文 | 梁超，馮健，牛海明，劉厚旭

近年來，我國的風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電迎來了爆發(fā)式增長，裝機容量不斷攀升。然而新能源發(fā)電與火力發(fā)電不同，其場站的選址分散，而且地處偏遠(yuǎn)，周邊自然環(huán)境通常較為惡劣，交通不暢，定期檢修設(shè)備的難度大；新能源場站一般均配有變電站綜合自動化系統(tǒng)、五防系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、箱變監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、功率預(yù)測系統(tǒng)、SVG無功補償裝置系統(tǒng)等監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”），且這么多的系統(tǒng)絕大部分來自于不同品牌、不同供應(yīng)商，各自獨立運行；生產(chǎn)運營過程中，在現(xiàn)有的監(jiān)控平臺上各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)難以交互，需要分別進行監(jiān)控，這樣不僅不能掌握發(fā)電場站整體的工作狀態(tài)，還增加了監(jiān)控人員的工作量。

2016年2月，國家發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確指出要促進能源和信息的深度融合，“智能發(fā)電”的概念在國家能源轉(zhuǎn)型的背景下應(yīng)運而生。“智能發(fā)電”與“智能電網(wǎng)”、德國“工業(yè) 4.0” 以及“中國制造 2025”的理念相似，是第四次工業(yè)革命大背景下發(fā)電技術(shù)的轉(zhuǎn)型革命。國內(nèi)各發(fā)電集團開始積極建設(shè)智慧電廠，典型的有大唐姜堰火電廠和國電大渡河公司。姜堰電廠包含五項功能：基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)分析的運行優(yōu)化系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、三維檔案系統(tǒng)和可視化智能培訓(xùn)系統(tǒng)；國電大渡河公司從水電站建設(shè)、生產(chǎn)及運行三個層面分別提出了智慧工程、智能電廠和智能調(diào)度的思路。

新能源發(fā)電與常規(guī)電源相比有一個顯著的特點，即其輸出功率存在波動性和間歇性，接入電網(wǎng)將對電網(wǎng)的安全運行帶來較大的影響。目前的新能源發(fā)電運行監(jiān)控系統(tǒng)為電網(wǎng)調(diào)整所做的工作極其有限，其在實現(xiàn)新能源消納工作中難以發(fā)揮作用，很多地區(qū)出現(xiàn)“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象，給風(fēng)光資源豐富地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)度和電力市場管理帶來越來越大的壓力。研究新能源發(fā)電智能化，實現(xiàn)與智能電網(wǎng)調(diào)度一體化支撐平臺的無縫結(jié)合成為了最大化接納的一個關(guān)鍵。

目前，新能源發(fā)電領(lǐng)域的相關(guān)院校、企業(yè)專家們也紛紛展開了集控運行方面的研究工作，但這些研究的特點是重監(jiān)視、輕控制，重信息化、輕自動化。本文結(jié)合新能源的特點和研究基礎(chǔ)，以某風(fēng)電場為例設(shè)計了一套監(jiān)控平臺，優(yōu)化了對電網(wǎng)電壓、頻率主動支撐的功能，推動了設(shè)備控制自主化、生產(chǎn)管理智能化、風(fēng)險決策智慧化。

智慧監(jiān)控平臺架構(gòu)和功能設(shè)計

某風(fēng)電場由66臺單機容量為1.5MW的UP77-1500型風(fēng)電機組以及若干光伏設(shè)備構(gòu)成，風(fēng)電機組項目于2011年投產(chǎn)。風(fēng)電場信息系統(tǒng)包括兩套風(fēng)電機組監(jiān)控SCADA、一套光伏監(jiān)控SCADA、一套能量管理系統(tǒng)、兩套AGC/AVC系統(tǒng)、一套升壓站電氣監(jiān)控系統(tǒng)、一套五防系統(tǒng)等。一個值班員要同時監(jiān)視6臺電腦（升壓站NCS、風(fēng)電機組、光伏、SVG、AVC、AGC系統(tǒng)），其運行維護非常不便。智慧監(jiān)控平臺的建設(shè)要在盡量降低建設(shè)成本的前提下，考慮實現(xiàn)功能的完善。

首先建立一套高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進行數(shù)據(jù)層面的深度融合，分析各系統(tǒng)的設(shè)備、軟件配置及所用通信規(guī)約，建立起一套完整、規(guī)范的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系，實現(xiàn)風(fēng)電場的海量數(shù)據(jù)采集、存儲；其次對各種實時數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行有效管理，為生產(chǎn)運行、報表統(tǒng)計、專題分析、在線經(jīng)營等各種應(yīng)用提供數(shù)據(jù)保障；再次在全量數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，進行各子系統(tǒng)之間的生產(chǎn)關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，實現(xiàn)整個風(fēng)電場多個系統(tǒng)之間的協(xié)同動作與聯(lián)鎖動作，在風(fēng)電場級的層面上實現(xiàn)對設(shè)備的精確控制，保證場站級效益的最大化；最后建立風(fēng)電場站的賬戶管理、權(quán)限設(shè)計，實現(xiàn)信息統(tǒng)一發(fā)布、數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析、內(nèi)容統(tǒng)一展現(xiàn)。下面重點從架構(gòu)和功能方面闡述。

