一種新能源電站的綜合通信管理系統及其應用

李 莉，孫耀東，丁浩川

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

國家“十四五”規劃中明確提出實現碳達峰、碳中和的目標，隨著國家大力推動重點領域節能降碳革新，制定碳達峰行動方案，全面開始建設綠色制造體系，新型電力系統以光伏、風電、水電等作為重要資源的新能源電站被大力推廣并建設，從而推動電網穩定快速發展。國家能源局規劃2030 年非化石能源消費占比達到25%左右和風電、太陽能發電總裝機容量達到12億kW以上［1-2］。因此未來新能源發電將成為趨勢，風力、太陽能作為優質自然資源，具有構建新型電力系統的天然條件和優勢，發展風電、光伏新能源電站能夠推動電網后續革新［3］。

新能源對自然資源具有絕對的依賴，其布局分散、運行環境復雜等特點，給新型電力系統的建設和運行帶來難題。新能源電站自動化設備類型種類繁多，不同廠家設備之間通訊接口類型不同，給新能源電站現場的施工調試及后續的運維帶來很多困難，大量新能源電站并網也影響電力系統的穩定運行。為充分利用自然資源，確保采集的新能源數據信息、實時監視設備運行狀態、傳輸系統控制指令等通信的準確性和及時性，掌握新能源電站未來發電能力，本文提出了一種用于新能源電站的綜合通信管理系統，該系統能夠將站內所接入的設備及主站系統集中管理并入新能源電站，使得新能源主站端有效集控運營，提升遠方控制水平，統籌區域電網安全、優質和經濟運行［4-6］。

1 新能源電站架構

新能源電站中接入的設備及系統主要有：風電系統（風電機組）、光伏系統（光伏逆變器）、測風塔、環境監測儀、功率預測系統、AGC 系統、AVC 系統、升壓站設備、無功補償裝置等。以綜合通信管理系統為依托的新能源綜合通信管理裝置通過串口或網絡方式與新能源電站的接入設備和系統建立通信并采集各種信息統一管理，不同設備的通信通道相互獨立。產生的信息類型有遙信量、遙測量、電能量、遙調量、控制命令、E 文件等。有些地方配置視頻監控系統，可以將生成的圖像文件傳送至綜合通信管理系統，方便主站端調閱［7］。同時新能源綜合通信管理裝置還與新能源主站系統建立通信，通過綜合通信管理系統進行數據、命令、文件等信息的交互。

光伏系統子陣多，控制命令通常會同時刻發出，綜合通信管理系統能夠對控制命令群調群控，管理光伏站各個逆變器，并將調節結果反饋給主站系統。升壓站、AGC/AVC 系統、光伏子站、風機系統、功率預測等數據量較大，通常會將數據信息轉換為E 文件存儲并通過綜合通信管理系統傳送給新能源主站系統。同樣，新能源主站系統將統計的氣象預測信息文件、消息信息文件由綜合通信管理系統轉發給下行接入的設備。

典型的新能源電站系統架構如圖1所示。

圖1 新能源電站系統架構Fig.1 System architecture of new energy power station

2 新能源綜合通信管理系統架構

在變電站自動化通信系統中通常采用通信及規約轉換裝置作為中間層，對上與監控系統、保信裝置通信，對下與繼電保護裝置、電度表、直流屏等智能設備通信，數據主要以遙信、遙測、遙脈、遙控等類型為主，傳輸數據不符合規范時，需要通過數據轉換器來進行數據處理以便符合通信及規約轉換裝置的數據類型接口要求。接入設備或數據量較大時，通信及規約轉換裝置實時處理能力有限，必須多臺協調工作；當通信需要以文件形式發布/調閱時，通信及規約轉換裝置需要進行重大改變才能支撐。

為了保證數據的實時性、準確性與完整性，且能夠將數據以文件形式進行傳輸，新能源綜合通信管理系統采用多線程和多個子系統的設計方案［8-10］，分解出實時庫子系統、歷史庫子系統、通信協議庫子系統、時鐘同步子系統、雙機冗余子系統、邏輯運算子系統、開出子系統、人機界面子系統、高級應用子系統等［11-12］，各個子系統既能夠獨立運行又能夠交互協作，靈活地滿足各種需求和擴展功能，系統設計如圖2所示。

圖2 新能源綜合通信管理系統架構Fig.2 Architecture of new energy integrated communication management system

新能源綜合通信管理系統的主要子系統功能如表1所示。

表1 分解子系統Table 1 Subsystem decomposition

2.1 通信協議庫子系統

綜合通信管理系統區別于其他通信產品的關鍵部分在于通信協議庫子系統，該子系統對新能源自動化通信中具有承上啟下的作用。通信協議庫子系統上行和下行的遙信量、遙測量、電能量、遙調量等數據采用標準的IEC60870-5-101、IEC60870-5-102、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MODBUS、部 頒CDT 等 協議［13-14］進行交互，而文件采用IEC60870-5系列規約基礎上制定的新能源電站信息傳輸規約，該規約與IEC60870-5定義的標準保持最大限度的兼容，從而保證與不同廠家設備的通訊協議具備良好的接入性。

綜合通信管理系統文件交互的基本流程如圖3所示。

圖3 文件交互流程Fig.3 File interaction flow

新能源綜合通信管理系統接收文件處理的詳細流程為：

1）功率預測系統/視頻監控系統/新能源主站作為客戶端，主動發起通信連接請求，新能源綜合通信管理系統作為服務端，響應連接建立確認。

2）通信連接建立后，功率預測系統將短期預測結果文件、視頻監控系統將圖像文件、新能源主站系統將氣象預報文件等幾種文件的存儲路徑發送給服務端，服務端確認路徑是否存在，不存在則創建該路徑用于文件存儲。文件路徑需要能夠反映文件類型，通常文件存儲路徑與文件類型關系如表2所示。

