新能源调度自动化系统的设计

韩 强，马 进

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

0 引言

能源危机与环境污染的加剧使人类对可再生新能源发电的关注度日益增加，而在众多新能源发电方式中，风能与太阳能发电以其资源丰富、高效便利、安全无污染、产业化基础好等优点而备受青睐。伴随“十二五”规划对新能源领域加大投入的机遇，我国新能源发电正从小规模开发、就地消纳向大规模集中开发和并网远距离输送方向发展。

然而，风电场大多处于电网末端，网架结构相对薄弱，电源结构较为单一，风电大规模接入必将给这些地区的电网稳定运行带来很大压力。同时，由于风能与常规能源发电方式的种种差异，风电的大容量远距离输送将对整个电网的电压稳定、暂态稳定、频率稳定、继电保护及电能质量产生诸多不利影响[1]，光伏电站并网也存在类似的问题[2]。这些都是新能源场站并网后电网调度中心必须考虑的问题。

作者在考察国内新能源调度管理支持系统的基础上[3-5]，提出了新能源调度自动化系统的设计方案，该方案基于调度集控基础数据平台，利用一体化的数据模型，实现多种电力高级应用，提升调度和驾驭新能源发电的能力。

1 系统基本功能

1.1 系统功能简介

新能源调度自动化系统的功能结构如图1所示，总体上可分为数据平台、实时系统、生产调度管理系统、Web服务和通信接口4个主要部分。

图1 新能源调度自动化系统功能结构

数据平台是以操作系统、关系数据库、通信组件及实时数据库为基础的数据处理中心，完成监控数据、历史数据及其它系统互联数据的整合和分析功能，为电网的分析决策、研究开发、统计考核和安全经济运行提供技术支撑，为应用系统提供完整的数据整合解决方案。实时系统面向生产调度，主要完成新能源发电实时监视和控制、实时生产运行及调度等功能。生产调度管理系统面向日常生产管理信息和历史数据的管理和分析，对实时性要求比较低，对数据完整性和统计、分析手段及辅助支持工具的要求比较高。由于新能源调度自动化系统采用分层分布式结构，Web服务和通信接口主要完成不同层面监控信息的上传下送功能。

各子系统的功能可由1个或多个应用软件实现，各应用软件采用一体化和模块化设计，运行在统一的数据平台上。系统的各应用软件可以按照电力调度生产流程和不同安全区的使用要求部署在3个安全区。应用软件可以运行在实时态、研究态、测试态等，不同运行态可同时运行且互不干扰，系统与安全Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区中其它系统的互联符合电力二次系统安全防护的要求。

1.2 一体化的数据模型

一体化的数据模型构成如图2所示。

图2 一体化数据模型

系统的全部功能组件及子系统均以数据软总线为数据交换基础，以一体化的数据模型为数据分析的基础，一体化数据模型将新能源调度所需的全部数据整合在一起，统一管理和维护，具有以下特点：

（1）数据分类存贮，管理简单。根据数据特点采用不同的数据存贮方式，节约系统资源。

（2）分类数据可根据需求重新组织成相应的数据模型；数据处理中心负责处理系统内外数据转换。

（3）可对整合数据做深入分析，以多种形式提供给运行系统。

（4）具有实时数据转发、第三方系统安全访问接口和系统内部数据交换接口。

2 系统网络拓扑

2.1 系统拓扑配置

系统的软硬件设计遵循开放性原则，设备选型应采用符合国际标准的产品，以达到系统的可扩充和可维护性。

新能源调度自动化系统采用分层分布式网络结构，分为站控层、集控层和调度层。站控层实现新能源场站监测信息上送和执行遥控、遥调命令的功能。集控层完成对多个站控点的集中控制，调度层进行整个电网的优化调度。每层的各功能子系统合理分布在通过局域网互联的冗余、集群配置的服务器和工作站之上。新功能扩展可以通过增加新节点方式完成。

