水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站與光伏電站的協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行，提高水電、光伏發(fā)電等可再生能源的利用效率和系統(tǒng)協(xié)調(diào)的經(jīng)濟(jì)性，首先總結(jié)了當(dāng)前水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了新疆維吾爾自治區(qū)（下文簡(jiǎn)稱“新疆地區(qū)”）太陽(yáng)能資源和水資源的特點(diǎn)，得出新疆地區(qū)某流域光伏電站輸出功率和水電輸出功率的特性，并指出現(xiàn)有光伏電站和水電站使用智能監(jiān)控平臺(tái)的不足；在此基礎(chǔ)上提出了中長(zhǎng)期水光互補(bǔ)控制策略、短期水光互補(bǔ)控制策略和實(shí)時(shí)水光互補(bǔ)控制策略；最后設(shè)計(jì)了由生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)和水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)組成的水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)，并詳細(xì)介紹了該平臺(tái)的功能和實(shí)現(xiàn)方式。

關(guān)鍵詞：一體化平臺(tái)；水光互補(bǔ)；優(yōu)化調(diào)度；梯級(jí)水電站

中圖分類號(hào)：TM615/TV736 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2023-11-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（62163034）；新疆維吾爾自治區(qū)重大專項(xiàng)（2022A01001，2022A01007）；科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目——高層次領(lǐng)軍人才（2022TSYCLJ0017）

通信作者：謝麗蓉（1969—），女，碩士、教授，主要從事控制系統(tǒng)優(yōu)化、新能源利用方面的研究。xielirong@xju.edu.cn

0" 引言

中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)（下文簡(jiǎn)稱為“新疆地區(qū)”）擁有豐富的太陽(yáng)能資源，具備發(fā)展光伏發(fā)電的先天優(yōu)勢(shì)。然而，光伏發(fā)電的非連續(xù)性和瞬時(shí)波動(dòng)大的特性對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)[1]。梯級(jí)水電站在調(diào)峰上具有優(yōu)勢(shì)，與分布式光伏電站聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行，當(dāng)光伏發(fā)電輸出功率的不穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)水電機(jī)組輸出功率，提高光伏發(fā)電消納能力和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，從而提升電站的綜合效益[2-3]。為更好發(fā)揮水光互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)可再生能源的高質(zhì)量發(fā)展，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)水光互補(bǔ)一體化平臺(tái)進(jìn)行了卓有成效的研究。比如：張振東等[4]利用深度學(xué)習(xí)模型和基于時(shí)間序列變量的概率預(yù)測(cè)模型，構(gòu)建了風(fēng)光水互補(bǔ)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)架構(gòu)，為綜合性平臺(tái)的構(gòu)建提供了理論指導(dǎo)；陳意等[5]基于雅礱江集控中心一體化水電管控平臺(tái)系統(tǒng)的跨區(qū)同步功能需求，提出一種簡(jiǎn)單可靠的跨區(qū)域同步體系構(gòu)架，確保了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步和信息的統(tǒng)一管理，有效適應(yīng)于可再生能源一體化系統(tǒng)業(yè)務(wù)的發(fā)展。

鑒于光伏發(fā)電輸出功率的不確定性對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，以及現(xiàn)有一體化平臺(tái)在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)安全性、功能兼容性存在的問(wèn)題，本文針對(duì)新疆地區(qū)某流域的梯級(jí)水電站，提出在梯級(jí)水電站可有效消納光伏發(fā)電的基礎(chǔ)上發(fā)展水光互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度策略，以實(shí)現(xiàn)光伏電力的高比例消納；構(gòu)建功能齊全的一體化管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、少人值守”、跨分區(qū)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理、多業(yè)務(wù)功能協(xié)調(diào)運(yùn)行，以及提供可視化人機(jī)界面的目標(biāo)。

