風電場能量管理平臺冗余功能優化

國電電力新疆新能源開發有限公司 馮文新 徐榮鵬 蔣凌子 王 超 華風數據(深圳)有限公司 柯 超 黃 晨

隨著風力發電的廣泛使用，大規模風電接入電網引發電能質量、電網穩定性等問題，因此迫切需要對電廠進行控制管理和狀態監測[1]，通過綜合對比文獻[2]的多種電廠控制策略，所以在針對特定風場的優化控制工作時，需要結合風電場的實際情況做到具體問題具體分析，文獻[3]基于風電場的實際情況，提出了風電場能量綜合管理平臺系統，借助該系統實現對風電場的智能化控制和管理，文獻[4]結合風機的運行特征，利用更具可行性的權重分配方案，提出了一種閉環實時能量分配策略方案，通過對風電場能量管理平臺的進一步學習和研究，本文對能量管理平臺進行冗余功能改造，借此提高系統的有效運行時間。

新疆新能源公司下設多個風電場、光伏電站及水電站，總裝機規模約有上千兆瓦，其中風電占比約十分之九。新疆新能源公司總部設于新疆維吾爾自治區烏魯木齊市。目前，部分新能源發電公司雖然已經建設了能量管理平臺控制系統，但還存在著一些問題。因設備使用年限較長、穩定性差，2020年多次出現設備系統自動死機，導致與調度通訊中斷。現因新疆省調考核要求較嚴，如出現自動發電控制(Automatic Generation Control，AGC)系統連續10分鐘超負荷或通訊數據中斷等問題，將給予全場限停24小時的處罰。

新能源快速發展的新形勢下，大規模風電場的建設對電網穩定性帶來巨大挑戰，基于風電場的自動發電控制(Automatic Generation Control，AGC)系統設備硬件均老化嚴重，設備性能差，軟件系統運行穩定性差，且在新形勢下實現國產化具有重要意義，國產化設備系統的使用在當前是必須的、亦是必然的；此外物理鏈路單一，鏈路中任何一臺設備故障將造成整條鏈路故障，故障點多運行穩定性就差。本文對能量管理平臺進行冗余功能優化改造，確保能量管理平臺穩定可靠與調度通訊，并按照調度指令執行控制站內有功功率，提高工作效率、減少問題的發生，提高系統有效運行時間。

1 能量管理平臺冗余系統改造技術

1.1 能量管理平臺系統總體架構

新的能量管理平臺冗余系統，在解決目前場站設備硬件老化，AGC系統不穩定導致與調度通訊中斷問題的同時，能夠實現后期不斷地精細化控制。從圖1可以看出，網調指令通過I區交換機將指令下發給能量管理平臺（主機或備機），能量管理平臺（主機或備機）接收到有功目標值指令，調節風機功率，實現將風場的出口功率控制在目標值附近，形成一個閉環調節。

圖1 能量管理平臺系統總體架構

1.2 總體要求

對風電場在已有能量管理平臺系統的情況下，進行冗余功能改造和升級：

將原有能量管理平臺系統控制軟件改造成國產化平臺，新增一套能量管理平臺控制軟件，兩套軟件做冗余功能改造，但同一時間只能運行一套軟件；需要調度配合，需要能量管理平臺與省調一區交換機直接聯合調試。保證與原本上傳給調度的數據一致；減少AGC物理鏈路中的故障節點，保證了與調度通訊可靠性；通過能管平臺與集控一區采集器，可以將調度通訊狀態接入集控中心，便于集中監盤；系統穩定，對硬件配置要求低，易于操作，快速恢復。

1.3 設計原則

實用性：軟件系統配置強調實用化，符合新疆新能源各場站現有系統技術基礎。

經濟性：軟件系統配置滿足性能價格比在各種同類系統和條件下達到最優，并充分考慮系統運行的運行成本，并使之達到最小化。

標準性：應用國際通用標準通信規約，保證信息交換的標準化。故障信息與數據采集滿足IEC 60870系列、MODBUS等標準，支持DL/T634.5101-2002、DL/T634.5104-2009、DL/T719-2000、CDT451-91等通信規約和協議，適應異構系統間數據交換，實現與不同系統（設備）的數據通信。

專業性：軟件系統注重使用功能的專業特點，并滿足不同專業功能的使用要求。

開放性：軟件系統應遵循開放性原則，各系統應提供國際標準的軟件、硬件、操作系統和數據庫管理系統等諸多方面的接口與工具，使系統具備良好的靈活性、兼容性和可移植性。

可擴展性：系統配置已充分考慮系統整體所涉及的各個子系統的信息共享，確保系統總體結構的先進性、合理性、兼容性和可擴展性，具有軟、硬件擴充能力，包括增加硬件、軟件功能和容量可擴充，可以集成不同廠商不同類型的先進產品，使整個系統可以隨著技術的發展和進步不斷充實和提高。

安全可靠性：軟件系統有極高的安全性、可靠性和容錯性，滿足相關電力調度兩項細則考核要求。

系統的可管理性：符合國際國內標準、行業標準的通用產品，便于維護支持集中的管理功能以提高工作效率，減少問題的發生，提高系統有效運行時間并且可以為系統的糾錯、升級提供參考。

