大型风电场一体化监控平台的设计与实现

张 超

(空军济南房管处，山东济南 250000)

0 引言

近年来，我国的风电大规模迅猛发展，与常规电源相比，风电场的输出功率具有波动性［1］和间歇性的特点，因此大量风电接入电网将对电网的运行带来较大的影响。尤其很多地区风电具有反调峰特性，给风电丰富地区的电网调度和电力市场管理带来越来越大的压力。风电场能否安全稳定运行成为了在保证电网安全的情况下能否最大化有效接纳风电的一个关键。为了实现风电场的安全稳定运行，如何对风电场进行监视和控制成为了解决这一问题的有效办法。为解决大规模风电可调可控等难题，并与现有智能电网调度平台很好地结合在一起，实现调控一体化，为电网运行做好充分准备，需要通过先进的信息手段建设完善、稳定的大型风电场一体化监控平台，并与智能电网调度一体化支撑平台［2］无缝结合在一起。大型风电场一体化监控平台应提供完善的风电预测、风电监控［3］、风电场有功控制、风电场无功控制等功能，采用先进的预测技术和合适的控制策略，实现对风电场进行监控管理［4］，保证电网的安全稳定经济运行。

1 大型风电场一体化监控平台的设计思路

结合国家电网公司发布的风电接入电力系统的系列标准，大型风电场的一体化监控平台应具备风电场监控、风电预测、风电AGC控制、风电AVC控制等功能。针对现有风电场监控系统不统一、不同风机配备不同的风机监控系统、操作不方便、风电监控系统高级应用(如AGC，AVC)不能直接控制风机、时间上不满足调度要求等问题，结合最新的信息技术要求，提出新一代大型风电场监控平台，集中了预测，AGC，AVC，SCADA［3］等高级应用。通过在风机侧安装通信控制器，实现对不同类型风机的统一监视与控制。监控平台从通讯控制器获取风机遥测信息，例如有功、无功等信息，通过有功控制逻辑和无功控制逻辑下发指令到风机，实现全场的有功与无功控制。监控平台遵循SOA思想，采用具有生命力的、成熟有效的IT技术，构建一个面向应用、安全可靠、标准开放、资源共享、易于集成、好用易用、维护最小化的综合监控系统，使其成为风电场值班人员有力的工具和友好的助手。

2 大型风电场一体化监控平台总体设计

2.1 大型风电场一体化监控平台的总体架构

结合智能电网技术支持系统，大型风电场一体化监控平台硬件配置原则是保证系统能够长期稳定运行。本系统服务器与其他系统服务器之间通信快捷顺畅，接口齐全规范，终端页面美观友好，易于操作，响应速度不超过1 s。

本系统按照冗余配置原则，包括两台内网服务器(主，备)，一台外网天气预报服务器，一台操作员工作站。一台StoneWall反向型隔离设备，两台主交换机、风机通信适配器。

根据现场实际情况，并按照其技术条件要求，将风电场监控平台设计为一个分层、分级的分布式系统［4］。如图1所示整个系统分为三个层次。整个监控系统采用分层分布式结构，系统分为站控层、间隔层、过程层三层。

图1 系统总体架构图

站控层是整个系统的最高层，实现风电场数据采集、有功控制、无功控制，同时它作为风电场的人机交互的窗口，可完成各种图形显示、报表打印、信息转发功能。各个功能模块分布到系统的各个网络节点上，保证了系统的可扩充性。NWP服务器为外网服务器，接收数值天气预报，并经隔离设备送至数据库。间隔层设备由通讯控制器构成，通讯控制器实现与站控层和过程层设备通信。实现遥信、遥测的上传和有功、无功控制指令下发。为了满足调度直控风电场，远程实现有功功率和无功电压控制功能，更好的发挥风机变流器的功率调节能力，需要对现有变流器和主控系统之间的通讯方式和控制算法与逻辑进行改造，增加硬件配置通讯控制器。改变现有的通讯和连接模式，实时性要求不高的数据按照原有模式通过主控PLC转发，但是对于实时性要求很高的功率控制，将直接通过通讯控制器连接，避免了中间的环节，提高了控制速度和精度。过程层设备由逆变器控制器和风机主控器组成，负责对风机、变流器的数据采集和控制。

2.2 监控平台的数据交互

监控平台应用包括SCADA采集、风电预测、AGC有功控制、AVC无功控制、在线统计分析等应用功能。

通讯控制器将采集的风电运行信息传送给SCADA监控平台，以便实时监控、预警并进行风电监控，同时将有用的信息存储到数据库;风电预测模块利用数值天气预报(NWP)数据、从SCADA平台获取的实时测风数据和历史运行数据生成短期、超短期风电功率数据，并将数据送给有功控制模块。风电有功控制模块接收主站下发的AGC指令，根据从SCADA监控平台获取的预测功率和风电场机组状态数据进行有功的分配和机组的启停控制。

