孔慶香，卿子龍

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210031)

中國向外界表述了碳達峰、碳中和的目標(biāo)，將把發(fā)展新型清潔能源作為能源戰(zhàn)略的重要方向。光能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能作為在自然界中可不斷再生的能源，有蘊藏量巨大、分布區(qū)域廣泛、少污染等優(yōu)勢。加快風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源的開發(fā)利用，已成為推動能源應(yīng)用轉(zhuǎn)型和應(yīng)對全球氣候變化的普遍共識[1]。

隨著國家清潔能源戰(zhàn)略的實施，新能源發(fā)電場站的數(shù)量將以更快的速度增加，隨著更深入的開發(fā)，深遠海域、高海拔地域、偏遠山區(qū)將成為開發(fā)清潔能源的主要方向，隨即而來的運維、管理等問題日益凸顯。

本文分析了新能源發(fā)電場站的特點及其遠程集中控制與管理的需求，提出了新能源智慧型遠程集中控制管理系統(tǒng)的設(shè)計理念，重點研究分析了系統(tǒng)的體系架構(gòu)和功能需求，還探討了如何在成熟的電網(wǎng)調(diào)控自動化系統(tǒng)上進行功能擴展和改進，期望為新能源企業(yè)的智慧化建設(shè)提供參考。

1 新能源發(fā)電場站的特點

新能源發(fā)電場站的選址由地理、氣候、光照等條件所決定；大多分布于山頂、戈壁灘、湖泊、高海拔牧區(qū)、近海岸邊及深遠海域等偏遠地區(qū)。場站分布分散，區(qū)域大，運維環(huán)境惡劣；管控難度大，運營成本高，工作生活條件艱苦。新能源風(fēng)電場、光伏站的主要特點如下。

a.分布區(qū)域廣，場站數(shù)量逐漸增多；每站配備運維人員，成本高，效率低。

b.地處偏遠，設(shè)備眾多；站內(nèi)的環(huán)境、設(shè)備各不相同；環(huán)境惡劣，運維難度大。

c.出力的不確定性和電能質(zhì)量等問題影響并網(wǎng)；分散調(diào)控，難以滿足要求。

d.區(qū)域內(nèi)的場站會接入不同的地方電網(wǎng)，甚至可能跨省；協(xié)同調(diào)控難度大。

e.不同監(jiān)控系統(tǒng)互不兼容的現(xiàn)象普遍存在，更無法和電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)直接聯(lián)通。

為有效提高分散分布的新能源場站運營管理水平，在一定的區(qū)域范圍內(nèi)建立遠程集控運行、生產(chǎn)管理及數(shù)據(jù)分析診斷和運營決策中心，負責(zé)區(qū)域內(nèi)所轄場站的監(jiān)控與運維管理，包括發(fā)電運行、生產(chǎn)管理、安全管控等生產(chǎn)運營工作[2-7]?；诖髷?shù)據(jù)平臺的遠程集中運行監(jiān)控、統(tǒng)一運維管理，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)風(fēng)電場、光伏電站的無人值守、遠程集控的生產(chǎn)管理模式，提高運營效率，實現(xiàn)綜合效益最大化。將原來分散式生產(chǎn)管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域化、集約化、精益化運營管控模式。進一步架構(gòu)起發(fā)電集團總部、區(qū)域集控中心、發(fā)電場站三級一體化的管控模式，為新能源企業(yè)的智能管控、增產(chǎn)增收、風(fēng)險防控提供系統(tǒng)支撐。

