新能源智慧型遠程集中管控系統的探討

孔慶香，卿子龍

(國網電力科學研究院，江蘇 南京 210031)

中國向外界表述了碳達峰、碳中和的目標，將把發展新型清潔能源作為能源戰略的重要方向。光能、風能、水能、生物質能作為在自然界中可不斷再生的能源，有蘊藏量巨大、分布區域廣泛、少污染等優勢。加快風電、光伏發電等新能源的開發利用，已成為推動能源應用轉型和應對全球氣候變化的普遍共識[1]。

隨著國家清潔能源戰略的實施，新能源發電場站的數量將以更快的速度增加，隨著更深入的開發，深遠海域、高海拔地域、偏遠山區將成為開發清潔能源的主要方向，隨即而來的運維、管理等問題日益凸顯。

本文分析了新能源發電場站的特點及其遠程集中控制與管理的需求，提出了新能源智慧型遠程集中控制管理系統的設計理念，重點研究分析了系統的體系架構和功能需求，還探討了如何在成熟的電網調控自動化系統上進行功能擴展和改進，期望為新能源企業的智慧化建設提供參考。

1 新能源發電場站的特點

新能源發電場站的選址由地理、氣候、光照等條件所決定；大多分布于山頂、戈壁灘、湖泊、高海拔牧區、近海岸邊及深遠海域等偏遠地區。場站分布分散，區域大，運維環境惡劣；管控難度大，運營成本高，工作生活條件艱苦。新能源風電場、光伏站的主要特點如下。

a.分布區域廣，場站數量逐漸增多；每站配備運維人員，成本高，效率低。

b.地處偏遠，設備眾多；站內的環境、設備各不相同；環境惡劣，運維難度大。

c.出力的不確定性和電能質量等問題影響并網；分散調控，難以滿足要求。

d.區域內的場站會接入不同的地方電網，甚至可能跨省；協同調控難度大。

e.不同監控系統互不兼容的現象普遍存在，更無法和電網調度系統直接聯通。

為有效提高分散分布的新能源場站運營管理水平，在一定的區域范圍內建立遠程集控運行、生產管理及數據分析診斷和運營決策中心，負責區域內所轄場站的監控與運維管理，包括發電運行、生產管理、安全管控等生產運營工作[2-7]。基于大數據平臺的遠程集中運行監控、統一運維管理，優化資源配置，實現風電場、光伏電站的無人值守、遠程集控的生產管理模式，提高運營效率，實現綜合效益最大化。將原來分散式生產管理模式轉變為區域化、集約化、精益化運營管控模式。進一步架構起發電集團總部、區域集控中心、發電場站三級一體化的管控模式，為新能源企業的智能管控、增產增收、風險防控提供系統支撐。

2 遠程集中控制與運維管理的需求

智能傳感器、通信網絡、計算機軟硬件、大系統的層級管控等新技術的迅速發展為發電集團設立新能源區域集控中心，實現所轄區域內場站的日常集中監控、統一調度和管理提供了技術支撐。相比大電網的調控自動化系統，新能源場(站)遠程集控系統的特有需求如下。

a.需接入的設備和系統更多；信息量更大，集成難度更大。

b.數據類型更復雜，需有風電、光伏特有的數據模型，如風機、逆變器建模。

c.需要新能源領域特有的高級應用，如風光功率預測，間隙性功率曲線。

d.集控系統需要同時關聯多個地方電網的調控系統，甚至跨省聯網。

因此，新能源集控中心的建設要以智能化監管為核心，智慧化運維為目標，逐步實現場站集中管控的標準化、規范化、專業化；同時，對場站的全生命周期運行情況、發電情況、維護情況進行量化評估，分析和挖掘海量數據，為提升設備利用率和發電效率以及優化運行提供充實的科學依據。通過智慧型一體化監管平臺的建設，實現區域內多個場站的監視、控制、調度、運維、管理；對場站的各類數據，如設備參數數據、故障分析與診斷、綜合信息查詢等進行統一管理，綜合統計、評估和利用各類數據，實現資源集約化和能源效益化。

3 智慧型集中控制管理系統的體系結構

新能源發電場站智慧型遠程集中控制與管理系統采用開放式的分層分布式體系架構；以基于全分布式數據庫的一體化平臺為基礎；以智能化集中控制與智慧化集中管理為建設核心。基于IEC61400-25、IEC61850通信規約，通過統一的大數據交換平臺，對各場站的不同風機、光伏逆變器以及升壓站的不同軟硬件體系結構的監控系統，在同一平臺下進行各子系統的無縫整合；將傳送至集控中心的生產運行數據進行集中管理。系統使用統一的數據庫模型、統一的人機交互界面，并進行統一維護，實行場站的監控、統計分析和生產管理以及運維的集中與統一。通過全方位的數據綜合分析，實現數據與發電業務的全面融合。系統體系架構如圖1所示，安全Ⅰ區是實時智能化監控區，安全Ⅱ區是非實時智能化監測控制區，安全Ⅲ區是智慧化運維管理區，安全Ⅳ區是運檢視頻監控區。