1" 新疆地區(qū)光伏發(fā)電及水電特性

1.1" 光伏發(fā)電特性

新疆地區(qū)發(fā)展光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在：太陽(yáng)輻照量高，日照時(shí)間長(zhǎng)，年平均日照小時(shí)數(shù)為2500～3500 h；多晴天、少陰雨天，有利于光伏組件的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；平均海拔較高，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，可實(shí)現(xiàn)光伏組件的高效率發(fā)電；幅員遼闊，有大量適宜建設(shè)光伏電站的土地，具備規(guī)模化發(fā)展光伏發(fā)電的條件。

在多云天氣條件下，光伏發(fā)電輸出功率會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，這將影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。為減少棄光，根據(jù)自治區(qū)發(fā)展改革委、國(guó)家能源新疆監(jiān)管辦等聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快推進(jìn)新能源及關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的通知》（新發(fā)改規(guī)[2023]2號(hào)），在新疆地區(qū)建設(shè)的光伏電站通常需要配置其裝機(jī)容量10%的自備儲(chǔ)能。2023年上半年中國(guó)的光伏發(fā)電消納率為98.2%，而新疆地區(qū)的光伏發(fā)電消納率為98.4%[7]，雖然高于全國(guó)水平，但仍有較大的進(jìn)步空間。

目前，中國(guó)光伏電站普遍采用的智能監(jiān)控平臺(tái)存在較大改進(jìn)空間。平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和處理可能受到現(xiàn)場(chǎng)傳感器故障、通信中斷等多種因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率降低；平臺(tái)的穩(wěn)定性受到硬件設(shè)備故障、軟件漏洞等因素的影響，導(dǎo)致平臺(tái)運(yùn)行不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)故障；平臺(tái)的靈活性和可拓展性受到技術(shù)框架的限制，尤其是多種新能源聯(lián)合并網(wǎng)的情況下，難以適用不斷變化的業(yè)務(wù)需求；平臺(tái)可能受到網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)泄露等威脅，需要采取相應(yīng)的安全措施保護(hù)數(shù)據(jù)安全。

1.2" 水電特性

截至2023年6月底，中國(guó)水電的總裝機(jī)容量為4.18億kW，其中3.69億kW為常規(guī)水力發(fā)電，0.49億kW為抽水蓄能。其中，新疆地區(qū)水電總裝機(jī)容量為939萬(wàn)kW，在全國(guó)總量中占比較低，這是因?yàn)樾陆貐^(qū)的氣候干燥、降雨稀少，限制了大規(guī)模水力發(fā)電的發(fā)展。新疆地區(qū)河流的水源多為冰川融水，河流徑流量呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，分為夏季豐水期和冬季枯水期，因此，水電站通常配備有調(diào)節(jié)徑流量的水庫(kù)。

1.3" 小結(jié)

本文研究的水電站所處流域的夏季河流徑流量大，為保證各水電站能穩(wěn)定地執(zhí)行調(diào)度中心的指令，梯級(jí)水電站備有多年不完全調(diào)節(jié)水庫(kù)，能有效減少因季節(jié)變化而導(dǎo)致的徑流量劇烈變化；同時(shí)，各水電站兼顧灌溉和防洪雙重功能。

目前，新疆地區(qū)使用的梯級(jí)水電站經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制系統(tǒng)和梯級(jí)水電站自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：1）平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)存在不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的兼容性問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)集成困難，難以進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理；2）平臺(tái)運(yùn)行維護(hù)較為復(fù)雜，需對(duì)多個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、維護(hù)和管理，增加了運(yùn)維工作人員的工作量；3）平臺(tái)的數(shù)據(jù)安全性有待加強(qiáng)。

2" 水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

2.1" 總體原則

水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求是緊密結(jié)合當(dāng)前水電站集控中心的技術(shù)發(fā)展方向，遵照《中華人民共和國(guó)電力法》、《電網(wǎng)調(diào)度管理?xiàng)l例》等行業(yè)相關(guān)法律和規(guī)范，并借鑒國(guó)內(nèi)成熟水電集控平臺(tái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)集“安全、共享、協(xié)同、智能”的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)和水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)于一體的平臺(tái)，且滿足實(shí)用、可靠、先進(jìn)等設(shè)計(jì)原則。

