 舟,陳振寰,等.大型集群風電有功智能控制系統(tǒng)設計[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(17):10-50.

        [7]王彩霞,魯宗相.風電功率預測信息在日前機組組合中的應用[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(7):13-18.

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