水光互補一體化管控平臺的設計研究

摘 要：為了實現梯級水電站與光伏電站的協同優化運行，提高水電、光伏發電等可再生能源的利用效率和系統協調的經濟性，首先總結了當前水光互補一體化管控平臺的發展現狀，分析了新疆維吾爾自治區（下文簡稱“新疆地區”）太陽能資源和水資源的特點，得出新疆地區某流域光伏電站輸出功率和水電輸出功率的特性，并指出現有光伏電站和水電站使用智能監控平臺的不足；在此基礎上提出了中長期水光互補控制策略、短期水光互補控制策略和實時水光互補控制策略；最后設計了由生產運營管控平臺和水光互補調度平臺組成的水光互補一體化管控平臺，并詳細介紹了該平臺的功能和實現方式。

關鍵詞：一體化平臺；水光互補；優化調度；梯級水電站

中圖分類號：TM615/TV736 文獻標志碼：A

收稿日期：2023-11-03

基金項目：國家自然科學基金（62163034）；新疆維吾爾自治區重大專項（2022A01001，2022A01007）；科技創新領軍人才項目——高層次領軍人才（2022TSYCLJ0017）

通信作者：謝麗蓉（1969—），女，碩士、教授，主要從事控制系統優化、新能源利用方面的研究。xielirong@xju.edu.cn

0" 引言

中國新疆維吾爾自治區（下文簡稱為“新疆地區”）擁有豐富的太陽能資源，具備發展光伏發電的先天優勢。然而，光伏發電的非連續性和瞬時波動大的特性對電網的安全穩定運行帶來了風險[1]。梯級水電站在調峰上具有優勢，與分布式光伏電站聯合調度運行，當光伏發電輸出功率的不穩定時，通過水庫調節水電機組輸出功率，提高光伏發電消納能力和電網的穩定性，從而提升電站的綜合效益[2-3]。為更好發揮水光互補的優勢，促進可再生能源的高質量發展，國內不少學者對水光互補一體化平臺進行了卓有成效的研究。比如：張振東等[4]利用深度學習模型和基于時間序列變量的概率預測模型，構建了風光水互補系統的預測架構，為綜合性平臺的構建提供了理論指導；陳意等[5]基于雅礱江集控中心一體化水電管控平臺系統的跨區同步功能需求，提出一種簡單可靠的跨區域同步體系構架，確保了數據實時同步和信息的統一管理，有效適應于可再生能源一體化系統業務的發展。

鑒于光伏發電輸出功率的不確定性對電網穩定性的影響，以及現有一體化平臺在數據標準化、數據安全性、功能兼容性存在的問題，本文針對新疆地區某流域的梯級水電站，提出在梯級水電站可有效消納光伏發電的基礎上發展水光互補協調運行優化調度策略，以實現光伏電力的高比例消納；構建功能齊全的一體化管控平臺，實現“無人值班、少人值守”、跨分區數據的實時傳輸、海量數據的存儲與處理、多業務功能協調運行，以及提供可視化人機界面的目標。

1" 新疆地區光伏發電及水電特性

1.1" 光伏發電特性

新疆地區發展光伏發電的優勢具體表現在：太陽輻照量高，日照時間長，年平均日照小時數為2500～3500 h；多晴天、少陰雨天，有利于光伏組件的長期穩定運行；平均海拔較高，太陽輻射強度大，可實現光伏組件的高效率發電；幅員遼闊，有大量適宜建設光伏電站的土地，具備規模化發展光伏發電的條件。

在多云天氣條件下，光伏發電輸出功率會出現較大波動，這將影響電力系統的穩定性[6]。為減少棄光，根據自治區發展改革委、國家能源新疆監管辦等聯合發布的《關于加快推進新能源及關聯產業協同發展的通知》（新發改規[2023]2號），在新疆地區建設的光伏電站通常需要配置其裝機容量10%的自備儲能。2023年上半年中國的光伏發電消納率為98.2%，而新疆地區的光伏發電消納率為98.4%[7]，雖然高于全國水平，但仍有較大的進步空間。

目前，中國光伏電站普遍采用的智能監控平臺存在較大改進空間。平臺的數據采集和處理可能受到現場傳感器故障、通信中斷等多種因素的影響，導致數據準確率降低；平臺的穩定性受到硬件設備故障、軟件漏洞等因素的影響，導致平臺運行不穩定甚至出現故障；平臺的靈活性和可拓展性受到技術框架的限制，尤其是多種新能源聯合并網的情況下，難以適用不斷變化的業務需求；平臺可能受到網絡攻擊、數據泄露等威脅，需要采取相應的安全措施保護數據安全。

