基于風功率預測的可移時負荷監控系統開發

周宏偉+常學飛+李德鑫

摘要：為了實現風電場與可移時負荷的集中管理，本文研發了一套基于風功率預測的可移時負荷監控系統。該監控系統可以根據風電功率預測信息，采取多時間尺度協調的負荷用電控制，對可移性負荷的狀態信息進行實時數據采集和監控處理。本文基于WinCC、Visual Studio 2012開發平臺，采用C++語言來編寫算法，對多目標函數進行優化，根據優化結果，對負荷側進行調度，實現電源側與負荷側的良性有序互動。

關鍵字：風功率預測；可移時負荷；監控系統；WinCC；

中圖分類號：TM614文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016） 10（c）-0000-00

0 引言

隨著風電行業的迅速發展，風電本身的不確定性給大規模風電并網帶來了很大的困難，從而導致了嚴重的棄風問題 [1-2]。為解決這些難題，我國北部的冬季供熱地區大力推廣以蓄熱式電鍋爐為代表的可移時負荷（柔性負荷）來促進風電的就地消納。本文采用蓄熱式電鍋爐與電化學儲能聯合系統作為可移時負荷。開發了一套基于風功率預測的可移時負荷監控系統。該系統不僅能夠保證電能和熱能供求平衡，便于調度管理；而且可以做到實時監測風電場、可移時負荷系統的數據，以便盡快發現問題，處理故障。

文獻[1] 設計了風電場集成系統的監控平臺，可實現有功控制、電壓控制、發電與檢修計劃安排等高級應用功能。文獻[2] 介紹了基于GPRS網絡的電力負荷遠程智能監控系統，實現了分散電力大用戶的數據實時采集、傳輸、存儲、事件報警以及WEB發布等功能。本文提出的基于風功率預測的可移時負荷監控系統可以同時獲取源荷兩端的相關數據，以此來協調控制可移時負荷的運行方式，具有適應性強、開放性高等優點。

1 研發的系統功能需求

風電場和可移時負荷系統屬于分布式布置，需要進行集約化管理，因此研發了基于風功率預測的可移時負荷的監控系統，監控系統中，云端為數據傳輸提供了一個大的平臺，起“緩沖”作用，可以對接收的數據進行簡單的整理；而信息處理及協調控制中心相當于“神經中樞”，起到了協調控制，分析處理的作用，顯然是監控系統的核心部分。這一監控系統的總體布置如圖1所示：

可移時負荷的監控系統的工作原理如下：基于GPRS技術，可以將風電場和蓄熱式電鍋爐示范工程的參數和信號以數據流的形式傳送至云平臺；云平臺實現大數據的管理，同時能夠實現快速的收發數據，將接收到的數據發送至協調控制中心；可以應用協調控制算法，實現多目標聯合應用調控系統的功能需求，獲得優化的數據，來協調風電場和可移時負荷的運行，再將調整的運行方案通過云端發送至風電場和蓄熱式電鍋爐的現場調度中心，實現源荷匹配的總體目標。

（1）風電場數據采集終端

風電場數據采集終端通過數據平臺從風功率預測服務器獲取數據，并對所采集的數據經過分析處理，將該數據經單向隔離裝置，通過GPRS無線通信傳送到云數據平臺。

（2）可移時負荷終端

可移時負荷所在地擁有自己獨立的數據庫，從數據庫中可以實時獲取這些數據，并將這些數據通過GPRS傳輸至云端，供信息處理及協調控制中心進行分析，協調系統運行。

（3）云平臺

云平臺是一個虛擬的存儲、處理大數據的平臺，可以對數據進行分析、整理計算。通過云平臺，可以將準確可靠的風電場以及蓄熱式電鍋爐示范工程的各類數據傳送至信息處理及協調控制中心，以便于協調控制中心準確的確定方案，實施管理。

（4）信息處理及協調控制中心

信息處理及協調控制中心通過硬件與軟件的組合，實現了綜合監控、風機監控、風功率預測，柔性負荷管理等功能。通過運用相應的控制策略，滿足負荷用電的邊界條件，給出負荷用電的用電指導方案，將指導方案通過總線的方式發送給風電場以及蓄熱式電鍋爐示范工程。

