何飛躍，趙 澤

（中國水利水電科學(xué)研究院自動化所，北京100038）

對于風(fēng)電場，大量二次系統(tǒng)如風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站監(jiān)控、有功/無功控制系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)以及其他智能電子裝置等的投入[1]，給風(fēng)電場的二次系統(tǒng)帶來革命性的變化，提升了風(fēng)電場的自動化水平。但目前這些二次系統(tǒng)互不聯(lián)系，之間缺乏信息共享，而且二次系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家繁多，即使是同一廠家的裝置也往往存在不同的型號[2]，從而具有不同的硬件接入形式和不同的通信規(guī)約。一方面，存在信息冗余，不同系統(tǒng)（裝置）難以信息共享；另一方面，場站端的數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)整合及數(shù)據(jù)的綜合利用。

本文從風(fēng)電場監(jiān)視、控制、預(yù)測、統(tǒng)計(jì)分析、運(yùn)行管理的角度全面研究了其集成化應(yīng)用系統(tǒng)，即一體化風(fēng)電場監(jiān)控平臺的功能需求，提出了一種開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了該系統(tǒng)中風(fēng)電場監(jiān)視、控制、調(diào)度、預(yù)測、統(tǒng)計(jì)分析部分，以及風(fēng)電場與調(diào)度端的數(shù)據(jù)接口的功能設(shè)計(jì)和若干關(guān)鍵技術(shù)問題，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的控制和優(yōu)化管理提供了一種解決方案。

1 一體化系統(tǒng)架構(gòu)

一體化風(fēng)電場監(jiān)控平臺由智能化一次組件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備和計(jì)算機(jī)監(jiān)控平臺組成。信息傳輸采用網(wǎng)絡(luò)通信平臺，信息模型采用IEC61850和IEC61400-25[3]，其目的是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場和升壓站智能設(shè)備信息共享和互操作，并且能與電網(wǎng)控制中心在AGC/AVC、優(yōu)化調(diào)度等方面實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。

基于IEC61850和IEC61400-25信息模型，如圖1所示，一體化風(fēng)電場監(jiān)控平臺在邏輯上可以劃為3層：站控層、間隔層、過程層。

圖1 風(fēng)電場智能綜合控制系統(tǒng)框架

站控層通過風(fēng)電場及升壓站等IED設(shè)備的通信，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)、斷路器、變壓器、無功補(bǔ)償設(shè)備的控制；通過電力數(shù)據(jù)網(wǎng)與電網(wǎng)控制中心進(jìn)行通信，完成風(fēng)電場有功和無功的自動控制；一體化平臺通過反向隔離裝置獲取外網(wǎng)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，完成風(fēng)電場短期/超短期功率預(yù)測。站控層監(jiān)控平臺完成風(fēng)電場各應(yīng)用功能的一體化部署，實(shí)現(xiàn)全風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集、處理、展示和風(fēng)電場的控制。

風(fēng)電場和升壓站的測量、控制和保護(hù)IED布置在間隔層。過程層由風(fēng)電場一次設(shè)備及電子式電流、電壓互感器等一次設(shè)備構(gòu)成。

對于采用智能化升壓站的風(fēng)電場，其智能一次設(shè)備有一次設(shè)備本體、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及智能化組件，可對一次設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、測量、控制、保護(hù)，由多個(gè)IED設(shè)備組成。在風(fēng)電場現(xiàn)有技術(shù)條件下，升壓站智能組件內(nèi)的各個(gè)IED設(shè)備可以分散布置，這些IED設(shè)備采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，向下全部接入過程網(wǎng)絡(luò)，向上全部接入站控層網(wǎng)絡(luò)。風(fēng)電場過程網(wǎng)絡(luò)和升壓站過程網(wǎng)絡(luò)采用光纖連接，組成統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)安全防護(hù)

