基于分散式风电的集控方案设计与实施

华东勘测设计研究院 ■ 沈汉琴

南京南瑞继保电气有限公司 ■ 黄山峰

一 引言

我国风力资源非常丰富，风电每年发电规模已经达到6000多万kW。国际新能源研究机构BNEF发布的研究报告称，中国陆上风力发电装机量占全球比重为35%，2012年中国风电装机量为15.9千MW，已取代美国位居世界第一。近年来，中国风电产业发展经历了爆发式增长，且多注重规模化、大型基地化发展。高度集中、远距离、高电压是目前风电场的特点。由于风电出力特性不同于常规能源，它的随机性、波动性较大，可预测性较低，风电达到一定规模后调度运行很难做到不弃风。风电已经进入“发展越快，损失越大”的恶性循环。在此背景下，风电发展转型势在必行。许多有经验的人员认为风电产业采用“小规模、分布式、低电压、就地分散接入电力系统”的形式，将大有可为。

所谓分散式指的是：在用电负荷中心附近，不采用集中远距离接入电力系统为目的，所生产的电力就近接入电力网，并在本地消纳的风力发电项目。分散式发电方式特点有：规模较小，对风速、占地面积要求较低；输电距离较短，一般利用风场附近电网现有的变电站和输送线路；总装机容量低，风机切入切出对微电网冲击很小；经济效益高，发出的电能可以就地消化。分散式风电这种分散不集中的特点，也为运行管理带来诸多不便，特别是对监控系统提出了更高的技术要求。

以“中广核哈密地区69MW风电场”为例。该项目共有4个风场，分别为巴里坤县西部矿区黑眼泉2.4万kW、哈密市东南部风区黄山东0.9万kW、沙泉子0.9万kW以及雅满苏2.7万kW。每个风场地理位置偏僻，各风场间都相距上百公里，所以风场的运行管理难度非常大。对于此问题，设计出了针对分散式风电的集控系统，通过本系统的上线运行和推广可实现对风电场设备进行远程监视和控制，合理安排运行方式，提高调度管理水平，使整个风电场安全，可靠，经济地运行，从而为逐步实现风电场无人值班提供技术支持。

二 分散式风场集中监控系统设计

1 设计方案

(1)从数据网络的角度来看调度系统与集控系统同为平级的两个系统，都可同时监控各风场运行状态。正常情况下由调度通过电话对监控中心下达调度命令和要求，监控中心通过远程遥控执行调度要求。紧急情况下，调度也可直接对各风场进行远程遥控。

(2)集控系统的监控范围为：第一是各风场开关站的遥信、遥测数据，包括各个间隔的测量量数据、保护信号数据、电能量数据等。第二是各风场风机相关数据，包括各风机的测量量数据、开关量数据、测风塔数据等。第三是各风场视频监控数据，包括风场内各摄像头采集的数据。

(3)集控系统设有一套完整的监控系统。配有开关站SCADA系统、风机SCADA系统、视频监控系统。实现数据采集和处理功能、画面显示功能、遥控与操作闭锁功能、事件顺序记录功能(SOE)、事故追忆功能、计算分析功能、报表打印功能等，还可实现电压管理等[1]。

(4)监控中心内配备基于监控系统的高级应用，如风功率预测、自动发电控制(AGC)和自动电压控制(AVC)。

(5)各系统高度可靠、冗余，在保证整个系统可靠性、设备运行的安全稳定性、实时性和实用性前提下，充分考虑系统配置和设备选型的开放性[2]。

(6)根据《电力二次系统安全防护规定》的要求对集中监控系统进行分区。安全I区为实时控制区，直接实现对电力一次系统的实时监控；安全II区为非控制生产区，在线运行但不具备实时控制功能；安全III区为生产管理区，可在不影响生产控制区安全的前提下根据安全需求划分。

2 网络设计

(1)风场端网络

根据风场内数据安全性、稳定性要求不同，设计上送方式也不同。以黑眼泉风场为例，如图1所示。视频数据独立组网，直接接入光端机上送。开关站信息、无功补偿信息本身是IEC103报文，可直接由远动装置采集。对于风机监控信息、气象测风信息、电能量信息、电能质量在线监测信息，需经过规约转换装置转换为IEC103报文后由远动装置采集。远动装置再把数据分类处理转换为IEC104报文通过纵向加密和路由器分别上送给监控中心和调度。

图1 风场内网络拓扑图

(2)远程通信网络

每个风场与监控中心间都有3个2M的独立数字通道。这些通道都是租用电力公司的专用通信通道。由离风场最近的变电站接入，离监控中心最近的变电站接出。这3个2M的通道分别提供给远动信息、风机信息和视频信息使用。

图2 远程通信网络

(3)监控中心端网络

监控中心内光端机把数据通过路由器和纵向加密送出，由数据采集与数据存储服务器采集并处理IEC104报文数据。数据采集网络如图3所示。

(4)监控中心内网

图3 数据采集网络

监控中心内采用双网设计并且分有3个安全区。其中I区为实时控制区，由2个数据采集服务器、2个监控工作站、1个分机数据服务器、2个风机操作员站、1个AGC服务器、1个AVC服务器和1个GPS组成。提供4座风电场运行界面显示、历史数据储存、安全监控、人机交互及网络管理功能。满足风电场无人值班的要求；满足各风场设备状态的监控需要；满足对事故或异常状态下的分析、判断能力；满足风电场操作的安全性需要；满足风电场运行管理的需要；满足监控其他分析系统和应用的需要。安全I区网络如图4所示。

