智能光伏及風電場區(qū)域集控研究與設計*

張 華 ，馬保軍 ，翟新軍 ，張 磊 ，楊 健

（1.中廣核新能源投資（深圳）有限公司新疆分公司，烏魯木齊830011；2.中廣核青河太陽能有限公司，阿勒泰836200）

1 引 言

目前，國內(nèi)已經(jīng)有大批風力發(fā)電站和光伏電站建成投入運行，但電站大量建設后的管理問題卻日趨嚴重，其中最重要的問題之一就是風能和光伏電站監(jiān)控平臺的研究、建設及運用。在國內(nèi)都還在學習如何設計新能源并網(wǎng)電站、如何進行系統(tǒng)調(diào)試的時候，國外已經(jīng)悄然開始了新能源電站運行、維護和管理體系的建立，其中非常重要的一點就是電站如何在管理上實現(xiàn)突破[1]。從最初的電站巡檢到后期的局域網(wǎng)監(jiān)控，再到現(xiàn)在風能、光伏網(wǎng)絡監(jiān)控平臺的設立，這使得國外風能、光伏電站實現(xiàn)了真正的遠程管理。

新疆是風能和太陽能資源十分豐富的地區(qū)，目前，中廣核已在新疆建設了大量的光伏及風力發(fā)電站，隨著規(guī)模性的風能和太陽能電站陸續(xù)開工建設和投入運營，需要對各個電站的運行狀況進行集中監(jiān)測，實現(xiàn)電站運行數(shù)據(jù)的實時存儲、分析、顯示等功能，以便掌握電站的運營管理，同時，需要總結(jié)部分電站的運行數(shù)據(jù)進行經(jīng)驗分析，為電站的經(jīng)濟運行及未來光伏電站的設計提供充實的科學依據(jù)。

基于以上目的，中廣核新能源投資有限公司新疆分公司、中廣核青河太陽能有限公司建設了新能源項目遠程集控中心管理平臺，可對各個電站的全生命周期的運行情況、發(fā)電情況、告警情況、運維情況進行實時有效的量化評估，從而主動發(fā)現(xiàn)電量提升點，完成對電站的精細化、規(guī)范化管理，確保電站健康運行、收益穩(wěn)定提升，實現(xiàn)電站價值最大化。

2 電場設計依據(jù)與原則

電站管理系統(tǒng)的設計除技術(shù)條件中規(guī)定的技術(shù)參數(shù)和要求外，其余均遵照最新版本的電力行業(yè)標準（DL）、國家標準（GB）和IEC標準及國際單位制（SI），這是對設備的最低要求。該系統(tǒng)設計滿足如下原則[2-3]：

(1)先進性與前瞻性原則：系統(tǒng)建設采用符合未來發(fā)展趨勢而適當超前的、先進的、開放的設計方案，在建設中采用流行的、成熟的、先進的計算機軟件技術(shù)、開發(fā)模式和管理方式。總體設計充分參照國際上的規(guī)范、標準，主流網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡運行系統(tǒng)，采用B/S體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合的網(wǎng)絡計算模式。在數(shù)據(jù)庫設計上，采用先進的分散式技術(shù)、容錯技術(shù)、備份恢復技術(shù)等。

(2)擴展性原則：系統(tǒng)建設完成后應具備良好的擴展功能，當有新的風電、太陽能光伏電站（或設備）建成后，要能夠方便地添加到該系統(tǒng)中。

(3)開放性原則：作為專業(yè)的應用系統(tǒng)，必須具有良好的開放性，必須符合相關(guān)的工業(yè)標準，以充分保障系統(tǒng)與其他應用系統(tǒng)的無縫集成。支持不同系統(tǒng)之間的互訪。提供第三方數(shù)據(jù)接口服務，為第三方數(shù)據(jù)接入提供服務，并提供數(shù)據(jù)開放接口，為第三方數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)開放接口。

