基于風(fēng)功率預(yù)測的可移時(shí)負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

周宏偉+常學(xué)飛+李德鑫

摘要：為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場與可移時(shí)負(fù)荷的集中管理，本文研發(fā)了一套基于風(fēng)功率預(yù)測的可移時(shí)負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測信息，采取多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)的負(fù)荷用電控制，對(duì)可移性負(fù)荷的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控處理。本文基于WinCC、Visual Studio 2012開發(fā)平臺(tái)，采用C++語言來編寫算法，對(duì)多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)負(fù)荷側(cè)進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)的良性有序互動(dòng)。

關(guān)鍵字：風(fēng)功率預(yù)測；可移時(shí)負(fù)荷；監(jiān)控系統(tǒng)；WinCC；

中圖分類號(hào)：TM614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016） 10（c）-0000-00

0 引言

隨著風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)電本身的不確定性給大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來了很大的困難，從而導(dǎo)致了嚴(yán)重的棄風(fēng)問題 [1-2]。為解決這些難題，我國北部的冬季供熱地區(qū)大力推廣以蓄熱式電鍋爐為代表的可移時(shí)負(fù)荷（柔性負(fù)荷）來促進(jìn)風(fēng)電的就地消納。本文采用蓄熱式電鍋爐與電化學(xué)儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)作為可移時(shí)負(fù)荷。開發(fā)了一套基于風(fēng)功率預(yù)測的可移時(shí)負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠保證電能和熱能供求平衡，便于調(diào)度管理；而且可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)電場、可移時(shí)負(fù)荷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以便盡快發(fā)現(xiàn)問題，處理故障。

文獻(xiàn)[1] 設(shè)計(jì)了風(fēng)電場集成系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)有功控制、電壓控制、發(fā)電與檢修計(jì)劃安排等高級(jí)應(yīng)用功能。文獻(xiàn)[2] 介紹了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的電力負(fù)荷遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分散電力大用戶的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)、事件報(bào)警以及WEB發(fā)布等功能。本文提出的基于風(fēng)功率預(yù)測的可移時(shí)負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)可以同時(shí)獲取源荷兩端的相關(guān)數(shù)據(jù)，以此來協(xié)調(diào)控制可移時(shí)負(fù)荷的運(yùn)行方式，具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 研發(fā)的系統(tǒng)功能需求

風(fēng)電場和可移時(shí)負(fù)荷系統(tǒng)屬于分布式布置，需要進(jìn)行集約化管理，因此研發(fā)了基于風(fēng)功率預(yù)測的可移時(shí)負(fù)荷的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)中，云端為數(shù)據(jù)傳輸提供了一個(gè)大的平臺(tái)，起“緩沖”作用，可以對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的整理；而信息處理及協(xié)調(diào)控制中心相當(dāng)于“神經(jīng)中樞”，起到了協(xié)調(diào)控制，分析處理的作用，顯然是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。這一監(jiān)控系統(tǒng)的總體布置如圖1所示：

可移時(shí)負(fù)荷的監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如下：基于GPRS技術(shù)，可以將風(fēng)電場和蓄熱式電鍋爐示范工程的參數(shù)和信號(hào)以數(shù)據(jù)流的形式傳送至云平臺(tái)；云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的管理，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的收發(fā)數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)控制中心；可以應(yīng)用協(xié)調(diào)控制算法，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)聯(lián)合應(yīng)用調(diào)控系統(tǒng)的功能需求，獲得優(yōu)化的數(shù)據(jù)，來協(xié)調(diào)風(fēng)電場和可移時(shí)負(fù)荷的運(yùn)行，再將調(diào)整的運(yùn)行方案通過云端發(fā)送至風(fēng)電場和蓄熱式電鍋爐的現(xiàn)場調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)源荷匹配的總體目標(biāo)。

