風電場群遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)設計及智能化管理

梁 濤，袁正彬，梅春曉，孫國峰

（1.河北工業(yè)大學 控制科學與工程學院，天津 300130；2.河北建投新能源有限公司，石家莊 050000）

目前國內(nèi)已建成數(shù)個風電場群遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)，并正常運行，但由于技術上的限制，許多監(jiān)控系統(tǒng)在功能上并不完善，在智能化管理上未得到體現(xiàn)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)在風電場發(fā)電量調(diào)度策略上未能實現(xiàn)良好控制，解決這些問題是使風力發(fā)電向著更加智能化方向發(fā)展的關鍵[1]。

因此需在傳統(tǒng)結構框架的基礎上增加智能化管理系統(tǒng)功能區(qū)實現(xiàn)對多風電場的智能化管理[2]，其次，為實現(xiàn)對多個風電場發(fā)電量調(diào)度上的管理需改進調(diào)度策略；在系統(tǒng)的安全上也要做相應處理，在故障診斷數(shù)據(jù)處理上也要提高效率。而這些手段和方法在已建成的系統(tǒng)中并沒有實現(xiàn)或不夠全面。

目前國內(nèi)已相繼建立了多個風電場群遠程集中監(jiān)控中心，但并沒有實現(xiàn)智能化管理，在調(diào)度策略上并沒有改進。

本文在原有系統(tǒng)的基礎上增加了智能化管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行分區(qū)，增強了系統(tǒng)的安全性，改進了原有調(diào)度策略，增加了系統(tǒng)的發(fā)電量，在故障診斷方面采用新的診斷算法，提高了診斷速率。

1 集控系統(tǒng)的組成與功能

1.1 集控系統(tǒng)組成

風電場群遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)及智能化管理系統(tǒng)主要由遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)、智能化管理系統(tǒng)、VPN網(wǎng)、電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與控制傳輸平臺、風電場本地系統(tǒng)等組成。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 System structure diagram

1.2 集控系統(tǒng)的功能

集控系統(tǒng)的主要功能有：

1）數(shù)據(jù)采集及控制功能：風機實時運行數(shù)據(jù)采集與控制、風機振動在線監(jiān)測運行數(shù)據(jù)采集、升壓站實時運行數(shù)據(jù)采集與控制、箱變設備實時運行數(shù)據(jù)采集與控制、風功率預測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、功率控制系統(tǒng)（AGC/AVC）、保護及故障信息子站數(shù)據(jù)采集、電能量計量信息采集。

2）監(jiān)視功能：風機數(shù)據(jù)監(jiān)視（圖形展示、風電場監(jiān)視、單臺風機監(jiān)視）、升壓站、箱變設備、功率預測系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)、相量測量系統(tǒng)、保護及故障信息子站和電能量計量等的監(jiān)視。

3）調(diào)度管理：監(jiān)控中心由冀北調(diào)控中心調(diào)度，各風電場考慮由監(jiān)控中心、區(qū)調(diào)和冀北調(diào)控中心調(diào)度。最終調(diào)度關系由冀北調(diào)控中心確定。接受各級調(diào)度機構下發(fā)的調(diào)度命令并嚴格地執(zhí)行，對各風電場內(nèi)風電機組、開關和主變等設備進行遠程控制和調(diào)度。及時、準確地報送所轄風電場的生產(chǎn)信息和相關數(shù)據(jù)；根據(jù)所轄風電場不同設備的調(diào)管范圍報送一、二次設備停電計劃；及時報告事故或異常情況，并配合各級調(diào)度機構進行事故或異常處理。

1.3 智能化管理系統(tǒng)的功能

1）WEB數(shù)據(jù)的發(fā)布功能：采用B/S架構，能夠實現(xiàn)集控中心的實時在線數(shù)據(jù)的發(fā)布，集團中心在局域網(wǎng)內(nèi)以網(wǎng)頁形式瀏覽集控中心的實時在線畫面及各項數(shù)據(jù)[3]。

2）物資管理功能：能夠實現(xiàn)運行管理、故障處理、三票管理、設備管理、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)統(tǒng)計、統(tǒng)計分析、物資管理、運行管理、綜合查詢等功能，對各風電場的設備、人員及日常工作等進行智能化管理。

