新能源智慧型远程集中管控系统的探讨

孔庆香，卿子龙

(国网电力科学研究院，江苏 南京 210031)

中国向外界表述了碳达峰、碳中和的目标，将把发展新型清洁能源作为能源战略的重要方向。光能、风能、水能、生物质能作为在自然界中可不断再生的能源，有蕴藏量巨大、分布区域广泛、少污染等优势。加快风电、光伏发电等新能源的开发利用，已成为推动能源应用转型和应对全球气候变化的普遍共识[1]。

随着国家清洁能源战略的实施，新能源发电场站的数量将以更快的速度增加，随着更深入的开发，深远海域、高海拔地域、偏远山区将成为开发清洁能源的主要方向，随即而来的运维、管理等问题日益凸显。

本文分析了新能源发电场站的特点及其远程集中控制与管理的需求，提出了新能源智慧型远程集中控制管理系统的设计理念，重点研究分析了系统的体系架构和功能需求，还探讨了如何在成熟的电网调控自动化系统上进行功能扩展和改进，期望为新能源企业的智慧化建设提供参考。

1 新能源发电场站的特点

新能源发电场站的选址由地理、气候、光照等条件所决定；大多分布于山顶、戈壁滩、湖泊、高海拔牧区、近海岸边及深远海域等偏远地区。场站分布分散，区域大，运维环境恶劣；管控难度大，运营成本高，工作生活条件艰苦。新能源风电场、光伏站的主要特点如下。

a.分布区域广，场站数量逐渐增多；每站配备运维人员，成本高，效率低。

b.地处偏远，设备众多；站内的环境、设备各不相同；环境恶劣，运维难度大。

c.出力的不确定性和电能质量等问题影响并网；分散调控，难以满足要求。

d.区域内的场站会接入不同的地方电网，甚至可能跨省；协同调控难度大。

e.不同监控系统互不兼容的现象普遍存在，更无法和电网调度系统直接联通。

为有效提高分散分布的新能源场站运营管理水平，在一定的区域范围内建立远程集控运行、生产管理及数据分析诊断和运营决策中心，负责区域内所辖场站的监控与运维管理，包括发电运行、生产管理、安全管控等生产运营工作[2-7]。基于大数据平台的远程集中运行监控、统一运维管理，优化资源配置，实现风电场、光伏电站的无人值守、远程集控的生产管理模式，提高运营效率，实现综合效益最大化。将原来分散式生产管理模式转变为区域化、集约化、精益化运营管控模式。进一步架构起发电集团总部、区域集控中心、发电场站三级一体化的管控模式，为新能源企业的智能管控、增产增收、风险防控提供系统支撑。

2 远程集中控制与运维管理的需求

智能传感器、通信网络、计算机软硬件、大系统的层级管控等新技术的迅速发展为发电集团设立新能源区域集控中心，实现所辖区域内场站的日常集中监控、统一调度和管理提供了技术支撑。相比大电网的调控自动化系统，新能源场(站)远程集控系统的特有需求如下。

a.需接入的设备和系统更多；信息量更大，集成难度更大。

b.数据类型更复杂，需有风电、光伏特有的数据模型，如风机、逆变器建模。

c.需要新能源领域特有的高级应用，如风光功率预测，间隙性功率曲线。

d.集控系统需要同时关联多个地方电网的调控系统，甚至跨省联网。

因此，新能源集控中心的建设要以智能化监管为核心，智慧化运维为目标，逐步实现场站集中管控的标准化、规范化、专业化；同时，对场站的全生命周期运行情况、发电情况、维护情况进行量化评估，分析和挖掘海量数据，为提升设备利用率和发电效率以及优化运行提供充实的科学依据。通过智慧型一体化监管平台的建设，实现区域内多个场站的监视、控制、调度、运维、管理；对场站的各类数据，如设备参数数据、故障分析与诊断、综合信息查询等进行统一管理，综合统计、评估和利用各类数据，实现资源集约化和能源效益化。

3 智慧型集中控制管理系统的体系结构

新能源发电场站智慧型远程集中控制与管理系统采用开放式的分层分布式体系架构；以基于全分布式数据库的一体化平台为基础；以智能化集中控制与智慧化集中管理为建设核心。基于IEC61400-25、IEC61850通信规约，通过统一的大数据交换平台，对各场站的不同风机、光伏逆变器以及升压站的不同软硬件体系结构的监控系统，在同一平台下进行各子系统的无缝整合；将传送至集控中心的生产运行数据进行集中管理。系统使用统一的数据库模型、统一的人机交互界面，并进行统一维护，实行场站的监控、统计分析和生产管理以及运维的集中与统一。通过全方位的数据综合分析，实现数据与发电业务的全面融合。系统体系架构如图1所示，安全Ⅰ区是实时智能化监控区，安全Ⅱ区是非实时智能化监测控制区，安全Ⅲ区是智慧化运维管理区，安全Ⅳ区是运检视频监控区。

