國家電投南昌運營中心集控平臺功能升級

劉忠德,周全民,羅德志,張宇明

（國家電投集團江西電力有限公司，江西 南昌 330001）

0 引言

南昌集控中心新能源集控系統(tǒng)于2017 年開始建設，設計接入場站5 座，2018 年集控系統(tǒng)完成建設后，接入場站逐年增加，截至到目前，已接入廠站33 個，數(shù)據(jù)點數(shù)已經(jīng)達到200 萬余點，集控中心設置四個安全接入?yún)^(qū)，對上建設了江西能源局數(shù)據(jù)轉發(fā)，國家電投總部數(shù)據(jù)轉發(fā)，集控中心一體化數(shù)據(jù)平臺三個轉發(fā)接口。集控系統(tǒng)已完成新能源廠站監(jiān)視與控制，數(shù)據(jù)轉發(fā)，運行報表和運行分析等功能。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、場站運行控制、數(shù)據(jù)轉發(fā)方面運行穩(wěn)定，但在新能源場站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，綜合分析和數(shù)據(jù)治理方面功能較弱。隨著接入場站增多，運行人員對場站監(jiān)視壓力增大，難以及時發(fā)現(xiàn)運行故障。為了提高運行人員對場站監(jiān)控效率，提升場站運行管理水平，實現(xiàn)新能源場站精細化管理[1，2]，擬對現(xiàn)有的新能源集控系統(tǒng)進行功能完善[3]，功能升級包括硬件升級和SCADA 軟件升級兩個部分。

1 硬件升級

南昌集控中心新能源集控系統(tǒng)硬件配置圖如圖1 所示，集控中心配置Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ區(qū)，Ⅰ區(qū)運行生產(chǎn)控制業(yè)務，Ⅱ區(qū)運行保信主站、功率預測業(yè)務，Ⅲ區(qū)運行集團轉發(fā)業(yè)務、報表業(yè)務、收集APP 和WEB，Ⅳ區(qū)運行能源局轉發(fā)業(yè)務。集控中心Ⅰ區(qū)采用兩條電力通道與接入場站通信，在接入場站，分別配置2 臺數(shù)據(jù)網(wǎng)關，數(shù)據(jù)網(wǎng)關與升壓站、光伏監(jiān)控系統(tǒng)、風機監(jiān)控系統(tǒng)、SVG 系統(tǒng)、箱變監(jiān)控系統(tǒng)、AGC系統(tǒng)和AVC 系統(tǒng)通信，實現(xiàn)場站端的數(shù)據(jù)匯集，并轉發(fā)集控中心的遙控/遙調(diào)命令至升壓站、風電機組或逆變器。系統(tǒng)從最初的五個接入場站，到2023年已經(jīng)接入場站33 個，為適應系統(tǒng)發(fā)展規(guī)模，先后對Ⅰ區(qū)增加了采集服務器2 臺，Ⅰ區(qū)存儲系統(tǒng)由獨立雙服務器系統(tǒng)升級為RAC 系統(tǒng)，Ⅲ區(qū)RAC 磁盤介質(zhì)也進行了升級。系統(tǒng)硬件水平可以滿足當前江西公司新能源接入規(guī)模。

圖1 國家電投南昌集控中心硬件配置

系統(tǒng)建設初期，Ⅲ區(qū)主要為報表系統(tǒng)、手機APP和WEB 瀏覽服務，Ⅲ區(qū)配置2 臺服務器，2 臺服務器配置為SCADA 器和歷史服務器，即這2 臺服務器同時承擔SCADA 服務和歷史數(shù)據(jù)服務（包括數(shù)據(jù)存盤、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、事項處理、實時數(shù)據(jù)處理、高可用性管理等），隨著場站接入增多，Ⅲ區(qū)數(shù)據(jù)量增大，數(shù)據(jù)處理和存盤負載增加，Ⅲ區(qū)2 臺服務器存儲和運算負荷太高，需將SCADA 功能和歷史數(shù)據(jù)存儲功能分開。本次硬件升級增加2 臺服務器，將原來的SCADA 功能轉移至新增加的服務器，原服務器僅運行RAC 和歷史數(shù)據(jù)服務。

在系統(tǒng)運行初期，值班員在進行值班員界面登錄時，僅進行密碼認證。在進行遙控和遙調(diào)操作時，采用雙機監(jiān)督機制，基本可以保證控制的安全和可靠性。隨著等保測評等級的提高和二次安全防護要求的提高，原有的單因子認證難以滿足要求，系統(tǒng)需采用口令和指紋儀雙因子認證機制，以保證值班員在控制操作登錄時，采用口令和指紋雙重認證[4，5]。因此，本次升級4 臺值班員工作站增加了指紋儀配置。