2.2" 關(guān)鍵技術(shù)

建立水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下方面。

1）輸出功率預(yù)測(cè)技術(shù)：利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、多模型組合預(yù)測(cè)技術(shù)、區(qū)域輸出功率預(yù)測(cè)技術(shù)等，對(duì)光伏發(fā)電和水電的輸出功率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2）水光互補(bǔ)調(diào)度技術(shù)優(yōu)化：在考慮源-荷匹配調(diào)度、水量平衡約束、機(jī)組振動(dòng)區(qū)約束等約束條件的基礎(chǔ)上，研究水光互補(bǔ)調(diào)度優(yōu)化策略，以實(shí)現(xiàn)水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和總輸出功率波動(dòng)最小化的目標(biāo)。

3）數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電站和水電站的數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，為水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

4）數(shù)據(jù)庫(kù)和操作系統(tǒng)：建立數(shù)據(jù)資源一體化的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接收、共享和維護(hù)，為各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)信息支持。

5）安全技術(shù)：采用安全防護(hù)措施，包括網(wǎng)絡(luò)安全隔離、縱向加密認(rèn)證等，保障水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的安全性。

6）人機(jī)界面技術(shù)：設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的監(jiān)控和管理，提高電站運(yùn)營(yíng)人員的工作效率。

3" 水光互補(bǔ)供電模式研究

光伏發(fā)電輸出功率的波動(dòng)性導(dǎo)致電網(wǎng)電壓和頻率出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性[8]。這會(huì)給電力系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)度帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的變數(shù)，增加其安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，限制電網(wǎng)消納光伏電力的能力，造成“棄光”現(xiàn)象的發(fā)生。

水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是將光伏發(fā)電系統(tǒng)和水力發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)，通過(guò)將兩者的發(fā)電特性在時(shí)間與空間上進(jìn)行有機(jī)融合和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用。該系統(tǒng)主要利用水庫(kù)進(jìn)行靈活調(diào)度平抑光伏發(fā)電的波動(dòng)，不僅增加了電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，還提高了光伏發(fā)電消納能力、減少碳排放，從而增加發(fā)電系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

3.1" 中長(zhǎng)期水光互補(bǔ)調(diào)度策略

水光互補(bǔ)調(diào)度的核心在于發(fā)揮水電站的調(diào)節(jié)能力，制定水電站、光伏電站聯(lián)合運(yùn)行計(jì)劃，中長(zhǎng)期調(diào)度以月、旬、日為單位，一般采用順序計(jì)劃制定方式。具體步驟如下：1）根據(jù)光伏電站輸出功率特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合調(diào)度中心的調(diào)度指令擬定光伏電站中長(zhǎng)期輸出功率計(jì)劃；2）根據(jù)所選流域內(nèi)居民整體用電負(fù)荷需求、電網(wǎng)備用需求、水電機(jī)組的最小輸出功率等信息計(jì)算出水電發(fā)電空間；3）在此基礎(chǔ)上結(jié)合流域水電站輸出功率預(yù)測(cè)，進(jìn)一步制定水電中長(zhǎng)期發(fā)電計(jì)劃。中長(zhǎng)期水光互補(bǔ)調(diào)度策略示意圖如圖1所示。

