新能源并網發電遠程測試診斷系統架構研究

王 琦，丁 瑋

（山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101）

隨著新能源并網發電測試診斷需求的不斷提高，遠程測試診斷技術應運而生，它是由計算機、網絡通信和測試診斷等技術手段相結合的一種測試診斷方式[1]。對于現場設備并網測試數據和運行狀態數據來說，遠程測試診斷系統可以實現數據的遠程短時傳送以及異地專家分析，能夠減輕由于現場技術人員不足所造成的工作壓力，保證測試診斷數據的實時性。傳統的遠程測試診斷系統為了達到降低風電場和光伏電站投資成本的目的，故而搭建基于混合模式的遠程測試診斷系統架構，即測試診斷分析中心與數據監控中心異地部署：在科研院所部署測試診斷分析中心，本地監控中心搭建在風電場和光伏電站內部。但異地部署的主要問題在于測試診斷數據存儲在測試現場，而知識庫卻存儲在診斷中心，這就面臨著系統診斷信息無法實現全局共享的問題。同時風電場和光伏電站也需要更多的計算能力和存儲能力來應對隨著風電場和光伏電站的快速發展而導致的電站設備數量以及設備歷史故障診斷數據愈發增多的問題[2]。

1 遠程測試診斷平臺架構設計

平臺架構由數據源、并網遠程測試與診斷數據平臺、具體應用和展示發布三部分構成，下一級為上一級提供服務。

數據源是基礎，包括風電場SCADA數據、光伏電站集中監控數據、升壓站綜自數據、并網特性測試裝置數據等新能源并網發電實時狀態運行數據。研究不同源數據的特點和數據接口，提出滿足電網信息安全防護要求與遠程測試需求的新能源并網發電遠程測試與診斷大數據接入方法和實現方案。

并網遠程測試與診斷數據平臺是核心，構建面向新能源并網特性測試數據與實時狀態運行數據等復雜數據的全新的新能源并網發電遠程測試診斷軟硬件支撐平臺。平臺能夠實現海量數據的同步采集與存儲，同時訪問接口的信息發布情況滿足測試診斷需求。數據平臺中的計算引擎結合新能源設備臺帳等信息對狀態數據和測試特性數據進行計算處理，提高數據處理效率。

具體應用和數據展示發布是落腳點。在數據平臺的基礎上，對測試設備進行狀態評價和量化分析，實現面向試驗人員、檢測設備、測試流程、海量數據等多源信息融合的設備管理；進行數據挖掘和邏輯計算，針對新能源電站設備的性能狀態，給出故障診斷和分析結果并進一步提出問題解決方案，實現基于全壽命周期的新能源電站設備遠程專家故障診斷。

2 遠程測試診斷系統平臺功能實現

為保證數據的實時一致性，系統在各測試節點采用分層混合式的式中同步算法進行時鐘同步。同時，針對采樣頻率不同的數據，系統采用內插外推和最小二乘法對其進行處理。為節省傳輸時間，節約帶寬和存儲空間，系統還對采集的數據進行了壓縮處理。新能源遠程并網試驗與檢測數據中心由實時數據服務器、WEB發布服務器、數據計算及遠程視頻服務器組成；現場試驗管理與現場數據集中監控由遠程視頻、集控系統、現場服務器等組成；新能源分布式數據采集功能單元既可獨立使用，完成單一測試和數據分析功能，又可組合使用，充當現場數據采集節點設備。

現場試驗管理與現場數據集中監控部分在一定程度上可看做遠程通信的中繼分站，采用雙口RAM、雙單片機結構，通信接口為RS232/485信號轉換設備，可同時與現場分布式數據采集功能單元和新能源遠程并網試驗與檢測數據中心進行遠程雙向網絡通信，接收遠程數據測試中心的遠程測試配置指令，下發控制指令給分布式數據采集設備功能單元完成現場測量和數據打包傳輸。

2.1 通信功能

系統具備與各模塊硬件平臺設備和新能源并網發電遠程測試平臺、遠程網絡通信的功能，完成數據通信、節點配置、遠程監控等，同時提供其他通信總線接口如485、USB、以太網接口等。通信方式采用混合通信方式，既支持光纖以太網通信結構，同時支持無線通信方式，包括短距離無線網路、GPRS網絡Intenet接入、直接接入和通過數據單元接入方式等。具備規約轉換功能，通信規約支持多種標準電力通信規約。