表2 文件路徑名稱與文件類型Table 2 File path name and file type

3）路徑建立后，客戶端將收集到的文件名稱、文件大小、MD5 校驗值等信息發送給服務端；服務端對此信息進行確認，并判斷該文件在存儲路徑中是否已存在，若存在則回復已存在，客戶端將不進行后續步驟，等待新的文件產生后再從步驟1）重新開始執行；若不存在進入步驟4）。

4）文件信息確認后，客戶端開始將文件數據內容傳輸給服務端，由文件庫子系統統一管理。

5）文件內容發送完畢，客戶端和服務端進行結束確認。此時文件傳輸流程結束，下一個文件產生后，重復1）-5）步驟。

新能源綜合通信管理系統發送文件處理的詳細流程為：

1）功率預測系統/新能源主站作為客戶端，主動發起通信連接請求，新能源綜合通信管理系統作為服務端，響應連接建立確認；

2）通信連接建立后，客戶端將文件路徑、名稱等信息發送給服務端，通知其需要召喚該文件；服務端的文件庫子系統對此文件進行查找，文件已存在則通知客戶端準備接收文件數據信息，文件不存在則通知客戶端等待下一周期查詢；

3）服務端開始傳輸文件數據內容給客戶端；

4）文件發送完畢，客戶端和服務端進行結束確認，下一周期到達后，重復1）-4）步驟。

通常文件應用協議數據單元（APDU）定義如表3，此APDU可適用于大部分地區的文件傳輸要求。

表3 文件應用協議數據單元(APDU)Table 3 File application protocol data unit(APDU)

2.2 新能源數據管理

為滿足新能源電站對數據的要求，新能源綜合通信管理系統能夠通過邏輯運算子系統計算以下數據并進行存儲［15-18］：

1）實時矢量平均量，如對風速、風向等實時氣象要素數據進行時間滑差式矢量平均計算形成實時矢量平均量，計算數據周期可設為1 min、5 min、10 min、15 min；

2）實時算數平均量，如對風速、風向、溫度、氣壓、濕度、輻照度等重要實時氣象要素數據以及實時有功功率進行時間滑差式算術平均計算形成實時算數平均量；

3）自定義計算量，如支持加、減、乘、除的符號運算，邏輯判斷運算以及函數等生成新的實時計算量。

新能源綜合通信管理系統能夠存儲實時數據量，且根據不同應用場景支持配置存儲周期，通常至少支持存儲60 d，便于新能源主站系統調度使用。

E語言文件用于存儲功率預測設備產生的日短期預測結果、超短期預測結果、氣象預報系統產生的氣象預報文件、視頻監控系統產生的視頻圖像文件，文件相關信息定義如表4所示。

表4 文件信息Table 4 File information

日短期預測結果文件和超短期預測結果文件由功率預測系統傳輸給新能源主站系統，從而上送調度，用于電網安排發電計劃規劃和管理。功率預測系統要產生精確的預測數據，要求高分辨率高精度的數值天氣預報作為數據依托［19-21］，因此氣象預報文件由氣象預報系統傳輸給新能源主站系統，再由新能源主站系統通過新能源綜合通信管理系統下發給功率預測系統，從而提升功率預測系統預測精度。

圖像文件使用JPG 或者PNG 格式，由現場視頻監控系統周期上送，通過新能源綜合通信管理系統傳輸至新能源主站系統，并可在線展示，供運維人員了解現場實時情況，從而及時發現問題并處理。

3 工程應用

使用新能源綜合通信管理系統的新型電力系統已在內蒙、貴州、云南等地投入建設及并網運行。以貴州新能源電站系統為例，新能源綜合通信管理裝置采用綜合通信管理系統架構，現場實施自動化系統部分如圖4所示。

圖4 工程實施系統Fig.4 Project implementation system

貴州新能源電站分布了3 個區，綜合通信管理裝置部署在II區，采用了雙機冗余配置方式，接入了功率預測系統；I區接入了保護測控裝置、風機系統、光伏系統、AGC/AVC 系統，現場經過防火墻接入了綜合通信管理系統；天氣預報系統設在III 區，通過正方向隔離接入綜合通信管理系統與主站通信。此設計方案已在貴州新型電力系統中投入實施，高效地利用了風能、太陽能等自然資源，通過文件傳輸數據極大地提高了變電站自動化系統的通信能力，推動了新能源電力系統在貴州地區的落地應用。

4 結語

隨著“雙碳”工作的不斷推進，使用自然資源建設新型電力系統成為電力行業的重要發展方式。本文對風電、光伏電站在推動新型電力系統發展過程中的新能源綜合通信管理系統進行了闡述，新能源電站的自動化通信系統采用綜合通信管理系統作為中間層，對上與新能源主站系統等進行通信，對下與風機系統、光伏系統、功率預測系統、AGC/AVG 系統等多種設備進行通信，并對數據量較大的文件信息在系統交互中的過程進行了詳細介紹。以新能源綜合通信管理系統為依托建設新型電力系統的方案對工程應用具有一定的實用價值，在“雙碳”目標下推動電網發展、有效集控運營、統籌區域電網安全發揮著重要作用。