3.2" 短期水光互補(bǔ)調(diào)度策略

短期水光互補(bǔ)調(diào)度策略需要滿足3個(gè)目標(biāo)：光伏發(fā)電量最大、梯級(jí)水電站和光伏電站總輸出功率波動(dòng)最小、源-荷匹配最佳。在調(diào)度時(shí)，需要考慮光伏電站、水電站、水庫(kù)、電網(wǎng)的運(yùn)行條件約束。光伏電站運(yùn)行約束主要為容量約束、預(yù)測(cè)輸出功率約束；水電站需要考慮水位、流量、輸出功率、水庫(kù)水量和上下游流量平衡約束；光伏電站受到電網(wǎng)輸電能力和安全約束限制，采用流域集中控制水力發(fā)電為基礎(chǔ)的水光互補(bǔ)運(yùn)行模式。短期水光互補(bǔ)調(diào)度策略示意圖如圖2所示。

由圖2可以看出：短期水光互補(bǔ)調(diào)度是通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電輸出功率預(yù)測(cè)和水電輸出功率預(yù)測(cè)來(lái)制定光伏電站發(fā)電計(jì)劃，優(yōu)先消納光伏發(fā)電輸出功率，將多余的光伏發(fā)電輸出功率通過(guò)光伏電站自備儲(chǔ)能進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)電網(wǎng)處于用電高峰時(shí)，可將部分儲(chǔ)能進(jìn)行上網(wǎng)，提高光伏發(fā)電的消納率；水電站優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃是在制定光伏發(fā)電輸出功率計(jì)劃之后，結(jié)合水電輸出功率預(yù)測(cè)來(lái)制定的。通過(guò)調(diào)節(jié)水庫(kù)的儲(chǔ)水量，確保水電機(jī)組能夠按調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行功率輸出，從而保證光伏發(fā)電得到充分利用。

3.3" 實(shí)時(shí)水光互補(bǔ)調(diào)度策略

實(shí)時(shí)水光互補(bǔ)調(diào)度策略的關(guān)鍵在于對(duì)水電機(jī)組的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)光伏發(fā)電最大化的利用。通過(guò)調(diào)控水電機(jī)組輸出功率，匹配光伏發(fā)電輸出功率的隨機(jī)性，確保完成調(diào)度中心下達(dá)的調(diào)度指令。通常情況下，水電機(jī)組有4種運(yùn)行模式，分別為平滑輸出功率模式、跟蹤預(yù)測(cè)輸出功率模式、用電負(fù)荷削峰填合模式和系統(tǒng)調(diào)頻模式。

1）平滑輸出功率模式：水電機(jī)組的調(diào)節(jié)原則是保持光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體輸出功率的平穩(wěn)，避免各機(jī)組輸出功率的劇烈波動(dòng)。

2）跟蹤預(yù)測(cè)輸出功率模式：自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC）按照調(diào)度中心下達(dá)的輸出功率計(jì)劃，對(duì)光伏電站和水電機(jī)組輸出功率進(jìn)行跟蹤。調(diào)度中心的輸出功率計(jì)劃可以基于預(yù)測(cè)的光伏發(fā)電輸出功率和水電輸出功率計(jì)劃的總輸出功率進(jìn)行跟蹤，也可以根據(jù)預(yù)測(cè)的負(fù)荷得出水電站和光伏電站的輸出功率。

3）用電負(fù)荷削峰填谷模式：依據(jù)用電負(fù)荷變化調(diào)節(jié)水電機(jī)組的輸出功率。在深夜和清晨負(fù)荷較低時(shí)，適當(dāng)減少水電機(jī)組的輸出功率；在中午和傍晚負(fù)荷高時(shí)，適當(dāng)增加水電機(jī)組的輸出功率，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4）系統(tǒng)調(diào)頻模式：當(dāng)用電負(fù)荷達(dá)到峰值導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率下降時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)頻。水電可以快速響應(yīng)，但參與調(diào)頻其需要具備較大的容量。

3.4" 光伏電站裝機(jī)容量分析

通過(guò)分析水光互補(bǔ)系統(tǒng)下光伏電站裝機(jī)容量和光伏發(fā)電棄電率等指標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，基于光伏電站裝機(jī)容量與水力發(fā)電量的關(guān)系（如圖3所示）分析得出光伏電站裝機(jī)容量為94萬(wàn)kW時(shí)經(jīng)濟(jì)性最佳。

