新能源場站智慧監控平臺建設的探討

文 | 梁超，馮健，牛海明，劉厚旭

近年來，我國的風電、光伏等新能源發電迎來了爆發式增長，裝機容量不斷攀升。然而新能源發電與火力發電不同，其場站的選址分散，而且地處偏遠，周邊自然環境通常較為惡劣，交通不暢，定期檢修設備的難度大；新能源場站一般均配有變電站綜合自動化系統、五防系統、SCADA系統、箱變監控系統、能量管理系統、功率預測系統、SVG無功補償裝置系統等監控系統（以下簡稱“系統”），且這么多的系統絕大部分來自于不同品牌、不同供應商，各自獨立運行；生產運營過程中，在現有的監控平臺上各系統間數據難以交互，需要分別進行監控，這樣不僅不能掌握發電場站整體的工作狀態，還增加了監控人員的工作量。

2016年2月，國家發展改革委發布《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》，明確指出要促進能源和信息的深度融合，“智能發電”的概念在國家能源轉型的背景下應運而生?！爸悄馨l電”與“智能電網”、德國“工業 4.0” 以及“中國制造 2025”的理念相似，是第四次工業革命大背景下發電技術的轉型革命。國內各發電集團開始積極建設智慧電廠，典型的有大唐姜堰火電廠和國電大渡河公司。姜堰電廠包含五項功能：基于“互聯網+”的安全生產管理系統、基于大數據分析的運行優化系統、故障診斷系統、三維檔案系統和可視化智能培訓系統；國電大渡河公司從水電站建設、生產及運行三個層面分別提出了智慧工程、智能電廠和智能調度的思路。

新能源發電與常規電源相比有一個顯著的特點，即其輸出功率存在波動性和間歇性，接入電網將對電網的安全運行帶來較大的影響。目前的新能源發電運行監控系統為電網調整所做的工作極其有限，其在實現新能源消納工作中難以發揮作用，很多地區出現“棄風棄光”現象，給風光資源豐富地區的電網調度和電力市場管理帶來越來越大的壓力。研究新能源發電智能化，實現與智能電網調度一體化支撐平臺的無縫結合成為了最大化接納的一個關鍵。

目前，新能源發電領域的相關院校、企業專家們也紛紛展開了集控運行方面的研究工作，但這些研究的特點是重監視、輕控制，重信息化、輕自動化。本文結合新能源的特點和研究基礎，以某風電場為例設計了一套監控平臺，優化了對電網電壓、頻率主動支撐的功能，推動了設備控制自主化、生產管理智能化、風險決策智慧化。

智慧監控平臺架構和功能設計

某風電場由66臺單機容量為1.5MW的UP77-1500型風電機組以及若干光伏設備構成，風電機組項目于2011年投產。風電場信息系統包括兩套風電機組監控SCADA、一套光伏監控SCADA、一套能量管理系統、兩套AGC/AVC系統、一套升壓站電氣監控系統、一套五防系統等。一個值班員要同時監視6臺電腦（升壓站NCS、風電機組、光伏、SVG、AVC、AGC系統），其運行維護非常不便。智慧監控平臺的建設要在盡量降低建設成本的前提下，考慮實現功能的完善。

首先建立一套高效的網絡架構，進行數據層面的深度融合，分析各系統的設備、軟件配置及所用通信規約，建立起一套完整、規范的數據標準體系，實現風電場的海量數據采集、存儲；其次對各種實時數據和業務數據進行有效管理，為生產運行、報表統計、專題分析、在線經營等各種應用提供數據保障；再次在全量數據采集的基礎上，進行各子系統之間的生產關聯關系分析，實現整個風電場多個系統之間的協同動作與聯鎖動作，在風電場級的層面上實現對設備的精確控制，保證場站級效益的最大化；最后建立風電場站的賬戶管理、權限設計，實現信息統一發布、數據統一分析、內容統一展現。下面重點從架構和功能方面闡述。

一、系統架構

該風電場的監控采用EDPFSCADA系統為統一平臺，采用分布式控制系統架構，具有數據采集、存儲和高效實時控制功能，通過EDPFSCADA系統柔性分域技術，把各分散的系統按功能進行分域管理，解決多系統分離及監控分散的問題，構建了一體化網絡監控平臺。平臺通過數據接口機匯聚各子系統的實時和管理數據，集合所有業務子系統。

EDPF-SCADA系統中每個子系統完成相對獨立的數據采集處理和控制功能，各個子系統通過網絡連接在一起，形成一體化管控系統。各系統是一個有機的整體，同時它們之間又相互隔離，子系統間的信息可以按要求進行有選擇的隔離和交互，子系統的信息處理規模較小，利于減少和消除不同被控對象及其控制系統之間的耦合，整個監控系統呈現蜂窩化、模塊化，提高了系統可靠性，同時方便進一步擴展。網絡架構如下：

EDPF-SCADA系統的數據中心使用實時數據庫（國電智深AIRDB）、歷史數據庫（國電智深AIRDB）、業 務SQL數 據 庫（Oracle或MYSQL）、大數據分布式存儲（Hadoop）混合應用方式，既可支持風電場站運行狀態的實時監控，又能滿足各類面向應用、面向主題的分析需求。數據庫設計按照符合人類思維自然模式的面向對象的方式來組織數據庫管理，實現以設備為單位的監控模式，便于設備維護和故障診斷，提高數據檢索查找的速度及效率。利用數據庫對數據的存儲分析能力實現風電場站管控。

