施閩華

（華電（福清）風(fēng)電有限公司）

智能電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

施閩華

（華電（福清）風(fēng)電有限公司）

電力負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)使得對(duì)于電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求更加嚴(yán)格，太陽(yáng)能、風(fēng)能屬于清潔能源，能耗較低，因此智能電網(wǎng)建設(shè)開始引進(jìn)可再生能源，其占據(jù)電力供應(yīng)的比重也會(huì)逐漸提高。同時(shí)，信息技術(shù)的應(yīng)用使得電網(wǎng)運(yùn)行效率提高，其質(zhì)量和安全性也有所保證。本文對(duì)智能電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及工程應(yīng)用進(jìn)行分析，為風(fēng)電信息采集以及調(diào)度建設(shè)提供參考。

智能電網(wǎng)；雙網(wǎng)冗余通信；風(fēng)電調(diào)度；智能監(jiān)控

1 引言

隨著社會(huì)生活生產(chǎn)水平的不斷提高，人們對(duì)于電能的需求日益提升，且對(duì)于電能質(zhì)量以及服務(wù)質(zhì)量提出了較高的要求。就當(dāng)前我國(guó)的發(fā)展形勢(shì)來(lái)說(shuō)，嚴(yán)格遵循綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展路線。因此，電網(wǎng)建設(shè)也開是引進(jìn)風(fēng)力發(fā)電以及太陽(yáng)能發(fā)電等新模式?；诖耍娏φ{(diào)度中心對(duì)于清潔能源電廠的監(jiān)控以及自動(dòng)控制要求也會(huì)更高，為此，作為設(shè)計(jì)人員，需要綜合多種影響因素進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中運(yùn)行狀況

