規(guī)模化小水電群電站快速調節(jié)系統(tǒng)遠動通道的實現及應用

徐玉韜，武晉輝，林呈輝，焦邵華，顧威，趙繼偉，龍秋風

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴陽　550002; 2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京　100085; 3.貴州電網有限責任公司六盤水供電局，貴州六盤水　553001)

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規(guī)模化小水電群電站快速調節(jié)系統(tǒng)遠動通道的實現及應用

徐玉韜1，武晉輝2，林呈輝1，焦邵華2，顧威1，趙繼偉3，龍秋風1

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴陽550002; 2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京100085; 3.貴州電網有限責任公司六盤水供電局，貴州六盤水553001)

摘要:為實現規(guī)模化小水電群與風、光、水、氣多種能源聯合運行，平抑風電、光伏等新能源并網給電網造成的波動，針對規(guī)模化小水電群穩(wěn)定、可調且調節(jié)快速的特點，開發(fā)了水電站側集水電站有功功率和無功功率快速調節(jié)功能為一體的嵌入式控制器，使參與調節(jié)的各個小水電站具備功率快速協(xié)調控制的能力。為實現規(guī)模化小水電群按照遠方控制策略進行閉環(huán)控制，需建立遠程主站與水電站間閉環(huán)控制的遠動通道，針對小水電站的實際特點，提出了利用調度數據網及無線通信兩種方案。工程示范應用表明，實現了水電站功率快速調節(jié)系統(tǒng)與遠方電站快速調節(jié)主站的閉環(huán)、協(xié)調控制。

關鍵詞:規(guī)模化小水電群;調度數據網;無線通信;遠動通道

0　引言

近年來，風電、光伏等新能源不斷接入電網，其間歇性、隨機性及不可控性的特點，給電網運行及調度帶來了一些新的問題，導致這些新能源年利用小時數較低，電網對新能源的消納能力不足，造成了投資的浪費。

國內外學者針對這個問題從多個角度進行了研究。文獻［1］采用在光伏電站側系統(tǒng)中增加一次設備的措施，將超級電容器作為功率調節(jié)裝置，控制光伏并網系統(tǒng)按給定值平滑、準確地輸出功率，使光伏發(fā)電具有可調度性。文獻［2］在主站側進行了很多理論研究工作，但對于參與聯合運行的水電站而言，如何進行技術改造，沒有涉及。我國水力資源豐富，小水電站雖然單機容量不大，但數量眾多，局部地區(qū)比較密集，本課題針對區(qū)域電網裝機容量相對較小的規(guī)模化小水電群穩(wěn)定、可調且調節(jié)快速的特點，開發(fā)了水電站側有功功率和無功功率快速調節(jié)一體化控制器，在不增加一次設備投資的前提下，有效利用水電站本身的有功功率和無功功率調節(jié)裕度，使參與調節(jié)的各個小水電站具備功率快速協(xié)調控制的能力，形成規(guī)模化小水電群與區(qū)域電網的風光水氣多種能源聯合運行的主站系統(tǒng)，構成閉環(huán)協(xié)調控制系統(tǒng)。按照功率控制策略，通過快速調節(jié)參與閉環(huán)控制運行的水電站的功率，實時進行區(qū)域電網的閉環(huán)、快速調節(jié)，平抑間歇性新能源并網帶來的波動。

為了快速響應風、光、水、氣多種能源聯合運行時外部電網環(huán)境有功功率、頻率、無功功率、電壓等參數的變化，主站負責制定區(qū)域電網的優(yōu)化策略，子站負責執(zhí)行策略，協(xié)調水電站多臺機組的有功功率、無功功率并執(zhí)行，子站設備必須與主站系統(tǒng)協(xié)調控制、互相聯動、閉環(huán)控制，同時使區(qū)域內的小水電群參與調節(jié)。

目前，國內各水電站受個體裝機容量、運行管理體制、業(yè)主利益、調節(jié)能力、自動化水平等諸多因素的影響，沒有參與區(qū)域電網的協(xié)調控制，對于上級調度中心而言，相當一部分水電站基本處于不可控、不可觀測的狀態(tài)。

