一體化風電場監(jiān)控平臺設計與實現

何飛躍，趙 澤

（中國水利水電科學研究院自動化所，北京100038）

對于風電場，大量二次系統(tǒng)如風電場監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站監(jiān)控、有功/無功控制系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、風功率預測系統(tǒng)以及其他智能電子裝置等的投入[1]，給風電場的二次系統(tǒng)帶來革命性的變化，提升了風電場的自動化水平。但目前這些二次系統(tǒng)互不聯系，之間缺乏信息共享，而且二次系統(tǒng)的生產廠家繁多，即使是同一廠家的裝置也往往存在不同的型號[2]，從而具有不同的硬件接入形式和不同的通信規(guī)約。一方面，存在信息冗余，不同系統(tǒng)（裝置）難以信息共享；另一方面，場站端的數據難以實現整合及數據的綜合利用。

本文從風電場監(jiān)視、控制、預測、統(tǒng)計分析、運行管理的角度全面研究了其集成化應用系統(tǒng)，即一體化風電場監(jiān)控平臺的功能需求，提出了一種開放的系統(tǒng)結構，闡述了該系統(tǒng)中風電場監(jiān)視、控制、調度、預測、統(tǒng)計分析部分，以及風電場與調度端的數據接口的功能設計和若干關鍵技術問題，為實現風電場的控制和優(yōu)化管理提供了一種解決方案。

1 一體化系統(tǒng)架構

一體化風電場監(jiān)控平臺由智能化一次組件設備、網絡化的二次設備和計算機監(jiān)控平臺組成。信息傳輸采用網絡通信平臺，信息模型采用IEC61850和IEC61400-25[3]，其目的是實現風電場和升壓站智能設備信息共享和互操作，并且能與電網控制中心在AGC/AVC、優(yōu)化調度等方面實現協調控制。

基于IEC61850和IEC61400-25信息模型，如圖1所示，一體化風電場監(jiān)控平臺在邏輯上可以劃為3層：站控層、間隔層、過程層。

圖1 風電場智能綜合控制系統(tǒng)框架

站控層通過風電場及升壓站等IED設備的通信，實現對風機、斷路器、變壓器、無功補償設備的控制；通過電力數據網與電網控制中心進行通信，完成風電場有功和無功的自動控制；一體化平臺通過反向隔離裝置獲取外網數值天氣預報，完成風電場短期/超短期功率預測。站控層監(jiān)控平臺完成風電場各應用功能的一體化部署，實現全風電場數據采集、處理、展示和風電場的控制。

風電場和升壓站的測量、控制和保護IED布置在間隔層。過程層由風電場一次設備及電子式電流、電壓互感器等一次設備構成。

對于采用智能化升壓站的風電場，其智能一次設備有一次設備本體、傳感器、執(zhí)行機構以及智能化組件，可對一次設備進行狀態(tài)監(jiān)測、測量、控制、保護，由多個IED設備組成。在風電場現有技術條件下，升壓站智能組件內的各個IED設備可以分散布置，這些IED設備采用IEC61850標準，向下全部接入過程網絡，向上全部接入站控層網絡。風電場過程網絡和升壓站過程網絡采用光纖連接，組成統(tǒng)一網絡。

2 系統(tǒng)安全防護

風電場一體化平臺需滿足國家經貿委[2002]第30號令《電網和電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)及調度數據網絡安全防護的規(guī)定》和國家電力監(jiān)管委員會發(fā)布[2005]5號令《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》，風電場一體化平臺各功能部署在對應的安全分區(qū)內[4]。風機和升壓站信息采集及監(jiān)控和AGC控制、AVC控制部署在安全Ⅰ區(qū)；風電功率預測和在線統(tǒng)計分析功能部署在安全Ⅱ區(qū)，安全I區(qū)與安全II區(qū)采用防火墻隔離。外網數值天氣預報信息接入功能模塊部署安全Ⅲ區(qū)，用于從外網獲取數值天氣預報信息并傳送到安全Ⅱ區(qū)，完成風電場短期/超短期功率預測。

