基于分散式風電的集控方案設計與實施

華東勘測設計研究院 ■ 沈漢琴

南京南瑞繼保電氣有限公司 ■ 黃山峰

一 引言

我國風力資源非常豐富，風電每年發(fā)電規(guī)模已經達到6000多萬kW。國際新能源研究機構BNEF發(fā)布的研究報告稱，中國陸上風力發(fā)電裝機量占全球比重為35%，2012年中國風電裝機量為15.9千MW，已取代美國位居世界第一。近年來，中國風電產業(yè)發(fā)展經歷了爆發(fā)式增長，且多注重規(guī)模化、大型基地化發(fā)展。高度集中、遠距離、高電壓是目前風電場的特點。由于風電出力特性不同于常規(guī)能源，它的隨機性、波動性較大，可預測性較低，風電達到一定規(guī)模后調度運行很難做到不棄風。風電已經進入“發(fā)展越快，損失越大”的惡性循環(huán)。在此背景下，風電發(fā)展轉型勢在必行。許多有經驗的人員認為風電產業(yè)采用“小規(guī)模、分布式、低電壓、就地分散接入電力系統(tǒng)”的形式，將大有可為。

所謂分散式指的是：在用電負荷中心附近，不采用集中遠距離接入電力系統(tǒng)為目的，所生產的電力就近接入電力網，并在本地消納的風力發(fā)電項目。分散式發(fā)電方式特點有：規(guī)模較小，對風速、占地面積要求較低；輸電距離較短，一般利用風場附近電網現有的變電站和輸送線路；總裝機容量低，風機切入切出對微電網沖擊很小；經濟效益高，發(fā)出的電能可以就地消化。分散式風電這種分散不集中的特點，也為運行管理帶來諸多不便，特別是對監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的技術要求。

以“中廣核哈密地區(qū)69MW風電場”為例。該項目共有4個風場，分別為巴里坤縣西部礦區(qū)黑眼泉2.4萬kW、哈密市東南部風區(qū)黃山東0.9萬kW、沙泉子0.9萬kW以及雅滿蘇2.7萬kW。每個風場地理位置偏僻，各風場間都相距上百公里，所以風場的運行管理難度非常大。對于此問題，設計出了針對分散式風電的集控系統(tǒng)，通過本系統(tǒng)的上線運行和推廣可實現對風電場設備進行遠程監(jiān)視和控制，合理安排運行方式，提高調度管理水平，使整個風電場安全，可靠，經濟地運行，從而為逐步實現風電場無人值班提供技術支持。

二 分散式風場集中監(jiān)控系統(tǒng)設計

1 設計方案

(1)從數據網絡的角度來看調度系統(tǒng)與集控系統(tǒng)同為平級的兩個系統(tǒng)，都可同時監(jiān)控各風場運行狀態(tài)。正常情況下由調度通過電話對監(jiān)控中心下達調度命令和要求，監(jiān)控中心通過遠程遙控執(zhí)行調度要求。緊急情況下，調度也可直接對各風場進行遠程遙控。

(2)集控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍為：第一是各風場開關站的遙信、遙測數據，包括各個間隔的測量量數據、保護信號數據、電能量數據等。第二是各風場風機相關數據，包括各風機的測量量數據、開關量數據、測風塔數據等。第三是各風場視頻監(jiān)控數據，包括風場內各攝像頭采集的數據。

(3)集控系統(tǒng)設有一套完整的監(jiān)控系統(tǒng)。配有開關站SCADA系統(tǒng)、風機SCADA系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。實現數據采集和處理功能、畫面顯示功能、遙控與操作閉鎖功能、事件順序記錄功能(SOE)、事故追憶功能、計算分析功能、報表打印功能等，還可實現電壓管理等[1]。

(4)監(jiān)控中心內配備基于監(jiān)控系統(tǒng)的高級應用，如風功率預測、自動發(fā)電控制(AGC)和自動電壓控制(AVC)。

(5)各系統(tǒng)高度可靠、冗余，在保證整個系統(tǒng)可靠性、設備運行的安全穩(wěn)定性、實時性和實用性前提下，充分考慮系統(tǒng)配置和設備選型的開放性[2]。

