新能源并网发电远程测试诊断系统架构研究

王 琦，丁 玮

（山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南 250101）

随着新能源并网发电测试诊断需求的不断提高，远程测试诊断技术应运而生，它是由计算机、网络通信和测试诊断等技术手段相结合的一种测试诊断方式[1]。对于现场设备并网测试数据和运行状态数据来说，远程测试诊断系统可以实现数据的远程短时传送以及异地专家分析，能够减轻由于现场技术人员不足所造成的工作压力，保证测试诊断数据的实时性。传统的远程测试诊断系统为了达到降低风电场和光伏电站投资成本的目的，故而搭建基于混合模式的远程测试诊断系统架构，即测试诊断分析中心与数据监控中心异地部署：在科研院所部署测试诊断分析中心，本地监控中心搭建在风电场和光伏电站内部。但异地部署的主要问题在于测试诊断数据存储在测试现场，而知识库却存储在诊断中心，这就面临着系统诊断信息无法实现全局共享的问题。同时风电场和光伏电站也需要更多的计算能力和存储能力来应对随着风电场和光伏电站的快速发展而导致的电站设备数量以及设备历史故障诊断数据愈发增多的问题[2]。

1 远程测试诊断平台架构设计

平台架构由数据源、并网远程测试与诊断数据平台、具体应用和展示发布三部分构成，下一级为上一级提供服务。

数据源是基础，包括风电场SCADA数据、光伏电站集中监控数据、升压站综自数据、并网特性测试装置数据等新能源并网发电实时状态运行数据。研究不同源数据的特点和数据接口，提出满足电网信息安全防护要求与远程测试需求的新能源并网发电远程测试与诊断大数据接入方法和实现方案。

并网远程测试与诊断数据平台是核心，构建面向新能源并网特性测试数据与实时状态运行数据等复杂数据的全新的新能源并网发电远程测试诊断软硬件支撑平台。平台能够实现海量数据的同步采集与存储，同时访问接口的信息发布情况满足测试诊断需求。数据平台中的计算引擎结合新能源设备台帐等信息对状态数据和测试特性数据进行计算处理，提高数据处理效率。

具体应用和数据展示发布是落脚点。在数据平台的基础上，对测试设备进行状态评价和量化分析，实现面向试验人员、检测设备、测试流程、海量数据等多源信息融合的设备管理；进行数据挖掘和逻辑计算，针对新能源电站设备的性能状态，给出故障诊断和分析结果并进一步提出问题解决方案，实现基于全寿命周期的新能源电站设备远程专家故障诊断。

2 远程测试诊断系统平台功能实现

为保证数据的实时一致性，系统在各测试节点采用分层混合式的式中同步算法进行时钟同步。同时，针对采样频率不同的数据，系统采用内插外推和最小二乘法对其进行处理。为节省传输时间，节约带宽和存储空间，系统还对采集的数据进行了压缩处理。新能源远程并网试验与检测数据中心由实时数据服务器、WEB发布服务器、数据计算及远程视频服务器组成；现场试验管理与现场数据集中监控由远程视频、集控系统、现场服务器等组成；新能源分布式数据采集功能单元既可独立使用，完成单一测试和数据分析功能，又可组合使用，充当现场数据采集节点设备。

现场试验管理与现场数据集中监控部分在一定程度上可看做远程通信的中继分站，采用双口RAM、双单片机结构，通信接口为RS232/485信号转换设备，可同时与现场分布式数据采集功能单元和新能源远程并网试验与检测数据中心进行远程双向网络通信，接收远程数据测试中心的远程测试配置指令，下发控制指令给分布式数据采集设备功能单元完成现场测量和数据打包传输。

2.1 通信功能

系统具备与各模块硬件平台设备和新能源并网发电远程测试平台、远程网络通信的功能，完成数据通信、节点配置、远程监控等，同时提供其他通信总线接口如485、USB、以太网接口等。通信方式采用混合通信方式，既支持光纤以太网通信结构，同时支持无线通信方式，包括短距离无线网路、GPRS网络Intenet接入、直接接入和通过数据单元接入方式等。具备规约转换功能，通信规约支持多种标准电力通信规约。