當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中運(yùn)行現(xiàn)狀中存在多種問(wèn)題，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①風(fēng)電場(chǎng)AGC方案和傳統(tǒng)電廠有很大差異。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的火電廠或者是水電站一般都是采用AGC方案實(shí)現(xiàn)監(jiān)控調(diào)度功能，該方案是通過(guò)控制汽輪機(jī)或者是水輪機(jī)DCS控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的處理等進(jìn)行調(diào)整，但是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電受自然因素影響較大，其發(fā)電量以及發(fā)電質(zhì)量都取決于氣象因素。因此，該方案的可操作性不強(qiáng)。②風(fēng)電場(chǎng)信息傳輸速度慢，實(shí)時(shí)性不達(dá)標(biāo)。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)均為同一規(guī)劃建設(shè)，且集中分布，統(tǒng)一管理，一個(gè)千兆瓦等級(jí)的風(fēng)電基底通常都是由多個(gè)風(fēng)電長(zhǎng)共同接入同一個(gè)升壓站。該升壓站可以將電力傳送給其他單位，調(diào)度系統(tǒng)可以接收到變電站端監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的電力潮流，風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)前的各風(fēng)機(jī)出力參數(shù)不能準(zhǔn)確掌握，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。③風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中的廠家數(shù)量多，這就意味著調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)約以及接口不能實(shí)現(xiàn)，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)任務(wù)由多個(gè)企業(yè)承建，每家發(fā)電集團(tuán)采用的設(shè)備型號(hào)等有所不同，甚至是同一個(gè)風(fēng)電廠也會(huì)有不同的風(fēng)機(jī)廠家。此外，為了保證區(qū)域之間電網(wǎng)負(fù)荷的平衡關(guān)系，各風(fēng)電場(chǎng)會(huì)增設(shè)一套風(fēng)力負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以依據(jù)氣象條件對(duì)發(fā)電量進(jìn)行合理估測(cè)，并且將評(píng)估信息傳送到調(diào)度系統(tǒng)，但是每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)采用的供貨商不同，這種多樣性就會(huì)造成調(diào)度不能使用相同的接口，監(jiān)控方式也不能統(tǒng)一。④風(fēng)電廠家眾多會(huì)導(dǎo)致調(diào)度下發(fā)功率曲線的二次分配問(wèn)題。因?yàn)檎{(diào)度對(duì)于同一風(fēng)電場(chǎng)只會(huì)下發(fā)一條符合曲線，若該風(fēng)電場(chǎng)有多個(gè)廠家，那么就會(huì)存在負(fù)荷曲線二次分配問(wèn)題，依據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況，分配方法也會(huì)有所差異，不同廠家制定的分配方案也有所不同，分配方法也就不相同。⑤風(fēng)機(jī)OPC系統(tǒng)以及變電站之間沒有建立信息交互機(jī)制，這就導(dǎo)致發(fā)電以及實(shí)際送出時(shí)間之間存在時(shí)間差。風(fēng)機(jī)廠家的OPC系統(tǒng)不能獲得變電站相匹配的風(fēng)機(jī)線路送出的實(shí)際功率值，這樣風(fēng)機(jī)OPC系統(tǒng)若僅僅依據(jù)自身采集的風(fēng)機(jī)信息對(duì)發(fā)電目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)置，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)通訊通道可靠性不達(dá)標(biāo)，就會(huì)造成實(shí)際送出和目標(biāo)值之間的誤差，從而對(duì)調(diào)度目標(biāo)的調(diào)度工作造成不良影響。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于以上所述風(fēng)電廠中存在的問(wèn)題和實(shí)際應(yīng)用需求的變化，本文在NS2000變電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)上對(duì)風(fēng)電信息采集系統(tǒng)進(jìn)行功能特定性設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)電采集系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)的特征主要為：首先，因?yàn)轱L(fēng)電發(fā)電會(huì)受到氣象變化影響，因此要想準(zhǔn)確知道后期發(fā)電量，合理預(yù)估是非常重要的，其對(duì)于調(diào)度控制和發(fā)電目標(biāo)的設(shè)定都有著決定性意義，因此當(dāng)前調(diào)度風(fēng)電AGC控制系統(tǒng)中都會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)有嚴(yán)格要求，該系統(tǒng)能夠依據(jù)衛(wèi)星提供的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)下一階段的發(fā)電量進(jìn)行模擬計(jì)算，合理估算數(shù)據(jù)，但是因?yàn)樵撓到y(tǒng)仍然處于試驗(yàn)階段，其只作為調(diào)度AGC的參考數(shù)據(jù)，工作人員需要對(duì)接受到的氣象數(shù)據(jù)以及發(fā)電預(yù)測(cè)值進(jìn)行分析處理，再整理發(fā)送給調(diào)度系統(tǒng)。

其次，當(dāng)前風(fēng)電調(diào)度的AGC方案，可以依據(jù)地方調(diào)度的實(shí)際情況以及要求對(duì)風(fēng)電調(diào)度計(jì)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，如這里以該調(diào)度D5000被調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及聯(lián)調(diào)要求為基礎(chǔ)，風(fēng)電調(diào)度采用實(shí)時(shí)IEC104通道（Ⅰ區(qū)）、非實(shí)時(shí)sftp方式（Ⅱ區(qū)），通道均支持風(fēng)機(jī)基本數(shù)據(jù)的傳輸需求，如有功、無(wú)功、風(fēng)力以及風(fēng)向要求。IEC104通道還可以接受調(diào)度下發(fā)的功率曲線，sftp需要將風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到指定中心。

然后，就風(fēng)變電站、風(fēng)力預(yù)測(cè)系統(tǒng)廠家的不同，該系統(tǒng)提供了IEC104（client，server）、modbus（client，server）、sftp 規(guī)約，借助以太網(wǎng)訪問(wèn)方式接入系統(tǒng)中，并且可以將數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在相應(yīng)的庫(kù)存中，這樣廠家可以通過(guò)庫(kù)存記錄直接查詢所需信息，也可以實(shí)現(xiàn)廠家之間的信息共享。所有的數(shù)據(jù)都有相應(yīng)的畫面報(bào)表，便于運(yùn)行人員調(diào)用查看。最后，根據(jù)調(diào)度曲線下發(fā)之后的分配問(wèn)題，該系統(tǒng)可以設(shè)置曲線分配比例，運(yùn)行工作人員可以依據(jù)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的實(shí)際情況在系統(tǒng)控制中心的監(jiān)視畫面上直接進(jìn)行設(shè)置，從而可以保證能夠功率分配合理，尤其是在出現(xiàn)故障可能性較高的風(fēng)電阻可以分配到足夠的功率。