圖1 智慧型遠程集中控制管理一體化系統架構

新能源智慧型遠程集中控制與管理系統的硬件平臺包括數據采集服務器、實時數據服務器、歷史數據服務器(含磁盤陣列)、計量服務器、保信服務器、功率預測服務器、狀態監測及智能輔控服務器、生產管理服務器、Web服務器、視頻服務器、各類監控工作站、維護工程師站、視頻展示站、以太網交換機、大屏幕投影等設備。平臺具有標準化、統一性、擴展性、開放性等特點，可靈活集成和擴展各種應用功能。系統主干網采用千兆以太網，星形拓撲結構，基于TCP/IP網絡協議。系統提供開放性環境，包括用戶接口和應用開發等環境。通過現代通信技術，將多個風電場、光伏站的信息整合到集控中心，實行遠程集中運行監控與管理。系統利用統一的大數據管理平臺，對不同風電場/光伏站的風電機組/光伏逆變器及升壓站主要設備的運行數據進行分析，為場站的健康運行提供參考。對場站的運行情況、發電情況、故障情況進行實時有效的量化評估，優化運行管理，穩定提升發電量。

以成熟穩定的SCADA系統和安全可靠的通信網絡系統為基礎，在通用、標準的軟硬件基礎平臺上，構建起來的新能源集控管理一體化系統(主站)，無縫融合了EMS能量管理、設備狀態監測與智能診斷、智能化輔助監控、氣象數據與功率預測、生產管理、多媒體視頻與巡檢等功能子系統；建立縱向更專業、橫向更協同、管理更精益、運行更高效的運維管理模式；實現偏遠、分散分布場站的無人值守及區域的高效運檢，減少運維成本；實行所轄區域內場站(群)的統一監控、管理和調度，提升了場站(群)的綜合管理水平。

4 智慧型集中控制管理系統的功能需求

遠程集中控制與管理系統是新能源場站的集中監控、生產管理以及數據安全分析應用中心。借用大電網的調控自動化系統，可實現基本的SCADA功能，包括數據的采集、存儲、監視、控制、報警、畫面曲線顯示、數據計算及統計、報表打印等。針對新能源的特殊應用需求，如風機、逆變器數學模型，風光功率預測等，需要進行系統模型、功能等方面的擴展，重點是新功能的開發。

4.1 基本的SCADA功能

實時、準確、有效地完成對各發電場站的遠程監控，包括風電機組、光伏逆變器和升壓站設備的“五遙”功能，即遙控、遙測、遙信、遙調、遙視。主要功能有遠程運行監視、遠程控制調節、集控防誤、事件報警、事件記錄及事故追憶、系統自診斷自恢復、系統維護與開發等。

4.2 高級的EMS能量管理功能

接受電網的調控命令以及預定的負荷曲線，對所監管的場站(群)實施遠程運行優化與控制，自動調節發電單元的出力和對無功電壓的調節，保證并網后的電能質量及安全穩定，優化并網運行。接收、匯總和記錄各子站的功率、電壓控制相關數據，如AGC/AVC調節，利用各風機、光伏設備的出力數據以及氣象數據，對發電能力進行評估、整定和修正，實現機組優化運行和系統的經濟調度。采用智能增功控制策略，深挖發電潛能，提升發電效率。

4.3 發電業務大數據智能分析功能

統一大數據管理平臺能對各類數據進行采集、處理、儲存、應用。以平臺超強的運算能力，利用采集到的各場站的完整測量值、告警以及歷史數據樣本，運用橫向或縱向數據對比、關聯分析等方法，在繁雜的信息中，發現隱藏的深層次數據規律，獲取有價值的信息，為場站運營提供決策。對不同場站的風電機組及光伏逆變器、風光功率預測等設備的運行數據進行分析，優化運行管理，達到生產效益最大化。對設備故障時的電量損失進行估算，同時進行效益量化考評；依據歷史故障信息，對風機、光伏逆變器的可利用率進行統計與考核，制定出合理的出力計劃。通過對風電、光伏數據的統計分析、棄風棄光量統計分析及歷史統計查詢分析，通過對各場站間的數據進行對比分析，優化運行控制，最大限度增加發電量。通過信息的大數據對比分析，及時發現并處理問題。

4.4 風光功率預測功能

利用氣象部門提供的氣象數據，使用現場實測的風速風向、溫濕度、氣壓、光照度、雨量等數據，進行超短期和短期的出力預測。集控系統收集所轄場站的功率預測數據，進行功率預測統計分析，實現多個風電場、光伏電站的功率預測。在功率預測基礎上，結合風電機組、光伏逆變器的出力調節特性，實現多場站、多目標的綜合優化運行調控，合理安排發電、檢修計劃，提高場站的安全經濟運行水平。功率預測也可采用主站建設模式，這樣可節省場站端的投資。