(6)根據《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》的要求對集中監(jiān)控系統(tǒng)進行分區(qū)。安全I區(qū)為實時控制區(qū)，直接實現對電力一次系統(tǒng)的實時監(jiān)控；安全II區(qū)為非控制生產區(qū)，在線運行但不具備實時控制功能；安全III區(qū)為生產管理區(qū)，可在不影響生產控制區(qū)安全的前提下根據安全需求劃分。

2 網絡設計

(1)風場端網絡

根據風場內數據安全性、穩(wěn)定性要求不同，設計上送方式也不同。以黑眼泉風場為例，如圖1所示。視頻數據獨立組網，直接接入光端機上送。開關站信息、無功補償信息本身是IEC103報文，可直接由遠動裝置采集。對于風機監(jiān)控信息、氣象測風信息、電能量信息、電能質量在線監(jiān)測信息，需經過規(guī)約轉換裝置轉換為IEC103報文后由遠動裝置采集。遠動裝置再把數據分類處理轉換為IEC104報文通過縱向加密和路由器分別上送給監(jiān)控中心和調度。

圖1 風場內網絡拓撲圖

(2)遠程通信網絡

每個風場與監(jiān)控中心間都有3個2M的獨立數字通道。這些通道都是租用電力公司的專用通信通道。由離風場最近的變電站接入，離監(jiān)控中心最近的變電站接出。這3個2M的通道分別提供給遠動信息、風機信息和視頻信息使用。

圖2 遠程通信網絡

(3)監(jiān)控中心端網絡

監(jiān)控中心內光端機把數據通過路由器和縱向加密送出，由數據采集與數據存儲服務器采集并處理IEC104報文數據。數據采集網絡如圖3所示。

(4)監(jiān)控中心內網

圖3 數據采集網絡

監(jiān)控中心內采用雙網設計并且分有3個安全區(qū)。其中I區(qū)為實時控制區(qū)，由2個數據采集服務器、2個監(jiān)控工作站、1個分機數據服務器、2個風機操作員站、1個AGC服務器、1個AVC服務器和1個GPS組成。提供4座風電場運行界面顯示、歷史數據儲存、安全監(jiān)控、人機交互及網絡管理功能。滿足風電場無人值班的要求；滿足各風場設備狀態(tài)的監(jiān)控需要；滿足對事故或異常狀態(tài)下的分析、判斷能力；滿足風電場操作的安全性需要；滿足風電場運行管理的需要；滿足監(jiān)控其他分析系統(tǒng)和應用的需要。安全I區(qū)網絡如圖4所示。

圖4 安全I區(qū)網絡

II區(qū)為非控制生產區(qū)，與I區(qū)經過防火墻隔離，由電能量服務器、電能質量工作站、風功率預測服務器和風功率預測工作站組成。電能量與電能質量數據通過I區(qū)的采集服務器統(tǒng)一從各個開關站內的遠動設備中采集、處理，并實時同步到監(jiān)控中心的II區(qū)，由II區(qū)的電能量與電能質量工作站完成人機交互和界面展視。安全II區(qū)網絡如圖5所示。

III區(qū)配置一臺運行管理工作站，用于日常的運行管理使用。視頻監(jiān)控單獨組網。安全III區(qū)網絡如圖6所示。

三 高級應用

圖5 安全II區(qū)網絡

圖6 安全III區(qū)網絡

為了保證電力系統(tǒng)的可靠、優(yōu)質、經濟運行，制定合理的運行方式和調度計劃。風場需要配備風功率預測、風場AGC、風場AVC等子系統(tǒng)解決風電穩(wěn)定并網問題。

1 風功率預測

風功率預測是以統(tǒng)計模型及物理模型分析為基礎，根據數值天氣預報數據，結合風力發(fā)電機組的運行狀況，得出風電場未來的輸出功率[3]。

風功率預測子系統(tǒng)根據測風塔實測氣象數據、風場實時有功無功數據和氣象部門的數值天氣預報數據，利用神經網絡、支持向量機等多種算法，對風電場在未來時段的發(fā)電狀況進行預測，并上報電力調度部門。

2 風場AGC

風場AGC的主要作用是當電網出現較大的頻率偏差時，為了維持系統(tǒng)頻率及聯(lián)絡線的交換功率，各個控制地區(qū)將根據本區(qū)域內的控制誤差來調控本地區(qū)內風力發(fā)電機組的出力，協(xié)調電網進行調頻。

