新能源調度自動化系統的設計

韓 強，馬 進

（新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），北京 102206）

0 引言

能源危機與環境污染的加劇使人類對可再生新能源發電的關注度日益增加，而在眾多新能源發電方式中，風能與太陽能發電以其資源豐富、高效便利、安全無污染、產業化基礎好等優點而備受青睞。伴隨“十二五”規劃對新能源領域加大投入的機遇，我國新能源發電正從小規模開發、就地消納向大規模集中開發和并網遠距離輸送方向發展。

然而，風電場大多處于電網末端，網架結構相對薄弱，電源結構較為單一，風電大規模接入必將給這些地區的電網穩定運行帶來很大壓力。同時，由于風能與常規能源發電方式的種種差異，風電的大容量遠距離輸送將對整個電網的電壓穩定、暫態穩定、頻率穩定、繼電保護及電能質量產生諸多不利影響[1]，光伏電站并網也存在類似的問題[2]。這些都是新能源場站并網后電網調度中心必須考慮的問題。

作者在考察國內新能源調度管理支持系統的基礎上[3-5]，提出了新能源調度自動化系統的設計方案，該方案基于調度集控基礎數據平臺，利用一體化的數據模型，實現多種電力高級應用，提升調度和駕馭新能源發電的能力。

1 系統基本功能

1.1 系統功能簡介

新能源調度自動化系統的功能結構如圖1所示，總體上可分為數據平臺、實時系統、生產調度管理系統、Web服務和通信接口4個主要部分。

圖1 新能源調度自動化系統功能結構

數據平臺是以操作系統、關系數據庫、通信組件及實時數據庫為基礎的數據處理中心，完成監控數據、歷史數據及其它系統互聯數據的整合和分析功能，為電網的分析決策、研究開發、統計考核和安全經濟運行提供技術支撐，為應用系統提供完整的數據整合解決方案。實時系統面向生產調度，主要完成新能源發電實時監視和控制、實時生產運行及調度等功能。生產調度管理系統面向日常生產管理信息和歷史數據的管理和分析，對實時性要求比較低，對數據完整性和統計、分析手段及輔助支持工具的要求比較高。由于新能源調度自動化系統采用分層分布式結構，Web服務和通信接口主要完成不同層面監控信息的上傳下送功能。

各子系統的功能可由1個或多個應用軟件實現，各應用軟件采用一體化和模塊化設計，運行在統一的數據平臺上。系統的各應用軟件可以按照電力調度生產流程和不同安全區的使用要求部署在3個安全區。應用軟件可以運行在實時態、研究態、測試態等，不同運行態可同時運行且互不干擾，系統與安全Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區中其它系統的互聯符合電力二次系統安全防護的要求。

1.2 一體化的數據模型

一體化的數據模型構成如圖2所示。

圖2 一體化數據模型

系統的全部功能組件及子系統均以數據軟總線為數據交換基礎，以一體化的數據模型為數據分析的基礎，一體化數據模型將新能源調度所需的全部數據整合在一起，統一管理和維護，具有以下特點：

（1）數據分類存貯，管理簡單。根據數據特點采用不同的數據存貯方式，節約系統資源。

（2）分類數據可根據需求重新組織成相應的數據模型；數據處理中心負責處理系統內外數據轉換。

（3）可對整合數據做深入分析，以多種形式提供給運行系統。

（4）具有實時數據轉發、第三方系統安全訪問接口和系統內部數據交換接口。

2 系統網絡拓撲

2.1 系統拓撲配置

系統的軟硬件設計遵循開放性原則，設備選型應采用符合國際標準的產品，以達到系統的可擴充和可維護性。

新能源調度自動化系統采用分層分布式網絡結構，分為站控層、集控層和調度層。站控層實現新能源場站監測信息上送和執行遙控、遙調命令的功能。集控層完成對多個站控點的集中控制，調度層進行整個電網的優化調度。每層的各功能子系統合理分布在通過局域網互聯的冗余、集群配置的服務器和工作站之上。新功能擴展可以通過增加新節點方式完成。

為滿足系統安全防護的要求，與外部系統的通信要通過設置在邊界網絡處的物理隔離設備和硬件防火墻。

系統拓撲結構如圖3所示，該圖示意的是某一層通用拓撲，不同層可根據實際需求配置各自的應用功能軟件。

2.2 系統軟件部署

新能源調度自動化系統設計應根據SOA（面向服務的體系結構）的軟件工程新思想，按照EAI（企業應用集成）理念，構造數據平臺系統以及ESB（企業服務總線），將新能源調度功能分別部署于安全Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區，實現數據和應用功能整合，為系統運行提供功能強大、方便易用的集成支撐環境。

