流域集控中心水光一體聯合控制系統研究

貴州黔源電力股份有限公司集控中心 張顯 胡毅 南京河海南自水電自動化有限公司 劉艷娜

1 引言

隨著“雙碳”目標的提出，“十四五”推動大型流域梯級風光水多能互補清潔能源示范基地的建設，形成類型、規模、外送方式各異的大規模多源多網混合發電系統，具有不確定性、復雜異構并網、跨流域跨電網互聯等全新特點和復雜要求。研制應用于大型流域級水電與新能源互補控制系統，充分發揮多能源間互補效益，保障系統安全穩定運行，解決多能互補系統在發電預測、電力電量互補調度運行和集成監控等方面的科學難題和技術瓶頸，對我國多能互補清潔能源基地建設和發展具有重要意義。

於益軍等[1]研究設計風光儲聯合發電監控系統的總體建設方案、關鍵技術、主要功能，并應用于國家風光儲輸示范工程。葉林等[2]研究發現結合多能互補發電系統的運行特點，構建基于互補系數將分系統評價與聯合發電系統評價相結合的風光水互補特性的指標評價框架。徐錦才等[3]研究發現，以水、風、光多能互補分布式供電試驗平臺為依托，通過仿真模擬和試驗對比，研究基于水電的多能互補分布式供電技術?？当举t[4]研究發現龍羊峽水光互補項目關鍵技術部分研究成果。另外也有學者研究智能電廠云控制系統的整體結構，利用機器學習算法預風光測功率輸出，通過實時滾動優化預測水電就在調度策略，保證綠色能源互補發電的魯棒性和并網消納程度。

流域級水光互補發電系統具有地域分散的特點。不同水電站之間相隔一定距離，廠區分散，不便于指揮生產。各個電站開發方式、布置形式、機組型號和容量不同，使得生產技術管理復雜化。光伏電站同樣具有較廣的分布面積，因設備、光照、氣候、環境的不同，各子系統發電情況也不同。流域級水光互補系統一般將光伏電站接入水電站，經水電站進行波動平抑后形成穩定電能經水電站送出線路接入電網。

2 系統設計

2.1 設計原則

一是分層分布、開放式結構：便于功能和硬件的擴充，滿足多個水電站、光伏站及相應的內部各種子系統模塊的接入要求，設置成熟、可靠的標準化軟硬件接口。

二是可靠性，系統采用全冗余雙網結構（A/B網），使用技術成熟的產品，精度高、可靠性高、性能穩定，不會因個別設備或系統故障造成整個系統主要功能的誤動或崩潰。

三是標準化，遵循國家頒布的最新的有關法規、標準、規程規定，遵循相關行業的法規、規程。

四是可維護性，系統采用模塊化設計，易于維護和擴展。

五是易學易用性，整個系統使用全中文化的設計，友好的圖形化界面，管理員可以很容易地掌握系統使用方法，實現系統管理和配置。

六是容錯性強，具有較完備的錯誤處理能力。

2.2 系統結構設計

流域集控中心水光一體聯合控制系統如圖1所示。

圖1 流域集控中心水光一體聯合控制系統

包括水電站、光伏電站。光伏電站接入水電站集控中心，用水電資源的調節性能優化光伏發電，為電網提供更優質的電能。圖1中粗實線表示電流流動方向，梯級水電站和光伏電站將電力送入電網。細實線表示梯級水電站、光伏電站、上級調度系統和水光聯合控制系統之間的數據信息流動方向。

水光一體化聯合控制系統通過通訊網絡接入氣象站觀測信息、數值天氣信息、水情預報信息以及光伏站、水電站發電信息等場站全景信息，進行綜合分析和處理，向各場站發布發電調度控制信息，實現水光聯合發電的實時監控、優化調度、功率預測等功能。

2.3 功能設計

傳統模式中水電、光伏控制系統相互獨立、無法共享信息數據，難以滿足聯合發電系統的運維需求和精細化管理要求。流域集控中心水光一體聯合控制系統基于一體化設計原則，通過優化調度水電、光伏發電的功率輸出發揮水光互補聯合發電的優勢，有效改善光伏發電的間歇性、波動性等特性并提高發電設備利用小時數。水光一體聯合控制系統通過統一業務平臺實現實時監視、功率預測、有功/無功控制、發電預警等功能。

流域集控中心水光一體聯合控制系統根據可再生能源發電系統數字化、智能化相關行業標準和國家標準規范研制，由數據服務、基礎服務、基本應用等部分構成，為設備或系統接入以及應用組件運行提供標準接口、數據管理以及人機接口定制，支持結合工程需要，進行應用功能的定制開發與完善，構建水光一體聯合控制系統數據共享、集中管控與協同互動的軟硬件平臺。