图1 智慧型远程集中控制管理一体化系统架构

新能源智慧型远程集中控制与管理系统的硬件平台包括数据采集服务器、实时数据服务器、历史数据服务器(含磁盘阵列)、计量服务器、保信服务器、功率预测服务器、状态监测及智能辅控服务器、生产管理服务器、Web服务器、视频服务器、各类监控工作站、维护工程师站、视频展示站、以太网交换机、大屏幕投影等设备。平台具有标准化、统一性、扩展性、开放性等特点，可灵活集成和扩展各种应用功能。系统主干网采用千兆以太网，星形拓扑结构，基于TCP/IP网络协议。系统提供开放性环境，包括用户接口和应用开发等环境。通过现代通信技术，将多个风电场、光伏站的信息整合到集控中心，实行远程集中运行监控与管理。系统利用统一的大数据管理平台，对不同风电场/光伏站的风电机组/光伏逆变器及升压站主要设备的运行数据进行分析，为场站的健康运行提供参考。对场站的运行情况、发电情况、故障情况进行实时有效的量化评估，优化运行管理，稳定提升发电量。

以成熟稳定的SCADA系统和安全可靠的通信网络系统为基础，在通用、标准的软硬件基础平台上，构建起来的新能源集控管理一体化系统(主站)，无缝融合了EMS能量管理、设备状态监测与智能诊断、智能化辅助监控、气象数据与功率预测、生产管理、多媒体视频与巡检等功能子系统；建立纵向更专业、横向更协同、管理更精益、运行更高效的运维管理模式；实现偏远、分散分布场站的无人值守及区域的高效运检，减少运维成本；实行所辖区域内场站(群)的统一监控、管理和调度，提升了场站(群)的综合管理水平。

4 智慧型集中控制管理系统的功能需求

远程集中控制与管理系统是新能源场站的集中监控、生产管理以及数据安全分析应用中心。借用大电网的调控自动化系统，可实现基本的SCADA功能，包括数据的采集、存储、监视、控制、报警、画面曲线显示、数据计算及统计、报表打印等。针对新能源的特殊应用需求，如风机、逆变器数学模型，风光功率预测等，需要进行系统模型、功能等方面的扩展，重点是新功能的开发。

4.1 基本的SCADA功能

实时、准确、有效地完成对各发电场站的远程监控，包括风电机组、光伏逆变器和升压站设备的“五遥”功能，即遥控、遥测、遥信、遥调、遥视。主要功能有远程运行监视、远程控制调节、集控防误、事件报警、事件记录及事故追忆、系统自诊断自恢复、系统维护与开发等。

4.2 高级的EMS能量管理功能

接受电网的调控命令以及预定的负荷曲线，对所监管的场站(群)实施远程运行优化与控制，自动调节发电单元的出力和对无功电压的调节，保证并网后的电能质量及安全稳定，优化并网运行。接收、汇总和记录各子站的功率、电压控制相关数据，如AGC/AVC调节，利用各风机、光伏设备的出力数据以及气象数据，对发电能力进行评估、整定和修正，实现机组优化运行和系统的经济调度。采用智能增功控制策略，深挖发电潜能，提升发电效率。

4.3 发电业务大数据智能分析功能

统一大数据管理平台能对各类数据进行采集、处理、储存、应用。以平台超强的运算能力，利用采集到的各场站的完整测量值、告警以及历史数据样本，运用横向或纵向数据对比、关联分析等方法，在繁杂的信息中，发现隐藏的深层次数据规律，获取有价值的信息，为场站运营提供决策。对不同场站的风电机组及光伏逆变器、风光功率预测等设备的运行数据进行分析，优化运行管理，达到生产效益最大化。对设备故障时的电量损失进行估算，同时进行效益量化考评；依据历史故障信息，对风机、光伏逆变器的可利用率进行统计与考核，制定出合理的出力计划。通过对风电、光伏数据的统计分析、弃风弃光量统计分析及历史统计查询分析，通过对各场站间的数据进行对比分析，优化运行控制，最大限度增加发电量。通过信息的大数据对比分析，及时发现并处理问题。

4.4 风光功率预测功能

利用气象部门提供的气象数据，使用现场实测的风速风向、温湿度、气压、光照度、雨量等数据，进行超短期和短期的出力预测。集控系统收集所辖场站的功率预测数据，进行功率预测统计分析，实现多个风电场、光伏电站的功率预测。在功率预测基础上，结合风电机组、光伏逆变器的出力调节特性，实现多场站、多目标的综合优化运行调控，合理安排发电、检修计划，提高场站的安全经济运行水平。功率预测也可采用主站建设模式，这样可节省场站端的投资。