為了實現規(guī)模化小水電群按照遠方控制策略進行閉環(huán)控制，建立安全、可行的遠程主站與水電站之間的遠動通道是亟待解決的問題。

無線通信技術在國內自動化領域多有應用:文獻［3］介紹了通用分組無線服務(GPRS)技術在電力系統(tǒng)數據采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)中的應用，其中主要集中在電能量數據遠程采集及自動抄表系統(tǒng)，在電站的遠方實時在線控制方面并沒有實際應用;文獻［4］介紹了GPRS技術在鐵路道口電源智能監(jiān)控裝置中的應用，涉及的應用場合相對簡單;文獻［5］介紹了采用全球移動通信(GSM)網絡短信息的無線通信在SCADA系統(tǒng)中的應用，這種方式實時性差，通信數據量受短信息格式的限制，但費用低廉;文獻［6］介紹了無線通信在配網自動化系統(tǒng)中的應用，采用了IEC 60870－5－101規(guī)約，涉及配電終端的信息采集及控制，但沒有涉及遙調。

小水電站地理位置十分偏僻且較分散，水電業(yè)主構成多種多樣，大部分不具備電力調度數據網的接入條件。目前，市場上還沒有考慮規(guī)模化小水電群與風光氣等多種能源聯合運行的、基于遠程控制策略中心的、以無線通信方式與密集分布的水電站進行遙調閉環(huán)控制的整體應用解決方案。

1　基于調度數據網的遠動通道方案

1.1調度數據網

電力調度數據網是專門為電力調度生產服務的專用網絡，SCADA系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)(EMS)等調度數據業(yè)務是網絡承載的主要業(yè)務。隨著電力調度技術的不斷發(fā)展，調度數據網所承載的業(yè)務也不斷發(fā)展，水調自動化系統(tǒng)、電力市場支持系統(tǒng)等都開始通過調度數據網承載;同時，通過技術手段保證了各業(yè)務之間的有效隔離和業(yè)務系統(tǒng)的安全，主要包括交換機、脈沖編碼調制(PCM)、光纖等設備，完成信息的采集、轉換、調制、傳輸及反饋等。

電力調度數據網是電網調度自動化的基礎，在協(xié)調電力系統(tǒng)發(fā)電、送電、變電、配電、用電等組成部分的聯合運行及保證電網安全、經濟、穩(wěn)定、可靠運行方面發(fā)揮著重要的作用。

電力調度數據網由國家電力調度數據一級網、區(qū)域二級網、省級三級網、地市四級網和縣級五級網組成，覆蓋各級調度中心和直調發(fā)電廠、變電站。目前，一級網基本建成，其他各級網絡正在實施并具備一定的規(guī)模，但并沒有全面覆蓋。

1.2實現方案

為了實現風光水氣多種能源聯合優(yōu)化閉環(huán)控制及運行，對于具備調度數據網條件的水電站采用調度數據網，解決了規(guī)模化小水電群的遠程快速調節(jié)策略控制中心主站與水電站側功率快速調節(jié)子站之間的遠動通道問題，這種信息通道的構建方式具有可靠性高、速度快、安全性好等特點。

基于調度數據網的水電站功率快速調節(jié)系統(tǒng)遠動通道的實現如圖1所示。

如圖1所示，水電站側的功率快速調節(jié)一體化控制器對主站側提供以太網接口，與遠方電站快速控制中心交互的遠動信息通過E1協(xié)議轉換器、數字配線架(DDF)、光傳輸設備送出，然后通過調度數據網進行傳輸。對水電站現場，采集站內現場數據，收到遠方主站下發(fā)的有功功率目標總指令及高壓母線電壓目標指令后，協(xié)調站內各臺機組的調速系統(tǒng)及勵磁系統(tǒng)，從而實現水電站有功功率和無功功率的快速調節(jié)。