测试数据采集现场与远程数据中心之间主要通过无线传输技术实现数据的远程传送[3]。由于所有的通信链路都是在internet的基础上建立的，控制、维护等典型用户都可远程访问大量有用信息。与场站外部进行远程数据传输，需要进行数据加密与身份认证。安全认证的逻辑定点在远程数据中心，服务器连接是远程数据中心服务器的逻辑节点与场站访问点服务器的逻辑节点之间建立的通信链路。访问点与服务器逻辑地址对应。

2.2 远程测试参数配置功能

远程测试参数配置功能能够下发新能源并网发电远程测试平台的远程测试参数配置指令，下发控制指令给各模块硬件平台功能单元完成集中监控系统所要求的对测试参数如单元测试功能、数据采集参量、数据存储、采样频率、通信规约和云计算辅助等的配置。

场站的测试单元都是采用串口控制的，用户可以在计算机上运行web服务器通过串口对现场测试单元进行配置和检测。因此采用远程通信技术在新能源远程并网试验与检测数据中心与现场场站之间构建异地串口，将远程数据中心的PC机发出的配置命令和参数通过internet网络及3G/4G网络传输到场站测试单元，并按照现场各模块的配置串口支持的通信协议对各模块进行配置参数操作，远程参数配置过程结束。

3 应用于远程测试诊断平台的硬件架构加工

应用于远程测试诊断平台的各新能源数据采集模块可独立装置使用，对数据进行现场分析，又可充当现场数据采集节点设备与网络组合使用，将特性数据打包传输到数据管理监控中心进行存储分析。新能源并网发电远程测试平台采用虚拟仪器的核心理念进行风电场、光伏电站测试现场各分布式测试数据采集装置的设计，即通过不同的软件对同一分布式数据采集单元硬件平台进行编程，实现用户自定义仪器功能，完成实现不同测试数据的采集和无线传输。

本文针对新能源并网测试对电能质量、无功补偿、功率控制等测试标准的要求，适用于风电场和光伏电站的不同测试数据的要求，测试数据采集测点布置如图1、图2所示。

图1 风电场测试数据采集测点布置图

图2 光伏电站测试数据采集测点布置图

4 应用于远程测试诊断平台的软件功能开发

本文的新能源数据采集装置在分布式数据采集单元硬件平台的基础上，通过编程定义不同的软件功能模块，实现不同的特性试验，包括电能质量分析模块、故障行为特性分析模块、有功功率控制能力测试模块和防孤岛分析模块。

4.1 电能质量分析模块

在电能质量方面，截止至2013年底，我国在参考国际标准IEC61000-4-30的基础上，制定了符合我国国情的八项国家标准，见表1。但这八项标准并没有规定各项电能质量参数的评估方法，只给出了单项参数的限值。

表1 电能质量相关标准

国外很早就开始研究电能质量评估方面的问题，目前已提出多种评估方法。但由于电能质量包含多种参数指标，故而对其量化评估没有形成统一标准[4]。国家电网公司在2016年发布了企业标准《电能质量评估技术导则》，该标准仍没有规定电能质量评估的具体执行方法，仅给出了大致方向。因此，我们在研究新能源电能质量特性参数的基础上，提出符合新能源并网特性的电能质量评估方法。

电能质量分析模块对电压偏差、暂态压降、三相不平衡、电压波动、电压闪变、电压谐波、频率偏差、供电可靠性和服务性指标9项电能质量指标进行分析，并依照国家标准将电能质量等级分为5级，电能质量情况从高到低分别对应为优质、良好、中等、合格、不合格。指标综合权重通过采用熵值法和层次分析法分别对客观权重、主观权重进行线性加权的方式来确定。首先要得到成本型决策矩阵，即利用线性比例变换法对评估样本与等级指标进行指标去量纲。成本型决策矩阵在标准归一化处理的基础上进一步形成无量纲决策矩阵，最后进行线性加权处理确定指标的综合权重向量。