由圖3可以看出：隨著光伏電站裝機(jī)容量的增加，光伏發(fā)電棄電量的不斷增加，水電消納空間先增后降，因此94萬(wàn)kW為該梯級(jí)水電站最匹配的光伏電站裝機(jī)容量。光伏電站裝機(jī)容量94萬(wàn)kW時(shí)水電站年均發(fā)電量增加量為0.1億kWh，光伏電站裝機(jī)容量與水電站年均發(fā)電量增加量的關(guān)系如圖4所示。

4" 水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的構(gòu)建

水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)由生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)和水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)兩部分組成。

4.1" 水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)系統(tǒng)框架

4.1.1" 功能分區(qū)

水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)縱向分為集控層和廠站層，橫向劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)（即安全Ⅰ區(qū)）和管理信息大區(qū)（即安全Ⅱ區(qū)），生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)和水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)分別部署在安全I(xiàn)區(qū)和安全Ⅱ區(qū)，如圖5所示。集控層由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)一體化平臺(tái)和各類應(yīng)用系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站、光伏電站的運(yùn)行監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度、防汛應(yīng)急指揮等功能。廠站層由水電站/光伏電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、保護(hù)信息管理系統(tǒng)、電能量計(jì)量系統(tǒng)、光伏氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及氣象系統(tǒng)等組成，業(yè)務(wù)主要通過(guò)多種通信技術(shù)手段進(jìn)行接入。

在生產(chǎn)控制大區(qū)，建設(shè)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，流域梯級(jí)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)和水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)。集控中心系統(tǒng)是集控層整體的控制系統(tǒng)，以一體化管控平臺(tái)為核心架構(gòu)，進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，規(guī)劃部署服務(wù)于集控中心管理職責(zé)的各類基礎(chǔ)應(yīng)用和專項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。各類數(shù)據(jù)服務(wù)匯總至集控層，形成一體化管控平臺(tái)的需求信息結(jié)果，結(jié)果以圖形界面、報(bào)表形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，以多種形式的客戶端展現(xiàn)給用戶。

4.1.2" 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)主要包括對(duì)外網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。對(duì)外網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)集控中心系統(tǒng)與所轄水電站、光伏電站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)間的通信和集控中心與電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的通信；內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要是集控中心的集控層網(wǎng)絡(luò)，用于內(nèi)部各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的通信。生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)與梯級(jí)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在安全I(xiàn)區(qū)，通過(guò)局域網(wǎng)連接；水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)與流域梯級(jí)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)在安全Ⅱ區(qū)，也是通過(guò)局域網(wǎng)連接；安全I(xiàn)區(qū)和安全Ⅱ區(qū)之間配置防火墻隔離，構(gòu)建跨分區(qū)的數(shù)據(jù)通信；廠站層和集控層之間的通信，以及集控層與電網(wǎng)調(diào)度之間的通信，采用縱向認(rèn)證加密裝置，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制大區(qū)廣域網(wǎng)邊界的安全防護(hù)，能夠?yàn)閺V域網(wǎng)通信提供認(rèn)證和加密功能。水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

4.1.3" 網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控預(yù)警

水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)部署網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，提高安全防護(hù)能力，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)安全事件進(jìn)行安全監(jiān)視、安全分析、安全審計(jì)、智能預(yù)警等功能，完善電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層的安全防護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)管控、縱深防御”的防控目標(biāo)。水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)收集相關(guān)信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術(shù)手段，將分析結(jié)果以可視化形式展示。這些結(jié)果包括安全狀況、設(shè)備健康管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、威脅狀態(tài)、攻擊情況等內(nèi)容，并生成相應(yīng)的安全報(bào)表，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控、評(píng)估、預(yù)警和響應(yīng)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全保障體系。網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)滿足電力系統(tǒng)對(duì)安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)監(jiān)控的要求，監(jiān)測(cè)對(duì)象為服務(wù)器、工作站等主機(jī)設(shè)備，防火墻、入侵檢測(cè)、縱向加密和隔離裝置等安防設(shè)備[9]，實(shí)現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)安全事件的實(shí)時(shí)監(jiān)視和報(bào)警功能。