遠方調度中心側通過光傳輸設備、光傳輸配線架、E1協(xié)議轉換器接入電站快速控制系統(tǒng)主站的前置服務器，電站快速控制系統(tǒng)主站在考慮風電、光伏等新能源接入的基礎上進行綜合優(yōu)化，通過遠動通道下發(fā)參與電站快速調節(jié)的各個水電站的有功功率目標值及高壓母線電壓指令。

2　無線通信方案

圖1　水電站功率快速調節(jié)子站調度數據網通信示意

為了實現風光水氣多種能源聯合優(yōu)化閉環(huán)控制及運行，針對水電站地理位置偏僻的實際特點，對不具備調度數據網條件的水電站，研究了采用基于虛擬專用網絡(VPN)技術的無線通信技術，解決了規(guī)模化小水電群遠程快速調節(jié)策略控制中心主站與水電站側功率快速調節(jié)子站之間的遠動通道問題，這種信息通道構建方式適應了小水電的環(huán)境特點。

規(guī)模化的小水電站多位于山區(qū)，交通不便，為了實現水電站的閉環(huán)快速調節(jié)，與遠方優(yōu)化策略控制中心的遠動通道構建不可避免。

方法1:依靠電力調度數據網，但規(guī)模化的小水電大多屬于低壓配電網，容量較小，歸屬縣調管理，大多沒有調度數據網的環(huán)境。

方法2:建立小水電到遠方優(yōu)化策略控制中心的專線，但造價太高，不適用。

方法3:傳統(tǒng)的電話Modem方式，速度慢，信息量少，可靠性及安全性差。

隨著通信技術的發(fā)展，出現了GPRS等無線通信網絡，利用這些載體構建造價低、安全性好、穩(wěn)定性好的遠動通道，國內行業(yè)專家看法各異，主要對通信的可靠性及安全性存在質疑。

無線通信接口實現了水電站功率快速調節(jié)控制器的遙測、遙信狀態(tài)信息的上送，同時接收上級調度中心下發(fā)的遙控、遙調控制指令。該方案的實現方式如圖2所示。

無線通信模塊(SIM卡)需要開通網絡數據包流量服務，且需正確設置模塊IP地址(如192.168.10.1)。

通信控制器支持網關功能，在綁定的IEC 60870－5－104規(guī)約中route_ip字段的配置為: route_ip = 192.168.10.1(無線模塊的IP)。中心調度端的路由器要求支持IPSsec VPN功能，要求正常接入公網并且有固定的公網IP地址，設置路由器對內部局域網IP地址(如192.168.100.1)。

遠程控制主機的IP保證與中心端路由在同一網段，這由現場通信控制器綁定的IEC60870－5－104規(guī)約中配置字段“remote_ip = 192.168.100.111”決定，并將控制主機網關設置為中心端路由器的IP(192.168.100.1)。

這樣，在中心端路由器與現場的無線模塊之間就建立了安全的LAN－to－LAN的IPSec VPN通道。調度端通過該VPN通道及現場通信控制器便可實現對現場的遙調、遙控、遙測、遙信遠動信息的傳輸。

2.1通信速率及流量估算

假設每個水電站功率快速調節(jié)子站交互50個數據，每個數據4B，上送間隔2s，那么每月流量為259.2 MB，通信數據流量可控、速率穩(wěn)定、運行維護費用不高。

2.2無線通信的安全性

向網絡通信運行服務商申請無線數字數據網(DDN)業(yè)務，能夠提供永遠在線、可透明傳輸的VPN，能夠提供點對點、外圍設備間、外圍設備與中心節(jié)點之間的通信方式，適用于信號互傳、數據互備、遠程監(jiān)測等行業(yè)，也適用于突發(fā)性、高頻率、點多分散、小流量的數據傳輸。