AVC控制子系统能够自动接收来自电网调度的AVC指令，并根据功率预测的结果，进行机组之间的无功功率分配并控制风电场无功补偿装置，实现对风电场的无功电压控制。

2.3 监控平台的安全防护设计

监控平台应满足《电力二次系统安全防护规定》(国家电力监管委员会5号令)对电网计算机监控系统和系统之间互联的安全要求，符合《全国电力二次系统安全防护总体框架》的有关规定。应用各功能部署在合理的安全分区内。系统的信息采集及监控和AGC控制、AVC控制布置在安全Ⅰ区;风电预测和在线统计分析功能布置在安全Ⅱ区。气象信息接入功能模块放在安全Ⅲ区，用于从外网获取天气预报信息并传送到安全Ⅱ区，风电预测功能利用获取的气象信息进行预测。

同时对于系统服务器、工作站，应采用安全成熟的、国内调度系统认可的安全操作系统，禁止不必要的服务和应用;安装防病毒软件、防木马软件。安装于主机上的应用程序可与防病毒软件协调运行，保证防病毒软件进行扫描时，应用程序仍能正常工作。并采取各种措施防止内部人员对系统软、硬件资源、数据的非法利用，严格控制各种计算机病毒的侵入与扩散，当入侵发生时系统能及时报告、检查与处理，系统万一被入侵成功或发生其他情况导致系统崩溃时要能及时恢复。

3 大型风电场一体化监控平台的功能设计

3.1 风机数据SCADA功能

SCADA模块主要完成数据采集和通信功能。具体功能如下:

1)利用风机通信控制器完成风机运行数据采集，数据采集包括机端电压、电流、有功、无功、机组温度、桨距角、偏航角度、风机状态。

2)利用风机通信控制器完成风机的启动，停止，复位，有功设点，无功设点控制。

3)采集升压站220 kV/35 kV母线电压，频率;220 kV送出线有功/无功，2台主变有功/无功，35 kV集电线有功/无功，220 kV开关/刀闸及35 kV开关/刀闸状态。

4)通过通信控制器采集SVC设备电抗器实时无功出力，电容器投/切状态，SVC运行/停止状态，SVC故障状态。

5)利用通信控制器完成对SVC设备中的电抗器无功出力进行控制。

6)利用远动机向省网转发AGC运行状态，各风机运行状态(运行/投运，检修/待风)，风机有功/无功出力，各风机机头风速。

7)利用远动机接收省网AGC指令。

8)通过远动机，向地调转发AVC运行状态，各集电线有功/无功。

9)利用远动机接收地调AVC指令。

3.2 风电预测功能设计

风电预测功能包括对风电场的输出功率进行预测，预测的时间尺度包括短期预测和超短期预测。在功能设计上主要实现功率预测、上报预测功率、功率预测查询等功能模块。

功率预测模块包括对风电场的短期功率预测和超短期功率预测。在短期预测模型的选择上，对于并网时间较长的电站，这里优先选用统计方法建立短期功率预测模型，对于刚并网的新建电站，由于电站缺乏必要的历史功率数据，则选择物理方法［5］建立短期功率预测模型。同时采用基于时间序列分析的方法建立电站的超短期功率预测模型。

上报预测功率模块完成每天定期向省调发送预测功率E文件。

功率预测查询模块主要包含短期功率预测、超短期功率预测及置信度功率预测查询三个功能。

4 结语

本文提出的大型风电场一体化监控平台已于2013年12月投入运行。从投运以来的运行情况看，该系统实现了设计目标，较好地实现了与智能电网调度一体化支撑平台的无缝结合，实现了对风电的实时监控，加强了对风电场的调度管理，促使其不断提高功率预测水平和管理能力，提高了对风电场的管理控制能力。研究结果对改进电网风电接入条件、发电计划制定，发供电平衡，保证电网安全稳定运行具有重要的指导作用，对促进风电发展具有重要的工程应用价值。通过本项目建设，将实现风电场对未来发电量的评估，控制功能为新能源调度提供工具和手段，形成对新能源并网调度运行的全面支撑。

大型风电场一体化监控平台在开发的过程中积累了大量的经验，同时由于开展监控平台研究的时间较短，系统尚存在不完善的地方，需要开展进一步的研究与开发工作。

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