1.4 數(shù)據(jù)采集與控制傳輸平臺

數(shù)據(jù)采集與控制傳輸平臺采用 OPC技術、IEC61400-25[6]標準實現(xiàn)風機信息采集，采用RTU實現(xiàn)對升壓站數(shù)據(jù)和風功率預測系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)采集，同時可實現(xiàn)對風機運行的監(jiān)控（AGC，AVC）以及集控中心命令的上傳下達。

2 智能化管理系統(tǒng)

2.1 智能化管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取

集控中心和智能化管理系統(tǒng)通過寫數(shù)的方式進行數(shù)據(jù)交換，集控中心將采集到的數(shù)據(jù)寫入商用數(shù)據(jù)庫MYSQL，智能化管理系統(tǒng)從MYSQL數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并進行分類處理顯示，數(shù)據(jù)流的流動只能是單向的，系統(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流向結構Fig.2 Data flow diagram

2.2 WEB數(shù)據(jù)的發(fā)布

WEB發(fā)布系統(tǒng)主要用于在監(jiān)控中心辦公區(qū)建立起一套與風電場集控系統(tǒng)完全一致的鏡像系統(tǒng)，并具備商務智能及大數(shù)據(jù)分析能力等，利用WEB服務器實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)發(fā)布[4]，集團中心可以對集控中心的遠程監(jiān)控畫面以網(wǎng)頁的形式在線瀏覽，方便對風電場的遠程智能化管理。

3 新型自動發(fā)電量調(diào)度策略

傳統(tǒng)的風電場的發(fā)電量調(diào)度策略由調(diào)度中心下發(fā)功率值到集中監(jiān)控中心，監(jiān)控中心再下發(fā)到每個風電場，各個風電場設定值為固定值，如圖3所示，由于受自然條件限制不同風電場在同一時間風力的大小不等，造成部分風電場發(fā)電量大于調(diào)度中心設定值，處于棄風運行狀態(tài)，而部分風電場因風力不足，處于欠發(fā)狀態(tài)，以致風能得不到充分利用，產(chǎn)生資源的浪費。為了充分利用自然資源，在集中監(jiān)控中心側增加相應的功能，實現(xiàn)對多個風電場統(tǒng)一管理調(diào)度，將風力發(fā)電量差異較大的多個風電場的發(fā)電總量設定為定值。如圖4所示，可實現(xiàn)發(fā)電量配額的自由分配，當部分風電場風力較小而部分風電場風力較大時，在不超過總發(fā)電量設定值情況下風力大的風電場可充分發(fā)電以補缺風力小的風電場未能充分發(fā)電剩余配額，使風資源得到充分利用，實現(xiàn)最大發(fā)電量。圖5為前后2種方法發(fā)電量對比圖。由圖可以看出，改進調(diào)度策略后的發(fā)電量明顯增加。

4 故障診斷樣本提取算法

針對算法對故障大樣本處理能力不足、算法執(zhí)行效率不高的問題，提出一種有效的樣本約簡方

圖3 傳統(tǒng)發(fā)電量調(diào)度策略Fig.3 Traditional power generation scheduling strategy

圖4 新型調(diào)度策略圖Fig.4 New scheduling strategy map

圖5 傳統(tǒng)發(fā)電量調(diào)度策略Fig.5 Traditional power generation scheduling strategy

其中，max（xi）為樣本每一維數(shù)據(jù)中的最大值；min（xi）為每一維數(shù)據(jù)中的最小值；m為一常數(shù)，m的取值為樣本數(shù)目的1/k，通常情況下k的取值小于10。

以離N維空間中離原點最近的一個樣本為起始點，以Ds中各維的長度劃分樣本空間，從而將樣本空間劃分為邊長為di的樣本快（Sample Block，SBlock）。將每個S-Block中所含第一類樣本點的個數(shù)定義為φ-，所含第二類樣本點的個數(shù)定義為φ+，則定義該S-Block的密度為法，在確保支持向量樣本點數(shù)目的前提下，通過預提取含有支持向量的約簡故障樣本從而達到提高算法效率的目的。支持向量機算法的關鍵在于尋找最優(yōu)分界面，而算法的計算時間主要消耗在計算支持向量上。由算法的原理可知支持向量主要分布在樣本的邊緣，對于大樣本或者海量樣本來說，樣本內(nèi)部含有遠多于支持向量數(shù)目的對樣本分類無貢獻的樣本點，這些樣本點耗費大量的計算時間，極大地降低了算法的效率。因此通過有效提出內(nèi)部非支持向量樣本點可以有效提高算法執(zhí)行效率，本文算法的樣本約簡方法如下：對于給定訓練樣本集：