（1）風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集終端

風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集終端通過數(shù)據(jù)平臺(tái)從風(fēng)功率預(yù)測服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理，將該數(shù)據(jù)經(jīng)單向隔離裝置，通過GPRS無線通信傳送到云數(shù)據(jù)平臺(tái)。

（2）可移時(shí)負(fù)荷終端

可移時(shí)負(fù)荷所在地?fù)碛凶约邯?dú)立的數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中可以實(shí)時(shí)獲取這些數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸至云端，供信息處理及協(xié)調(diào)控制中心進(jìn)行分析，協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。

（3）云平臺(tái)

云平臺(tái)是一個(gè)虛擬的存儲(chǔ)、處理大數(shù)據(jù)的平臺(tái)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理計(jì)算。通過云平臺(tái)，可以將準(zhǔn)確可靠的風(fēng)電場以及蓄熱式電鍋爐示范工程的各類數(shù)據(jù)傳送至信息處理及協(xié)調(diào)控制中心，以便于協(xié)調(diào)控制中心準(zhǔn)確的確定方案，實(shí)施管理。

（4）信息處理及協(xié)調(diào)控制中心

信息處理及協(xié)調(diào)控制中心通過硬件與軟件的組合，實(shí)現(xiàn)了綜合監(jiān)控、風(fēng)機(jī)監(jiān)控、風(fēng)功率預(yù)測，柔性負(fù)荷管理等功能。通過運(yùn)用相應(yīng)的控制策略，滿足負(fù)荷用電的邊界條件，給出負(fù)荷用電的用電指導(dǎo)方案，將指導(dǎo)方案通過總線的方式發(fā)送給風(fēng)電場以及蓄熱式電鍋爐示范工程。

信息處理及協(xié)調(diào)控制中心具備查詢、存儲(chǔ)所轄風(fēng)電場設(shè)備以及可移時(shí)負(fù)荷運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的功能。

2 系統(tǒng)硬件部分的組成

信息處理及協(xié)調(diào)控制中系統(tǒng)的硬件部分主要由路由器（數(shù)據(jù)路由器、視屏路由器等）、前置機(jī)（交換機(jī)、縱向加密）、終端服務(wù)器、通訊服務(wù)器等組成。為保證系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)的安全性，采用分布式體系雙局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通訊服務(wù)器都連接在兩條以太網(wǎng)上。采用雙網(wǎng)絡(luò)同時(shí)工作，系統(tǒng)自動(dòng)平均分配網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，當(dāng)一條網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后，另一條網(wǎng)絡(luò)作為備用線路介入網(wǎng)絡(luò)，確保系統(tǒng)不受影響，能夠正常運(yùn)行。在某些情況下，當(dāng)兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)相應(yīng)變化系統(tǒng)會(huì)重新設(shè)置通信狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

采用終端服務(wù)器作為通訊設(shè)備的前置機(jī)，保證了其通訊穩(wěn)定性。該配置可支持同步、異步的方式，適合數(shù)字通道和模擬通道的實(shí)用性。結(jié)構(gòu)體系采用分布式，最大限度的實(shí)現(xiàn)了資源的優(yōu)化，把各個(gè)功能模塊分配到系統(tǒng)的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，保證了系統(tǒng)在基本功能保證的情況下，實(shí)現(xiàn)了的可擴(kuò)充性。

圖中的 A 框表示數(shù)據(jù)采集方式是采用終端服務(wù)器和調(diào)制解調(diào)器相結(jié)合的方式，B 框表示數(shù)據(jù)采集方式是采用路由器或交換機(jī)方式，可接入專線、同軸電纜、雙絞線、光纖等多種接入方式，A、B 方式可以互相結(jié)合使用，也可以互為備用。

3 系統(tǒng)軟件部分的研發(fā)

為了充分滿足監(jiān)控系統(tǒng)的整體需要，采用Qc來開發(fā)人機(jī)界面，利用德國西門子公司（SIEMENS）推出的WinCC（Windows Control Center）控制軟件，使用Microsoft SQL Server 2005作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