(4)可靠性和穩(wěn)定性：應選用技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定的產(chǎn)品，在設備選型、網(wǎng)絡設計、軟件設計等各個方面充分考慮軟件、硬件的可靠性和穩(wěn)定性，并可在非理想環(huán)境下有效工作。

(5)安全性：系統(tǒng)設有安全權(quán)限管理，不同范圍的人員對不同功能模塊有不同的使用權(quán)。

(6)規(guī)范性：本系統(tǒng)是一個集多種功能于一體的綜合性監(jiān)測、分析、管理系統(tǒng)，應遵從各個相關(guān)行業(yè)的標準與規(guī)范，使系統(tǒng)滿足標準化設計與管理的要求。

(7)構(gòu)架式設計：所有具體的功能實現(xiàn)、功能模塊都依附于構(gòu)架，各功能模塊或接口程序應可根據(jù)實際需求而靈活配置。

3 電場系統(tǒng)總體架構(gòu)與設計

設計要求滿足集控項目的整體需求，符合系統(tǒng)建設的整體規(guī)劃，以及對各系統(tǒng)的定位及目標。架構(gòu)規(guī)劃中，需要梳理、分析各層面（集控中心和現(xiàn)場）中與集控相關(guān)的功能與信息，在架構(gòu)設計中能提供有效的整合的全面統(tǒng)一的風場、風機和光伏設備的實時信息，并能依據(jù)實時數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，為客戶提供必要的關(guān)聯(lián)信息，如報警及實時數(shù)據(jù)庫等。實時數(shù)據(jù)應該集中存儲，數(shù)據(jù)的維護工作也應該集中，以確保各電場信息的單一數(shù)據(jù)源，確保業(yè)務信息的一致性[4-5]。

為提高本地的性能，使得總體的實時數(shù)據(jù)采集方式合理、高效[6]，確保實時數(shù)據(jù)在現(xiàn)場、集控中心間的同步，保證實時數(shù)據(jù)的一致性[7]，集控中心主要部署了 4個子系統(tǒng)（SCADA、EMS、RDP及 Web和BAO），基本構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

3.1 電廠實時監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)功能

(1)設備接入及信息轉(zhuǎn)發(fā)功能

①支持風機、光伏電站、變電站等電站設備的接入及監(jiān)控，支持標準通訊協(xié)議（OPC、IEC104、Modbus）；

②針對集中監(jiān)控信息，支持實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)信息列表可根據(jù)接收方要求靈活配置。

(2)級聯(lián)監(jiān)控及分級監(jiān)控

能夠?qū)崿F(xiàn)多層級（級聯(lián)）及分級監(jiān)控，支持北京中心、區(qū)域中心、風電場和單臺設備就地的分級監(jiān)控，并針對每一級的監(jiān)控關(guān)鍵信息進行梳理并分層顯示；支持不同設備接入時顯示狀態(tài)的統(tǒng)一映射，支持設備關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時接入及存儲[8]。

(3)電場多維度告警及歷史事件查詢

針對接入設備支持多維度的事件告警及聲光報警功能：告警類型包括設備故障告警、遙信變位、遙測越限、設備異常、硬件系統(tǒng)資源監(jiān)視告警；故障頻發(fā)報警功能：針對具體到單臺設備的故障，具備統(tǒng)計計算功能，當設備具體故障在某一個時間段發(fā)生頻次超過設定閥值時，自動發(fā)出報警，并進一步與EMM子系統(tǒng)集成，自動觸發(fā)缺陷單；針對報警事件：支持歷史事件查詢，內(nèi)置多種查詢模板（如事件順序記錄SOE、設備故障時間），支持用戶自定義報警模版；能對所有的告警，按字段進行排序。

(4)設備復位權(quán)限管控

集成各接入設備的復位規(guī)范并有針對性地設置權(quán)限分層功能，由系統(tǒng)來規(guī)范區(qū)域中心運行值班人員的操作習慣。該功能詳細規(guī)定了具體到單臺設備每個故障的復位次數(shù)限定，運行人員在遠程控制的時候?qū)涝谄錂?quán)限下，哪些故障可以復位，還可以復位多少次；操作記錄功能，針對每一次復位操作，系統(tǒng)都會詳細的記錄下時間點、用戶、操作主機、操作類型、操作對象、操作是否成功等信息。