2.4 網絡層次設計

系統依托水電控制系統架構，采用分層分布式冗余結構，不同功能分布于各層次，各層間“安全分區，網絡專用，橫向隔離，縱向認證”，各類數據流互不干擾、各層故障不會影響其他層次功能運行，提高系統的實時性、安全性、可靠性、可維護性。流域水電站群和光伏電站群統一設置域級一體化集控中心，管理下屬水電站和光伏電站。集控中心下設場站級、現地級和現地控制單元、分層分布式部署不同功能組件、軟硬件體系等，通過統一的數據支撐平臺和數據總線，實現區域級對廠站級、現地級和現地控制單元的實時控制和數據反饋。區域級集控中心采用千兆以太網絡構建，雙網結構，配置各水電站、光伏電站子網接入。流域集控中心設置水光互補優化調度模塊，根據電調任務統籌規劃水電、光伏負荷分配。

2.5 數據集成

當前國內外有多種異構、互不兼容的水光監控系統，使調度中心難以及時掌握發電系統運行狀態并及時響應、制定和實施調度決策。

流域梯級水光一體化系統針對計算機監控專業領域所需的設備、數據建立模型，形成標準、穩定、唯一的數據表示和訪問路徑，構建標準化模型庫。構建多系統全景狀態數據集成方法，包括對數據進行統一編碼，建立基于冗余校驗、狀態關聯、延時聚類的數據清洗策略?；诠r和事件牽引的設備和功能交叉的多層次、多來源數據的數據集成。根據數據不同時間尺度及功能、用途對數據進行選擇性存儲。

水光一體聯合控制系統對互補系統全景數據同步、交換、對外通信、模型等進行統一管理，集中進行備份、審計、日志，以提高數據質量，進而保證應用功能高效、穩定運行。利用不同管理區的數據中心與實時數據總線實現各類數據源共享，在此基礎上實現信息互動、綜合監控、智能決策等應用。共同在數據集中、模型集中、信息集中的基礎上，通過各個環節、各專業的專家對產生的歷史數據和實時數據進行分析處理，利用分析模型、數據挖掘等先進技術，提供設備信息管理、多系統聯動、智能告警應用等多個智能高級應用，為生產運行提供輔助決策。實現水光發電系統信息的統一采集和處理，同時采用可視化技術，為聯合控制系統提供包括測點、設備、系統、區域等不同層層次、不同分區的全方位多視角呈現，滿足控制系統實時性要求。

3 系統應用

3.1 運行監視

系統利用層次分明的多主題窗口和可視化技術，實現水光互補系統生產大數據的全景展示與分析。系統精準采集、匯聚來自監控系統、在線監測系統、水情自動化系統、大壩自動系統、光伏功率預測系統、水電/光伏故障診斷系統、微機五防系統、通風控制系統、門禁系統、工業電視系統、消防系統等的聯動系統的有效“生產大數據”，將測點、設備、區域、系統與工況、事件、時間相關聯，完成由點到過程的全方位監控。

系統具有功能完備的智能告警策略配置功能、形式多樣的報警方式。系統將諸如線路中斷、測量超限、控制異常、狀態異常等事故統一上送到報警平臺，對數據進行基本處理后，根據報警策略完成智能分級報警，按照預定通知策略采用OnCall通知或廣播指令系統即時通知到對應的責任人并形成報警記錄。

系統對水光互補生產大數據的全景監視與完備的報警平臺，實現設備可靠測量、控制、保護等基本功能，確?；パa系統生產運行的安全可靠、經濟高效。

3.2 經濟運行控制

對通過水電送出線路實現光伏并網的梯級水光互補系統，將光伏電站作為水電站的一臺不可調節、不穩定出力的機組或電站，利用EDC、AGC 系統，通過調節其他可控水電站和水電機組，達到“削峰填谷”“平滑出力”“經濟運行”的目的，提高互補系統電能質量。

水光互補系統AGC有光伏發電最大出力、跟蹤調度計劃兩種運行策略。光伏發電最大出力不限制光伏發電的功率輸出，僅在影響電網安全時進行緊急控制。跟蹤調度計劃是水光互補聯合控制系統根據上級調度要求實時調度光電和水電出力，使系統總輸出功率盡可能接近計劃值、以滿足電網調度計劃優先。

EDC 系統主要對梯級水電站進行調度。在光伏出力之外，調節各級水電站、機組負荷以最經濟的方式提供剩余電力，保障系統滿足調度要求。EDC系統綜合考慮光伏發電預測、水庫調度、機組容量、機組運行工況(汽蝕區、震動區)、機組耗量特性等多方面因素，遵循避開震動區、不頻繁跨域震動區、盡量少調功率范圍、預先定義機組有功調節步長等策略調節水電站機組有功，將水電站和光伏電站總負荷維持在調度給定的目標負荷。

4 結語

本文完整介紹流域集控中心水光一體聯合控制系統，涵蓋系統架構、軟件功能、網絡結構、數據集成和系統應用等方面內容，各功能模塊之間的性能穩定、運行流暢，系統易于拓展、使用方便、功能實用，促進了流域級水光互補發電系統安全經濟運行水平的提升和水、光資源的充分利用。

水光互補一體化控制系統實現了水光聯合發電系統的監視與協調控制。通過水電系統與光伏發電系統的協調，不僅有效減小了光伏發電對電力系統的沖擊和影響，而且提高電網對大規模新能源的接納能力，對促進國內新型電力系統的發展和調度控制的智能化建設具有重要意義。