4 工程應(yīng)用

該采集系統(tǒng)配置如圖2所示，該系統(tǒng)為雙機(jī)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)服務(wù)器都配置了4個(gè)網(wǎng)口，其中網(wǎng)卡一、二配置是系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)，主要功能是兩臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)的共享，網(wǎng)卡三的功能是廠內(nèi)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)OPC、變電站遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)的接入，網(wǎng)卡四的功能是接入調(diào)度端傳iec104以及sftp通道。

圖2 風(fēng)電廠信息采集系統(tǒng)配置示意圖

在這兩個(gè)風(fēng)電廠中的變電站信息接入方式都是iec104_client，就站內(nèi)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)接入方式來(lái)說(shuō)，該風(fēng)電廠的廠家分別為華創(chuàng)風(fēng)電以及歌美颯風(fēng)電，歌美颯風(fēng)電控制系統(tǒng)采用modbus_client訪問(wèn)變電站的線路潮流，采用modbus_server方式提供風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)訪問(wèn)功能，OPC系統(tǒng)采用iec104_server的方式接受下發(fā)曲線調(diào)節(jié)至。華創(chuàng)的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)采用modbus_server方式訪問(wèn)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，并采用寫寄存器地址方式接收變電站數(shù)據(jù)，OPC系統(tǒng)采用iec104_server方式接受下發(fā)曲線調(diào)節(jié)值。在該風(fēng)電廠中，采用了modbus_server的方式，其主要作用就是提供風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且通過(guò)寫寄存器的方式接收變電站數(shù)據(jù)并且下發(fā)曲線。在上述兩個(gè)風(fēng)電廠風(fēng)機(jī)和變電站數(shù)據(jù)接入過(guò)程中，大多就支持接入的規(guī)約以及主從方式，調(diào)試結(jié)果也顯示數(shù)據(jù)的接入和不同系統(tǒng)之前的數(shù)據(jù)也可以交互共享，最終都統(tǒng)一為iec104和sftp規(guī)約，將其傳送給風(fēng)機(jī)調(diào)度系統(tǒng)。在該風(fēng)電廠中存在兩家廠家的背景下，需要對(duì)調(diào)度下行的功率曲線分割分配，該系統(tǒng)提供了計(jì)劃值定義表，對(duì)曲線進(jìn)行分別定義，其對(duì)應(yīng)的就是歌美颯和華創(chuàng)分配曲線值，在其中增加公式定義部分的分配比例值，該比例值可以根據(jù)變化進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)iec104接受到調(diào)度下行的曲線之后，可以讀取公式定義部分的分配比例，將分配之后的數(shù)值填入對(duì)應(yīng)的計(jì)劃值定義表列中，然后通過(guò)風(fēng)機(jī)控制單元通訊的進(jìn)程將數(shù)據(jù)傳送給對(duì)應(yīng)的工作單元，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)度曲線自定義的按比例分配目的。

5 采集系統(tǒng)應(yīng)用——以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集在風(fēng)電負(fù)荷管理中的應(yīng)用為例