3 系統(tǒng)功能

一體化風電場監(jiān)控平臺應具備以下主要功能：

3.1 風場監(jiān)測

監(jiān)控系統(tǒng)應能接入采用不同通信介質（如以太網、RS232/485）、不同通信規(guī)約的不同廠家不同型號的風機，采集所有風機和逆變器有效信息。需要采集的信息有：機組有功功率、無功功率、功率因數、發(fā)電量、風速、風向、偏航角度、各種油溫、油壓。

設備控制。對風機進行啟動、停止、復位、偏航、有功控制使能、無功控制使能等控制。

人機接口。以地理分布示意圖、風場平面布局圖（GIS圖）、風機矩陣圖、單機可視化信息圖等形式展示風電場運行工況和進行人機交互。以棒圖、曲線形式顯示負荷、電壓等模擬量。在趨勢窗口中可顯示任意多個參數按時間呈現的實時曲線和歷史曲線。

3.2 有功控制

3.2.1 有功控制目標

風能具有很強的波動性，將侵占系統(tǒng)大量的調頻、調峰資源，因此，與常規(guī)電源不同，風電場有功控制的主要目的是降低其不確定性和波動性，減輕系統(tǒng)有功控制的負擔。因此，風電場不參與一次調頻，主要應用于當電網頻率偏差較大、常規(guī)調頻容量不夠時，以限制出力、限制風電爬坡率的形式，參與電力系統(tǒng)有功控制。

3.2.2 有功控制功能

隨著風電并網容量的增加，風電場應具備有功功率調節(jié)能力，能根據電網調度部門指令控制其有功功率輸出，以減少風電場功率波動對電網的影響。風電場有功控制模塊包括2個主要功能：上傳滿足上級調度站需求的風電場有功運行信息，根據實時的發(fā)電計劃控制本風電場出力。風電場有功控制應滿足《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》。

風電場有功控制包括功率分配和功率執(zhí)行2個環(huán)節(jié)。在功率分配環(huán)節(jié)，需要考慮以下因素：①由于風電各臺機組的地理位置不一樣，導致風機捕獲的風能不一樣，平均功率分配法對風電機組不適用。由于風機主控系統(tǒng)可提供理論發(fā)電能力，因此應以理論功率作為功率分配依據；②考慮到氣候條件，風電機組在夏季和冬季的控制方式和約束條件不一樣，應根據氣候條件制定有功控制策略。

風電場有功控制的框圖如圖2所示，根據風電場是采用遠程還是本地控制模式，風電場有功給定可以來自電網調度給定或者風電場本地給定，在風電功率預測值的基礎上進行修正得到。為濾去風電場風機有功出力總加噪聲成分，有功控制部分對有功出力總加進行了低通濾波，有功給定和實際風場出力總加相減，得到有功的偏差，經PI控制環(huán)節(jié)后，在風電場各風機之間進行功率分配。對于不具備調節(jié)能力的機組，只進行機組啟/停的控制，對具備調節(jié)功能的機組，如雙饋機組則進行功率分配。在功率分配過程中，根據機組的運行狀態(tài)、機頭風速、機組的偏航角度和機組的微觀選址信息等數據，確定各臺機組的可調節(jié)上限和可調節(jié)下限。在功率分配中，考慮風電場爬坡速率限制，以使風電場的功率波動范圍符合并網規(guī)范。功率分配模塊的輸出以遙調、遙控的形式輸出到每臺風機，對機組進行有功的調節(jié)和機組的啟停。

3.3 無功控制

3.3.1 無功控制目標

我國風電場大多集中在“三北”地址，與系統(tǒng)聯系不強，無功支撐資源不足，風電場無功控制是一個重要問題。雖然風電場無功源充足（并聯電容器、并聯電抗器、SVC、靜止無功發(fā)生器、雙饋變速機組、直驅機組），但在風電場無功控制中，還沒有考慮如何在不同的無功設備進行優(yōu)化協調，設備之間缺乏配合。風電場無功控制的主要目的在于對多種無功源進行優(yōu)化協調控制，滿足風電場并網點對電壓指標的要求。