2 軟件升級

本次軟件升級包括集控基礎平臺升級和SCADA 功能升級兩部分，其功能框架如圖2 所示。

圖2 軟件升級框架

2.1 基礎平臺升級

基礎平臺部分包括原有的redhat 操作系統(tǒng)更換為國產(chǎn)化麒麟操作系統(tǒng)。增加值班員雙因子認證機制，采用用戶密碼和指紋儀雙因子登錄機制，開發(fā)指紋管理模塊，并完善用戶密碼和登錄機制管理。同時，系統(tǒng)賬戶密碼采用國產(chǎn)密碼技術，設置強制過期時間，時間原則上不超過6 個月。系統(tǒng)增加長期未使用賬戶的管理功能，對于長期（如連續(xù)6 個月）未登陸使用的賬戶，暫停該賬戶的相關權限。

優(yōu)化能源局數(shù)據(jù)轉發(fā)，集團數(shù)據(jù)轉發(fā)，智能場站數(shù)據(jù)轉發(fā)監(jiān)視、報警機制。對集團、智能場站數(shù)據(jù)轉發(fā)，實時監(jiān)視通信鏈路，在通信中斷時，采用語音、報警條等多種形式提供實時報警，并產(chǎn)生事件記錄。

優(yōu)化前置機內(nèi)存管理，優(yōu)化前置機報文解析等功能。對非前置機節(jié)點遠程瀏覽通道狀態(tài)、收發(fā)報文、監(jiān)視遙測/遙信/電度生數(shù)據(jù)的傳輸機制進行優(yōu)化，保證值班員節(jié)點可實時查看前置報文。

優(yōu)化SCADA 數(shù)據(jù)存盤機制，保證集控中心在存盤數(shù)據(jù)點數(shù)增加情況下的穩(wěn)定性。對磁盤空間不足等因素導致無法存盤，進行告警提示，開發(fā)表空間使用率實時監(jiān)視界面，保證值班員可實時查看歷史數(shù)據(jù)磁盤占用情況。

增加智能光字牌功能，智能光字牌采用分層和分級的方法，光字牌分為四層：總光字牌、場站集合層、間隔集合層、間隔層。現(xiàn)場信號動作時，首先總光字牌動作，然后依次是場站集合層、間隔集合層、間隔層。正常時所有光字牌為綠色平光；某一間隔的一個光字牌動作后，該光字牌變紅色并閃爍，該間隔、該站、及總光字牌均同時變紅色并閃爍；運行人員通過總光字牌閃爍知道有光字牌動作，逐層點擊進入到間隔層后可查看到具體的動作信號。信號復歸后，光字牌變綠色平光；信號被確認后，將停止閃爍。

新能源場站告警增加分層分級告警模式。場站產(chǎn)生告警信息時，首先在新能源場站總覽畫面有信號動作，提示運行人員注意。運行人員再根據(jù)需要，點擊下一層畫面，可瀏覽詳細信息。同時，增加報警過濾功能，將發(fā)電設備和輸變電設備告警分離。將風電場分為風機告警頁和升壓站告警頁，將光伏電站分為逆變器告警頁和升壓站告警頁，有助于值班員快速定位故障源，提升值班員監(jiān)盤效率。

2.2 SCADA 功能升級

2.2.1 運行監(jiān)視

新能源運行監(jiān)視畫面是值班員掌握新能源運行態(tài)勢，對新能源進行控制、優(yōu)化調(diào)度的重要手段。新能源運行監(jiān)視功能實現(xiàn)包括兩部分。一部分是后臺SCADA 對新能源場站的運行特征指標（包括功率、電量、運行時長、故障統(tǒng)計、能效分析等）的統(tǒng)計計算，另外一部分是運行特征指標的人機展示。系統(tǒng)運行初期，運行監(jiān)視畫面按照分層分級的思想設計，第一層為公司級，第二層為場站級，第三層為單元設備級。第一層主要展示所有場站信息，包括裝機和當前實時總出力。第二層展示對應場站的各個子系統(tǒng)。第三層為升壓站、風機陣列、風機單機、逆變器等各個單元和設備級信息。目前，系統(tǒng)在場站級和單元設備級信息展示較為完備，運行效果如圖3 所示。在公司級層面統(tǒng)計指標有待進一步完善。