5.1 負(fù)荷曲線的產(chǎn)生

負(fù)荷曲線，也就是單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)速和發(fā)電功率對(duì)應(yīng)函數(shù)的圖形化表述。在該系統(tǒng)中，負(fù)荷曲線也就是理論發(fā)電量計(jì)算的前提，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確的基礎(chǔ)就是獲得精確的負(fù)荷曲線。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)廠家不能提供對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速功率對(duì)應(yīng)函數(shù)。因此，要想保證風(fēng)速功率函數(shù)的準(zhǔn)確，需要現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)。根據(jù)風(fēng)機(jī)機(jī)艙集成有風(fēng)速儀，其數(shù)據(jù)信息都是由風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)直接控制的。所以，通過(guò)數(shù)據(jù)采集，可以將負(fù)荷實(shí)時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)和功率數(shù)據(jù)采集整理為表1，建立風(fēng)功率函數(shù)表。

表1 風(fēng)功率函數(shù)表

5.2 理論功率的計(jì)算

（1）理論功率及在某一時(shí)刻的風(fēng)速條件下，風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)機(jī)的總功率之和。理論功率由系統(tǒng)在積分采樣周期內(nèi)對(duì)風(fēng)速瞬時(shí)采樣，并通過(guò)各風(fēng)機(jī)的理論功率曲線自動(dòng)轉(zhuǎn)換為風(fēng)場(chǎng)總功率。理論功率計(jì)算公式：

式中：n-風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)：X-風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)風(fēng)速。

在計(jì)算理論功率時(shí)，應(yīng)注意排除設(shè)備故障的影響，在某一時(shí)刻，如某臺(tái)風(fēng)機(jī)故障而無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)將其理論功率排除在風(fēng)場(chǎng)的總理論功率之外。

5.3 限電損失的計(jì)算

5.3.1 限電損失計(jì)算條件

所謂限電損失。即因調(diào)度指令小于風(fēng)機(jī)理論出力而導(dǎo)致企業(yè)損失的發(fā)電量。因此，限電損失發(fā)生應(yīng)同時(shí)滿足以下條件：理論功率＞調(diào)度指令，且實(shí)際功率＜調(diào)度指令。

5.3.2 限電損失的計(jì)算公式

限電損失數(shù)學(xué)表達(dá)式就是實(shí)際和理論功率差對(duì)時(shí)間的定積分，通過(guò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)周期采樣之后積分得到。因?yàn)閷?shí)時(shí)系統(tǒng)采用的周期不是無(wú)限小的，并且采用周期也是不斷變化的，所以需要對(duì)積分公式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，對(duì)周期間隔進(jìn)行量化，從而對(duì)計(jì)算的準(zhǔn)確性造成影響。

5.4 設(shè)備損失電量的計(jì)算

5.4.1 設(shè)備損失電量的計(jì)算條件

所謂設(shè)備損失電量，就是指由于設(shè)備原因造成的企業(yè)少發(fā)電。和限電損失有所不同，設(shè)備損失電量是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，需要加以防范。所以，需要對(duì)設(shè)備損失電量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，這樣有利于設(shè)備管理和整治。風(fēng)電場(chǎng)的單臺(tái)風(fēng)機(jī)通常都有設(shè)備故障標(biāo)志。實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以采集故障標(biāo)志風(fēng)機(jī)的相關(guān)信息，借助風(fēng)速功率函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楣β屎笤俜e分。設(shè)備損失電量計(jì)算如下：

Ft=true（t為故障風(fēng)機(jī)編號(hào)，F(xiàn)t為故障標(biāo)志位）

5.4.2 設(shè)備損失的計(jì)算公式

t=標(biāo)志位為故障的風(fēng)機(jī)；n為故障風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)；ft（x）=風(fēng)機(jī)的風(fēng)速功率轉(zhuǎn)換函數(shù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，智能電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)信息采集系統(tǒng)已經(jīng)開始投入運(yùn)行，經(jīng)過(guò)短期的實(shí)踐證明，該系統(tǒng)應(yīng)用推廣價(jià)值較高，對(duì)提高智能電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有積極意義。但是由于該技術(shù)發(fā)展尚未成熟，仍然存在缺陷，需要根據(jù)實(shí)踐結(jié)果對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，方可保證設(shè)計(jì)完善的有效性。

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TM76

A

1004-7344（2016）18-0076-02

2016-6-1