風(fēng)電場(chǎng)有功功率最大變化率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

牛海偉 任永峰 孫蕾 劉峰

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010080）

由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，造成風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率輸出波動(dòng)巨大且不可控。風(fēng)電本身固有的這種特點(diǎn)使其容量可信度低，給電網(wǎng)有功、無(wú)功平衡調(diào)度帶來(lái)困難[1]。風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)電壓及系統(tǒng)頻率的影響會(huì)隨著風(fēng)電接入系統(tǒng)容量的比例提高而加劇，在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下可能造成輸電線路過(guò)載或者電網(wǎng)頻率過(guò)高。因此風(fēng)電比例越高的電網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的變化成為影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要的問(wèn)題[2-3]。

本系統(tǒng)的目的在于利用風(fēng)電場(chǎng)已有的互聯(lián)網(wǎng)資源，采用先進(jìn)的非專線傳輸技術(shù)將分散于不同地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)電氣參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司頒布的《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率及無(wú)功功率的相關(guān)技術(shù)要求，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率的實(shí)時(shí)計(jì)算、監(jiān)測(cè)和記錄，建立完備的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以為電網(wǎng)調(diào)度部門提供詳實(shí)、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為電網(wǎng)調(diào)度部門針對(duì)部分區(qū)域大規(guī)模、集中風(fēng)電接入的情況，具體制定對(duì)該區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率的限值要求，保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 風(fēng)電接入電力系統(tǒng)時(shí)的相關(guān)技術(shù)規(guī)定

1.1 有功功率

風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)限制輸出功率的變化率。最大功率變化率包括1min功率變化率和10min功率變化率，具體限值可參照表 1，也可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)所接人系統(tǒng)的電網(wǎng)狀況、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性及其技術(shù)性能指標(biāo)等，由電網(wǎng)管理部門和風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)商共同確定。

在風(fēng)電場(chǎng)起動(dòng)過(guò)程中以及在風(fēng)速增長(zhǎng)過(guò)程中，功率變化率應(yīng)當(dāng)滿足此要求。這也適用于風(fēng)電場(chǎng)的正常停機(jī)，但可以接受風(fēng)速降低而引起的超出最大變化率的情況[4-6]。

表1 風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率推薦值

1.2 風(fēng)電場(chǎng)電壓

1）運(yùn)行電壓

當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的 90%～110%范圍內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)能正常運(yùn)行。

2）電壓偏差

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)電壓為110kV及其以下時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的正、負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過(guò)額定電壓的10%。

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)電壓為220kV及其以上時(shí)，正常運(yùn)行時(shí)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的允許偏差為額定電壓的-3%～+7%[7-8]。

1.3 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行頻率

風(fēng)電場(chǎng)可以在表2所示頻率偏離下運(yùn)行[9]。

表2 頻率偏離下的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由服務(wù)站（包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)存貯與管理、計(jì)算機(jī)通信、系統(tǒng)管理、人機(jī)聯(lián)系等應(yīng)用）、若干客戶端、若干監(jiān)測(cè)終端及若干數(shù)據(jù)通信通道構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

服務(wù)站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為分布式結(jié)構(gòu)，由服務(wù)器、工作站及配套設(shè)備構(gòu)成，不同的應(yīng)用可分布于不同的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，具有關(guān)鍵應(yīng)用的計(jì)算機(jī)硬件有冗余配置。系統(tǒng)中的服務(wù)器和工作站 等設(shè)備通過(guò)冗余配置的網(wǎng)絡(luò)互連，以保證電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。服務(wù)站硬件，包括服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和配套設(shè)備等，均采用當(dāng)時(shí)的主流技術(shù)通用產(chǎn)品，滿足可靠性、可維護(hù)性、開(kāi)放性和可擴(kuò)充性要求[10]。

3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 風(fēng)電數(shù)據(jù)采集單元

TZ604風(fēng)電數(shù)據(jù)采集單元可以精確測(cè)量各種電能參數(shù)，并以可以此構(gòu)建一個(gè)可視化的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)降低電能消耗,改善輸變電設(shè)備利用率和提高供電的可靠性。TZ604 是一臺(tái)高速和高效的在線式電數(shù)據(jù)采集設(shè)備,內(nèi)部具有一個(gè) 500MHz的數(shù)字信號(hào)處理器，連續(xù)采樣率8通道同時(shí)可以達(dá)到20kHz，可以獲取所有的電力參數(shù)（超過(guò)800個(gè)），包括諧波（最高到40次，帶相位角識(shí)別），事件記錄（電壓短時(shí)中斷），甚至是瞬態(tài)事件（50μs），都可以被保存在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，通過(guò)以太網(wǎng)等通信接口可以將這些數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行后部的數(shù)據(jù)處理工作。

TZ系列風(fēng)電數(shù)據(jù)采集單元能幫助用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，提供準(zhǔn)確的測(cè)量信號(hào)和監(jiān)控電能質(zhì)量情況，使用其配套監(jiān)測(cè)軟件，更可以建立一套完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)電能監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析和實(shí)時(shí)診斷的功能。

圖2 TZ604實(shí)物圖

3.2 風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

TZ3000風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)電數(shù)據(jù)采集終端采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理的同時(shí)將所有數(shù)據(jù)傳到集控中心進(jìn)行分析、運(yùn)算、圖形、報(bào)表。結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)接入 電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定，根據(jù)規(guī)定的限值給出風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率的運(yùn)算數(shù)據(jù)，包括給發(fā)電單位 提供的在線預(yù)警平臺(tái)和集中在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率的實(shí)時(shí)計(jì)算、監(jiān)測(cè)和記錄，建立完備的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，可以為地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度部門、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員提供詳實(shí)、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 TZ3000實(shí)物圖