SOA實質上是1個組件模型，將不同的應用功能單元通過預定義的接口聯系起來，接口獨立于具體的硬件平臺、編程語言和操作系統。而EAI是完成多種應用和數據源之間共享交換信息的標準技術。ESB則是企業應用集成領域的新型中間件技術，可以消除不同應用之間的技術差異，使不同的應用服務器協調運作，作為分布式系統的連接中樞，它可以幫助實現面向服務的體系架構。

系統統籌考慮調度中心各子系統的數據及應用需求，以EAI的思想建立為這些應用系統服務的橫向跨越3個安全區、縱向連接上下級調度中心的數據平臺系統。

數據平臺系統由3個數據匯聚中心及相應的ESB組成。在3個電力生產安全區分別建立數據匯聚中心，ESB則在保證安全的前提下貫穿3個安全區。數據平臺系統既是數據的匯聚中心和提供者，又是優良的應用集成環境。

根據面向不同的應用人群及應用內容建立若干應用群，如實時監控、生產調度與管理以及研究分析等，實現新能源發電監視與控制、發電計劃制定等相關功能，為新能源并網發電提供技術支撐。

3 調度自動化高級應用

3.1 新能源發電功率預測系統

并網新能源場站的發電受天氣變化影響，其容量和時間變化較大，對電網運行和調度有一定影響，在目前儲能設備不能大量投運的情況下，如能準確預測未來幾小時至幾天的發電情況，將有助于電網運行方式安排和調度提前計劃，保證電網經濟穩定運行。

新能源發電功率預測系統的軟件結構如圖4所示。

圖4 功率預測系統軟件結構

圖3 新能源調度自動化系統的網絡拓撲結構

預測系統采用統計方法、物理方法以及混合方法等算法[6-7]，根據預測時間尺度的不同使用上述算法構成組合預測模型，對每一種算法的預測結果選取適當的權重進行加權平均，從而得到最終預測結果。選擇權重可以采用等權平均法、最小方差法，以提高預測的精度。

為提高預測的準確性，系統將影響因素全部納入預測信息系統，并綜合考慮各種數據信息，建立相應的管理和優化機制。這些信息包括天氣預報、電站實時信息、電站檢修計劃和歷史數據等，分別用于模型計算、數據修正等環節，從而得到更加準確的預測結果。

3.2 新能源自動發電控制

當電網頻率偏差較大、常規調頻容量不足時，為將系統頻率及聯絡線交換功率維持在計劃值，各控制地區可根據其區域內控制誤差協調地區內的風電/光伏等新能源場站出力，輔助電網調頻。

調度中心以新能源發電功率預測系統發布的場站日前最大可能出力為基礎，考慮電網運行安全和經濟約束等條件，修正有功出力計劃曲線，制定發電控制策略，通過智能通信管理終端下發給場站級自動有功控制系統。站控層根據風電機組、光伏逆變器等設備的控制特性和實時運行工況，實現目標出力在具體風電機組和光伏逆變器上的優化分配和發電跟蹤計劃曲線調整。新能源AGC（自動發電控制）實現原理如圖5所示。

圖5 新能源AGC實現原理

3.3 新能源自動電壓控制

新能源AVC（自動電壓控制）采用三級調控模式，場站級的無功電壓通過區域AVC集控站進行協調控制，區域站間的協調控制通過調度端新能源AVC主站實現。調度端采集全網無功電壓實時數據，利用狀態估計、最優潮流等方法計算得出各新能源發電控制區域內的中樞母線電壓指令并下發給AVC集控站。各AVC集控站根據本區域內新能源場站的可用無功容量，結合本區域網架結構計算得到各場站的并網母線電壓控制目標，并下發給場站級AVC控制器執行，場站級AVC據此將并網母線電壓值維持在允許范圍內。新能源AVC實現原理如圖6所示。

圖6 新能源AVC實現原理

場站級AVC是1個多目標、多系統參與協調優化的控制過程，由本地升壓站綜合自動化系統、風機和光伏逆變器監控系統和動態無功補償設備共同完成。文獻[8]提出一種針對風電場的AVC 3層協調控制結構，是考慮含有有載調壓變壓器、集中補償電容器和雙饋風機等多種無功源設備的協調控制策略，值得借鑒。

一般來說，場站級AVC的控制策略順序是先調風機或光伏逆變器的無功輸出，再調節動態無功補償設備，最后調節升壓站內的固定電容器組和有載調壓變壓器分接頭。場站級無功優化通過實時量測電壓偏差計算無功參考值，再按一定的優化分配原則分配到各種無功源設備上，作為控制信號改變無功輸出，以實現新能源場站并網母線無功電壓的閉環控制。