4.2 故障行为特性分析模块

故障行为特性分析模块以光伏风电场故障行为为研究对象。首先需要建立模型，包括风电场动态模型以及单级式和两级式并网型光伏发电系统仿真模型。模型通过Matlab/Simulink仿真工具箱SimpowerSystem建立。然后利用模型分析其在无穷大电力系统中发生严重三相短路故障时，故障对风电光伏发电机组出口电压的影响。监测量包括直流母线电压/电流、有功功率、无功功率、转子电压/电流和转速等。仿真模型输入由风速、光辐照度和无功功率给定，输出通过变压器及输电线路与电网相连，并采用中国的低电压穿越（LVRT）标准和美国的高电压穿越（HVRT）标准验证发电机组故障穿越能力。

故障行为特性分析模块分析故障时光伏、风电场与电网间的相互影响，有功暂态、无功暂态特性对故障的影响，以及故障恢复过程中有功功率，无功功率对电网运行的影响[5]。利用阻抗分压切换在二次测模拟电压跌落和跃升的暂态过程，跌落深度90%、80%、70%、60%、50%可调，高穿幅度为110%、120%，跌落、高穿时间可调。同时通过对并网点以及无功补偿装置支路无功功率变化的实时跟踪记录，完成对无功暂态和故障恢复时间进行特性分析。

该模块可以实现数据显示、系统设置、故障分析、指标评价以及优化控制等功能。针对数据显示功能，拥有实时数据、实时曲线与开始采集三个功能选项。通过实时数据和实时曲线，可以直观看出场站运行状态。

4.3 有功功率控制能力测试模块

针对风电场、光伏电站，当前有功功率控制能力测试方法是直接由人工下达控制指令，输出值采集记录到单独的测试装置中，相关性能指标通过后期人工处理得到。但这种方法有许多不足之处。

（1）人工下达指令的方式没有考虑到系统的整体性，不能准确测试场站响应时间；

（2）采用独立测试装置采集记录输出值，数据处理后期工作量大，拉低了测试效率；

（3）后期数据人工处理可能导致数据失真；

（4）测试过程繁琐，耗时长，影响系统发电量。

本模块是实现风电场、光伏发电站有功功率控制现场测试一体化运行的系统，系统实现了风电场、光伏电站有功功率控制测试的自动化，保证了测试效率，有效提高了测试准确度。

有功功率控制能力测试模块由分布式数据采集单元承担有功功率控制模拟功能，通过模拟调度单元对被测风电场、光伏发电站下达负荷指令，将预先设置好的功率曲线下发给远动机。通过AGC系统实现光伏电站、风电场有功控制，同时实时跟踪记录并网点处有功功率变化，并将预先设置好的有功功率曲线与实时采集到的有功功率变化曲线拟合到同一时间坐标内进行对比，直观体现光伏电站、风电场有功功率控制能力。

4.4 防孤岛分析模块

防孤岛性能能否满足规范要求将直接影响风电场、光伏电站并网发电可靠性。但目前对防孤岛性能进行测试分析的方法都各有利弊，还未生成最佳的分析框架，为此，本文提出一种高效、快速的孤岛检测方法，进而全面实现防孤岛保护，尽可能的消除孤岛效应产生的危害。

防孤岛分析模块首先在小波分析的基础上，实时采集公共连接点（PCC）电压。公共连接点（PCC）电压通过Clark转换为两相静止坐标向量，通过派克变换将电压信号转换到只受电压影响的旋转坐标dq轴上。坐标变换的频率、相角信息通过锁相环技术得出。在不同尺度下将公共连接点（PCC）电压通过小波分解技术分解得到高频分量，并对高频分量进行马拉特算法处理，得到高频分量特征值。然后针对公共连接点（PCC）电压进行快速傅里叶变换（FFT），得到75 Hz频谱的幅值。通过特征值和幅值同时与设定的孤岛阙值进行比较的方式判断是否发生孤岛。防孤岛模块数据处理流程如图3所示。

图3 防孤岛模块数据处理流程图

5 结束语

本文针对新能源并网发电的数据检测与诊断评估，分析了包括数据访问层、业务逻辑层和用户表现层等多层架构的数据支撑平台具体设计方法，在此基础上设计了新能源并网发电远程测试平台和设备管理系统软硬件结构研究。及时发现电站设备隐患并安排检修，提高并网安全。