4.2" 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)

生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)由水光一體化遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)和流域梯級(jí)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)組成。其中，水光一體化遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)為新建設(shè)內(nèi)容，流域梯級(jí)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)在現(xiàn)有的水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能補(bǔ)充，以適應(yīng)光伏電站運(yùn)行對(duì)水庫(kù)調(diào)度的要求。

水光一體化遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Ω麟娬镜陌l(fā)電設(shè)備、輔機(jī)設(shè)備和光伏電站的逆變器進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視。根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度要求和各電站的運(yùn)營(yíng)需求，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)水電站的相關(guān)設(shè)備和光伏電站的逆變器等設(shè)備進(jìn)行控制，以確保所有機(jī)電設(shè)備在安全可靠的狀態(tài)下運(yùn)行。

流域梯級(jí)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)及信息發(fā)布系統(tǒng)等構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為數(shù)據(jù)的接收、處理、查詢及信息交換、水情預(yù)報(bào)等提供了軟件和硬件層面的技術(shù)支持。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為系統(tǒng)維護(hù)與管理、信息查詢及水情預(yù)報(bào)等提供數(shù)據(jù)支撐，確保數(shù)據(jù)的有效性和可靠性[10]。數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)能夠提供水情信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收、處理、存儲(chǔ)和信息查詢服務(wù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供了水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)所需應(yīng)用程序。信息發(fā)布系統(tǒng)以萬(wàn)維網(wǎng)（Web）方式發(fā)布水情信息或通過(guò)短信平臺(tái)發(fā)布相關(guān)信息，并支持移動(dòng)端Web訪問(wèn)。

4.3" 水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)

水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)的核心在于深入分析水電與光伏發(fā)電的互補(bǔ)規(guī)律，建立源-荷匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)，并構(gòu)建總輸出功率波動(dòng)最小、總發(fā)電量最大、源-荷匹配調(diào)度等模型，研究梯級(jí)水電站和光伏電站水光互補(bǔ)聯(lián)合調(diào)度模型，求解動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)因子智能算法。

光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)軟件將輸入的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)信息、光伏組件運(yùn)行數(shù)據(jù)等存入數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)的格式化規(guī)范處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，預(yù)測(cè)軟件的核心計(jì)算模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)和人機(jī)界面交互獲取的最新數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)，最終將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)軟件界面如圖7所示。

水光輸出功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)以水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建提供多樣化的監(jiān)測(cè)、查詢和分析功能的預(yù)測(cè)系統(tǒng)。其人機(jī)界面以可自定義的圖形和報(bào)表設(shè)計(jì)為特點(diǎn)，用戶能夠混合展示圖形和報(bào)表，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)表格、直方圖等方式呈現(xiàn)實(shí)際氣象數(shù)據(jù)、電站運(yùn)行數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)結(jié)果。此系統(tǒng)不僅在展示方面表現(xiàn)出色，還具備優(yōu)異的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性，為相關(guān)調(diào)度部門提供可信賴的決策依據(jù)。

4.4" 水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)在傳統(tǒng)水電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)等水電調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)用功能基礎(chǔ)上，增加對(duì)光伏電站的監(jiān)控管理和光伏發(fā)電輸出功率預(yù)測(cè)、水光互補(bǔ)調(diào)度等新功能。