風(fēng)電場一體化平臺需滿足國家經(jīng)貿(mào)委[2002]第30號令《電網(wǎng)和電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的規(guī)定》和國家電力監(jiān)管委員會發(fā)布[2005]5號令《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》，風(fēng)電場一體化平臺各功能部署在對應(yīng)的安全分區(qū)內(nèi)[4]。風(fēng)機(jī)和升壓站信息采集及監(jiān)控和AGC控制、AVC控制部署在安全Ⅰ區(qū)；風(fēng)電功率預(yù)測和在線統(tǒng)計(jì)分析功能部署在安全Ⅱ區(qū)，安全I(xiàn)區(qū)與安全I(xiàn)I區(qū)采用防火墻隔離。外網(wǎng)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)信息接入功能模塊部署安全Ⅲ區(qū)，用于從外網(wǎng)獲取數(shù)值天氣預(yù)報(bào)信息并傳送到安全Ⅱ區(qū)，完成風(fēng)電場短期/超短期功率預(yù)測。

3 系統(tǒng)功能

一體化風(fēng)電場監(jiān)控平臺應(yīng)具備以下主要功能：

3.1 風(fēng)場監(jiān)測

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能接入采用不同通信介質(zhì)（如以太網(wǎng)、RS232/485）、不同通信規(guī)約的不同廠家不同型號的風(fēng)機(jī)，采集所有風(fēng)機(jī)和逆變器有效信息。需要采集的信息有：機(jī)組有功功率、無功功率、功率因數(shù)、發(fā)電量、風(fēng)速、風(fēng)向、偏航角度、各種油溫、油壓。

設(shè)備控制。對風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟動、停止、復(fù)位、偏航、有功控制使能、無功控制使能等控制。

人機(jī)接口。以地理分布示意圖、風(fēng)場平面布局圖（GIS圖）、風(fēng)機(jī)矩陣圖、單機(jī)可視化信息圖等形式展示風(fēng)電場運(yùn)行工況和進(jìn)行人機(jī)交互。以棒圖、曲線形式顯示負(fù)荷、電壓等模擬量。在趨勢窗口中可顯示任意多個(gè)參數(shù)按時(shí)間呈現(xiàn)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。

3.2 有功控制

3.2.1 有功控制目標(biāo)

風(fēng)能具有很強(qiáng)的波動性，將侵占系統(tǒng)大量的調(diào)頻、調(diào)峰資源，因此，與常規(guī)電源不同，風(fēng)電場有功控制的主要目的是降低其不確定性和波動性，減輕系統(tǒng)有功控制的負(fù)擔(dān)。因此，風(fēng)電場不參與一次調(diào)頻，主要應(yīng)用于當(dāng)電網(wǎng)頻率偏差較大、常規(guī)調(diào)頻容量不夠時(shí)，以限制出力、限制風(fēng)電爬坡率的形式，參與電力系統(tǒng)有功控制。

3.2.2 有功控制功能

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的增加，風(fēng)電場應(yīng)具備有功功率調(diào)節(jié)能力，能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門指令控制其有功功率輸出，以減少風(fēng)電場功率波動對電網(wǎng)的影響。風(fēng)電場有功控制模塊包括2個(gè)主要功能：上傳滿足上級調(diào)度站需求的風(fēng)電場有功運(yùn)行信息，根據(jù)實(shí)時(shí)的發(fā)電計(jì)劃控制本風(fēng)電場出力。風(fēng)電場有功控制應(yīng)滿足《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》。

風(fēng)電場有功控制包括功率分配和功率執(zhí)行2個(gè)環(huán)節(jié)。在功率分配環(huán)節(jié)，需要考慮以下因素：①由于風(fēng)電各臺機(jī)組的地理位置不一樣，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)捕獲的風(fēng)能不一樣，平均功率分配法對風(fēng)電機(jī)組不適用。由于風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)可提供理論發(fā)電能力，因此應(yīng)以理論功率作為功率分配依據(jù)；②考慮到氣候條件，風(fēng)電機(jī)組在夏季和冬季的控制方式和約束條件不一樣，應(yīng)根據(jù)氣候條件制定有功控制策略。