1.4 冗余功能升級技術要點

能量管理平臺冗余系統架構如圖2所示。

圖2 能量管理平臺冗余系統架構

能量管理平臺冗余功能進行改造，在解決目前問題的同時，能夠達到如下要求：

通過優化能量管理平臺冗余功能，以確保能量管理平臺穩定可靠，與調度一區交換機直接通訊；鏈路由（省調AGC主站→省調一區交換機→通訊管理機→AGC監控裝置→能量管理平臺→風機）改造升級為（省調AGC主站→省調一區交換機→能量管理平臺主機/備機→風機）。

融合風電場SCADA系統和網調AGC系統的相關數據，采用多線程的先進技術手段，實現快速響應和精細化調節，并按照調度指令執行控制站內有功功率。

系統兼容性好，能夠兼容各風電場的網調AGC系統，不影響與電網調度的正常通訊。保證系統穩定，降低對硬件配置要求，提升人機交互性。增加能量管理平臺主備機切換告警提示功能。基于本文提出的冗余功能升級技術要點，能量管理平臺冗余系統改造示例圖如圖3所示。

圖3 能量管理平臺冗余系統改造示例圖

2 能量管理平臺冗余系統功能特點

2.1 程序兼容性和穩定性

程序架構精簡，易于維護和啟動。主備機自動切換，切換后均有告警提示功能：主機死機后，備機會占用主機與調度通訊的IP，并且投入進行獲取調度指令控制風機；主機恢復后，備機切出，主機占用與調度通訊IP，進行自動AGC調節。

2.2 程序實用性

能量管理平臺冗余功能改造后，備機時刻處于熱備狀態，保證了與調度通訊可靠性；主備機的切換速度快，不影響與調度的正常通訊；主備機自動切換，切換后均有告警提示功能。

2.3 系統國產化

新安裝設備全部安裝正版國產系統，并將舊的能量管理服務器系統更換為正版Linux系統。

2.4 控制功能

冗余改造后的能量管理平臺現有能量管理平臺控制邏輯和效率一樣，能夠保證AGC控制的有效性。具體如下：控制的目標。接收到網調指令之后，在一定時間內將風場的出口功率控制在該指令的有效值范圍內；可以視為一個閉環調節。輸入是網調指令，反饋值是出口功率。

控制指令的獲取。程序可在1s內獲取最新網調指令。當前出口功率與最新網調指令的差值，大于一定值，AGC采取大步調節，保證迅速到位；反之，采取浮動調節，保證功率平穩上升或下降，減少功率波動。

AGC閉環控制。程序每一段時間都會監視網調指令和出口功率，當出口功率不在網調指令允許的波動范圍內，將進行再調節。

修改有功限值實現控制。AGC如果判斷能夠通過修改有功限值實現控制，根據當前網調指令與出口功率的差值，程序將有功限值修改為一個合理的數值，去填補此差值。

啟停機觸發條件。AGC如果判斷已經無法通過修改有功限值來實現有功的提升和降低后，會觸發啟停機策略。

優化啟停機功能。停機策略：AGC可以查詢SCADA歷史數據，統計每臺風機最近發生的故障次數和相關信息。如果用戶在參數配置中選中按照故障次數優先停機，AGC在需要進行停機時，將優先將故障次數多的風機進行停機，風機臺數根據需要降低的功率值來選擇，保證停機效果能夠一次到位。在實現停機后，30s內都不會再對風機進行再停機，因為風機的停機從并網到待機需要一段時間，防止造成過度停機。啟動策略：AGC可以查詢SCADA歷史數據，AGC系統將不會對近期內有SCADA手動停機記錄的風機進行啟動。AGC在需要啟動風機的時候，將符合風速條件的風機進行啟動操作，啟動臺數根據風速預測的功率值來選擇，保證啟動效果能夠一次到位。在實現啟動后，60s內都不會再對風機進行再啟動，因為風機從待機到并網需要一段時間，防止造成過度啟機。系統可以靈活設置風機優化控制策略，動態擬合各機位的理論功率曲線。

AGC整體約束。在需要提升或者下調出口功率時，AGC程序會保證控制是持續并且有效地，保證出口功率不會上下波動。

2.5 能量管理平臺冗余系統優化效果

在能量管理平臺冗余數據庫服務器、數據模塊通訊等設備使用聯想、華為等國產品牌硬件，安裝正版國產Linux系統，既滿足了風電場能量管理平臺冗余功能，又滿足了網絡安全性的要求，增強了設備運行穩定性。

大大提高了能量管理平臺系統硬件性能、數據傳輸速度。實現了能量管理雙系統對風機功率進行實時精確控制，滿足負荷數據準確和風機精細化管理要求。實現了系統可支持集控中心和風電場的雙回路冗余互備；保證系統穩定，降低對硬件配置要求，提升人機交互性。

綜上，本文主要針對風電場當前實際情況，優選采用兩套能量控制系統作為主備機，在現有能量管理平臺設備和新裝設備上，優先啟動主機的程序，當主機發生問題的時候自動切換為備機進行AGC調節，主機恢復投運，自動切換到主機進行AGC調節，切換后均有告警提示功能，保障平臺正常運行；鏈路優化升級，確保能量管理平臺穩定可靠與調度通訊，與調度一區交換機直接通訊，提高工作效率，減少問題的發生，提高系統有效運行時間。