为满足系统安全防护的要求，与外部系统的通信要通过设置在边界网络处的物理隔离设备和硬件防火墙。

系统拓扑结构如图3所示，该图示意的是某一层通用拓扑，不同层可根据实际需求配置各自的应用功能软件。

2.2 系统软件部署

新能源调度自动化系统设计应根据SOA（面向服务的体系结构）的软件工程新思想，按照EAI（企业应用集成）理念，构造数据平台系统以及ESB（企业服务总线），将新能源调度功能分别部署于安全Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区，实现数据和应用功能整合，为系统运行提供功能强大、方便易用的集成支撑环境。

SOA实质上是1个组件模型，将不同的应用功能单元通过预定义的接口联系起来，接口独立于具体的硬件平台、编程语言和操作系统。而EAI是完成多种应用和数据源之间共享交换信息的标准技术。ESB则是企业应用集成领域的新型中间件技术，可以消除不同应用之间的技术差异，使不同的应用服务器协调运作，作为分布式系统的连接中枢，它可以帮助实现面向服务的体系架构。

系统统筹考虑调度中心各子系统的数据及应用需求，以EAI的思想建立为这些应用系统服务的横向跨越3个安全区、纵向连接上下级调度中心的数据平台系统。

数据平台系统由3个数据汇聚中心及相应的ESB组成。在3个电力生产安全区分别建立数据汇聚中心，ESB则在保证安全的前提下贯穿3个安全区。数据平台系统既是数据的汇聚中心和提供者，又是优良的应用集成环境。

根据面向不同的应用人群及应用内容建立若干应用群，如实时监控、生产调度与管理以及研究分析等，实现新能源发电监视与控制、发电计划制定等相关功能，为新能源并网发电提供技术支撑。

3 调度自动化高级应用

3.1 新能源发电功率预测系统

并网新能源场站的发电受天气变化影响，其容量和时间变化较大，对电网运行和调度有一定影响，在目前储能设备不能大量投运的情况下，如能准确预测未来几小时至几天的发电情况，将有助于电网运行方式安排和调度提前计划，保证电网经济稳定运行。

新能源发电功率预测系统的软件结构如图4所示。

图4 功率预测系统软件结构

图3 新能源调度自动化系统的网络拓扑结构

预测系统采用统计方法、物理方法以及混合方法等算法[6-7]，根据预测时间尺度的不同使用上述算法构成组合预测模型，对每一种算法的预测结果选取适当的权重进行加权平均，从而得到最终预测结果。选择权重可以采用等权平均法、最小方差法，以提高预测的精度。

为提高预测的准确性，系统将影响因素全部纳入预测信息系统，并综合考虑各种数据信息，建立相应的管理和优化机制。这些信息包括天气预报、电站实时信息、电站检修计划和历史数据等，分别用于模型计算、数据修正等环节，从而得到更加准确的预测结果。

3.2 新能源自动发电控制

当电网频率偏差较大、常规调频容量不足时，为将系统频率及联络线交换功率维持在计划值，各控制地区可根据其区域内控制误差协调地区内的风电/光伏等新能源场站出力，辅助电网调频。

调度中心以新能源发电功率预测系统发布的场站日前最大可能出力为基础，考虑电网运行安全和经济约束等条件，修正有功出力计划曲线，制定发电控制策略，通过智能通信管理终端下发给场站级自动有功控制系统。站控层根据风电机组、光伏逆变器等设备的控制特性和实时运行工况，实现目标出力在具体风电机组和光伏逆变器上的优化分配和发电跟踪计划曲线调整。新能源AGC（自动发电控制）实现原理如图5所示。

图5 新能源AGC实现原理

3.3 新能源自动电压控制

新能源AVC（自动电压控制）采用三级调控模式，场站级的无功电压通过区域AVC集控站进行协调控制，区域站间的协调控制通过调度端新能源AVC主站实现。调度端采集全网无功电压实时数据，利用状态估计、最优潮流等方法计算得出各新能源发电控制区域内的中枢母线电压指令并下发给AVC集控站。各AVC集控站根据本区域内新能源场站的可用无功容量，结合本区域网架结构计算得到各场站的并网母线电压控制目标，并下发给场站级AVC控制器执行，场站级AVC据此将并网母线电压值维持在允许范围内。新能源AVC实现原理如图6所示。