風(fēng)電場有功控制的框圖如圖2所示，根據(jù)風(fēng)電場是采用遠(yuǎn)程還是本地控制模式，風(fēng)電場有功給定可以來自電網(wǎng)調(diào)度給定或者風(fēng)電場本地給定，在風(fēng)電功率預(yù)測值的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到。為濾去風(fēng)電場風(fēng)機(jī)有功出力總加噪聲成分，有功控制部分對有功出力總加進(jìn)行了低通濾波，有功給定和實(shí)際風(fēng)場出力總加相減，得到有功的偏差，經(jīng)PI控制環(huán)節(jié)后，在風(fēng)電場各風(fēng)機(jī)之間進(jìn)行功率分配。對于不具備調(diào)節(jié)能力的機(jī)組，只進(jìn)行機(jī)組啟/停的控制，對具備調(diào)節(jié)功能的機(jī)組，如雙饋機(jī)組則進(jìn)行功率分配。在功率分配過程中，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)頭風(fēng)速、機(jī)組的偏航角度和機(jī)組的微觀選址信息等數(shù)據(jù)，確定各臺機(jī)組的可調(diào)節(jié)上限和可調(diào)節(jié)下限。在功率分配中，考慮風(fēng)電場爬坡速率限制，以使風(fēng)電場的功率波動范圍符合并網(wǎng)規(guī)范。功率分配模塊的輸出以遙調(diào)、遙控的形式輸出到每臺風(fēng)機(jī)，對機(jī)組進(jìn)行有功的調(diào)節(jié)和機(jī)組的啟停。

3.3 無功控制

3.3.1 無功控制目標(biāo)

我國風(fēng)電場大多集中在“三北”地址，與系統(tǒng)聯(lián)系不強(qiáng)，無功支撐資源不足，風(fēng)電場無功控制是一個(gè)重要問題。雖然風(fēng)電場無功源充足（并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、SVC、靜止無功發(fā)生器、雙饋?zhàn)兯贆C(jī)組、直驅(qū)機(jī)組），但在風(fēng)電場無功控制中，還沒有考慮如何在不同的無功設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)，設(shè)備之間缺乏配合。風(fēng)電場無功控制的主要目的在于對多種無功源進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，滿足風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)對電壓指標(biāo)的要求。

3.3.2 無功控制功能

無功電壓控制系統(tǒng)接收電網(wǎng)調(diào)度的電壓設(shè)點(diǎn)值，根據(jù)風(fēng)電場并網(wǎng)電壓值、風(fēng)電機(jī)組的無功出力、風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)、無功補(bǔ)償設(shè)備的出力、無功補(bǔ)償設(shè)備的狀態(tài)，計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組和無功設(shè)備的無功出力，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓控制。無功控制對象包括風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償設(shè)備SVC/SVG、有載調(diào)壓器分接頭。

風(fēng)電場無功控制框圖如圖3所示，當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓Vpcc偏離并網(wǎng)點(diǎn)電壓Vref，無功電壓PI控制器根據(jù)電壓偏差，計(jì)算出風(fēng)電場應(yīng)該發(fā)出的總無功出力，輸出至風(fēng)機(jī)/SVC模塊協(xié)調(diào)控制模塊，協(xié)調(diào)模塊完成無功缺額在風(fēng)機(jī)和SVC裝置之間的分配，從風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)成本上看，風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)成本是最小的，其次是SVC裝置，因此無功分配策略采用風(fēng)機(jī)分配優(yōu)先的算法，以充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)能力，當(dāng)風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)能力用盡時(shí)，再調(diào)節(jié)SVC。否則，不調(diào)節(jié)SVC。

圖3 風(fēng)電場無功控制框圖

3.4 風(fēng)電功率預(yù)測

風(fēng)電功率預(yù)測應(yīng)用為其他應(yīng)用提供短期、超短期功率預(yù)測。其中，風(fēng)電場安裝測風(fēng)塔，并實(shí)時(shí)上傳測風(fēng)數(shù)據(jù)。

3.4.1 風(fēng)電功率預(yù)測時(shí)間與空間特性

系統(tǒng)可對風(fēng)電場/光伏電站提供中期、短期、超短期功率預(yù)測。短期功率預(yù)測系統(tǒng)每天指定時(shí)間（可設(shè)定）預(yù)測未來0～72 h的風(fēng)電輸出功率，預(yù)測的起止時(shí)間可設(shè)定，時(shí)間分辨率為15 min。超短期功率預(yù)測系統(tǒng)的時(shí)間參數(shù)要求為預(yù)測未來0～4 h的風(fēng)電輸出功率，每15 min滾動更新，時(shí)間分辨率為15 min。3.4.2 預(yù)測模型