4.5 主辅设备状态的全面监测功能

实时监测设备的运行状态，依据统计数据，对设备的健康状况及趋势进行评估分析；通过对设备运行数据进行智能分析诊断，发现潜在的故障，为设备的状态检修提供决策依据，合理安排发电、检修计划。一、二次设备的状态不对应告警推送以及设备状态的远程可视化展示，远程运维人员可快速定位异常设备。

4.6 全面的智能化辅控功能

智能化辅控是智慧化建设的重点。设备智能化是主辅设备互联互动的关键所在，主辅全面监管及互联互动能有效满足场站无人值守、远程集中管控的智慧化运维要求。数据穿透、全景展示、一体化监控、远方顺控操作、智能告警、综合防误等关键技术改变了主辅设备监控系统分离的状况，实现主辅设备一体化全面监控和实时联动，为场站无人值守打下了坚实基础。基于状态全面感知的智能化辅助综合监控，集成了在线监测、环境监测、消防控制、安全防范、箱门锁具、照明灯光等智能化子系统，为远程集中运维提供了技术支撑。

4.7 生产管理智能化功能

智能化生产运维管理是智慧化建设的核心。生产管理包括运行管理、安全监察管理、物资管理、计划管理、生产信息查询、系统管理等；通过与MIS、SAP等信息管理系统的数据交流，建立生产管理信息系统。运行、安全、检修、设备、文档等方面的智能化管理是智慧化运维的基础，可显著提升资产管理水平。对各场站的设备、人员及日常工作等进行智能化管理，能实现运行管理、三票管理、生产管理、设备物资管理、统计分析、综合查询等功能。

4.8 运营决策智慧化功能

运营决策子系统有生产监视、场站运营总览、数据统计分析、对标管理等功能。运营总览的数据包括装机容量、发电量、厂用电率、等效小时数等主要运营指标，展示风机运行状态。对各风电机组的风速、功率、电量、故障情况进行统计分析，从而找到机组之间差距。对场站之间的发电量、可用率、有效风时数、弃风率等指标进行数据对比，对标找出场站间的差距。利用智慧移动办公，各层次管理人员可以随时随地掌握设备运行和状态数据，提高智慧化决策效率。

4.9 Web发布信息功能

系统配置Web服务器，在集控中心办公区建立起一套与集控系统完全一致的镜像系统。利用Web服务器，对监控画面和系统数据进行实时在线发布。从安全Ⅰ、Ⅱ区到安全Ⅲ区的单向数据发布；人机界面转换为浏览器页面，并发送到Web服务器；以Web方式浏览信息。在局域网内，以网页的形式浏览集控中心的实时在线画面，查看各项实时生产数据。亦可通过移动互联网终端，如手机查看简要生产数据信息；各个层次的人员可通过不同界面实时了解现场情况，并指导生产工作。

4.10 远程视频监视和无人机器巡检功能

视频监控的功能包括图像预览、视频回放、图像抓取、云台灯光控制等。各场站不同厂家的多路视频，在统一的大数据平台上整合处理，展示于大屏幕上；可随时查看场站现场情况，具有视频跟踪功能；可向各子站下达命令，控制视频摄像机和无人巡检机器，进行全天的图像监视及安全警戒。SCADA与视频联动具有远程控制的就地操作效果。视频监控还可与门禁、火灾报警、安防等智能化系统联动；当出现报警时，在监控端自动显示对应画面，并将摄像机转到对应工位。辅以VR/AR及智能穿戴技术，日常运维操作就好似身临其境。

4.11 二次系统的安全防护功能

在集控中心及新能源发电场站，设置纵向加密装置、防火墙及横向隔离装置，抵御黑客、病毒、恶意代码等通过各种形式对二次系统发起的恶意攻击以及非法操作。集中控制管理一体化系统也遵守电力二次系统的安全防护要求，进行分区管理。

5 结语

新能源集中监控管理中心及数据安全分析应用中心的建设，远程集控与生产管理调度的有效结合，能实现对场站(群)的集中控制运行、远程生产监控、综合数据分析与诊断和统一运维管理；在优化运营、降本增效等方面，集控运行与调度管理一体化具有明显的优势。新能源集控系统能对不同厂家的风机、光伏组件以及升压站设备等进行统一监控、统一运检管理以及数据分析；通过优化控制方式，合理安排运维，通过对长期运行数据的挖掘分析，最大限度提高发电量，提升企业运营水平。

新能源产业已进入平价上网与竞争配置并行阶段。规范化、规模化、精细化的管理能提升发电企业的经济效益；同时，可优化人力资源配置，改善员工工作条件，稳定职工队伍，对新能源的可持续发展具有重要意义。在资源分布上，水电与风电、光伏发电有着天然的时空互补性；在年负荷特性上，也具有互补性，因此，风光水储远程集中管控的研究能把风光水储能源变成更加优质的电网友好型能源，并值得继续深入探讨。