3.3.2 無功控制功能

無功電壓控制系統(tǒng)接收電網調度的電壓設點值，根據風電場并網電壓值、風電機組的無功出力、風電機組的狀態(tài)、無功補償設備的出力、無功補償設備的狀態(tài)，計算出風電機組和無功設備的無功出力，實現并網點的電壓控制。無功控制對象包括風電機組、無功補償設備SVC/SVG、有載調壓器分接頭。

風電場無功控制框圖如圖3所示，當風電場并網點電壓Vpcc偏離并網點電壓Vref，無功電壓PI控制器根據電壓偏差，計算出風電場應該發(fā)出的總無功出力，輸出至風機/SVC模塊協調控制模塊，協調模塊完成無功缺額在風機和SVC裝置之間的分配，從風電場無功調節(jié)成本上看，風機的無功調節(jié)成本是最小的，其次是SVC裝置，因此無功分配策略采用風機分配優(yōu)先的算法，以充分發(fā)揮風機的無功調節(jié)能力，當風機的無功調節(jié)能力用盡時，再調節(jié)SVC。否則，不調節(jié)SVC。

圖3 風電場無功控制框圖

3.4 風電功率預測

風電功率預測應用為其他應用提供短期、超短期功率預測。其中，風電場安裝測風塔，并實時上傳測風數據。

3.4.1 風電功率預測時間與空間特性

系統(tǒng)可對風電場/光伏電站提供中期、短期、超短期功率預測。短期功率預測系統(tǒng)每天指定時間（可設定）預測未來0～72 h的風電輸出功率，預測的起止時間可設定，時間分辨率為15 min。超短期功率預測系統(tǒng)的時間參數要求為預測未來0～4 h的風電輸出功率，每15 min滾動更新，時間分辨率為15 min。3.4.2 預測模型

新投運的風電場和已投運比較長時間的風電場，由于歷史數據積累的情況不一樣，需要有不同的預測模型。對于已并網運行時間較長的風電場，由于積累了較長時間的歷史數據，應優(yōu)先選用統(tǒng)計方法建立功率預測模型。對于并網時間不長的新建風電場，由于電站缺乏必要的歷史功率數據，則選擇物理方法建立短期功率預測模型。對于超短期功率預測模型，其時間分辨率是15 min，4 h滾動預測，一般采用時間序列外推的方法建立。

3.5 狀態(tài)監(jiān)測

風電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采集齒輪箱、軸承、發(fā)電機傳動鏈主要部件的機械振幅數據、葉片應力數據、并結合SCADA數據，提出故障分量，采用人工智能方法，對潛在的故障進行預測。風電狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由以下模塊組成，機組運行狀態(tài)監(jiān)測、統(tǒng)計與分析，技術資料與專家知識庫，機組診斷分析專家系統(tǒng)，檢修決策與優(yōu)化運行支持平臺。

3.6 運行維護

我國大部分風電場集中投運在2011～2012年，目前大量風電機組面臨出質保問題。由于風電機組的運維技術主要由風機主機廠家掌握，運營商缺乏有效的維護技術和管理經驗，因此風電場運維問題比較突出，為了提高風電場運維水平，需要建立風電場運維系統(tǒng)。首先，建立風電設備和風電場的數學模型，并根據風資源情況進行仿真，在此基礎上，分析風電機組的運行規(guī)律，并提出風電優(yōu)化運行策略；結合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數據與SCADA數據，建立風電場運行和維護優(yōu)化系統(tǒng)、故障預警系統(tǒng)；提高風電場運行效率。

智能風電狀態(tài)監(jiān)測包括對升壓站一次設備（GIS、變壓器、無功補償裝置等）和風電場機組（發(fā)電機、傳動鏈、變流器、葉片、塔架等）的監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測模塊通過對設備運行過程中所表現出的各種時域和頻域信號，采用信號處理方法，提出故障特征分量，進行故障識別、預警和分析。