1.2" 水電特性

截至2023年6月底，中國水電的總裝機容量為4.18億kW，其中3.69億kW為常規水力發電，0.49億kW為抽水蓄能。其中，新疆地區水電總裝機容量為939萬kW，在全國總量中占比較低，這是因為新疆地區的氣候干燥、降雨稀少，限制了大規模水力發電的發展。新疆地區河流的水源多為冰川融水，河流徑流量呈現出明顯的季節性變化，分為夏季豐水期和冬季枯水期，因此，水電站通常配備有調節徑流量的水庫。

1.3" 小結

本文研究的水電站所處流域的夏季河流徑流量大，為保證各水電站能穩定地執行調度中心的指令，梯級水電站備有多年不完全調節水庫，能有效減少因季節變化而導致的徑流量劇烈變化；同時，各水電站兼顧灌溉和防洪雙重功能。

目前，新疆地區使用的梯級水電站經濟調度控制系統和梯級水電站自動化調度系統存在以下問題：1）平臺和數據庫存在不同設備和系統之間的兼容性問題，導致數據集成困難，難以進行統一的數據管理；2）平臺運行維護較為復雜，需對多個設備和系統進行監控、維護和管理，增加了運維工作人員的工作量；3）平臺的數據安全性有待加強。

2" 水光互補一體化管控平臺設計原則

2.1" 總體原則

水光互補一體化管控平臺的設計要求是緊密結合當前水電站集控中心的技術發展方向，遵照《中華人民共和國電力法》、《電網調度管理條例》等行業相關法律和規范，并借鑒國內成熟水電集控平臺的設計經驗，采用先進技術構建一個集“安全、共享、協同、智能”的生產運營管控平臺和水光互補調度平臺于一體的平臺，且滿足實用、可靠、先進等設計原則。

2.2" 關鍵技術

建立水光互補一體化管控平臺的關鍵技術包括以下方面。

1）輸出功率預測技術：利用統計學方法、多模型組合預測技術、區域輸出功率預測技術等，對光伏發電和水電的輸出功率進行準確預測，為水光互補調度平臺提供準確的數據支持。

2）水光互補調度技術優化：在考慮源-荷匹配調度、水量平衡約束、機組振動區約束等約束條件的基礎上，研究水光互補調度優化策略，以實現水光互補調度平臺的經濟運行和總輸出功率波動最小化的目標。

3）數據采集、處理技術：通過網絡通信和數據采集技術，實現對光伏電站和水電站的數據采集，并進行實時處理和分析，為水光互補調度平臺提供準確的數據支持。

4）數據庫和操作系統：建立數據資源一體化的綜合數據庫，實現數據的統一接收、共享和維護，為各業務應用系統提供數據信息支持。

5）安全技術：采用安全防護措施，包括網絡安全隔離、縱向加密認證等，保障水光互補一體化管控平臺的安全性。

6）人機界面技術：設計友好的人機界面，實現對水光互補一體化管控平臺的監控和管理，提高電站運營人員的工作效率。

3" 水光互補供電模式研究

光伏發電輸出功率的波動性導致電網電壓和頻率出現波動，進而影響電網的穩定性[8]。這會給電力系統的運行與調度帶來不可預測的變數，增加其安全運行的風險，限制電網消納光伏電力的能力，造成“棄光”現象的發生。

水光互補發電系統是將光伏發電系統和水力發電系統有機結合的復合系統，通過將兩者的發電特性在時間與空間上進行有機融合和調控，實現水資源的合理利用。該系統主要利用水庫進行靈活調度平抑光伏發電的波動，不僅增加了電力系統的安全性和穩定性，還提高了光伏發電消納能力、減少碳排放，從而增加發電系統整體的經濟和生態效益。

3.1" 中長期水光互補調度策略

水光互補調度的核心在于發揮水電站的調節能力，制定水電站、光伏電站聯合運行計劃，中長期調度以月、旬、日為單位，一般采用順序計劃制定方式。具體步驟如下：1）根據光伏電站輸出功率特性進行預測，結合調度中心的調度指令擬定光伏電站中長期輸出功率計劃；2）根據所選流域內居民整體用電負荷需求、電網備用需求、水電機組的最小輸出功率等信息計算出水電發電空間；3）在此基礎上結合流域水電站輸出功率預測，進一步制定水電中長期發電計劃。中長期水光互補調度策略示意圖如圖1所示。