測試數據采集現場與遠程數據中心之間主要通過無線傳輸技術實現數據的遠程傳送[3]。由于所有的通信鏈路都是在internet的基礎上建立的，控制、維護等典型用戶都可遠程訪問大量有用信息。與場站外部進行遠程數據傳輸，需要進行數據加密與身份認證。安全認證的邏輯定點在遠程數據中心，服務器連接是遠程數據中心服務器的邏輯節點與場站訪問點服務器的邏輯節點之間建立的通信鏈路。訪問點與服務器邏輯地址對應。

2.2 遠程測試參數配置功能

遠程測試參數配置功能能夠下發新能源并網發電遠程測試平臺的遠程測試參數配置指令，下發控制指令給各模塊硬件平臺功能單元完成集中監控系統所要求的對測試參數如單元測試功能、數據采集參量、數據存儲、采樣頻率、通信規約和云計算輔助等的配置。

場站的測試單元都是采用串口控制的，用戶可以在計算機上運行web服務器通過串口對現場測試單元進行配置和檢測。因此采用遠程通信技術在新能源遠程并網試驗與檢測數據中心與現場場站之間構建異地串口，將遠程數據中心的PC機發出的配置命令和參數通過internet網絡及3G/4G網絡傳輸到場站測試單元，并按照現場各模塊的配置串口支持的通信協議對各模塊進行配置參數操作，遠程參數配置過程結束。

3 應用于遠程測試診斷平臺的硬件架構加工

應用于遠程測試診斷平臺的各新能源數據采集模塊可獨立裝置使用，對數據進行現場分析，又可充當現場數據采集節點設備與網絡組合使用，將特性數據打包傳輸到數據管理監控中心進行存儲分析。新能源并網發電遠程測試平臺采用虛擬儀器的核心理念進行風電場、光伏電站測試現場各分布式測試數據采集裝置的設計，即通過不同的軟件對同一分布式數據采集單元硬件平臺進行編程，實現用戶自定義儀器功能，完成實現不同測試數據的采集和無線傳輸。

本文針對新能源并網測試對電能質量、無功補償、功率控制等測試標準的要求，適用于風電場和光伏電站的不同測試數據的要求，測試數據采集測點布置如圖1、圖2所示。

圖1 風電場測試數據采集測點布置圖

圖2 光伏電站測試數據采集測點布置圖

4 應用于遠程測試診斷平臺的軟件功能開發

本文的新能源數據采集裝置在分布式數據采集單元硬件平臺的基礎上，通過編程定義不同的軟件功能模塊，實現不同的特性試驗，包括電能質量分析模塊、故障行為特性分析模塊、有功功率控制能力測試模塊和防孤島分析模塊。

4.1 電能質量分析模塊

在電能質量方面，截止至2013年底，我國在參考國際標準IEC61000-4-30的基礎上，制定了符合我國國情的八項國家標準，見表1。但這八項標準并沒有規定各項電能質量參數的評估方法，只給出了單項參數的限值。

表1 電能質量相關標準

國外很早就開始研究電能質量評估方面的問題，目前已提出多種評估方法。但由于電能質量包含多種參數指標，故而對其量化評估沒有形成統一標準[4]。國家電網公司在2016年發布了企業標準《電能質量評估技術導則》，該標準仍沒有規定電能質量評估的具體執行方法，僅給出了大致方向。因此，我們在研究新能源電能質量特性參數的基礎上，提出符合新能源并網特性的電能質量評估方法。

電能質量分析模塊對電壓偏差、暫態壓降、三相不平衡、電壓波動、電壓閃變、電壓諧波、頻率偏差、供電可靠性和服務性指標9項電能質量指標進行分析，并依照國家標準將電能質量等級分為5級，電能質量情況從高到低分別對應為優質、良好、中等、合格、不合格。指標綜合權重通過采用熵值法和層次分析法分別對客觀權重、主觀權重進行線性加權的方式來確定。首先要得到成本型決策矩陣，即利用線性比例變換法對評估樣本與等級指標進行指標去量綱。成本型決策矩陣在標準歸一化處理的基礎上進一步形成無量綱決策矩陣，最后進行線性加權處理確定指標的綜合權重向量。