(5)設備遠程控制模塊

可以遠程控制設備。在設備廠家SCADA開放相應控制點的情況下，支持對各機組的啟動、停機和復位；可以對風場群/光伏電站中若干個設備進行批量啟動停機、復位等操作。

(6)電場數(shù)據(jù)預處理、存儲和分析模塊

數(shù)據(jù)預處理可規(guī)整采集量格式，包括對模擬量數(shù)據(jù)、狀態(tài)量數(shù)據(jù)和脈沖量數(shù)據(jù)的預處理；測點歷史趨勢分析及越限報警功能，針對接入監(jiān)控系統(tǒng)的測點，支持對測點的歷史數(shù)據(jù)進行時間序列分析；內(nèi)置管理類報表，包含生產(chǎn)綜合報表、風速報表、發(fā)電量報表、可利用率報表、故障統(tǒng)計報表、風機運行狀態(tài)報表及功率曲線報表，具備以邏輯維度（全省、風場層、風機層）、時間維度（日報、周報、月報、年報）的統(tǒng)計聚合功能，支持圖表繪制、報表輸出、導出文件和打印。

(7)支持擴展的多前置接入

測點接入裝置可以分配到多組前置機，進行數(shù)據(jù)采集控制，實現(xiàn)負載均衡；持續(xù)配置的形式，隨著風場和風機數(shù)量的增加作相應的擴展。

(8)電場多模塊、多層級的監(jiān)控畫面

系統(tǒng)可通過樹狀結(jié)構(gòu)監(jiān)控展示風機、饋線、風場及風場群的多級結(jié)構(gòu)關(guān)系和統(tǒng)計信息，界面主要分為菜單欄、導航欄、主視圖、統(tǒng)計信息欄、事件列表、狀態(tài)欄等幾個模塊，各模塊均可隱藏和顯示并可通過鼠標進行拖放以改變位置，并記憶各模塊的位置。

3.2 能量管理（EMS）集控版系統(tǒng)功能

接收調(diào)度對電場的指令，直接根據(jù)指令設定值進行對電場的限功率設置；支持風機、光伏電站、變電站設備的接入及集中遙調(diào)，以各并網(wǎng)點為功率控制節(jié)點，根據(jù)調(diào)度命令集中管理接入同一并網(wǎng)點的各電場的出力；針對同一風場內(nèi)從不同供應商設備處采集的數(shù)據(jù)，EMS可以根據(jù)調(diào)度要求，對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，并進行整合后轉(zhuǎn)發(fā)給相應的電網(wǎng)管理系統(tǒng)；支持調(diào)節(jié)各電場的功率分配，區(qū)域中心運行人員可以根據(jù)命令對各電場的負荷進行遠程調(diào)節(jié)。

3.3 電場業(yè)務分析及優(yōu)化（BAO）系統(tǒng)功能

(1)績效儀表盤

將管理人員最關(guān)心的業(yè)績指標KPI用圖表的方式實時展示，方便運行管理人員發(fā)現(xiàn)問題并抓住問題的重點。常用的關(guān)鍵業(yè)績指標包括：發(fā)電量、設備停機時間、時間可利用率、能量可利用率EBA、發(fā)電量計劃完成率。

(2)KPI數(shù)據(jù)圖表功能

對管理人員關(guān)注的業(yè)績指標KPI進行逐層的鉆取分析，探索問題的癥結(jié)，為下一步行動提供科學的指導。常用的KPI數(shù)據(jù)鉆取分析類型包括：收入（發(fā)電量）損失的原因分析、運維成本的鉆取分析。