設第一類樣本集為S1，即第二類樣本集為S2，即S1=｛x∣y=-1，x∈S｝。對樣本所處的N維向量空間定義一個N維的最小跨度向量Ds：

由式（3）可知，當φ+≥φ-時，ρ為非負值；當φ+＜φ-時，ρ為負值。設定閥值為θ（0≤θ≤0.5），對于一個S-Block來說，當ρ≤θ時，該S-Block被稱為邊界塊；當ρ＞θ時，該S-Block被稱為內(nèi)部塊[7]。

由S-Block樣本密度的定義可知，邊緣樣本可能分布在B-Block及其周圍輻射的數(shù)據(jù)所構成的候選塊中。因此需要提取候選S-Block中的數(shù)據(jù)構成新的樣本集Sc：

它們之間的關系為Sc∈S，S1c∈S1，S2c∈S2，經(jīng)過對樣本空間進行劃分并提取邊緣樣本，可以有效去除樣本中心對樣本分類沒有意義的樣本點，在一定程度上減少了訓練樣本點的個數(shù)，從而提高算法的計算速度。此方法對大樣本和海量樣本十分有效，樣本容量越大，約簡效果越好。

5 二次安全防護設備

監(jiān)控中心監(jiān)控系統(tǒng)嚴格執(zhí)行電力二次安全防護要求，按安全I、II、III區(qū)配置設備。風電場群遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺建設嚴格按照二次安防的相關文件來執(zhí)行，將全部的功能分布在3個安全分區(qū)，3個區(qū)分布采用鏈式結構，分別為生產(chǎn)控制區(qū)（一區(qū)）、生產(chǎn)非控制區(qū)（二區(qū)）、智能化管理區(qū)（三區(qū)）。在生產(chǎn)控制區(qū)和生產(chǎn)非控制區(qū)之間采取防火墻邏輯隔離措施，在生產(chǎn)非控制區(qū)和智能化管理大區(qū)采用正向隔離和反向隔離措施，集控中心與風場的數(shù)據(jù)通訊主要以集控中心側生產(chǎn)控制區(qū)和風場側生產(chǎn)控制區(qū)的通訊為主，兩者之間的數(shù)據(jù)通訊采取縱向加密安全措施[5]。

6 結語

此平臺的建設有助于實現(xiàn)多風電場管理向著更加智能化的方向發(fā)展。提高了公司的管理水平，對優(yōu)化大規(guī)模風電機組群并網(wǎng)后的電能質(zhì)量以及電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全和經(jīng)濟運行有著顯著的效果，同時減少了故障樣本的數(shù)量，提高了故障診斷的速率。總的來說風電場群遠程集中監(jiān)控才剛剛起步，隨著技術的不斷發(fā)展和成熟，集中監(jiān)控中心將會增加更多的功能，從而真正實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守的生產(chǎn)狀況。

[1] 喬穎，魯宗相.考慮電網(wǎng)約束的風電場自動有功控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（22）：88-93.

[2] 王成，王志新，張華強.風電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)及無線網(wǎng)絡技術應用研究[J].自動化儀表，2008，29（11）：16-20.

[3] 段斌，林媛源，黃凌翔，等.風電場監(jiān)控通信安全解決力案[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（12）：97-102.

[4] 白永祥.省級調(diào)度中心風電場調(diào)度管理技術支持系統(tǒng)關鍵問題研究[D].天津：天津大學，2010.

[5] 國家電力監(jiān)管委員會.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[Z]，2014-12-20.

[6] 蔡忠勇，荊超.風力發(fā)電廠監(jiān)控通信原理及模型一IEC 61400-25標準介紹[J].電力系統(tǒng)通信，2008，29（18）：59-64.

[7] Weston J and Watkins C.Multi-class support vector machines. In M.Verleysen editor[C]//Proceedings of ESA-NN99，BrusselSm，l999.