采用標(biāo)準(zhǔn)C++語言來編寫算法，通過協(xié)調(diào)控制算法優(yōu)化多目標(biāo)函數(shù)，求得最有解指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效的源荷匹配。監(jiān)控系統(tǒng)兼容多種不同設(shè)備運(yùn)行及軟件平臺(tái)的支撐，在此狀態(tài)下，需要設(shè)備的規(guī)約轉(zhuǎn)換。而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，可兼作為前置機(jī)信息處理規(guī)約和規(guī)約轉(zhuǎn)換。

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)架如圖3所示：

數(shù)據(jù)服務(wù)層以及通用功能組件服務(wù)層主要用于整理數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸檔存儲(chǔ)，以便調(diào)用。智能計(jì)算服務(wù)層用于分析數(shù)據(jù)，運(yùn)用協(xié)調(diào)控制算法來優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)輸出目標(biāo)結(jié)果，工作人員以此來制定優(yōu)化后的系統(tǒng)運(yùn)行方案。而監(jiān)控顯示界面則用來實(shí)時(shí)顯示由云平臺(tái)傳輸而來，經(jīng)協(xié)調(diào)控制中心整理之后所顯示的數(shù)據(jù)。

4 研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)界面

本文給出的模型為風(fēng)電場裝機(jī)容量為100MW，由25臺(tái)額定功率為4MW的風(fēng)機(jī)組成；可移時(shí)負(fù)荷為3臺(tái)額定功率為30MW的蓄熱式電鍋爐和與之配合的3套額定功率為10MW的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，電鍋爐在夜間22：00-次日5：00運(yùn)行，其余時(shí)間由蓄熱罐為供熱公司供熱。

監(jiān)控畫面主要顯示以下內(nèi)容，風(fēng)功率的預(yù)測數(shù)據(jù)、風(fēng)場的電流和電壓；電鍋爐實(shí)時(shí)的電功率、電壓、罐體內(nèi)溫度和壓力、出水和回水溫度；儲(chǔ)能裝置主要顯示實(shí)時(shí)的功率流向及大小、運(yùn)行極限報(bào)警以及儲(chǔ)能電池的溫度等信息。以便為調(diào)度計(jì)劃提供較為準(zhǔn)確的依據(jù)。部分主要的監(jiān)控畫面如下圖4所示：

圖4中可以監(jiān)測到預(yù)測的風(fēng)電場、蓄熱式電鍋爐和電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的總體數(shù)據(jù)，圖中風(fēng)電場顯示的為集電系統(tǒng)中的總體的電流電壓；蓄熱式電鍋爐中電功率與電壓顯示的是1號(hào)蓄熱式電鍋爐的數(shù)據(jù)，包括電鍋爐的功率、蓄熱罐的罐內(nèi)溫度和氣壓等實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，

圖5中，風(fēng)功率顯示的為一天內(nèi)風(fēng)場預(yù)測功率；圖中僅給出了1號(hào)電鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)，而2號(hào)與3號(hào)電鍋爐與1號(hào)電鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)基本一致；與電鍋爐配合的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，有正有負(fù)，當(dāng)為負(fù)值時(shí)供給電鍋爐電能，當(dāng)為正值，則自身儲(chǔ)存能量，圖中僅給出了與1號(hào)電鍋爐想配合的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

5 結(jié)論

本文開發(fā)了一套可移時(shí)負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場、蓄熱式電鍋爐和儲(chǔ)能系統(tǒng)等可移時(shí)負(fù)荷進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和集中控制及數(shù)據(jù)的管理。該監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場與可移時(shí)負(fù)荷的集中化管理，通過協(xié)調(diào)控制算法可以優(yōu)化風(fēng)電場與可移時(shí)負(fù)荷的運(yùn)行，使得這一聯(lián)合系統(tǒng)能夠更節(jié)能環(huán)保的解決本地部分居民的供熱問題和風(fēng)電場的棄風(fēng)問題。

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