圖3 新能源運行監(jiān)視畫面

本次SCADA 功能升級，增加了相關新能源運行指標的后臺計算功能，并完善了相關人機界面。對于風電場，公司級監(jiān)視各風電場級層面的實時數(shù)據(jù)，具體包括有功功率（理論、實發(fā)功率），平均風速，電量（日、月、年），利用小時，機組狀態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù)（各種運行工況下的機組臺數(shù)統(tǒng)計）。對于光伏電站，公司級監(jiān)控包括各光伏電站健康狀態(tài)，通信狀態(tài)統(tǒng)計（包括箱變、匯流箱和逆變器設備通信狀態(tài)），全站實時數(shù)據(jù)（包括全場功率，輻照強度，發(fā)電量，累計輻照，每瓦出力，環(huán)境溫度等）。電站健康狀態(tài)根據(jù)箱變、匯流箱、氣象站的通信狀態(tài)，設備狀態(tài)（包括逆變器，匯流箱和箱變等）和損失電量等指標進行評估。增加以上運行指標后，為值班員監(jiān)視新能源電站運行態(tài)勢提供了支撐手段。功能升級后的，公司級監(jiān)視畫面如圖4 所示。

圖4 公司級新能源運行監(jiān)視畫面

2.2.2 風機群控

隨著新能源場站并網(wǎng)容量增加，為保證電網(wǎng)安全運行，需要對新能源場站的出力進行快速控制[6]，即要求對新能源場站按選擇機組、選擇集電線、選擇場站，快速切出，以保證電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定性。風電機組群控包括三種控制模式：全場控制，集電線控制和按機組選擇控制，值班員可根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的要求，選擇控制模式。在群控模式下，機組的控制采取順序序列控制，遠動規(guī)約根據(jù)現(xiàn)場風機監(jiān)控平臺選擇。若風機監(jiān)控平臺采用IEC104 規(guī)約，遙控方式采用直接控制，以提高響應速度。其控制界面如圖5 所示。

圖5 風機群控界面

2.2.3 風電場數(shù)據(jù)分析

風電場數(shù)據(jù)分析包括：績效評價，損失電量分析，功率曲線分析，機組狀態(tài)分析，資源分析。其中，績效評價指標包括：風速，累計發(fā)電量，累計發(fā)電小時數(shù)，等效利用小時，風能利用率，時間可利用率，生產(chǎn)進度，年生產(chǎn)進度，風頻圖等。損失電量分析指標包括：損失電量對理論發(fā)電量的占比，責任損失分布分析，損失原因分析，系統(tǒng)可給出時間段內(nèi)故障次數(shù)排名前十的故障，并對其進行分析，分析其持續(xù)時間和該故障下?lián)p失電量。功率曲線分析可對風電機組進行指定時間段內(nèi)（周，月，年和自定義時間段）的功率曲線一致性系數(shù)分析，并進行排名。同時，可在指定時間段內(nèi)（周，月，年和自定義時間段）以曲線圖、散點圖的形式展示功率曲線。機組狀態(tài)分析是對指定時間內(nèi)的，風機狀態(tài)進行統(tǒng)計，了解風電場機組運行態(tài)勢。系統(tǒng)可對風電機組在指定的時間段內(nèi)（周，月，年和自定義時間段），查詢風電機組在用戶停機，故障停機，正常發(fā)電和環(huán)境待命狀態(tài)四種狀態(tài)下的開始時間和結束時間。風資源分析包括：風速/風向玫瑰圖， 風頻和湍流分布曲線。在指定時間段內(nèi)風電場測風塔所測的各個層高的10 min 平均風速進行對比分析。展示在指定時間段內(nèi)各機組機頭風速風向玫瑰圖，展示指定時間段內(nèi)的風頻和湍流分布曲線。并可以表格形式展示風頻/湍流分布和風速風向頻率表。

2.2.4 光伏電站數(shù)據(jù)分析

光伏電站數(shù)據(jù)分析包括：效能評價，理論電量分析，組串離散率分析，工況分析，效率分析。效能評價采用利用小時和利用小時在一段時間的變化趨勢來進行評價，效能評價可以逆變器、光伏電站為單位進行，從而可進行站內(nèi)設備間效能評價，也可進行站間效能評價。理論電量分析根據(jù)實際輻照度和逆變器輸出實際功率進行理論分析，并統(tǒng)計出各逆變器排名，分析算法包括光伏輻照度法和光伏樣本組法算法。光伏輻照度法根據(jù)實際輻照度與逆變器輸出功率對應理論功率曲線的變化情況，可發(fā)現(xiàn)逆變器可能潛在的問題，及時檢修，保持效率最大化。離散率分析對各逆變器接入的組串進行分析，離散率越低，說明各支路電流曲線一致性越好，發(fā)電情況穩(wěn)定。離散率越大，一致性越差，則可能存在故障單元。系統(tǒng)可對指定時間段內(nèi)的離散率進行分析和展示，并對離散率較高的支路進行告警提示。工況分析包括統(tǒng)計光伏電站在限電狀態(tài)、故障狀態(tài)、異常狀態(tài)、維修狀態(tài)的損失電量，進行對比分析，掌握光伏電站運行特性。效率分析包括電力、電量、利用小時、能量利用率、可利用率等指標。