信息處理及協調控制中心具備查詢、存儲所轄風電場設備以及可移時負荷運行的實時數據和歷史數據的功能。

2 系統硬件部分的組成

信息處理及協調控制中系統的硬件部分主要由路由器（數據路由器、視屏路由器等）、前置機（交換機、縱向加密）、終端服務器、通訊服務器等組成。為保證系統通訊的穩定性以及數據的安全性，采用分布式體系雙局域網結構，通訊服務器都連接在兩條以太網上。采用雙網絡同時工作，系統自動平均分配網絡負荷，當一條網絡出現故障后，另一條網絡作為備用線路介入網絡，確保系統不受影響，能夠正常運行。在某些情況下，當兩個通信節點之間發生變化時，根據相應變化系統會重新設置通信狀態。其結構如圖2所示：

采用終端服務器作為通訊設備的前置機，保證了其通訊穩定性。該配置可支持同步、異步的方式，適合數字通道和模擬通道的實用性。結構體系采用分布式，最大限度的實現了資源的優化，把各個功能模塊分配到系統的各個網絡節點上，保證了系統在基本功能保證的情況下，實現了的可擴充性。

圖中的 A 框表示數據采集方式是采用終端服務器和調制解調器相結合的方式，B 框表示數據采集方式是采用路由器或交換機方式，可接入專線、同軸電纜、雙絞線、光纖等多種接入方式，A、B 方式可以互相結合使用，也可以互為備用。

3 系統軟件部分的研發

為了充分滿足監控系統的整體需要，采用Qc來開發人機界面，利用德國西門子公司（SIEMENS）推出的WinCC（Windows Control Center）控制軟件，使用Microsoft SQL Server 2005作為其組態數據和歸檔數據的存儲數據庫。

采用標準C++語言來編寫算法，通過協調控制算法優化多目標函數，求得最有解指導系統優化運行，實現高效的源荷匹配。監控系統兼容多種不同設備運行及軟件平臺的支撐，在此狀態下，需要設備的規約轉換。而實時數據和歷史數據服務器，可兼作為前置機信息處理規約和規約轉換。

監控系統的軟件構架如圖3所示：

數據服務層以及通用功能組件服務層主要用于整理數據、進行數據的歸檔存儲，以便調用。智能計算服務層用于分析數據，運用協調控制算法來優化目標函數，同時輸出目標結果，工作人員以此來制定優化后的系統運行方案。而監控顯示界面則用來實時顯示由云平臺傳輸而來，經協調控制中心整理之后所顯示的數據。

4 研發的監控系統界面

本文給出的模型為風電場裝機容量為100MW，由25臺額定功率為4MW的風機組成；可移時負荷為3臺額定功率為30MW的蓄熱式電鍋爐和與之配合的3套額定功率為10MW的電化學儲能系統組成，電鍋爐在夜間22：00-次日5：00運行，其余時間由蓄熱罐為供熱公司供熱。

監控畫面主要顯示以下內容，風功率的預測數據、風場的電流和電壓；電鍋爐實時的電功率、電壓、罐體內溫度和壓力、出水和回水溫度；儲能裝置主要顯示實時的功率流向及大小、運行極限報警以及儲能電池的溫度等信息。以便為調度計劃提供較為準確的依據。部分主要的監控畫面如下圖4所示：

圖4中可以監測到預測的風電場、蓄熱式電鍋爐和電化學儲能系統的總體數據，圖中風電場顯示的為集電系統中的總體的電流電壓；蓄熱式電鍋爐中電功率與電壓顯示的是1號蓄熱式電鍋爐的數據，包括電鍋爐的功率、蓄熱罐的罐內溫度和氣壓等實時的數據，

圖5中，風功率顯示的為一天內風場預測功率；圖中僅給出了1號電鍋爐的運行數據，而2號與3號電鍋爐與1號電鍋爐的運行狀態基本一致；與電鍋爐配合的電化學儲能系統，有正有負，當為負值時供給電鍋爐電能，當為正值，則自身儲存能量，圖中僅給出了與1號電鍋爐想配合的電化學儲能系統的運行狀況。

5 結論

本文開發了一套可移時負荷監控系統，實現了對風電場、蓄熱式電鍋爐和儲能系統等可移時負荷進行遠程監視和集中控制及數據的管理。該監控系統的研發實現了風電場與可移時負荷的集中化管理，通過協調控制算法可以優化風電場與可移時負荷的運行，使得這一聯合系統能夠更節能環保的解決本地部分居民的供熱問題和風電場的棄風問題。

參考文獻

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