4.5 主輔設備狀態的全面監測功能

實時監測設備的運行狀態，依據統計數據，對設備的健康狀況及趨勢進行評估分析；通過對設備運行數據進行智能分析診斷，發現潛在的故障，為設備的狀態檢修提供決策依據，合理安排發電、檢修計劃。一、二次設備的狀態不對應告警推送以及設備狀態的遠程可視化展示，遠程運維人員可快速定位異常設備。

4.6 全面的智能化輔控功能

智能化輔控是智慧化建設的重點。設備智能化是主輔設備互聯互動的關鍵所在，主輔全面監管及互聯互動能有效滿足場站無人值守、遠程集中管控的智慧化運維要求。數據穿透、全景展示、一體化監控、遠方順控操作、智能告警、綜合防誤等關鍵技術改變了主輔設備監控系統分離的狀況，實現主輔設備一體化全面監控和實時聯動，為場站無人值守打下了堅實基礎。基于狀態全面感知的智能化輔助綜合監控，集成了在線監測、環境監測、消防控制、安全防范、箱門鎖具、照明燈光等智能化子系統，為遠程集中運維提供了技術支撐。

4.7 生產管理智能化功能

智能化生產運維管理是智慧化建設的核心。生產管理包括運行管理、安全監察管理、物資管理、計劃管理、生產信息查詢、系統管理等；通過與MIS、SAP等信息管理系統的數據交流，建立生產管理信息系統。運行、安全、檢修、設備、文檔等方面的智能化管理是智慧化運維的基礎，可顯著提升資產管理水平。對各場站的設備、人員及日常工作等進行智能化管理，能實現運行管理、三票管理、生產管理、設備物資管理、統計分析、綜合查詢等功能。

4.8 運營決策智慧化功能

運營決策子系統有生產監視、場站運營總覽、數據統計分析、對標管理等功能。運營總覽的數據包括裝機容量、發電量、廠用電率、等效小時數等主要運營指標，展示風機運行狀態。對各風電機組的風速、功率、電量、故障情況進行統計分析，從而找到機組之間差距。對場站之間的發電量、可用率、有效風時數、棄風率等指標進行數據對比，對標找出場站間的差距。利用智慧移動辦公，各層次管理人員可以隨時隨地掌握設備運行和狀態數據，提高智慧化決策效率。

4.9 Web發布信息功能

系統配置Web服務器，在集控中心辦公區建立起一套與集控系統完全一致的鏡像系統。利用Web服務器，對監控畫面和系統數據進行實時在線發布。從安全Ⅰ、Ⅱ區到安全Ⅲ區的單向數據發布；人機界面轉換為瀏覽器頁面，并發送到Web服務器；以Web方式瀏覽信息。在局域網內，以網頁的形式瀏覽集控中心的實時在線畫面，查看各項實時生產數據。亦可通過移動互聯網終端，如手機查看簡要生產數據信息；各個層次的人員可通過不同界面實時了解現場情況，并指導生產工作。

4.10 遠程視頻監視和無人機器巡檢功能

視頻監控的功能包括圖像預覽、視頻回放、圖像抓取、云臺燈光控制等。各場站不同廠家的多路視頻，在統一的大數據平臺上整合處理，展示于大屏幕上；可隨時查看場站現場情況，具有視頻跟蹤功能；可向各子站下達命令，控制視頻攝像機和無人巡檢機器，進行全天的圖像監視及安全警戒。SCADA與視頻聯動具有遠程控制的就地操作效果。視頻監控還可與門禁、火災報警、安防等智能化系統聯動；當出現報警時，在監控端自動顯示對應畫面，并將攝像機轉到對應工位。輔以VR/AR及智能穿戴技術，日常運維操作就好似身臨其境。

4.11 二次系統的安全防護功能

在集控中心及新能源發電場站，設置縱向加密裝置、防火墻及橫向隔離裝置，抵御黑客、病毒、惡意代碼等通過各種形式對二次系統發起的惡意攻擊以及非法操作。集中控制管理一體化系統也遵守電力二次系統的安全防護要求，進行分區管理。

5 結語

新能源集中監控管理中心及數據安全分析應用中心的建設，遠程集控與生產管理調度的有效結合，能實現對場站(群)的集中控制運行、遠程生產監控、綜合數據分析與診斷和統一運維管理；在優化運營、降本增效等方面，集控運行與調度管理一體化具有明顯的優勢。新能源集控系統能對不同廠家的風機、光伏組件以及升壓站設備等進行統一監控、統一運檢管理以及數據分析；通過優化控制方式，合理安排運維，通過對長期運行數據的挖掘分析，最大限度提高發電量，提升企業運營水平。

新能源產業已進入平價上網與競爭配置并行階段。規范化、規模化、精細化的管理能提升發電企業的經濟效益；同時，可優化人力資源配置，改善員工工作條件，穩定職工隊伍，對新能源的可持續發展具有重要意義。在資源分布上，水電與風電、光伏發電有著天然的時空互補性；在年負荷特性上，也具有互補性，因此，風光水儲遠程集中管控的研究能把風光水儲能源變成更加優質的電網友好型能源，并值得繼續深入探討。