3.7 運行評價

風電場運行評價主要包括發(fā)電量水平評價、設備運行水平評價、生產維護水平評價、能耗評價及綜合評價。發(fā)電量水平評價根據收集的風能資源數據、數字化地圖、風電機組當地的空氣密度下的功率曲線和推力系數曲線、微觀選址等數量計算風電場年理論發(fā)電量，再根據上網折減系數進行上網電量估算，從而對發(fā)電量水平進行評價。設備運行評價由機組可利用率和風電場電氣設備可利用率共同決定。生產維護水平評價根據期望運行費用與實際運行維護費用進行比較評價。

4 系統(tǒng)實現

風電場由于風電機組臺數多、數據量大，而且控制實時性要求高。在實現狀態(tài)監(jiān)測診斷功能時，需要完成基于海量數據的大數據分析，因此智能一體化平臺需要在分布式運行環(huán)境、實時數據庫、人機界面方面進行特別考慮。具體包括以下方面：

4.1 分布式運行環(huán)境

分布式運行環(huán)境由消息總線和服務總線雙總線構成[5]。消息總線提供了一種跨計算機操作系統(tǒng)和硬件的透明消息傳遞總線，提供消息接收/發(fā)送總線進程、消息接收/發(fā)送接口API。服務總線采用面向服務的架構，對于文件訪問、SQL訪問、圖形訪問等標準客戶服務均封裝成通用服務，屏蔽了各種操作系統(tǒng)對文件、磁盤、進程等API的差異。為了提高服務總線中的數據傳輸可靠性，服務總線基于TCP實現，并且配置了在鏈路中斷、出現數據丟失情況下的重傳機制。

4.2 數據庫

數據庫部分包括實時數據庫、關系數據庫和實時歷史庫。

實時數據庫常駐內存，基于關系庫模型實現，其空間可動態(tài)擴展。實時庫結構和數據存在于關系庫中，在智能綜合平臺啟動時加載至內存。實時數據庫面向應用分布，采用主備結構，可以為應用提供高可用性。實時數據庫支持SQL標準，支持update、select、insert和delete等操作，并提供SQL的C/C++API接口，供各個應用調用。值得注意是，實時數據庫的SQL操作不能影響一體化系統(tǒng)的前置采集、SCADA服務和人機界面等子系統(tǒng)的運行。

關系數據庫采用主流商用數據庫，如Oracle、Mysql等。主要用來存儲參數和存儲周期為分鐘級的歷史數據。

實時歷史庫采用鍵值數據庫，如PI、eDNA等。其具有高速存儲性能，適合存儲高采樣頻率數據，如風機振動數據，用于狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等高級應用。

4.3 人機聯系

圖形系統(tǒng)是人機聯系系統(tǒng)中的重要部分，在目前風電場SCADA系統(tǒng)中，其圖形系統(tǒng)一般都采用私有格式，各廠家互不相同。為了實現不同廠家的圖形系統(tǒng)共享以及風電場SCADA與電網調度自動化系統(tǒng)的圖形共享，人機聯系應該基于SVG標準實現，SVG基于XML語言，易于擴展，具有良好的兼容性。

另一方面，可視化技術是風電場人機聯系中一個發(fā)展方向。風電場的風機狀態(tài)、發(fā)電機可運行區(qū)域、線路潮流、風資源圖，均可以采用可視化化技術來展示。與常規(guī)的表格和數據點表示方法不一樣，可視化技術采用動畫、等值線、等值面、動態(tài)箭頭、3D圖形等方法，展示風電場運行狀態(tài)、安全穩(wěn)定運行域，更加有利于風電場的安全、穩(wěn)定、經濟運行。

5 結論

智能電網環(huán)境下對風電場的監(jiān)控、運行提出了挑戰(zhàn)，建設一體化風電監(jiān)控平臺，是提升新能源運行、控制與調度的重要手段，文中提出了一體化系統(tǒng)解決方案，并描述了系統(tǒng)總體結構、主要功能，提出了系統(tǒng)實現方法，為風電場的監(jiān)視、功率預測、系統(tǒng)運維和故障分析實現提供了一種解決方案。