3.2" 短期水光互補調度策略

短期水光互補調度策略需要滿足3個目標：光伏發電量最大、梯級水電站和光伏電站總輸出功率波動最小、源-荷匹配最佳。在調度時，需要考慮光伏電站、水電站、水庫、電網的運行條件約束。光伏電站運行約束主要為容量約束、預測輸出功率約束；水電站需要考慮水位、流量、輸出功率、水庫水量和上下游流量平衡約束；光伏電站受到電網輸電能力和安全約束限制，采用流域集中控制水力發電為基礎的水光互補運行模式。短期水光互補調度策略示意圖如圖2所示。

由圖2可以看出：短期水光互補調度是通過對光伏發電輸出功率預測和水電輸出功率預測來制定光伏電站發電計劃，優先消納光伏發電輸出功率，將多余的光伏發電輸出功率通過光伏電站自備儲能進行存儲。當電網處于用電高峰時，可將部分儲能進行上網，提高光伏發電的消納率；水電站優化調度計劃是在制定光伏發電輸出功率計劃之后，結合水電輸出功率預測來制定的。通過調節水庫的儲水量，確保水電機組能夠按調度計劃進行功率輸出，從而保證光伏發電得到充分利用。

3.3" 實時水光互補調度策略

實時水光互補調度策略的關鍵在于對水電機組的精準控制，實現流域內光伏發電最大化的利用。通過調控水電機組輸出功率，匹配光伏發電輸出功率的隨機性，確保完成調度中心下達的調度指令。通常情況下，水電機組有4種運行模式，分別為平滑輸出功率模式、跟蹤預測輸出功率模式、用電負荷削峰填合模式和系統調頻模式。

1）平滑輸出功率模式：水電機組的調節原則是保持光伏發電系統的總體輸出功率的平穩，避免各機組輸出功率的劇烈波動。

2）跟蹤預測輸出功率模式：自動發電控制系統（AGC）按照調度中心下達的輸出功率計劃，對光伏電站和水電機組輸出功率進行跟蹤。調度中心的輸出功率計劃可以基于預測的光伏發電輸出功率和水電輸出功率計劃的總輸出功率進行跟蹤，也可以根據預測的負荷得出水電站和光伏電站的輸出功率。

3）用電負荷削峰填谷模式：依據用電負荷變化調節水電機組的輸出功率。在深夜和清晨負荷較低時，適當減少水電機組的輸出功率；在中午和傍晚負荷高時，適當增加水電機組的輸出功率，提高電力系統的穩定性。

4）系統調頻模式：當用電負荷達到峰值導致電力系統頻率下降時，需要進行調頻。水電可以快速響應，但參與調頻其需要具備較大的容量。

3.4" 光伏電站裝機容量分析

通過分析水光互補系統下光伏電站裝機容量和光伏發電棄電率等指標的響應關系，結合經濟指標，基于光伏電站裝機容量與水力發電量的關系（如圖3所示）分析得出光伏電站裝機容量為94萬kW時經濟性最佳。

由圖3可以看出：隨著光伏電站裝機容量的增加，光伏發電棄電量的不斷增加，水電消納空間先增后降，因此94萬kW為該梯級水電站最匹配的光伏電站裝機容量。光伏電站裝機容量94萬kW時水電站年均發電量增加量為0.1億kWh，光伏電站裝機容量與水電站年均發電量增加量的關系如圖4所示。

4" 水光互補一體化管控平臺的構建

水光互補一體化管控平臺由生產運營管控平臺和水光互補調度平臺兩部分組成。

4.1" 水光互補一體化管控平臺系統框架

4.1.1" 功能分區

水光互補一體化管控平臺縱向分為集控層和廠站層，橫向劃分為生產控制大區（即安全Ⅰ區）和管理信息大區（即安全Ⅱ區），生產運營管控平臺和水光互補調度平臺分別部署在安全I區和安全Ⅱ區，如圖5所示。集控層由計算機、網絡設備、生產運營一體化平臺和各類應用系統組成，實現梯級水電站、光伏電站的運行監控、優化調度、防汛應急指揮等功能。廠站層由水電站/光伏電站計算機監控系統、水情測報系統、保護信息管理系統、電能量計量系統、光伏氣象監測系統及氣象系統等組成，業務主要通過多種通信技術手段進行接入。