電力系統(tǒng)調度將根據風功率預測系統(tǒng)發(fā)布的風力發(fā)電場日前可能的最大出力，結合運行安全和經濟約束等各方面的調度信息，來制定發(fā)電控制策略，再下發(fā)風場出力目標值給風機服務器[3]。風機服務器根據機組的控制特性和實時運行工況，進行目標出力在具體風機上的分配，實現風場功率跟蹤和調整。

3 風場AVC

由于風場遠離負荷中心，處于接入末端電網，受風力資源及負荷變化的影響，電壓波動幅度較大，風場小發(fā)電時的高電壓和大發(fā)電時的低電壓問題日益嚴重，對電網的安全運行產生不利影響。因此有必要實現對系統(tǒng)電壓和無功的自動控制[4]。

風場AVC子系統(tǒng)是以電力調度下發(fā)的控制電壓目標值為依據，根據風場實時運行工況，結合電網和設備的安全因素，運用控制算法產生單臺風機的無功輸出目標值、場內SVG(動態(tài)無功補償)的無功輸出目標值，然后下發(fā)給風機服務器、開關站SCADA服務器、SVG控制器執(zhí)行，完成風場電壓自動調整功能。

四 應用情況及效果

本文針對分散式風電集中控制系統(tǒng)的設計，將風電場不同類型的風機、開關站保護設備、電能計量設備等運行數據實時傳送到監(jiān)控中心。極大降低風場運行維護成本，實現風場的無人值守或少人值守，大幅提高了風電運行管理水平。同時基于系統(tǒng)平臺和數據服務的高級應用AGC、AVC和風功率預測的投入，使系統(tǒng)可對出力變化趨勢進行準確的預測，調度可根據預測值下發(fā)風機出力目標值或電壓目標值，系統(tǒng)再根據目標值對風機進行調節(jié)從而實現風場自動發(fā)電控制。

中廣核哈密地區(qū)69MW風電場項目已經投運，集中監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)測試結果見表1。

五 展望

由于“三北”地區(qū)風電消納日益嚴重，國家能源局曾多次召集有關單位研究討論如何開發(fā)分散式風電項目，2011年7月下發(fā)了《關于分散式接入風電開發(fā)的通知》，在年底緊接著又下發(fā)了《分散式接入風電項目開發(fā)建設指導意見》。其出色的適應性、性價比，決定了其將要大發(fā)展的趨勢。以后同一項目下的風場可能越來越不集中，風場數目越來越多，風機的種類和型號越來越多樣，并入的電網的電壓等級不再相同。這些也對集中控制系統(tǒng)提出了新的任務。

表1 系統(tǒng)測試結果

(1)硬件提高。隨著風場的發(fā)展，風場監(jiān)控的數據量越來越大，這就要求控制系統(tǒng)有更強大的硬件來提高系統(tǒng)運行效率。

(2)數據統(tǒng)計功能加強。系統(tǒng)應該能提供通用統(tǒng)計的功能，用戶通過自由選擇統(tǒng)計算法，實現對統(tǒng)計點某時間段內的原始數據或統(tǒng)計數據，進行統(tǒng)計運算。

(3)一體化。針對越來越復雜的風場，控制系統(tǒng)設計應該能提供一體化的解決方案。控制系統(tǒng)能處理各種數據，AGC、AVC、風功率預測等不再是相互獨立的系統(tǒng)，而是基于同個平臺、同個數據服務的高級應用。

[1] 陳子新, 叢智慧. 風電場集控運行探索與實踐[J]. 電力技術,2010, 19(7): 53－55.

[2] 劉小杰, 李明輝, 樊立云, 等. 風電場遠程集控中心的設計與應用[J]. 內蒙古電力技術, 2011, 29(2): 41－44.

[3] 韓強, 譚宇陽, 張正中, 等. 智能型風力發(fā)電調管控一體化綜合應用平臺[J]. 新能源, 2012: 35－37.

[4] 王劍彬, 潘樹軍, 白志深, 等. 電壓自動控制系統(tǒng)在風電場的應用[J]. 內蒙古電力技術, 2011, 29(5): 84－86.