图4 安全I区网络

II区为非控制生产区，与I区经过防火墙隔离，由电能量服务器、电能质量工作站、风功率预测服务器和风功率预测工作站组成。电能量与电能质量数据通过I区的采集服务器统一从各个开关站内的远动设备中采集、处理，并实时同步到监控中心的II区，由II区的电能量与电能质量工作站完成人机交互和界面展视。安全II区网络如图5所示。

III区配置一台运行管理工作站，用于日常的运行管理使用。视频监控单独组网。安全III区网络如图6所示。

三 高级应用

图5 安全II区网络

图6 安全III区网络

为了保证电力系统的可靠、优质、经济运行，制定合理的运行方式和调度计划。风场需要配备风功率预测、风场AGC、风场AVC等子系统解决风电稳定并网问题。

1 风功率预测

风功率预测是以统计模型及物理模型分析为基础，根据数值天气预报数据，结合风力发电机组的运行状况，得出风电场未来的输出功率[3]。

风功率预测子系统根据测风塔实测气象数据、风场实时有功无功数据和气象部门的数值天气预报数据，利用神经网络、支持向量机等多种算法，对风电场在未来时段的发电状况进行预测，并上报电力调度部门。

2 风场AGC

风场AGC的主要作用是当电网出现较大的频率偏差时，为了维持系统频率及联络线的交换功率，各个控制地区将根据本区域内的控制误差来调控本地区内风力发电机组的出力，协调电网进行调频。

电力系统调度将根据风功率预测系统发布的风力发电场日前可能的最大出力，结合运行安全和经济约束等各方面的调度信息，来制定发电控制策略，再下发风场出力目标值给风机服务器[3]。风机服务器根据机组的控制特性和实时运行工况，进行目标出力在具体风机上的分配，实现风场功率跟踪和调整。

3 风场AVC

由于风场远离负荷中心，处于接入末端电网，受风力资源及负荷变化的影响，电压波动幅度较大，风场小发电时的高电压和大发电时的低电压问题日益严重，对电网的安全运行产生不利影响。因此有必要实现对系统电压和无功的自动控制[4]。

风场AVC子系统是以电力调度下发的控制电压目标值为依据，根据风场实时运行工况，结合电网和设备的安全因素，运用控制算法产生单台风机的无功输出目标值、场内SVG(动态无功补偿)的无功输出目标值，然后下发给风机服务器、开关站SCADA服务器、SVG控制器执行，完成风场电压自动调整功能。

四 应用情况及效果

本文针对分散式风电集中控制系统的设计，将风电场不同类型的风机、开关站保护设备、电能计量设备等运行数据实时传送到监控中心。极大降低风场运行维护成本，实现风场的无人值守或少人值守，大幅提高了风电运行管理水平。同时基于系统平台和数据服务的高级应用AGC、AVC和风功率预测的投入，使系统可对出力变化趋势进行准确的预测，调度可根据预测值下发风机出力目标值或电压目标值，系统再根据目标值对风机进行调节从而实现风场自动发电控制。

中广核哈密地区69MW风电场项目已经投运，集中监控系统运行稳定，系统测试结果见表1。

五 展望

由于“三北”地区风电消纳日益严重，国家能源局曾多次召集有关单位研究讨论如何开发分散式风电项目，2011年7月下发了《关于分散式接入风电开发的通知》，在年底紧接着又下发了《分散式接入风电项目开发建设指导意见》。其出色的适应性、性价比，决定了其将要大发展的趋势。以后同一项目下的风场可能越来越不集中，风场数目越来越多，风机的种类和型号越来越多样，并入的电网的电压等级不再相同。这些也对集中控制系统提出了新的任务。

表1 系统测试结果

(1)硬件提高。随着风场的发展，风场监控的数据量越来越大，这就要求控制系统有更强大的硬件来提高系统运行效率。

(2)数据统计功能加强。系统应该能提供通用统计的功能，用户通过自由选择统计算法，实现对统计点某时间段内的原始数据或统计数据，进行统计运算。

(3)一体化。针对越来越复杂的风场，控制系统设计应该能提供一体化的解决方案。控制系统能处理各种数据，AGC、AVC、风功率预测等不再是相互独立的系统，而是基于同个平台、同个数据服务的高级应用。

[1] 陈子新, 丛智慧. 风电场集控运行探索与实践[J]. 电力技术,2010, 19(7): 53－55.

[2] 刘小杰, 李明辉, 樊立云, 等. 风电场远程集控中心的设计与应用[J]. 内蒙古电力技术, 2011, 29(2): 41－44.

[3] 韩强, 谭宇阳, 张正中, 等. 智能型风力发电调管控一体化综合应用平台[J]. 新能源, 2012: 35－37.

[4] 王剑彬, 潘树军, 白志深, 等. 电压自动控制系统在风电场的应用[J]. 内蒙古电力技术, 2011, 29(5): 84－86.