并网风电场全景监控系统建设思路浅析

摘要：基于加强风电机组等新能源设备监控能力的要求，对并网风电场全景监控系统建设思路进行了分析，归纳出了系统建设三个关键面和五个阶段，对底层数据采集方式也进行了对比分析，并提出了相关建议。

关键词：并网风电场;特高压输电;全景监控;数据采集

0    引言

近年来，在国家政策的指引下，风电产业发展迅猛，截至2019年末，全国并网风电容量已突破2亿kW，成为非水可再生能源第一大发电形式。为了应对风电并网容量快速增长带来的弃风问题，国家大力推行特高压跨省输电通道建设。2015年至今，仅宁夏电网就先后投运了银东、灵绍等数条直流特高压输电线路，有效缓解了电量消纳难题。

但由于直流特高压线路运行过程中发生换向或闭锁故障后将向临近交流系统短时注入大量有功、无功，造成系统电压较大幅度波动，存在引发近区风电机组大规模脱网的风险，因此，2018年起宁夏区域内各风电场已先后针对风电机组及SVG电压、频率耐受能力进行了改造，提升设备故障穿越性能。然而，仅依靠提高设备耐受能力还不够，还需要加强主动管控措施，双管齐下切实保障电力系统稳定运行。

1    风电场当前监控系统概况和全景监控系统建设必要性

自2011年国家发布第一版《风电场接入电力系统技术规定》以来，新建风电场电力监控系统构成和功能日趋完善。以宁夏近年并网风电场为例，场站电力监控系统一般涵盖升压站监控系统、风机监控系统、风功率预测系统、功率/电压控制系统、继电保护和故障录波等子系统。监控系统结构示意图如图1所示。

其中，升压站监控系统、风功率预测系统、功率/电压控制系统等子系统经场站监控系统网络总线组网，通过RTU与调度主站建立可靠传输通道，实现运行数据及调节指令的上行下达。风机监控系统与调度主站目前尚未直接联通，而是通过集成在SCADA服务器上的OPC Server程序与OPC Client主机连接，再由OPC Client主机接入场站监控系统网络总线向RTU传输机组风速、功率、电流、电压、机组启停状态等遥信、遥测数据，数据轮询间隔一般为1 s。如果以并网点为管理界面进行衡量，现有电力监控系统已经能够基本满足调度机构管理要求。但是如果按照国网西北分部要求，即具备新能源项目故障过程实时跟踪、发电设备精益控制、可控資源池监视及多频振荡监测功能，加强系统保护能力，适应特高压电网发展需要来衡量的话，那么现有监控系统在风机数据采集、机组调控、故障跟踪、系统间数据联动等方面还存在需要改进之处，而这也正是全景监控系统的建设目标和着力点。

2    并网风电场全景监控系统建设思路

对应目标与要求，建设并网风电场全景监控系统关键要把握好三个方面：

（1）完善风机实时数据采集、上送系统。增加采集数据量，提高数据传输速度，开放功能接口，使风机具备接收、执行上级控制系统下发指令的能力。

（2）建立集中控制系统。对采集的风机实时数据进行存储、汇总、运算和判别，既要具备根据预定策略就地控制功能，也要与调度主站建立起可靠连接，实现数据远传和指令接收功能。

（3）重新整合子系统，实现全景监控。将集中控制系统与已有电力监控系统有机融合，建立互联互通的数据传输体系。

对应三个关键面，全景监控系统建设划分为五个阶段：

第一阶段，提升风机数据采集能力。按照机组状态实时跟踪要求，确定需采集的遥信、遥测数据点，开放机组远程遥控功能，优化数据传输速率，建立稳定的数据传输链路。

第二阶段，在场站侧部署集中控制终端。集中控制终端与交换机或数据服务器组网，汇集风机运行数据。通过数据比照、单机模拟等方式验证集中控制终端数据运算、逻辑判断和预定策略执行等功能。

第三阶段，与调度主站建立可靠的数据传输。对于机组数量少的风电场，可直接通过RTU进行数据远传;对于机组数量多的风电场，为避免大量数据造成RTU负荷率超限，影响其他业务，应首先完成通信测试。如发现现有RTU设备不能满足传输要求，可向调度部门申请新增2M通道，通过DDF向调度主站传输数据。