2.2.5 數(shù)據(jù)治理

新能源具有較強的隨機性和波動性[7]，再加上數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)噪聲等干擾因素影響，使得新能源場站的運行數(shù)據(jù)不可避免有不合理的”臟”數(shù)據(jù)存在，這些不合理的數(shù)據(jù)會影響場站的運行和功率預測的精度，嚴重的會影響到電網(wǎng)調(diào)度端的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計模塊[8]，導致狀態(tài)估計不收斂。新能源場站數(shù)據(jù)治理是根據(jù)量測數(shù)據(jù)的合理性、電氣系統(tǒng)拓撲結構、系統(tǒng)模型等規(guī)則，檢測不良數(shù)據(jù)，并采用數(shù)據(jù)修補的辦法，將不良數(shù)據(jù)轉化成滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)[9，10]。數(shù)據(jù)治理基于實時數(shù)據(jù)庫，采用后臺進程對升壓站、風電機組和逆變器相關設備數(shù)據(jù)進行掃描分析，對異常數(shù)據(jù)進行實時告警，并存入歷史數(shù)據(jù)庫。用戶可根據(jù)時間、場站、設備進行分類查詢。數(shù)據(jù)治理內(nèi)容主要包括：

（1）升壓站母線數(shù)據(jù)治理

升壓站母線數(shù)據(jù)治理包括功率、電流和電壓量測。正常運行情況下，流入母線和流出母線的功率、電流等量測值的平衡應保持平衡。但由于測量精度、傳輸?shù)挠绊?，可能處于不平衡狀態(tài)，因此，可對量測值設置閾值。如果節(jié)點功率、電流不平衡量超過此閾值，則此節(jié)點的該量測置為不合理量測，并采用插值法等方法進行修正。另外，對于并列運行的母線，其電壓差量測應在合理的閾值范圍內(nèi)，否則應置為不合理數(shù)據(jù)。

（2）變壓器數(shù)據(jù)治理

對變壓器而言，流入和流出變壓器各側有功功率、無功功率應保持平衡，否則應置為不合理數(shù)據(jù)。實際計算時，通過獲取整個變壓器各側繞組的有功功率、無功功率進行總加計算，并把總加結果與設置閾值進行比較。另外，對分接頭可調(diào)變壓器，其分接頭位置也是電力系統(tǒng)關鍵參數(shù)，可根據(jù)變壓器各側量測值及變壓器參數(shù)，進行分接頭位置估算。并對異常的分接頭進行修復。

（3）場站潮流數(shù)據(jù)治理

根據(jù)功率平衡原則，整個場站的進出線有功功率總加和、無功功率總加和應該都為零。場站潮流數(shù)據(jù)治理根據(jù)這一規(guī)則完成。

（4）量測一致性數(shù)據(jù)治理

量測一致性數(shù)據(jù)治理根據(jù)對應設備的模擬量和狀態(tài)量關聯(lián)性進行檢驗和治理。如果斷路器接點位置信號與對應的功率、電流、電壓數(shù)據(jù)表達的信息在一段延時后不匹配，則推斷出現(xiàn)異常，并對異常數(shù)據(jù)進行治理。一般異常判據(jù)設為：當某支路的斷路器和刀閘狀態(tài)為合位，模擬量等量測值為零；斷路器和刀閘狀態(tài)為分位，模擬量等量測值不為零。

數(shù)據(jù)治理的流程如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)治理流程

3 結語

本文分析了國家電投南昌運營中心新能源集控系統(tǒng)自建設6 年來的情況，隨著接入場站的增多，值班員監(jiān)盤壓力增大，場站運維效率有待提高，同時，安全等保測評等級也急需提高。為解決這些問題，本文給出了集控平臺硬件和軟件升級方案，給出了詳細的功能設計，該方案的實施將全面提升新能源集控平臺的數(shù)據(jù)分析能力和智能化水平，將有助于提高國家電投江西公司的新能源消納能力和水平。