2 遠程集中控制與運維管理的需求

智能傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、計算機軟硬件、大系統(tǒng)的層級管控等新技術(shù)的迅速發(fā)展為發(fā)電集團設(shè)立新能源區(qū)域集控中心，實現(xiàn)所轄區(qū)域內(nèi)場站的日常集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度和管理提供了技術(shù)支撐。相比大電網(wǎng)的調(diào)控自動化系統(tǒng)，新能源場(站)遠程集控系統(tǒng)的特有需求如下。

a.需接入的設(shè)備和系統(tǒng)更多；信息量更大，集成難度更大。

b.數(shù)據(jù)類型更復(fù)雜，需有風(fēng)電、光伏特有的數(shù)據(jù)模型，如風(fēng)機、逆變器建模。

c.需要新能源領(lǐng)域特有的高級應(yīng)用，如風(fēng)光功率預(yù)測，間隙性功率曲線。

d.集控系統(tǒng)需要同時關(guān)聯(lián)多個地方電網(wǎng)的調(diào)控系統(tǒng)，甚至跨省聯(lián)網(wǎng)。

因此，新能源集控中心的建設(shè)要以智能化監(jiān)管為核心，智慧化運維為目標(biāo)，逐步實現(xiàn)場站集中管控的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、專業(yè)化；同時，對場站的全生命周期運行情況、發(fā)電情況、維護情況進行量化評估，分析和挖掘海量數(shù)據(jù)，為提升設(shè)備利用率和發(fā)電效率以及優(yōu)化運行提供充實的科學(xué)依據(jù)。通過智慧型一體化監(jiān)管平臺的建設(shè)，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多個場站的監(jiān)視、控制、調(diào)度、運維、管理；對場站的各類數(shù)據(jù)，如設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)、故障分析與診斷、綜合信息查詢等進行統(tǒng)一管理，綜合統(tǒng)計、評估和利用各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資源集約化和能源效益化。

3 智慧型集中控制管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

新能源發(fā)電場站智慧型遠程集中控制與管理系統(tǒng)采用開放式的分層分布式體系架構(gòu)；以基于全分布式數(shù)據(jù)庫的一體化平臺為基礎(chǔ)；以智能化集中控制與智慧化集中管理為建設(shè)核心。基于IEC61400-25、IEC61850通信規(guī)約，通過統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)交換平臺，對各場站的不同風(fēng)機、光伏逆變器以及升壓站的不同軟硬件體系結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)，在同一平臺下進行各子系統(tǒng)的無縫整合；將傳送至集控中心的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行集中管理。系統(tǒng)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫模型、統(tǒng)一的人機交互界面，并進行統(tǒng)一維護，實行場站的監(jiān)控、統(tǒng)計分析和生產(chǎn)管理以及運維的集中與統(tǒng)一。通過全方位的數(shù)據(jù)綜合分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與發(fā)電業(yè)務(wù)的全面融合。系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示，安全Ⅰ區(qū)是實時智能化監(jiān)控區(qū)，安全Ⅱ區(qū)是非實時智能化監(jiān)測控制區(qū)，安全Ⅲ區(qū)是智慧化運維管理區(qū)，安全Ⅳ區(qū)是運檢視頻監(jiān)控區(qū)。

圖1 智慧型遠程集中控制管理一體化系統(tǒng)架構(gòu)

新能源智慧型遠程集中控制與管理系統(tǒng)的硬件平臺包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器(含磁盤陣列)、計量服務(wù)器、保信服務(wù)器、功率預(yù)測服務(wù)器、狀態(tài)監(jiān)測及智能輔控服務(wù)器、生產(chǎn)管理服務(wù)器、Web服務(wù)器、視頻服務(wù)器、各類監(jiān)控工作站、維護工程師站、視頻展示站、以太網(wǎng)交換機、大屏幕投影等設(shè)備。平臺具有標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一性、擴展性、開放性等特點，可靈活集成和擴展各種應(yīng)用功能。系統(tǒng)主干網(wǎng)采用千兆以太網(wǎng)，星形拓撲結(jié)構(gòu)，基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。系統(tǒng)提供開放性環(huán)境，包括用戶接口和應(yīng)用開發(fā)等環(huán)境。通過現(xiàn)代通信技術(shù)，將多個風(fēng)電場、光伏站的信息整合到集控中心，實行遠程集中運行監(jiān)控與管理。系統(tǒng)利用統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)管理平臺，對不同風(fēng)電場/光伏站的風(fēng)電機組/光伏逆變器及升壓站主要設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行分析，為場站的健康運行提供參考。對場站的運行情況、發(fā)電情況、故障情況進行實時有效的量化評估，優(yōu)化運行管理，穩(wěn)定提升發(fā)電量。