3.4 新能源場站并網電能質量監測

由于風力發電、光伏發電及儲能系統中應用了逆變器、變流器等電力電子設備，使新能源電力并網時產生大量諧波污染電網，及時監測和分析各個新能源場站并網點的電能質量，將為后期電能質量治理和統計提供數據基礎。

電能質量監測系統最為注重的是數據統計和分析功能，新能源調度中心要充分考慮各新能源場站的地理位置、電氣接線及關聯負荷與電源的基本情況，對歷史數據進行綜合分析，為電能質量治理提供詳實的數據。電能質量監測系統拓撲結構如圖7所示。

圖7 電能質量監測拓撲結構

3.5 風光儲并網控制

由于風能和太陽能具有隨機性、間歇性的特點，作為獨立的發電系統時難以提供穩定、連續的功率輸出，如果采取風、光互補發電并加入儲能裝置，形成風光儲聯合發電系統，既可以充分利用風能和太陽能在時間及地理上的天然互補性，也可以利用儲能系統的充、放電性能來平滑風電、光伏功率輸出的波動性[9]。

通過分析調度區域內的新能源發電分布情況，結合各種能源所占比重，采用風電場、光伏電站單獨配置一定比例儲能的調度并網模式，也同時考慮區域儲能在廣域條件下能發揮更大平滑效應的特點，進行調度范圍內的風光儲一體化并網控制。其基本功能應包括：

（1）以風光儲功率波動最小、調峰能力最大為目標，制定最優的聯合發電計劃。

（2）可以根據系統需要采取多種處理策略，如保證儲能設備使用壽命最長、能參與系統削峰填谷等。

3.6 新能源并網一體化調度系統

風力/光伏發電的特點是發電容量和發電時間穩定性不高，屬于間歇性電源，隨著并網容量的增大，會給電網帶來一定沖擊。新能源并網一體化調度系統的任務就是將風力/光伏發電變為友好型電源，增強其可控性。

并網一體化調度系統結構如圖8所示。

圖8 并網一體化調度系統結構

新能源并網一體化調度系統通過主站、風力/光伏發電子站形成上下一體的控制和執行系統，能夠完成計劃、緊急、事故等情況下的執行策略。

并網一體化調度系統不僅與新能源發電場站相關，對全網的安全校驗及運行方式安排也必須結合全網運行情況來確定。因此，新能源并網一體化系統通過信息交互層完成與主調度系統及EMS系統的通信聯系，形成完整的調度系統，既考慮新能源發電的特點，又達到與原有系統融合的目的，從而成為主調度系統在功能上的補充。

通過新能源并網一體化調度系統，風光儲聯合發電子系統與調度主站形成了整體。調度主站系統根據功率預測結果，結合全網負荷及主電源情況，經過EMS系統分析和校驗，制定新能源發電計劃，并將發電計劃下發至各新能源場站，由部署于各場站的子站系統自動執行。在緊急情況下可以快速執行主站的動作策略，從而保證電網安全穩定運行。

4 結語

基于一體化數據模型構建數據平臺系統，給出新能源調度自動化系統的設計方案。采用面向服務的體系架構和企業應用集成的理念進行應用軟件開發和部署，系統支持功率預測、自動發電控制、自動電壓控制、電能質量監測、風光儲并網控制等高級分析決策系統，并能與電網EMS系統實現無縫集成。其分層結構和功能組態適用于網、省、地、集控、廠站多級調度或監控模式。隨著我國新能源發電行業的發展，該系統將具有廣闊的應用前景。

[1]孫元章，吳俊，李國杰.風力發電對電力系統的影響[J].電網技術，2007，31（20）：55-62.

[2]劉偉，彭冬，卜廣全，等.光伏發電接入智能配電網后的系統問題綜述[J].電網技術，2009，33（19）：1-6.

[3]白永祥，房大中，朱長勝.內蒙古電網風電場調度管理技術支持系統設計與應用[J].電力系統自動化，2011，35（7）：86-90.

[4]馮利民，范國英，鄭太一，等.吉林電網風電調度自動化系統設計[J].電力系統自動化，2011，35（11）：39-43.

[5]蔡岳.光伏電站并網調度管理探討及實踐[J].青海電力，2011，30（3）：4-7.

[6]谷興凱，范高峰，王曉蓉，等.風電功率預測技術綜述[J].電網技術，2007，31（增刊 2）：335-338.

[7]盧靜，翟海青，劉純，等.光伏發電功率預測統計方法研究[J].華東電力，2010，38（4）：563-567.

[8]喬穎，魯宗相，徐飛.雙饋風電場自動電壓協調控制策略[J].電力系統自動化，2010，34（5）：96-101.

[9]李金鑫，張建成，周陽.風光儲聯合發電系統能量管理策略研究[J].華東電力，2011，39（12）：2026-2028.