二、主要功能

智慧監控平臺，針對風電場站集中部署、分散應用的特點，遵循風電場站的運維規章制度，主要設計了五大功能：運行管控、經營管控、設備管控、安全管控、物資管控。智慧監控平臺功能要點如圖2所示。

（一）運行管控功能

風電場智慧監控平臺規范了數據通信的標準，在解決各子系統信息孤立、操作不便等問題的基礎上，匯集了風電場所有實時生產數據、業務管理數據，為數據深度融合、數據挖掘、機器學習提供支撐，進一步可進行運行輔助決策、對標、遠程診斷，實現運維智慧化。

EDPF-SCADA平臺包含AGC和AVC功能模塊，可接收來自電網調度的AGC/AVC 指令。AGC功能模塊接收主站下發的AGC指令，根據從EDPF-SCADA平臺獲取的預測功率和風電場機組狀態數據進行有功的分配和機組的啟?？刂?；AVC功能模塊接收主站下發的AVC指令，進行機組之間的無功功率分配并控制風電場變流器無功補償容量，實現對風電場的無功電壓控制。利用EDPF-SCADA平臺通信控制器的高速運算和通信能力，控制多臺風電機組的變流器共同實現風電場級的無功調節，替代或部分替代SVG功能。實驗數據表明，AVC功能運行在端電壓控制模式下，設定值偏差最大為0.38%，無功動態響應時間達50ms，實現了與智能電網調度平臺的無縫結合，提高了場站的調控能力。

（二）經營管控功能

具有風電場運營分析功能，建立風電場運營指標主動對標評價體系，通過對經營管控的主要指標，包括環境資源指標、電量指標、能耗指標、設備運行指標及人員績效指標等橫向對比、相互關聯、綜合分析，得出影響電量的主要因素及運行優化方法。

通過對生產運營指標的統計、分析，評價風電場站智能發電這一競爭能力，從而促進企業生產運營向低成本、高效益方向發展。

（三）設備管控功能

風電機組狀態監測：建立評估模型，對機組的運行出力狀況進行評估，實時獲取機組的發電運行狀態；對整機及關鍵部件的健康狀態進行評估，提前預警機組異常狀態，做出合理的檢修建議，實現對設備運行的狀態監測。

故障預警：建立基于大數據驅動的智能故障預測方法，利用深度學習技術，分析和提取故障特征，建立故障數據庫；將設備運行數據特征量與故障數據庫實時比對，可及時發現故障隱患，做出緊急搶修、臨時停機等應對措施，形成風電機組智能運行故障預警機制。

智能告警：對告警信息的分類和信號過濾，對風電機組的運行狀態進行在線實時分析和推理，自動報告異常并提出故障處理指導意見，為主站提供智能告警，也為主站分析決策提供事件信息。

（四）安全管控功能

智慧監控平臺信息系統安全防護體系劃分為網絡邊界防護、綜合防護、智能防護三個層面。

網絡邊界防護：根據國家能源局第36號文件的相關要求，為保障生產監控系統的安全，電力安全防護在網絡邊界防護方面應堅持“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的十六字方針。

綜合防護：應采用安全審計、入侵檢測、主機加固、備份容災、惡意代碼防范等多種手段，建設涵蓋物理安全、惡意代碼防范、入侵檢測等方面的綜合防護系統，加強“事前預警”“事中報警”“事后溯源”安全建設，實現全生命周期的綜合安全防護管理。

智能防護：隨著網絡環境和網絡攻擊手段日趨復雜、多樣化，利用大數據、人工智能、云計算等技術的先進成果，滿足智能風電安全防護的需要，提升網絡安全綜合防護的智能化水平。

圖2 風電場站智慧監控功能設計

在風電場站智慧監控平臺建設中，風電信息系統安全建設應貫穿始終，并不斷加強和鞏固信息安全防御能力，以應對層出不窮的信息安全威脅，綜合應用現代智能技術，自動識別存在的危險源，讓技術保障成為安全管控的有力工具，進一步提升安全管理水平，實現全風電場內無死角的主動安全防控。

（五）物資管控功能

通過集成接口實現與ERP系統、合同系統等各類業務應用系統間的無縫對接，實現物資供應鏈全生命周期管理，具備主數據管理、計劃管理、采購管理、專家管理、供應商管理、合同管理、倉儲管理、配送管理、質量監督管理、廢舊物資管理等業務，以及基于輔助決策管理需求建設的物資智能分析及物資調配業務的功能。

實現風電場設備三維建模，按照國標KKS編碼規則進行編碼，實現KKS編碼、設備編碼、物料編碼三碼聯動，并建立風電場設備與系統的標準管理檔案，具有三維數字化檔案的查詢功能。對設備全生命周期范圍內的成本、制造、安裝、運行、檢修、報廢等信息進行維護和管理，并通過三維模型關聯方式，在移動終端直接調取指定設備的基本信息及歷史檔案資料。自動完成設備采購與維護成本、使用壽命的統計分析，核算設備能效利用情況，為設備使用提供依據，降低發電運維成本。

此外，風電場智慧監控平臺還應具備財務、營銷及黨建等管控功能，為企業提供更多數據支撐和智能化工作手段。

攝影：楊茂云

結語

新能源場站實現智慧監控是必然之路。本文以提升生產運行管理水平、穩定設備運行、提高電廠發電效益為核心，提出一種基于一體化集中監控的智慧平臺，實現了各系統之間的關聯整合，控制策略優化；同時通過智能故障預警，為設備管理與全生命周期運維提供支撐，降低運維成本。另外，從管理角度實現操作全過程可視化、業務流程標準化，杜絕誤操作，實現資源調度最優化、運維決策智能化。