有功功率最大功率變化率計(jì)算方法

1min的差值功率變化率計(jì)算方法：如果采集周期設(shè)置10s，1min6次，如果1min采集的個(gè)數(shù)不滿足（min/采集密度）的80%，則不產(chǎn)生差值功率變化率，這6次中設(shè)備數(shù)據(jù)采用平均值，頻率采用瞬間值，第6次采集-第1次采集=1min功率差值變化率，如果第6次采集的是負(fù)數(shù)，則不產(chǎn)生差值功率變化率，如果產(chǎn)生了有效的差值功率變化率，這時(shí)變化率大于告警閥值則算產(chǎn)生1min差值功率變化率告警。

1min的均值功率變化率計(jì)算方法：1min采集到的正數(shù)的點(diǎn)的個(gè)數(shù)超過(guò)（min/采集密度）的 80%，才能計(jì)算，否則不形成均值變化率。計(jì)算方法：該min內(nèi)所有正數(shù)的和除以正數(shù)的個(gè)數(shù)減去min內(nèi)第一次采集點(diǎn)（不管第一個(gè)采集點(diǎn)是正還是負(fù)）。 如果結(jié)果大于功率告警閥值會(huì)產(chǎn)生 1min均值功率變化率告警。

10min的功率變化率計(jì)算同樣如此 ，不同的是10min的采集時(shí)間必須是從第X小時(shí)的第零分第零秒開(kāi)始。

3.3 風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率預(yù)警平臺(tái)

TZ-WPDSAS3000風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率預(yù)警平臺(tái)，是根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司頒布的《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率考核指標(biāo)，專門針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員定制開(kāi)發(fā)的預(yù) 警系統(tǒng)，可以有效的將風(fēng)電場(chǎng)有功功率最大變化率控制在地方電網(wǎng)調(diào)度部門考核的標(biāo)準(zhǔn)之下。運(yùn)行人員通過(guò) TZWPDSAS3000平臺(tái)可靈活設(shè)定 1min、10min的有功功率最大變化率預(yù)警值，并實(shí)時(shí)掌握風(fēng)電場(chǎng)有功功率最大功率變化率情況，避免因?yàn)樽兓食^(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 限值，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)最大功率變化率超過(guò)規(guī)定值的相應(yīng)比例時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)聲音告警和彈出界面及時(shí)提醒風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員調(diào)整運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀況。

3.4 三部分之間的關(guān)系

數(shù)據(jù)傳輸單元TZ604從測(cè)控柜采得電壓電流信號(hào)后，經(jīng)由一根網(wǎng)線，傳送至在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TZ3000，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，再經(jīng)由另外一根網(wǎng)線傳送至PC。三者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)系可用圖5表示。

圖4 預(yù)警程序界面示意圖

圖5 三部分關(guān)系示意圖

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

以北方聯(lián)合動(dòng)力內(nèi)蒙古輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)場(chǎng)計(jì)劃總裝機(jī)容量為1200MW，現(xiàn)裝機(jī)容量為130MW。

圖6 輝騰錫勒風(fēng)電場(chǎng)有功功率最大變化率實(shí)例

從圖 6中我們可以看到，風(fēng)場(chǎng)總裝機(jī)容量為130MW，設(shè)計(jì)的1min預(yù)警值為6MW，而實(shí)際1min變化率還不及 1MW。當(dāng)風(fēng)速驟升或者切出風(fēng)機(jī)太快時(shí)，功率變化率將會(huì)很大，為了將限值降到6MW/min以下，可以將現(xiàn)場(chǎng)1min預(yù)警值設(shè)定為小于6MW的一個(gè)數(shù)值，這樣，當(dāng)達(dá)到這個(gè)小于6MW的數(shù)值后，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，值班人員即可采取措施，比如：風(fēng)速驟升時(shí)先切出幾臺(tái)風(fēng)機(jī)，讓功率變化率盡可能的小，也即緩和的投切風(fēng)機(jī)，否則，功率變化率一旦超過(guò)6MW，上級(jí)監(jiān)控部門即記錄一次該風(fēng)場(chǎng)的不良記錄。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)在風(fēng)場(chǎng)的成功應(yīng)用，不僅限制了風(fēng)場(chǎng)有功功率的最大變化率，而且使得上級(jí)調(diào)度部門及時(shí)準(zhǔn)確的看到風(fēng)場(chǎng)的功率變化，進(jìn)而發(fā)出科學(xué)的調(diào)度信號(hào)，保證了電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，提高了電能質(zhì)量。

[1]程浩忠,艾芊,張志剛,朱子述.電能質(zhì)量[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007.

[2]IEC61400—21 Wind Turbine Generator Systems Part21∶Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbine.

[3]Q/CSG10008-2004.南方電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京∶中國(guó)電力出版社,2004.

[4]DL/T 888——2004.中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電力調(diào)度交換機(jī)電力信令規(guī)范[S]. 北京∶中國(guó)電力出版社,2005.

[5]DL/T 5191——2004.中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)工程驗(yàn)收規(guī)程[S].北京∶中國(guó)電力出版社,2004.

[6]GB/Z 19963——2005. 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S],國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2005.

[7]GB/T 12326——2008.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變[S]. 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2009.

[8]DL/T 1053-2007.電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督規(guī)程[S]. 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì),2007.

[9]GB/T 15945——2008.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差[S]. 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2009.

[10]北京太宗科技有限公司,風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用戶操作手冊(cè),2010.