一、系統(tǒng)架構(gòu)

該風(fēng)電場的監(jiān)控采用EDPFSCADA系統(tǒng)為統(tǒng)一平臺，采用分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)，具有數(shù)據(jù)采集、存儲和高效實時控制功能，通過EDPFSCADA系統(tǒng)柔性分域技術(shù)，把各分散的系統(tǒng)按功能進行分域管理，解決多系統(tǒng)分離及監(jiān)控分散的問題，構(gòu)建了一體化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺。平臺通過數(shù)據(jù)接口機匯聚各子系統(tǒng)的實時和管理數(shù)據(jù)，集合所有業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。

EDPF-SCADA系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)完成相對獨立的數(shù)據(jù)采集處理和控制功能，各個子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，形成一體化管控系統(tǒng)。各系統(tǒng)是一個有機的整體，同時它們之間又相互隔離，子系統(tǒng)間的信息可以按要求進行有選擇的隔離和交互，子系統(tǒng)的信息處理規(guī)模較小，利于減少和消除不同被控對象及其控制系統(tǒng)之間的耦合，整個監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)蜂窩化、模塊化，提高了系統(tǒng)可靠性，同時方便進一步擴展。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下：

EDPF-SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心使用實時數(shù)據(jù)庫（國電智深A(yù)IRDB）、歷史數(shù)據(jù)庫（國電智深A(yù)IRDB）、業(yè) 務(wù)SQL數(shù) 據(jù) 庫（Oracle或MYSQL）、大數(shù)據(jù)分布式存儲（Hadoop）混合應(yīng)用方式，既可支持風(fēng)電場站運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，又能滿足各類面向應(yīng)用、面向主題的分析需求。數(shù)據(jù)庫設(shè)計按照符合人類思維自然模式的面向?qū)ο蟮姆绞絹斫M織數(shù)據(jù)庫管理，實現(xiàn)以設(shè)備為單位的監(jiān)控模式，便于設(shè)備維護和故障診斷，提高數(shù)據(jù)檢索查找的速度及效率。利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的存儲分析能力實現(xiàn)風(fēng)電場站管控。

二、主要功能

智慧監(jiān)控平臺，針對風(fēng)電場站集中部署、分散應(yīng)用的特點，遵循風(fēng)電場站的運維規(guī)章制度，主要設(shè)計了五大功能：運行管控、經(jīng)營管控、設(shè)備管控、安全管控、物資管控。智慧監(jiān)控平臺功能要點如圖2所示。

（一）運行管控功能

風(fēng)電場智慧監(jiān)控平臺規(guī)范了數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，在解決各子系統(tǒng)信息孤立、操作不便等問題的基礎(chǔ)上，匯集了風(fēng)電場所有實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)深度融合、數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)提供支撐，進一步可進行運行輔助決策、對標(biāo)、遠(yuǎn)程診斷，實現(xiàn)運維智慧化。

EDPF-SCADA平臺包含AGC和AVC功能模塊，可接收來自電網(wǎng)調(diào)度的AGC/AVC 指令。AGC功能模塊接收主站下發(fā)的AGC指令，根據(jù)從EDPF-SCADA平臺獲取的預(yù)測功率和風(fēng)電場機組狀態(tài)數(shù)據(jù)進行有功的分配和機組的啟停控制；AVC功能模塊接收主站下發(fā)的AVC指令，進行機組之間的無功功率分配并控制風(fēng)電場變流器無功補償容量，實現(xiàn)對風(fēng)電場的無功電壓控制。利用EDPF-SCADA平臺通信控制器的高速運算和通信能力，控制多臺風(fēng)電機組的變流器共同實現(xiàn)風(fēng)電場級的無功調(diào)節(jié)，替代或部分替代SVG功能。實驗數(shù)據(jù)表明，AVC功能運行在端電壓控制模式下，設(shè)定值偏差最大為0.38%，無功動態(tài)響應(yīng)時間達50ms，實現(xiàn)了與智能電網(wǎng)調(diào)度平臺的無縫結(jié)合，提高了場站的調(diào)控能力。

（二）經(jīng)營管控功能

具有風(fēng)電場運營分析功能，建立風(fēng)電場運營指標(biāo)主動對標(biāo)評價體系，通過對經(jīng)營管控的主要指標(biāo)，包括環(huán)境資源指標(biāo)、電量指標(biāo)、能耗指標(biāo)、設(shè)備運行指標(biāo)及人員績效指標(biāo)等橫向?qū)Ρ?、相互關(guān)聯(lián)、綜合分析，得出影響電量的主要因素及運行優(yōu)化方法。

通過對生產(chǎn)運營指標(biāo)的統(tǒng)計、分析，評價風(fēng)電場站智能發(fā)電這一競爭能力，從而促進企業(yè)生產(chǎn)運營向低成本、高效益方向發(fā)展。

