规模化小水电群电站快速调节系统远动通道的实现及应用

徐玉韬，武晋辉，林呈辉，焦邵华，顾威，赵继伟，龙秋风

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳　550002; 2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京　100085; 3.贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州六盘水　553001)



规模化小水电群电站快速调节系统远动通道的实现及应用

徐玉韬1，武晋辉2，林呈辉1，焦邵华2，顾威1，赵继伟3，龙秋风1

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳550002; 2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京100085; 3.贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州六盘水553001)

摘要:为实现规模化小水电群与风、光、水、气多种能源联合运行，平抑风电、光伏等新能源并网给电网造成的波动，针对规模化小水电群稳定、可调且调节快速的特点，开发了水电站侧集水电站有功功率和无功功率快速调节功能为一体的嵌入式控制器，使参与调节的各个小水电站具备功率快速协调控制的能力。为实现规模化小水电群按照远方控制策略进行闭环控制，需建立远程主站与水电站间闭环控制的远动通道，针对小水电站的实际特点，提出了利用调度数据网及无线通信两种方案。工程示范应用表明，实现了水电站功率快速调节系统与远方电站快速调节主站的闭环、协调控制。

关键词:规模化小水电群;调度数据网;无线通信;远动通道

0　引言

近年来，风电、光伏等新能源不断接入电网，其间歇性、随机性及不可控性的特点，给电网运行及调度带来了一些新的问题，导致这些新能源年利用小时数较低，电网对新能源的消纳能力不足，造成了投资的浪费。

国内外学者针对这个问题从多个角度进行了研究。文献［1］采用在光伏电站侧系统中增加一次设备的措施，将超级电容器作为功率调节装置，控制光伏并网系统按给定值平滑、准确地输出功率，使光伏发电具有可调度性。文献［2］在主站侧进行了很多理论研究工作，但对于参与联合运行的水电站而言，如何进行技术改造，没有涉及。我国水力资源丰富，小水电站虽然单机容量不大，但数量众多，局部地区比较密集，本课题针对区域电网装机容量相对较小的规模化小水电群稳定、可调且调节快速的特点，开发了水电站侧有功功率和无功功率快速调节一体化控制器，在不增加一次设备投资的前提下，有效利用水电站本身的有功功率和无功功率调节裕度，使参与调节的各个小水电站具备功率快速协调控制的能力，形成规模化小水电群与区域电网的风光水气多种能源联合运行的主站系统，构成闭环协调控制系统。按照功率控制策略，通过快速调节参与闭环控制运行的水电站的功率，实时进行区域电网的闭环、快速调节，平抑间歇性新能源并网带来的波动。

为了快速响应风、光、水、气多种能源联合运行时外部电网环境有功功率、频率、无功功率、电压等参数的变化，主站负责制定区域电网的优化策略，子站负责执行策略，协调水电站多台机组的有功功率、无功功率并执行，子站设备必须与主站系统协调控制、互相联动、闭环控制，同时使区域内的小水电群参与调节。

目前，国内各水电站受个体装机容量、运行管理体制、业主利益、调节能力、自动化水平等诸多因素的影响，没有参与区域电网的协调控制，对于上级调度中心而言，相当一部分水电站基本处于不可控、不可观测的状态。

为了实现规模化小水电群按照远方控制策略进行闭环控制，建立安全、可行的远程主站与水电站之间的远动通道是亟待解决的问题。

无线通信技术在国内自动化领域多有应用:文献［3］介绍了通用分组无线服务(GPRS)技术在电力系统数据采集与监视控制(SCADA)系统中的应用，其中主要集中在电能量数据远程采集及自动抄表系统，在电站的远方实时在线控制方面并没有实际应用;文献［4］介绍了GPRS技术在铁路道口电源智能监控装置中的应用，涉及的应用场合相对简单;文献［5］介绍了采用全球移动通信(GSM)网络短信息的无线通信在SCADA系统中的应用，这种方式实时性差，通信数据量受短信息格式的限制，但费用低廉;文献［6］介绍了无线通信在配网自动化系统中的应用，采用了IEC 60870－5－101规约，涉及配电终端的信息采集及控制，但没有涉及遥调。

小水电站地理位置十分偏僻且较分散，水电业主构成多种多样，大部分不具备电力调度数据网的接入条件。目前，市场上还没有考虑规模化小水电群与风光气等多种能源联合运行的、基于远程控制策略中心的、以无线通信方式与密集分布的水电站进行遥调闭环控制的整体应用解决方案。

1　基于调度数据网的远动通道方案

1.1调度数据网

电力调度数据网是专门为电力调度生产服务的专用网络，SCADA系统和能量管理系统(EMS)等调度数据业务是网络承载的主要业务。随着电力调度技术的不断发展，调度数据网所承载的业务也不断发展，水调自动化系统、电力市场支持系统等都开始通过调度数据网承载;同时，通过技术手段保证了各业务之间的有效隔离和业务系统的安全，主要包括交换机、脉冲编码调制(PCM)、光纤等设备，完成信息的采集、转换、调制、传输及反馈等。