(3)查詢報表功能

幫助運行人員根據(jù)制作各種報表的需要，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進行特定查詢并獲得所需數(shù)據(jù)，用于下一步的數(shù)據(jù)分析和報表制作。常用的查詢報表包括：設備狀態(tài)查詢、綜合電量查詢、損失電量查詢、限功率記錄查詢、首發(fā)故障查詢、檢修記錄查詢、故障頻率查詢、員工工作負荷率查詢、部件運行狀態(tài)查詢。

(4)定制化報告工具

幫助用戶快速生成常用的定制化報告，包括系統(tǒng)基于模版快速生成報告初稿，供報表制作人員進行核對并添加手工注解，從而形成最終的報告。常用的定制化報告包括：運維周報、運維月報。

(5)可查詢KPI功能

實現(xiàn)四大類績效指標的自動計算和數(shù)據(jù)的逐層鉆取。四類業(yè)績指標包括風能監(jiān)測類、生產(chǎn)運行類、可利用率和性能類以及故障統(tǒng)計類。

(6)日、月報表等數(shù)據(jù)上報功能

實現(xiàn)電場生產(chǎn)、運行報表數(shù)據(jù)電場級填報，電場管理定制化報表，發(fā)電量、可利用等分析報表導出等功能。

3.4 RDP及Web

該模塊基于同一個生產(chǎn)區(qū)的網(wǎng)絡，對同一個生產(chǎn)區(qū)網(wǎng)絡內(nèi)的服務器進行必要的遠程訪問和操作，解決突發(fā)性問題，作為實時監(jiān)控的補充。

4 結(jié)束語

上文所述內(nèi)容，對優(yōu)化大規(guī)模光伏、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)濟運行有著顯著的提升效果，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，光伏、風電場群遠程集中監(jiān)控才剛剛起步，隨著技術(shù)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)運作。

參考文獻：

[1]邢偉,董紅星.風電場智能化遠程集控管理系統(tǒng)的探索與設計[J].企業(yè)管理,2016(S2):110-111.XING Wei,DONG Hongxing.Exploration and design of intelligent remote centralized control management system for wind farm[J].Enterprise Management,2016(S2):110-111.

[2]翟安定.國電河南區(qū)域風電場遠程集控中心建設技術(shù)方案研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2015(20):18-20.ZHAI Anding.Study on technical scheme of construction of remote centralized control center of Guodian Henan regional wind farm[J].New Technology&New Products of China,2015(20):18-20.

[3]劉文斌.風電場群集中監(jiān)控系統(tǒng)整體解決方案研究[J].風能,2016(12):68-71.LIU Wenbin.Research on integrated solution of centralized monitoring system for wind farm cluster[J].Wind Energy,2016(12):68-71.

[4]孫悅紅,司慧琳,林建進.光伏電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].微計算機信息,2012(7):34-35.SUN Yuehong,SI Huilin,LIN Jianjin.The design of the remote monitoring system for PV power plant[J].Microcomputer Information,2012(7):34-35.

[5]馮相賽.國內(nèi)光伏電站監(jiān)控技術(shù)研究進展綜述 [J].太陽能,2016(11):47-50.FENG Xiangsai.Review of research progress on monitoring technology of photovoltaic power station in China[J].Solar Energy,2016(11):47-50.

[6]張鑫.分布式光伏電站遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)設計 [J].現(xiàn)代電子技術(shù),2017,40(4):172-175.ZHANG Xin.Design of remote intelligent monitoring system for distributed photovoltaic power station[J].Modern Electronics Technique,2017,40(4):172-175.

[7]黃小鉥,翟長國,郭劍虹,等.光伏電站遠程數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)設計[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(7):61-63.HUANG Xiaoshu,ZHAI Changguo,GUO Jianhong，et al.Design of system structure for remote data center of photovoltaic power station[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(7):61-63.

[8]葉琴瑜,胡天友,何耀.基于CAN總線的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(3):76-78.YE Qinyu,HU Tianyou,HE Yao.Photovoltaic power station monitoring system based on CAN bus[J].Instrument Technique and Sensor,2012(3):76-78.