以成熟穩(wěn)定的SCADA系統(tǒng)和安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在通用、標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件基礎(chǔ)平臺上，構(gòu)建起來的新能源集控管理一體化系統(tǒng)(主站)，無縫融合了EMS能量管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與智能診斷、智能化輔助監(jiān)控、氣象數(shù)據(jù)與功率預(yù)測、生產(chǎn)管理、多媒體視頻與巡檢等功能子系統(tǒng)；建立縱向更專業(yè)、橫向更協(xié)同、管理更精益、運行更高效的運維管理模式；實現(xiàn)偏遠、分散分布場站的無人值守及區(qū)域的高效運檢，減少運維成本；實行所轄區(qū)域內(nèi)場站(群)的統(tǒng)一監(jiān)控、管理和調(diào)度，提升了場站(群)的綜合管理水平。

4 智慧型集中控制管理系統(tǒng)的功能需求

遠程集中控制與管理系統(tǒng)是新能源場站的集中監(jiān)控、生產(chǎn)管理以及數(shù)據(jù)安全分析應(yīng)用中心。借用大電網(wǎng)的調(diào)控自動化系統(tǒng)，可實現(xiàn)基本的SCADA功能，包括數(shù)據(jù)的采集、存儲、監(jiān)視、控制、報警、畫面曲線顯示、數(shù)據(jù)計算及統(tǒng)計、報表打印等。針對新能源的特殊應(yīng)用需求，如風(fēng)機、逆變器數(shù)學(xué)模型，風(fēng)光功率預(yù)測等，需要進行系統(tǒng)模型、功能等方面的擴展，重點是新功能的開發(fā)。

4.1 基本的SCADA功能

實時、準(zhǔn)確、有效地完成對各發(fā)電場站的遠程監(jiān)控，包括風(fēng)電機組、光伏逆變器和升壓站設(shè)備的“五遙”功能，即遙控、遙測、遙信、遙調(diào)、遙視。主要功能有遠程運行監(jiān)視、遠程控制調(diào)節(jié)、集控防誤、事件報警、事件記錄及事故追憶、系統(tǒng)自診斷自恢復(fù)、系統(tǒng)維護與開發(fā)等。

4.2 高級的EMS能量管理功能

接受電網(wǎng)的調(diào)控命令以及預(yù)定的負荷曲線，對所監(jiān)管的場站(群)實施遠程運行優(yōu)化與控制，自動調(diào)節(jié)發(fā)電單元的出力和對無功電壓的調(diào)節(jié)，保證并網(wǎng)后的電能質(zhì)量及安全穩(wěn)定，優(yōu)化并網(wǎng)運行。接收、匯總和記錄各子站的功率、電壓控制相關(guān)數(shù)據(jù)，如AGC/AVC調(diào)節(jié)，利用各風(fēng)機、光伏設(shè)備的出力數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)，對發(fā)電能力進行評估、整定和修正，實現(xiàn)機組優(yōu)化運行和系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度。采用智能增功控制策略，深挖發(fā)電潛能，提升發(fā)電效率。

4.3 發(fā)電業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)智能分析功能

統(tǒng)一大數(shù)據(jù)管理平臺能對各類數(shù)據(jù)進行采集、處理、儲存、應(yīng)用。以平臺超強的運算能力，利用采集到的各場站的完整測量值、告警以及歷史數(shù)據(jù)樣本，運用橫向或縱向數(shù)據(jù)對比、關(guān)聯(lián)分析等方法，在繁雜的信息中，發(fā)現(xiàn)隱藏的深層次數(shù)據(jù)規(guī)律，獲取有價值的信息，為場站運營提供決策。對不同場站的風(fēng)電機組及光伏逆變器、風(fēng)光功率預(yù)測等設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)化運行管理，達到生產(chǎn)效益最大化。對設(shè)備故障時的電量損失進行估算，同時進行效益量化考評；依據(jù)歷史故障信息，對風(fēng)機、光伏逆變器的可利用率進行統(tǒng)計與考核，制定出合理的出力計劃。通過對風(fēng)電、光伏數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、棄風(fēng)棄光量統(tǒng)計分析及歷史統(tǒng)計查詢分析，通過對各場站間的數(shù)據(jù)進行對比分析，優(yōu)化運行控制，最大限度增加發(fā)電量。通過信息的大數(shù)據(jù)對比分析，及時發(fā)現(xiàn)并處理問題。