在生產控制大區，建設計算機遠程監控系統，流域梯級水調自動化系統和水光互補調度平臺。集控中心系統是集控層整體的控制系統，以一體化管控平臺為核心架構，進行統一設計，規劃部署服務于集控中心管理職責的各類基礎應用和專項業務應用。各類數據服務匯總至集控層，形成一體化管控平臺的需求信息結果，結果以圖形界面、報表形式實現數據可視化，以多種形式的客戶端展現給用戶。

4.1.2" 網絡建設

生產運營管控平臺網絡主要包括對外網絡和內部網絡。對外網絡主要實現集控中心系統與所轄水電站、光伏電站現場監控系統間的通信和集控中心與電網調度機構的通信；內部網絡設計主要是集控中心的集控層網絡，用于內部各業務系統之間的通信。生產運營管控平臺與梯級水電站計算機監控系統在安全I區，通過局域網連接；水光互補調度平臺與流域梯級水調自動化系統在安全Ⅱ區，也是通過局域網連接；安全I區和安全Ⅱ區之間配置防火墻隔離，構建跨分區的數據通信；廠站層和集控層之間的通信，以及集控層與電網調度之間的通信，采用縱向認證加密裝置，可實現生產控制大區廣域網邊界的安全防護，能夠為廣域網通信提供認證和加密功能。水光互補一體化管控平臺拓撲結構圖如圖6所示。

4.1.3" 網絡安全監控預警

水光互補一體化管控平臺部署網絡安全監控預警系統，提高安全防護能力，運用網絡安全事件進行安全監視、安全分析、安全審計、智能預警等功能，完善電力系統現場層的安全防護體系，實現“實時管控、縱深防御”的防控目標。水光互補一體化管控平臺收集相關信息，通過大數據分析和人工智能等技術手段，將分析結果以可視化形式展示。這些結果包括安全狀況、設備健康管理、風險預警、威脅狀態、攻擊情況等內容，并生成相應的安全報表，通過實時監控、評估、預警和響應，構建網絡安全保障體系。網絡安全監控預警系統滿足電力系統對安全Ⅰ區、安全Ⅱ區監控的要求，監測對象為服務器、工作站等主機設備，防火墻、入侵檢測、縱向加密和隔離裝置等安防設備[9]，實現本地網絡安全事件的實時監視和報警功能。

4.2" 生產運營管控平臺

生產運營管控平臺由水光一體化遠程集中監控系統和流域梯級水調自動化系統組成。其中，水光一體化遠程集中監控系統為新建設內容，流域梯級水調自動化系統在現有的水調自動化系統的基礎上進行功能補充，以適應光伏電站運行對水庫調度的要求。

水光一體化遠程集中監控系統能夠對各電站的發電設備、輔機設備和光伏電站的逆變器進行自動監視。根據電力系統調度要求和各電站的運營需求，系統自動對水電站的相關設備和光伏電站的逆變器等設備進行控制，以確保所有機電設備在安全可靠的狀態下運行。

流域梯級水調自動化系統由網絡系統、數據庫系統、數據接收與處理系統、業務應用系統及信息發布系統等構成。網絡系統為數據的接收、處理、查詢及信息交換、水情預報等提供了軟件和硬件層面的技術支持。數據庫系統為系統維護與管理、信息查詢及水情預報等提供數據支撐，確保數據的有效性和可靠性[10]。數據接收與處理系統能夠提供水情信息的實時數據接收、處理、存儲和信息查詢服務。業務應用系統提供了水光互補調度平臺所需應用程序。信息發布系統以萬維網（Web）方式發布水情信息或通過短信平臺發布相關信息，并支持移動端Web訪問。

4.3" 水光互補調度平臺

水光互補調度平臺的核心在于深入分析水電與光伏發電的互補規律，建立源-荷匹配評價指標，并構建總輸出功率波動最小、總發電量最大、源-荷匹配調度等模型，研究梯級水電站和光伏電站水光互補聯合調度模型，求解動態調整學習因子智能算法。

光伏發電功率預測軟件將輸入的數值天氣預報信息、光伏組件運行數據等存入數據采集平臺，通過數據的格式化規范處理后存入數據庫，預測軟件的核心計算模塊與數據庫和人機界面交互獲取的最新數據用于預測，最終將結果存入數據庫。光伏發電功率預測軟件界面如圖7所示。