水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)提供統(tǒng)一的系統(tǒng)性數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、圖形和報(bào)表等功能支撐接口，集成數(shù)據(jù)采集、同步、交換、通信、模型管理和文件管理等功能。除實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)之間可兼容外，還具備集成開發(fā)環(huán)境功能，可用于自定義應(yīng)用程序和接口的開發(fā)和部署。水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)支持自動(dòng)同步機(jī)制，以確保在滿足安全規(guī)范的前提下，不同分區(qū)之間的數(shù)據(jù)和信息能夠無(wú)縫傳輸，簡(jiǎn)化了各功能的系統(tǒng)和應(yīng)用之間的跨區(qū)交互實(shí)現(xiàn)。在原有流域水電站使用的一體化平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)配置必要的軟硬件設(shè)備，建設(shè)成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全、運(yùn)行高效、功能齊全的水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)。

5" 結(jié)論

本文介紹了水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)、實(shí)施及其在提高可再生能源利用效率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性方面的重要作用。該平臺(tái)旨在實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站和光伏電站的協(xié)同運(yùn)行和優(yōu)化調(diào)度，提高可再生能源的利用效率和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)水光互補(bǔ)一體化的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，分析了新疆地區(qū)光伏發(fā)電和水力發(fā)電的特性，得出新疆地區(qū)某流域的光伏電站和水電站的輸出功率特性和光伏電站和水電站現(xiàn)有智能監(jiān)控平臺(tái)的缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)，并分析了平臺(tái)建設(shè)的系統(tǒng)構(gòu)架。

根據(jù)新疆地區(qū)某流域光伏電站和水電站的具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了中長(zhǎng)期水光互補(bǔ)控制策略、短期水光互補(bǔ)控制策略及實(shí)時(shí)水光互補(bǔ)控制策略，分析光伏電站裝機(jī)容量與梯級(jí)水電站發(fā)電量、光伏發(fā)電年均棄電量的關(guān)系；然后介紹了水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的核心構(gòu)架，對(duì)平臺(tái)功能分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控預(yù)警進(jìn)行了詳細(xì)介紹，根據(jù)控制策略設(shè)計(jì)由生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)和水光互補(bǔ)調(diào)度平臺(tái)兩部分組成的水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)，最后對(duì)水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)行了總結(jié)。

未來(lái)隨著可再生能源和智能化技術(shù)的發(fā)展，水光互補(bǔ)一體化管控平臺(tái)將進(jìn)一步完善和智能化，其的建設(shè)將為水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行提供可靠的支持，促進(jìn)可再生能源的高質(zhì)量發(fā)展。

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DESIGN AND RESEARCH ON WATER-PV COMPLEMENTARY INTEGRATED MANAGEMENT PLATFORM

Jiang Rui1，Zhang Hangong2，Xie Lirong2，Chen Jun1，Du Xiaodong3

（1. Xinjiang Water Resourc-es and Hydropower Survey Design and Research Institute Co. Ltd，Urumqi 830099，China；

2. Research Center of Renewable Energy Power Generation and Grid Connection Technology Engineering，

Ministry of Education （Xinjiang University），Urumqi 830047，China；

3. Chinese Energy Group Xinjiang Jilintai Hydropower Development Co. Ltd，Ili Kazakh Autonomous Prefecture 835700，China）

Abstract：In order to realize the coordinated optimal operation of cascade hydropower stations and PV power stations，improve the utilization efficiency of renewable energy sources such as hydropower and PV and the economy of system coordination，this paper first summarizes the current development status of the water-PV complementary integrated management platform，analyzes the characteristics of solar energy resources and river water resources in Xinjiang Uygur Antonomous Region （hereinafter referred to as \"Xinjiang Region\"），and obtains the characteristics of PV output and hydropower output in a certain basin in Xinjiang Region，and points out the shortcomings of the existing PV power stations and hydropower stations. On this basis，the medium-and long-term water-PV complementary control strategy，short-term water-PV complementary control strategy and real-time water-PV complementary control strategy of a production operation management and control platform and a water-PV complementary scheduling platform is designed，and the functions and implementation methods of the platform are introduced in detail.

Keywords：integrated platform；water-PV complementary；optimized scheduling；cascade hydropower station