4.4 風(fēng)光功率預(yù)測功能

利用氣象部門提供的氣象數(shù)據(jù)，使用現(xiàn)場實測的風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、氣壓、光照度、雨量等數(shù)據(jù)，進行超短期和短期的出力預(yù)測。集控系統(tǒng)收集所轄場站的功率預(yù)測數(shù)據(jù)，進行功率預(yù)測統(tǒng)計分析，實現(xiàn)多個風(fēng)電場、光伏電站的功率預(yù)測。在功率預(yù)測基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)電機組、光伏逆變器的出力調(diào)節(jié)特性，實現(xiàn)多場站、多目標(biāo)的綜合優(yōu)化運行調(diào)控，合理安排發(fā)電、檢修計劃，提高場站的安全經(jīng)濟運行水平。功率預(yù)測也可采用主站建設(shè)模式，這樣可節(jié)省場站端的投資。

4.5 主輔設(shè)備狀態(tài)的全面監(jiān)測功能

實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對設(shè)備的健康狀況及趨勢進行評估分析；通過對設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行智能分析診斷，發(fā)現(xiàn)潛在的故障，為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供決策依據(jù)，合理安排發(fā)電、檢修計劃。一、二次設(shè)備的狀態(tài)不對應(yīng)告警推送以及設(shè)備狀態(tài)的遠程可視化展示，遠程運維人員可快速定位異常設(shè)備。

4.6 全面的智能化輔控功能

智能化輔控是智慧化建設(shè)的重點。設(shè)備智能化是主輔設(shè)備互聯(lián)互動的關(guān)鍵所在，主輔全面監(jiān)管及互聯(lián)互動能有效滿足場站無人值守、遠程集中管控的智慧化運維要求。數(shù)據(jù)穿透、全景展示、一體化監(jiān)控、遠方順控操作、智能告警、綜合防誤等關(guān)鍵技術(shù)改變了主輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)分離的狀況，實現(xiàn)主輔設(shè)備一體化全面監(jiān)控和實時聯(lián)動，為場站無人值守打下了堅實基礎(chǔ)?；跔顟B(tài)全面感知的智能化輔助綜合監(jiān)控，集成了在線監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、消防控制、安全防范、箱門鎖具、照明燈光等智能化子系統(tǒng)，為遠程集中運維提供了技術(shù)支撐。

4.7 生產(chǎn)管理智能化功能

智能化生產(chǎn)運維管理是智慧化建設(shè)的核心。生產(chǎn)管理包括運行管理、安全監(jiān)察管理、物資管理、計劃管理、生產(chǎn)信息查詢、系統(tǒng)管理等；通過與MIS、SAP等信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交流，建立生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)。運行、安全、檢修、設(shè)備、文檔等方面的智能化管理是智慧化運維的基礎(chǔ)，可顯著提升資產(chǎn)管理水平。對各場站的設(shè)備、人員及日常工作等進行智能化管理，能實現(xiàn)運行管理、三票管理、生產(chǎn)管理、設(shè)備物資管理、統(tǒng)計分析、綜合查詢等功能。

4.8 運營決策智慧化功能

運營決策子系統(tǒng)有生產(chǎn)監(jiān)視、場站運營總覽、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、對標(biāo)管理等功能。運營總覽的數(shù)據(jù)包括裝機容量、發(fā)電量、廠用電率、等效小時數(shù)等主要運營指標(biāo)，展示風(fēng)機運行狀態(tài)。對各風(fēng)電機組的風(fēng)速、功率、電量、故障情況進行統(tǒng)計分析，從而找到機組之間差距。對場站之間的發(fā)電量、可用率、有效風(fēng)時數(shù)、棄風(fēng)率等指標(biāo)進行數(shù)據(jù)對比，對標(biāo)找出場站間的差距。利用智慧移動辦公，各層次管理人員可以隨時隨地掌握設(shè)備運行和狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高智慧化決策效率。