基于VPN加密通道的IPSEC協(xié)議，借助internet實現了遠程intranet。

無線模塊的“機卡互鎖”功能支持基于非對稱密鑰技術的單向認證，主站下發(fā)的遙控命令支持帶有調度證書的數字簽名，子站側或終端側能夠鑒別主站的數字簽名。

無線模塊能提供支持內嵌“驗簽模塊”功能的轉換模塊，加強網絡安全。

采用工業(yè)級SIM卡以提高可靠性。

按照電力系統(tǒng)二次安全防護的技術要求，水電站功率快速調節(jié)子站通道出口采用了縱向加密裝置，保證系統(tǒng)控制的安全性。

3　電站快速控制系統(tǒng)的示范應用

基于規(guī)模化小水電群的電站快速調節(jié)系統(tǒng)在貴州六盤水地區(qū)的5個小水電進行了示范應用，整體系統(tǒng)結構如圖3所示，其中3個小水電采用了調度數據網的實現方案，2個水電站采用了GPRS無線通信的方案，實現了水電站功率快速調節(jié)系統(tǒng)與遠方電站快速調節(jié)主站的閉環(huán)、協(xié)調控制。

為了滿足電力系統(tǒng)信息安全二次防護的要求，對水電站功率快速調節(jié)一體化裝置無線通信出口增加了縱向加密裝置，以提高系統(tǒng)的安全防護等級;同時，在電站快速調節(jié)主站，通過地調自動化系統(tǒng)安全三區(qū)接入，與生產一區(qū)之間通過正、反向隔離裝置進行了隔離。

從示范現場的實際運行效果看:采用調度數據網遠動通道參與閉環(huán)協(xié)調控制的水電站，直接接入地調自動化系統(tǒng)的生產一區(qū)，采用IEC 60870－5－104規(guī)約與電站快速調節(jié)主站通信的遙測、遙信、遙調、遙控響應時間為3～4 s;根據水電站現場通信網絡信號的實際情況，采用GPRS無線通信的水電站，采用IEC 60870－5－104規(guī)約與電站快速調節(jié)主站通信的遙測、遙信、遙調、遙控響應時間為8 s左右，這個響應時間對于整個電站功率快速控制系統(tǒng)而言是可以接受的。

圖2　水電站功率快速調節(jié)子站無線通信示意

圖3　水電站快速調節(jié)系統(tǒng)結構

當無線通信出現通信中斷時，水電站功率快速調節(jié)系統(tǒng)會閉鎖裝置所有動作出口并報警，保證水電站現場生產的安全。

4　結論

隨著區(qū)域電網的運行管理越來越精細化，單機容量較小、但數量眾多的小水電站具備有功功率和無功功率的快速調節(jié)能力后，形成規(guī)模化的小水電群，參與區(qū)域電網的風光水氣多種能源間的閉環(huán)協(xié)調控制，可以平抑風電、光伏等新能源并網后對電網造成的波動，具有一定的應用前景。

為了實現主站與眾多子站間的協(xié)調、閉環(huán)控制，針對不同環(huán)境條件的水電站，研究了利用調度數據網和無線通信2種遠動通道與六盤水主站通信的解決方案。采用調度數據網，從遠動傳輸速度及信息量方面，能夠滿足示范系統(tǒng)的技術要求，通信速度較快、可靠性高、安全性好。而對于2個地理位置偏僻，沒有調度數據網條件的水電站，根據電站當地的實際情況，采用了無線通信方式，從實際運行情況看，通信速度比有線慢，但是可行，同時采取了縱向加密等安全防護措施，有效解決了水電站參與分層閉環(huán)控制的遠動通道問題。

隨著無線通信技術的不斷發(fā)展和網絡覆蓋區(qū)域的不斷擴大，相信無線通信在電力系統(tǒng)監(jiān)視及控制中的應用會越來越廣泛，其靈活性、經濟性一定會與有線通信的快速性、安全性有效互補，基于規(guī)模化小水電群的電站快速調節(jié)系統(tǒng)遠動通道的構建模式也會不斷完善和成熟，應用推廣價值也會不斷提高。

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(本文責編:劉芳)

徐玉韜(1986—)，男，安徽蕪湖人，工程師，工學碩士，從事電力系統(tǒng)自動化方面的研究(E-mail: 95616048@ qq.com)。

作者簡介:

基金項目:國家科技支撐計劃項目(2013BAA02B02)

收稿日期:2015－10－14;修回日期:2015－12－30

中圖分類號:TM 76

文獻標志碼:A

文章編號:1674－1951(2016)01－0005－04