第四阶段，与调度主站进行数据核对。逐一核对机组上传数据，验证数据准确性和上传速率是否满足要求。数据核对无误后，接收调度主站下发的控制、调节指令，验证遥控、遥调功能是否满足闭环要求。

第五阶段，进行监控系统整合。对现有电力监控系统重新归类，原则上划分为风机集中监控、升压站集中监控和生产辅助系统三个功能模组。与风机密切相关的AGC、快速调频等系统全部整合至风机集中监控系统中，优化网络结构，提高监控效率。风机集中监控系统、升压站集中监控系统以及生产辅助系统间将在更高层次数据平台基础上进行数据互通和控制联动，例如，同步相量测量系统监测到系统次同步振荡时，风机集中监控系统可迅速接收有关信息并按预定策略对机组进行调控;系统故障出现暂态过电压时故障录波装置也能自动捕捉记录每台风机故障前、中、后的电流、电压波形，以便进行事故分析及后续系统优化工作。整合后的全景监控系统功能结构示意图如图2所示。

3    风机数据采集方式对比

完善风机数据采集功能是建设全景监控系统的第一阶段，也是后续各阶段的基础。就风机数据采集而言，目前有两种方式可供选择。

方式一：在风机侧增加硬件终端。组织场站控制终端生产厂家研发风机侧控制终端，风机侧控制终端部署在每台风机底部主控柜内，一方面与风机主控通过网口或串口通信，另一方面与风机变流器通过电缆连接，实现数据采集与指令转发功能。风机控制终端对外利用已建成的风机光纤通信线路通信，根据风机光纤通信线路组织形式，每个回路汇聚节点处需增设一台环网交换机，用于汇集本回路风机控制终端通信数据，并与场站控制终端联通，建立起完整的数据网络。风机控制终端与风机主控及场站集中控制系统的连接示意图如图3所示。

为了完成数据采集和通信，风机控制终端至少应具备以下功能：

（1）实时采集风机电压、电流、风速等模拟量，计算有功、无功输出;实时采集风机启停、电压穿越等运行状态信息，可通过硬接点开入监控状态量;数据刷新周期不大于100 ms。

（2）具备模拟量信息与数字量信息逻辑判别和运算功能。

（3）支持MODBUS、IEC 104、CAN等主流通信规约，能与风机主控和场站控制终端通信。

方式二：优化现有OPC Server程序。在不改变各风电机组至场站风机监控系统数据传输方式的前提下，由风机监控系统厂家对现有OPC Server程序重新开发，包括：提供更多的机组遥信、遥测数据点位，开放机组管理模块相应功能，支持远方遥控等。

两种数据采集方式在技术路线上存在较大差异，在从实施难度、稳定性、经济性等方面进行综合对比（表1）后可知：方式一实施难度较大，所需费用高，但实时数据通信稳定性强，而且打破了现有数据壁垒，将风机及输变电设备纳入了统一系统管理，不仅满足了当前机组精益化控制目标，也为后续监控系统功能扩充、升级改造奠定了基础，因此应当作为首选方案考虑。

4    结语

特高压输电线路的投运对电力系统运行管理提出了更高要求，以系统性思维构建完善的保护体系势在必行。结合国网西北分部要求和已并网风电场监控系统实际运行情况，本文对全景监控系统建设思路进行了探析，相信能够对各风电企业后续开展全景监控系统建设给予一定的帮助。

[参考文献]

[1] 王衡，姚秀萍，常喜强，等.特高压直流故障对风电场送出可靠性的影响及改进措施[J].电工电气，2014（5）：29-33.

[2] 王传秀，王伟，张滔.海上风电场全景监控系统设计[J].电工电气，2019（12）：33-37.

[3] 陈晓晶.OPC DA网络通信稳定性研究[J].信息通信，2015（8）：190.

收稿日期：2020-02-21

作者简介：陈征宇（1985—），男，河南人，工程师，研究方向：风力发电项目建设及生产运营管理。