水光輸出功率預測系統以水光互補一體化管控平臺為基礎，構建提供多樣化的監測、查詢和分析功能的預測系統。其人機界面以可自定義的圖形和報表設計為特點，用戶能夠混合展示圖形和報表，同時通過數據表格、直方圖等方式呈現實際氣象數據、電站運行數據和預測結果。此系統不僅在展示方面表現出色，還具備優異的可擴展性和適應性，為相關調度部門提供可信賴的決策依據。

4.4" 水光互補一體化管控平臺的實現

水光互補一體化管控平臺在傳統水電站的計算機監控系統、水調自動化系統等水電調度自動化系統的常規應用功能基礎上，增加對光伏電站的監控管理和光伏發電輸出功率預測、水光互補調度等新功能。

水光互補一體化管控平臺提供統一的系統性數據管理、數據分析、圖形和報表等功能支撐接口，集成數據采集、同步、交換、通信、模型管理和文件管理等功能。除實現了各系統之間可兼容外，還具備集成開發環境功能，可用于自定義應用程序和接口的開發和部署。水光互補一體化管控平臺支持自動同步機制，以確保在滿足安全規范的前提下，不同分區之間的數據和信息能夠無縫傳輸，簡化了各功能的系統和應用之間的跨區交互實現。在原有流域水電站使用的一體化平臺的基礎上，通過配置必要的軟硬件設備，建設成為數據存儲安全、運行高效、功能齊全的水光互補一體化管控平臺。

5" 結論

本文介紹了水光互補一體化管控平臺的設計、實施及其在提高可再生能源利用效率和系統經濟性方面的重要作用。該平臺旨在實現梯級水電站和光伏電站的協同運行和優化調度，提高可再生能源的利用效率和系統的經濟性。對水光互補一體化的研究現狀進行了綜述，分析了新疆地區光伏發電和水力發電的特性，得出新疆地區某流域的光伏電站和水電站的輸出功率特性和光伏電站和水電站現有智能監控平臺的缺點。在此基礎上，提出了水光互補一體化管控平臺的設計原則和關鍵技術，并分析了平臺建設的系統構架。

根據新疆地區某流域光伏電站和水電站的具體特點，設計了中長期水光互補控制策略、短期水光互補控制策略及實時水光互補控制策略，分析光伏電站裝機容量與梯級水電站發電量、光伏發電年均棄電量的關系；然后介紹了水光互補一體化管控平臺的核心構架，對平臺功能分區、網絡建設、網絡安全監控預警進行了詳細介紹，根據控制策略設計由生產運營管控平臺和水光互補調度平臺兩部分組成的水光互補一體化管控平臺，最后對水光互補一體化管控平臺的建設進行了總結。

未來隨著可再生能源和智能化技術的發展，水光互補一體化管控平臺將進一步完善和智能化，其的建設將為水光互補發電系統的運行提供可靠的支持，促進可再生能源的高質量發展。

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DESIGN AND RESEARCH ON WATER-PV COMPLEMENTARY INTEGRATED MANAGEMENT PLATFORM

Jiang Rui1，Zhang Hangong2，Xie Lirong2，Chen Jun1，Du Xiaodong3

（1. Xinjiang Water Resourc-es and Hydropower Survey Design and Research Institute Co. Ltd，Urumqi 830099，China；

2. Research Center of Renewable Energy Power Generation and Grid Connection Technology Engineering，

Ministry of Education （Xinjiang University），Urumqi 830047，China；

3. Chinese Energy Group Xinjiang Jilintai Hydropower Development Co. Ltd，Ili Kazakh Autonomous Prefecture 835700，China）

Abstract：In order to realize the coordinated optimal operation of cascade hydropower stations and PV power stations，improve the utilization efficiency of renewable energy sources such as hydropower and PV and the economy of system coordination，this paper first summarizes the current development status of the water-PV complementary integrated management platform，analyzes the characteristics of solar energy resources and river water resources in Xinjiang Uygur Antonomous Region （hereinafter referred to as \"Xinjiang Region\"），and obtains the characteristics of PV output and hydropower output in a certain basin in Xinjiang Region，and points out the shortcomings of the existing PV power stations and hydropower stations. On this basis，the medium-and long-term water-PV complementary control strategy，short-term water-PV complementary control strategy and real-time water-PV complementary control strategy of a production operation management and control platform and a water-PV complementary scheduling platform is designed，and the functions and implementation methods of the platform are introduced in detail.

Keywords：integrated platform；water-PV complementary；optimized scheduling；cascade hydropower station