电力调度数据网是电网调度自动化的基础，在协调电力系统发电、送电、变电、配电、用电等组成部分的联合运行及保证电网安全、经济、稳定、可靠运行方面发挥着重要的作用。

电力调度数据网由国家电力调度数据一级网、区域二级网、省级三级网、地市四级网和县级五级网组成，覆盖各级调度中心和直调发电厂、变电站。目前，一级网基本建成，其他各级网络正在实施并具备一定的规模，但并没有全面覆盖。

1.2实现方案

为了实现风光水气多种能源联合优化闭环控制及运行，对于具备调度数据网条件的水电站采用调度数据网，解决了规模化小水电群的远程快速调节策略控制中心主站与水电站侧功率快速调节子站之间的远动通道问题，这种信息通道的构建方式具有可靠性高、速度快、安全性好等特点。

基于调度数据网的水电站功率快速调节系统远动通道的实现如图1所示。

如图1所示，水电站侧的功率快速调节一体化控制器对主站侧提供以太网接口，与远方电站快速控制中心交互的远动信息通过E1协议转换器、数字配线架(DDF)、光传输设备送出，然后通过调度数据网进行传输。对水电站现场，采集站内现场数据，收到远方主站下发的有功功率目标总指令及高压母线电压目标指令后，协调站内各台机组的调速系统及励磁系统，从而实现水电站有功功率和无功功率的快速调节。

远方调度中心侧通过光传输设备、光传输配线架、E1协议转换器接入电站快速控制系统主站的前置服务器，电站快速控制系统主站在考虑风电、光伏等新能源接入的基础上进行综合优化，通过远动通道下发参与电站快速调节的各个水电站的有功功率目标值及高压母线电压指令。

2　无线通信方案

图1　水电站功率快速调节子站调度数据网通信示意

为了实现风光水气多种能源联合优化闭环控制及运行，针对水电站地理位置偏僻的实际特点，对不具备调度数据网条件的水电站，研究了采用基于虚拟专用网络(VPN)技术的无线通信技术，解决了规模化小水电群远程快速调节策略控制中心主站与水电站侧功率快速调节子站之间的远动通道问题，这种信息通道构建方式适应了小水电的环境特点。

规模化的小水电站多位于山区，交通不便，为了实现水电站的闭环快速调节，与远方优化策略控制中心的远动通道构建不可避免。

方法1:依靠电力调度数据网，但规模化的小水电大多属于低压配电网，容量较小，归属县调管理，大多没有调度数据网的环境。

方法2:建立小水电到远方优化策略控制中心的专线，但造价太高，不适用。

方法3:传统的电话Modem方式，速度慢，信息量少，可靠性及安全性差。

随着通信技术的发展，出现了GPRS等无线通信网络，利用这些载体构建造价低、安全性好、稳定性好的远动通道，国内行业专家看法各异，主要对通信的可靠性及安全性存在质疑。

无线通信接口实现了水电站功率快速调节控制器的遥测、遥信状态信息的上送，同时接收上级调度中心下发的遥控、遥调控制指令。该方案的实现方式如图2所示。

无线通信模块(SIM卡)需要开通网络数据包流量服务，且需正确设置模块IP地址(如192.168.10.1)。

通信控制器支持网关功能，在绑定的IEC 60870－5－104规约中route_ip字段的配置为: route_ip = 192.168.10.1(无线模块的IP)。中心调度端的路由器要求支持IPSsec VPN功能，要求正常接入公网并且有固定的公网IP地址，设置路由器对内部局域网IP地址(如192.168.100.1)。

远程控制主机的IP保证与中心端路由在同一网段，这由现场通信控制器绑定的IEC60870－5－104规约中配置字段“remote_ip = 192.168.100.111”决定，并将控制主机网关设置为中心端路由器的IP(192.168.100.1)。

这样，在中心端路由器与现场的无线模块之间就建立了安全的LAN－to－LAN的IPSec VPN通道。调度端通过该VPN通道及现场通信控制器便可实现对现场的遥调、遥控、遥测、遥信远动信息的传输。

2.1通信速率及流量估算

假设每个水电站功率快速调节子站交互50个数据，每个数据4B，上送间隔2s，那么每月流量为259.2 MB，通信数据流量可控、速率稳定、运行维护费用不高。

2.2无线通信的安全性

向网络通信运行服务商申请无线数字数据网(DDN)业务，能够提供永远在线、可透明传输的VPN，能够提供点对点、外围设备间、外围设备与中心节点之间的通信方式，适用于信号互传、数据互备、远程监测等行业，也适用于突发性、高频率、点多分散、小流量的数据传输。