新投運(yùn)的風(fēng)電場和已投運(yùn)比較長時(shí)間的風(fēng)電場，由于歷史數(shù)據(jù)積累的情況不一樣，需要有不同的預(yù)測模型。對于已并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間較長的風(fēng)電場，由于積累了較長時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)優(yōu)先選用統(tǒng)計(jì)方法建立功率預(yù)測模型。對于并網(wǎng)時(shí)間不長的新建風(fēng)電場，由于電站缺乏必要的歷史功率數(shù)據(jù)，則選擇物理方法建立短期功率預(yù)測模型。對于超短期功率預(yù)測模型，其時(shí)間分辨率是15 min，4 h滾動預(yù)測，一般采用時(shí)間序列外推的方法建立。

3.5 狀態(tài)監(jiān)測

風(fēng)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采集齒輪箱、軸承、發(fā)電機(jī)傳動鏈主要部件的機(jī)械振幅數(shù)據(jù)、葉片應(yīng)力數(shù)據(jù)、并結(jié)合SCADA數(shù)據(jù)，提出故障分量，采用人工智能方法，對潛在的故障進(jìn)行預(yù)測。風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由以下模塊組成，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)與分析，技術(shù)資料與專家知識庫，機(jī)組診斷分析專家系統(tǒng)，檢修決策與優(yōu)化運(yùn)行支持平臺。

3.6 運(yùn)行維護(hù)

我國大部分風(fēng)電場集中投運(yùn)在2011～2012年，目前大量風(fēng)電機(jī)組面臨出質(zhì)保問題。由于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維技術(shù)主要由風(fēng)機(jī)主機(jī)廠家掌握，運(yùn)營商缺乏有效的維護(hù)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，因此風(fēng)電場運(yùn)維問題比較突出，為了提高風(fēng)電場運(yùn)維水平，需要建立風(fēng)電場運(yùn)維系統(tǒng)。首先，建立風(fēng)電設(shè)備和風(fēng)電場的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)風(fēng)資源情況進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上，分析風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律，并提出風(fēng)電優(yōu)化運(yùn)行策略；結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與SCADA數(shù)據(jù)，建立風(fēng)電場運(yùn)行和維護(hù)優(yōu)化系統(tǒng)、故障預(yù)警系統(tǒng)；提高風(fēng)電場運(yùn)行效率。

智能風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測包括對升壓站一次設(shè)備（GIS、變壓器、無功補(bǔ)償裝置等）和風(fēng)電場機(jī)組（發(fā)電機(jī)、傳動鏈、變流器、葉片、塔架等）的監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測模塊通過對設(shè)備運(yùn)行過程中所表現(xiàn)出的各種時(shí)域和頻域信號，采用信號處理方法，提出故障特征分量，進(jìn)行故障識別、預(yù)警和分析。

3.7 運(yùn)行評價(jià)

風(fēng)電場運(yùn)行評價(jià)主要包括發(fā)電量水平評價(jià)、設(shè)備運(yùn)行水平評價(jià)、生產(chǎn)維護(hù)水平評價(jià)、能耗評價(jià)及綜合評價(jià)。發(fā)電量水平評價(jià)根據(jù)收集的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)、數(shù)字化地圖、風(fēng)電機(jī)組當(dāng)?shù)氐目諝饷芏认碌墓β是€和推力系數(shù)曲線、微觀選址等數(shù)量計(jì)算風(fēng)電場年理論發(fā)電量，再根據(jù)上網(wǎng)折減系數(shù)進(jìn)行上網(wǎng)電量估算，從而對發(fā)電量水平進(jìn)行評價(jià)。設(shè)備運(yùn)行評價(jià)由機(jī)組可利用率和風(fēng)電場電氣設(shè)備可利用率共同決定。生產(chǎn)維護(hù)水平評價(jià)根據(jù)期望運(yùn)行費(fèi)用與實(shí)際運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行比較評價(jià)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