4.9 Web發(fā)布信息功能

系統(tǒng)配置Web服務(wù)器，在集控中心辦公區(qū)建立起一套與集控系統(tǒng)完全一致的鏡像系統(tǒng)。利用Web服務(wù)器，對監(jiān)控畫面和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時在線發(fā)布。從安全Ⅰ、Ⅱ區(qū)到安全Ⅲ區(qū)的單向數(shù)據(jù)發(fā)布；人機界面轉(zhuǎn)換為瀏覽器頁面，并發(fā)送到Web服務(wù)器；以Web方式瀏覽信息。在局域網(wǎng)內(nèi)，以網(wǎng)頁的形式瀏覽集控中心的實時在線畫面，查看各項實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)。亦可通過移動互聯(lián)網(wǎng)終端，如手機查看簡要生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息；各個層次的人員可通過不同界面實時了解現(xiàn)場情況，并指導(dǎo)生產(chǎn)工作。

4.10 遠程視頻監(jiān)視和無人機器巡檢功能

視頻監(jiān)控的功能包括圖像預(yù)覽、視頻回放、圖像抓取、云臺燈光控制等。各場站不同廠家的多路視頻，在統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)平臺上整合處理，展示于大屏幕上；可隨時查看場站現(xiàn)場情況，具有視頻跟蹤功能；可向各子站下達命令，控制視頻攝像機和無人巡檢機器，進行全天的圖像監(jiān)視及安全警戒。SCADA與視頻聯(lián)動具有遠程控制的就地操作效果。視頻監(jiān)控還可與門禁、火災(zāi)報警、安防等智能化系統(tǒng)聯(lián)動；當(dāng)出現(xiàn)報警時，在監(jiān)控端自動顯示對應(yīng)畫面，并將攝像機轉(zhuǎn)到對應(yīng)工位。輔以VR/AR及智能穿戴技術(shù)，日常運維操作就好似身臨其境。

4.11 二次系統(tǒng)的安全防護功能

在集控中心及新能源發(fā)電場站，設(shè)置縱向加密裝置、防火墻及橫向隔離裝置，抵御黑客、病毒、惡意代碼等通過各種形式對二次系統(tǒng)發(fā)起的惡意攻擊以及非法操作。集中控制管理一體化系統(tǒng)也遵守電力二次系統(tǒng)的安全防護要求，進行分區(qū)管理。

5 結(jié)語

新能源集中監(jiān)控管理中心及數(shù)據(jù)安全分析應(yīng)用中心的建設(shè)，遠程集控與生產(chǎn)管理調(diào)度的有效結(jié)合，能實現(xiàn)對場站(群)的集中控制運行、遠程生產(chǎn)監(jiān)控、綜合數(shù)據(jù)分析與診斷和統(tǒng)一運維管理；在優(yōu)化運營、降本增效等方面，集控運行與調(diào)度管理一體化具有明顯的優(yōu)勢。新能源集控系統(tǒng)能對不同廠家的風(fēng)機、光伏組件以及升壓站設(shè)備等進行統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一運檢管理以及數(shù)據(jù)分析；通過優(yōu)化控制方式，合理安排運維，通過對長期運行數(shù)據(jù)的挖掘分析，最大限度提高發(fā)電量，提升企業(yè)運營水平。

新能源產(chǎn)業(yè)已進入平價上網(wǎng)與競爭配置并行階段。規(guī)范化、規(guī)?；?、精細化的管理能提升發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益；同時，可優(yōu)化人力資源配置，改善員工工作條件，穩(wěn)定職工隊伍，對新能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在資源分布上，水電與風(fēng)電、光伏發(fā)電有著天然的時空互補性；在年負荷特性上，也具有互補性，因此，風(fēng)光水儲遠程集中管控的研究能把風(fēng)光水儲能源變成更加優(yōu)質(zhì)的電網(wǎng)友好型能源，并值得繼續(xù)深入探討。