（三）設(shè)備管控功能

風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測：建立評估模型，對機組的運行出力狀況進行評估，實時獲取機組的發(fā)電運行狀態(tài)；對整機及關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)進行評估，提前預(yù)警機組異常狀態(tài)，做出合理的檢修建議，實現(xiàn)對設(shè)備運行的狀態(tài)監(jiān)測。

故障預(yù)警：建立基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能故障預(yù)測方法，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，分析和提取故障特征，建立故障數(shù)據(jù)庫；將設(shè)備運行數(shù)據(jù)特征量與故障數(shù)據(jù)庫實時比對，可及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，做出緊急搶修、臨時停機等應(yīng)對措施，形成風(fēng)電機組智能運行故障預(yù)警機制。

智能告警：對告警信息的分類和信號過濾，對風(fēng)電機組的運行狀態(tài)進行在線實時分析和推理，自動報告異常并提出故障處理指導(dǎo)意見，為主站提供智能告警，也為主站分析決策提供事件信息。

（四）安全管控功能

智慧監(jiān)控平臺信息系統(tǒng)安全防護體系劃分為網(wǎng)絡(luò)邊界防護、綜合防護、智能防護三個層面。

網(wǎng)絡(luò)邊界防護：根據(jù)國家能源局第36號文件的相關(guān)要求，為保障生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的安全，電力安全防護在網(wǎng)絡(luò)邊界防護方面應(yīng)堅持“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的十六字方針。

綜合防護：應(yīng)采用安全審計、入侵檢測、主機加固、備份容災(zāi)、惡意代碼防范等多種手段，建設(shè)涵蓋物理安全、惡意代碼防范、入侵檢測等方面的綜合防護系統(tǒng)，加強“事前預(yù)警”“事中報警”“事后溯源”安全建設(shè)，實現(xiàn)全生命周期的綜合安全防護管理。

智能防護：隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)攻擊手段日趨復(fù)雜、多樣化，利用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等技術(shù)的先進成果，滿足智能風(fēng)電安全防護的需要，提升網(wǎng)絡(luò)安全綜合防護的智能化水平。

圖2 風(fēng)電場站智慧監(jiān)控功能設(shè)計

在風(fēng)電場站智慧監(jiān)控平臺建設(shè)中，風(fēng)電信息系統(tǒng)安全建設(shè)應(yīng)貫穿始終，并不斷加強和鞏固信息安全防御能力，以應(yīng)對層出不窮的信息安全威脅，綜合應(yīng)用現(xiàn)代智能技術(shù)，自動識別存在的危險源，讓技術(shù)保障成為安全管控的有力工具，進一步提升安全管理水平，實現(xiàn)全風(fēng)電場內(nèi)無死角的主動安全防控。

（五）物資管控功能

通過集成接口實現(xiàn)與ERP系統(tǒng)、合同系統(tǒng)等各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)間的無縫對接，實現(xiàn)物資供應(yīng)鏈全生命周期管理，具備主數(shù)據(jù)管理、計劃管理、采購管理、專家管理、供應(yīng)商管理、合同管理、倉儲管理、配送管理、質(zhì)量監(jiān)督管理、廢舊物資管理等業(yè)務(wù)，以及基于輔助決策管理需求建設(shè)的物資智能分析及物資調(diào)配業(yè)務(wù)的功能。

實現(xiàn)風(fēng)電場設(shè)備三維建模，按照國標(biāo)KKS編碼規(guī)則進行編碼，實現(xiàn)KKS編碼、設(shè)備編碼、物料編碼三碼聯(lián)動，并建立風(fēng)電場設(shè)備與系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)管理檔案，具有三維數(shù)字化檔案的查詢功能。對設(shè)備全生命周期范圍內(nèi)的成本、制造、安裝、運行、檢修、報廢等信息進行維護和管理，并通過三維模型關(guān)聯(lián)方式，在移動終端直接調(diào)取指定設(shè)備的基本信息及歷史檔案資料。自動完成設(shè)備采購與維護成本、使用壽命的統(tǒng)計分析，核算設(shè)備能效利用情況，為設(shè)備使用提供依據(jù)，降低發(fā)電運維成本。

此外，風(fēng)電場智慧監(jiān)控平臺還應(yīng)具備財務(wù)、營銷及黨建等管控功能，為企業(yè)提供更多數(shù)據(jù)支撐和智能化工作手段。

攝影：楊茂云

結(jié)語

新能源場站實現(xiàn)智慧監(jiān)控是必然之路。本文以提升生產(chǎn)運行管理水平、穩(wěn)定設(shè)備運行、提高電廠發(fā)電效益為核心，提出一種基于一體化集中監(jiān)控的智慧平臺，實現(xiàn)了各系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)整合，控制策略優(yōu)化；同時通過智能故障預(yù)警，為設(shè)備管理與全生命周期運維提供支撐，降低運維成本。另外，從管理角度實現(xiàn)操作全過程可視化、業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化，杜絕誤操作，實現(xiàn)資源調(diào)度最優(yōu)化、運維決策智能化。