基于VPN加密通道的IPSEC协议，借助internet实现了远程intranet。

无线模块的“机卡互锁”功能支持基于非对称密钥技术的单向认证，主站下发的遥控命令支持带有调度证书的数字签名，子站侧或终端侧能够鉴别主站的数字签名。

无线模块能提供支持内嵌“验签模块”功能的转换模块，加强网络安全。

采用工业级SIM卡以提高可靠性。

按照电力系统二次安全防护的技术要求，水电站功率快速调节子站通道出口采用了纵向加密装置，保证系统控制的安全性。

3　电站快速控制系统的示范应用

基于规模化小水电群的电站快速调节系统在贵州六盘水地区的5个小水电进行了示范应用，整体系统结构如图3所示，其中3个小水电采用了调度数据网的实现方案，2个水电站采用了GPRS无线通信的方案，实现了水电站功率快速调节系统与远方电站快速调节主站的闭环、协调控制。

为了满足电力系统信息安全二次防护的要求，对水电站功率快速调节一体化装置无线通信出口增加了纵向加密装置，以提高系统的安全防护等级;同时，在电站快速调节主站，通过地调自动化系统安全三区接入，与生产一区之间通过正、反向隔离装置进行了隔离。

从示范现场的实际运行效果看:采用调度数据网远动通道参与闭环协调控制的水电站，直接接入地调自动化系统的生产一区，采用IEC 60870－5－104规约与电站快速调节主站通信的遥测、遥信、遥调、遥控响应时间为3～4 s;根据水电站现场通信网络信号的实际情况，采用GPRS无线通信的水电站，采用IEC 60870－5－104规约与电站快速调节主站通信的遥测、遥信、遥调、遥控响应时间为8 s左右，这个响应时间对于整个电站功率快速控制系统而言是可以接受的。

图2　水电站功率快速调节子站无线通信示意

图3　水电站快速调节系统结构

当无线通信出现通信中断时，水电站功率快速调节系统会闭锁装置所有动作出口并报警，保证水电站现场生产的安全。

4　结论

随着区域电网的运行管理越来越精细化，单机容量较小、但数量众多的小水电站具备有功功率和无功功率的快速调节能力后，形成规模化的小水电群，参与区域电网的风光水气多种能源间的闭环协调控制，可以平抑风电、光伏等新能源并网后对电网造成的波动，具有一定的应用前景。

为了实现主站与众多子站间的协调、闭环控制，针对不同环境条件的水电站，研究了利用调度数据网和无线通信2种远动通道与六盘水主站通信的解决方案。采用调度数据网，从远动传输速度及信息量方面，能够满足示范系统的技术要求，通信速度较快、可靠性高、安全性好。而对于2个地理位置偏僻，没有调度数据网条件的水电站，根据电站当地的实际情况，采用了无线通信方式，从实际运行情况看，通信速度比有线慢，但是可行，同时采取了纵向加密等安全防护措施，有效解决了水电站参与分层闭环控制的远动通道问题。

随着无线通信技术的不断发展和网络覆盖区域的不断扩大，相信无线通信在电力系统监视及控制中的应用会越来越广泛，其灵活性、经济性一定会与有线通信的快速性、安全性有效互补，基于规模化小水电群的电站快速调节系统远动通道的构建模式也会不断完善和成熟，应用推广价值也会不断提高。

参考文献:

［1］姜哲，尹忠东.超级电容器在光伏并网系统功率控制中的应用［J］.储能科学与技术，2013，2(3) : 222－226.

［2］吴万禄，韦钢，谢丽蓉，等.风光水互补发电系统的优化配置［J］.电力与能源，2014，35(1) :88－92.

［3］丁晖.GPRS技术在电力SCADA系统中的应用研究［J］.电测与仪表，2007，44(8) : 25－27.

［4］曾伟，郑建勇，胡敏强.GPRS无线通信在监控装置中的应用研究［J］.电力自动化设备，2004，24(9) : 38－40.

［5］朱宁西，张齐.GSM网络短信息无线通信SCADA系统的实现［J］.华南理工大学学报，2003，31(12) : 9－12.

［6］湛开云，单荣荣，张鹏，等.IEC60870－5－101规约在海南配电自动化无线通信中的应用［J］.通信电源技术，2014，31(3) : 94－96.

(本文责编:刘芳)

徐玉韬(1986—)，男，安徽芜湖人，工程师，工学硕士，从事电力系统自动化方面的研究(E-mail: 95616048@ qq.com)。

作者简介:

基金项目:国家科技支撑计划项目(2013BAA02B02)

收稿日期:2015－10－14;修回日期:2015－12－30

中图分类号:TM 76

文献标志码:A

文章编号:1674－1951(2016)01－0005－04