風(fēng)電場由于風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)多、數(shù)據(jù)量大，而且控制實(shí)時(shí)性要求高。在實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測診斷功能時(shí)，需要完成基于海量數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，因此智能一體化平臺需要在分布式運(yùn)行環(huán)境、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、人機(jī)界面方面進(jìn)行特別考慮。具體包括以下方面：

4.1 分布式運(yùn)行環(huán)境

分布式運(yùn)行環(huán)境由消息總線和服務(wù)總線雙總線構(gòu)成[5]。消息總線提供了一種跨計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和硬件的透明消息傳遞總線，提供消息接收/發(fā)送總線進(jìn)程、消息接收/發(fā)送接口API。服務(wù)總線采用面向服務(wù)的架構(gòu)，對于文件訪問、SQL訪問、圖形訪問等標(biāo)準(zhǔn)客戶服務(wù)均封裝成通用服務(wù)，屏蔽了各種操作系統(tǒng)對文件、磁盤、進(jìn)程等API的差異。為了提高服務(wù)總線中的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，服務(wù)總線基于TCP實(shí)現(xiàn)，并且配置了在鏈路中斷、出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況下的重傳機(jī)制。

4.2 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫部分包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)歷史庫。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫常駐內(nèi)存，基于關(guān)系庫模型實(shí)現(xiàn)，其空間可動態(tài)擴(kuò)展。實(shí)時(shí)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存在于關(guān)系庫中，在智能綜合平臺啟動時(shí)加載至內(nèi)存。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫面向應(yīng)用分布，采用主備結(jié)構(gòu)，可以為應(yīng)用提供高可用性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫支持SQL標(biāo)準(zhǔn)，支持update、select、insert和delete等操作，并提供SQL的C/C++API接口，供各個(gè)應(yīng)用調(diào)用。值得注意是，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的SQL操作不能影響一體化系統(tǒng)的前置采集、SCADA服務(wù)和人機(jī)界面等子系統(tǒng)的運(yùn)行。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫采用主流商用數(shù)據(jù)庫，如Oracle、Mysql等。主要用來存儲參數(shù)和存儲周期為分鐘級的歷史數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)歷史庫采用鍵值數(shù)據(jù)庫，如PI、eDNA等。其具有高速存儲性能，適合存儲高采樣頻率數(shù)據(jù)，如風(fēng)機(jī)振動數(shù)據(jù)，用于狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等高級應(yīng)用。

4.3 人機(jī)聯(lián)系

圖形系統(tǒng)是人機(jī)聯(lián)系系統(tǒng)中的重要部分，在目前風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)中，其圖形系統(tǒng)一般都采用私有格式，各廠家互不相同。為了實(shí)現(xiàn)不同廠家的圖形系統(tǒng)共享以及風(fēng)電場SCADA與電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的圖形共享，人機(jī)聯(lián)系應(yīng)該基于SVG標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，SVG基于XML語言，易于擴(kuò)展，具有良好的兼容性。

另一方面，可視化技術(shù)是風(fēng)電場人機(jī)聯(lián)系中一個(gè)發(fā)展方向。風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)狀態(tài)、發(fā)電機(jī)可運(yùn)行區(qū)域、線路潮流、風(fēng)資源圖，均可以采用可視化化技術(shù)來展示。與常規(guī)的表格和數(shù)據(jù)點(diǎn)表示方法不一樣，可視化技術(shù)采用動畫、等值線、等值面、動態(tài)箭頭、3D圖形等方法，展示風(fēng)電場運(yùn)行狀態(tài)、安全穩(wěn)定運(yùn)行域，更加有利于風(fēng)電場的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 結(jié)論

智能電網(wǎng)環(huán)境下對風(fēng)電場的監(jiān)控、運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)，建設(shè)一體化風(fēng)電監(jiān)控平臺，是提升新能源運(yùn)行、控制與調(diào)度的重要手段，文中提出了一體化系統(tǒng)解決方案，并描述了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、主要功能，提出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，為風(fēng)電場的監(jiān)視、功率預(yù)測、系統(tǒng)運(yùn)維和故障分析實(shí)現(xiàn)提供了一種解決方案。