4.2 故障行為特性分析模塊

故障行為特性分析模塊以光伏風電場故障行為為研究對象。首先需要建立模型，包括風電場動態模型以及單級式和兩級式并網型光伏發電系統仿真模型。模型通過Matlab/Simulink仿真工具箱SimpowerSystem建立。然后利用模型分析其在無窮大電力系統中發生嚴重三相短路故障時，故障對風電光伏發電機組出口電壓的影響。監測量包括直流母線電壓/電流、有功功率、無功功率、轉子電壓/電流和轉速等。仿真模型輸入由風速、光輻照度和無功功率給定，輸出通過變壓器及輸電線路與電網相連，并采用中國的低電壓穿越（LVRT）標準和美國的高電壓穿越（HVRT）標準驗證發電機組故障穿越能力。

故障行為特性分析模塊分析故障時光伏、風電場與電網間的相互影響，有功暫態、無功暫態特性對故障的影響，以及故障恢復過程中有功功率，無功功率對電網運行的影響[5]。利用阻抗分壓切換在二次測模擬電壓跌落和躍升的暫態過程，跌落深度90%、80%、70%、60%、50%可調，高穿幅度為110%、120%，跌落、高穿時間可調。同時通過對并網點以及無功補償裝置支路無功功率變化的實時跟蹤記錄，完成對無功暫態和故障恢復時間進行特性分析。

該模塊可以實現數據顯示、系統設置、故障分析、指標評價以及優化控制等功能。針對數據顯示功能，擁有實時數據、實時曲線與開始采集三個功能選項。通過實時數據和實時曲線，可以直觀看出場站運行狀態。

4.3 有功功率控制能力測試模塊

針對風電場、光伏電站，當前有功功率控制能力測試方法是直接由人工下達控制指令，輸出值采集記錄到單獨的測試裝置中，相關性能指標通過后期人工處理得到。但這種方法有許多不足之處。

（1）人工下達指令的方式沒有考慮到系統的整體性，不能準確測試場站響應時間；

（2）采用獨立測試裝置采集記錄輸出值，數據處理后期工作量大，拉低了測試效率；

（3）后期數據人工處理可能導致數據失真；

（4）測試過程繁瑣，耗時長，影響系統發電量。

本模塊是實現風電場、光伏發電站有功功率控制現場測試一體化運行的系統，系統實現了風電場、光伏電站有功功率控制測試的自動化，保證了測試效率，有效提高了測試準確度。

有功功率控制能力測試模塊由分布式數據采集單元承擔有功功率控制模擬功能，通過模擬調度單元對被測風電場、光伏發電站下達負荷指令，將預先設置好的功率曲線下發給遠動機。通過AGC系統實現光伏電站、風電場有功控制，同時實時跟蹤記錄并網點處有功功率變化，并將預先設置好的有功功率曲線與實時采集到的有功功率變化曲線擬合到同一時間坐標內進行對比，直觀體現光伏電站、風電場有功功率控制能力。

4.4 防孤島分析模塊

防孤島性能能否滿足規范要求將直接影響風電場、光伏電站并網發電可靠性。但目前對防孤島性能進行測試分析的方法都各有利弊，還未生成最佳的分析框架，為此，本文提出一種高效、快速的孤島檢測方法，進而全面實現防孤島保護，盡可能的消除孤島效應產生的危害。

防孤島分析模塊首先在小波分析的基礎上，實時采集公共連接點（PCC）電壓。公共連接點（PCC）電壓通過Clark轉換為兩相靜止坐標向量，通過派克變換將電壓信號轉換到只受電壓影響的旋轉坐標dq軸上。坐標變換的頻率、相角信息通過鎖相環技術得出。在不同尺度下將公共連接點（PCC）電壓通過小波分解技術分解得到高頻分量，并對高頻分量進行馬拉特算法處理，得到高頻分量特征值。然后針對公共連接點（PCC）電壓進行快速傅里葉變換（FFT），得到75 Hz頻譜的幅值。通過特征值和幅值同時與設定的孤島闕值進行比較的方式判斷是否發生孤島。防孤島模塊數據處理流程如圖3所示。

圖3 防孤島模塊數據處理流程圖

5 結束語

本文針對新能源并網發電的數據檢測與診斷評估，分析了包括數據訪問層、業務邏輯層和用戶表現層等多層架構的數據支撐平臺具體設計方法，在此基礎上設計了新能源并網發電遠程測試平臺和設備管理系統軟硬件結構研究。及時發現電站設備隱患并安排檢修，提高并網安全。