图6 新能源AVC实现原理

场站级AVC是1个多目标、多系统参与协调优化的控制过程，由本地升压站综合自动化系统、风机和光伏逆变器监控系统和动态无功补偿设备共同完成。文献[8]提出一种针对风电场的AVC 3层协调控制结构，是考虑含有有载调压变压器、集中补偿电容器和双馈风机等多种无功源设备的协调控制策略，值得借鉴。

一般来说，场站级AVC的控制策略顺序是先调风机或光伏逆变器的无功输出，再调节动态无功补偿设备，最后调节升压站内的固定电容器组和有载调压变压器分接头。场站级无功优化通过实时量测电压偏差计算无功参考值，再按一定的优化分配原则分配到各种无功源设备上，作为控制信号改变无功输出，以实现新能源场站并网母线无功电压的闭环控制。

3.4 新能源场站并网电能质量监测

由于风力发电、光伏发电及储能系统中应用了逆变器、变流器等电力电子设备，使新能源电力并网时产生大量谐波污染电网，及时监测和分析各个新能源场站并网点的电能质量，将为后期电能质量治理和统计提供数据基础。

电能质量监测系统最为注重的是数据统计和分析功能，新能源调度中心要充分考虑各新能源场站的地理位置、电气接线及关联负荷与电源的基本情况，对历史数据进行综合分析，为电能质量治理提供详实的数据。电能质量监测系统拓扑结构如图7所示。

图7 电能质量监测拓扑结构

3.5 风光储并网控制

由于风能和太阳能具有随机性、间歇性的特点，作为独立的发电系统时难以提供稳定、连续的功率输出，如果采取风、光互补发电并加入储能装置，形成风光储联合发电系统，既可以充分利用风能和太阳能在时间及地理上的天然互补性，也可以利用储能系统的充、放电性能来平滑风电、光伏功率输出的波动性[9]。

通过分析调度区域内的新能源发电分布情况，结合各种能源所占比重，采用风电场、光伏电站单独配置一定比例储能的调度并网模式，也同时考虑区域储能在广域条件下能发挥更大平滑效应的特点，进行调度范围内的风光储一体化并网控制。其基本功能应包括：

（1）以风光储功率波动最小、调峰能力最大为目标，制定最优的联合发电计划。

（2）可以根据系统需要采取多种处理策略，如保证储能设备使用寿命最长、能参与系统削峰填谷等。

3.6 新能源并网一体化调度系统

风力/光伏发电的特点是发电容量和发电时间稳定性不高，属于间歇性电源，随着并网容量的增大，会给电网带来一定冲击。新能源并网一体化调度系统的任务就是将风力/光伏发电变为友好型电源，增强其可控性。

并网一体化调度系统结构如图8所示。

图8 并网一体化调度系统结构

新能源并网一体化调度系统通过主站、风力/光伏发电子站形成上下一体的控制和执行系统，能够完成计划、紧急、事故等情况下的执行策略。

并网一体化调度系统不仅与新能源发电场站相关，对全网的安全校验及运行方式安排也必须结合全网运行情况来确定。因此，新能源并网一体化系统通过信息交互层完成与主调度系统及EMS系统的通信联系，形成完整的调度系统，既考虑新能源发电的特点，又达到与原有系统融合的目的，从而成为主调度系统在功能上的补充。

通过新能源并网一体化调度系统，风光储联合发电子系统与调度主站形成了整体。调度主站系统根据功率预测结果，结合全网负荷及主电源情况，经过EMS系统分析和校验，制定新能源发电计划，并将发电计划下发至各新能源场站，由部署于各场站的子站系统自动执行。在紧急情况下可以快速执行主站的动作策略，从而保证电网安全稳定运行。

4 结语

基于一体化数据模型构建数据平台系统，给出新能源调度自动化系统的设计方案。采用面向服务的体系架构和企业应用集成的理念进行应用软件开发和部署，系统支持功率预测、自动发电控制、自动电压控制、电能质量监测、风光储并网控制等高级分析决策系统，并能与电网EMS系统实现无缝集成。其分层结构和功能组态适用于网、省、地、集控、厂站多级调度或监控模式。随着我国新能源发电行业的发展，该系统将具有广阔的应用前景。

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