流域集控中心水光一体联合控制系统研究

贵州黔源电力股份有限公司集控中心 张显 胡毅 南京河海南自水电自动化有限公司 刘艳娜

1 引言

随着“双碳”目标的提出，“十四五”推动大型流域梯级风光水多能互补清洁能源示范基地的建设，形成类型、规模、外送方式各异的大规模多源多网混合发电系统，具有不确定性、复杂异构并网、跨流域跨电网互联等全新特点和复杂要求。研制应用于大型流域级水电与新能源互补控制系统，充分发挥多能源间互补效益，保障系统安全稳定运行，解决多能互补系统在发电预测、电力电量互补调度运行和集成监控等方面的科学难题和技术瓶颈，对我国多能互补清洁能源基地建设和发展具有重要意义。

於益军等[1]研究设计风光储联合发电监控系统的总体建设方案、关键技术、主要功能，并应用于国家风光储输示范工程。叶林等[2]研究发现结合多能互补发电系统的运行特点，构建基于互补系数将分系统评价与联合发电系统评价相结合的风光水互补特性的指标评价框架。徐锦才等[3]研究发现，以水、风、光多能互补分布式供电试验平台为依托，通过仿真模拟和试验对比，研究基于水电的多能互补分布式供电技术。康本贤[4]研究发现龙羊峡水光互补项目关键技术部分研究成果。另外也有学者研究智能电厂云控制系统的整体结构，利用机器学习算法预风光测功率输出，通过实时滚动优化预测水电就在调度策略，保证绿色能源互补发电的鲁棒性和并网消纳程度。

流域级水光互补发电系统具有地域分散的特点。不同水电站之间相隔一定距离，厂区分散，不便于指挥生产。各个电站开发方式、布置形式、机组型号和容量不同，使得生产技术管理复杂化。光伏电站同样具有较广的分布面积，因设备、光照、气候、环境的不同，各子系统发电情况也不同。流域级水光互补系统一般将光伏电站接入水电站，经水电站进行波动平抑后形成稳定电能经水电站送出线路接入电网。

2 系统设计

2.1 设计原则

一是分层分布、开放式结构：便于功能和硬件的扩充，满足多个水电站、光伏站及相应的内部各种子系统模块的接入要求，设置成熟、可靠的标准化软硬件接口。

二是可靠性，系统采用全冗余双网结构（A/B网），使用技术成熟的产品，精度高、可靠性高、性能稳定，不会因个别设备或系统故障造成整个系统主要功能的误动或崩溃。

三是标准化，遵循国家颁布的最新的有关法规、标准、规程规定，遵循相关行业的法规、规程。

四是可维护性，系统采用模块化设计，易于维护和扩展。

五是易学易用性，整个系统使用全中文化的设计，友好的图形化界面，管理员可以很容易地掌握系统使用方法，实现系统管理和配置。

六是容错性强，具有较完备的错误处理能力。

2.2 系统结构设计

流域集控中心水光一体联合控制系统如图1所示。

图1 流域集控中心水光一体联合控制系统

包括水电站、光伏电站。光伏电站接入水电站集控中心，用水电资源的调节性能优化光伏发电，为电网提供更优质的电能。图1中粗实线表示电流流动方向，梯级水电站和光伏电站将电力送入电网。细实线表示梯级水电站、光伏电站、上级调度系统和水光联合控制系统之间的数据信息流动方向。

水光一体化联合控制系统通过通讯网络接入气象站观测信息、数值天气信息、水情预报信息以及光伏站、水电站发电信息等场站全景信息，进行综合分析和处理，向各场站发布发电调度控制信息，实现水光联合发电的实时监控、优化调度、功率预测等功能。

2.3 功能设计

传统模式中水电、光伏控制系统相互独立、无法共享信息数据，难以满足联合发电系统的运维需求和精细化管理要求。流域集控中心水光一体联合控制系统基于一体化设计原则，通过优化调度水电、光伏发电的功率输出发挥水光互补联合发电的优势，有效改善光伏发电的间歇性、波动性等特性并提高发电设备利用小时数。水光一体联合控制系统通过统一业务平台实现实时监视、功率预测、有功/无功控制、发电预警等功能。

流域集控中心水光一体联合控制系统根据可再生能源发电系统数字化、智能化相关行业标准和国家标准规范研制，由数据服务、基础服务、基本应用等部分构成，为设备或系统接入以及应用组件运行提供标准接口、数据管理以及人机接口定制，支持结合工程需要，进行应用功能的定制开发与完善，构建水光一体联合控制系统数据共享、集中管控与协同互动的软硬件平台。

2.4 网络层次设计

系统依托水电控制系统架构，采用分层分布式冗余结构，不同功能分布于各层次，各层间“安全分区，网络专用，横向隔离，纵向认证”，各类数据流互不干扰、各层故障不会影响其他层次功能运行，提高系统的实时性、安全性、可靠性、可维护性。流域水电站群和光伏电站群统一设置域级一体化集控中心，管理下属水电站和光伏电站。集控中心下设场站级、现地级和现地控制单元、分层分布式部署不同功能组件、软硬件体系等，通过统一的数据支撑平台和数据总线，实现区域级对厂站级、现地级和现地控制单元的实时控制和数据反馈。区域级集控中心采用千兆以太网络构建，双网结构，配置各水电站、光伏电站子网接入。流域集控中心设置水光互补优化调度模块，根据电调任务统筹规划水电、光伏负荷分配。

2.5 数据集成

当前国内外有多种异构、互不兼容的水光监控系统，使调度中心难以及时掌握发电系统运行状态并及时响应、制定和实施调度决策。

流域梯级水光一体化系统针对计算机监控专业领域所需的设备、数据建立模型，形成标准、稳定、唯一的数据表示和访问路径，构建标准化模型库。构建多系统全景状态数据集成方法，包括对数据进行统一编码，建立基于冗余校验、状态关联、延时聚类的数据清洗策略。基于工况和事件牵引的设备和功能交叉的多层次、多来源数据的数据集成。根据数据不同时间尺度及功能、用途对数据进行选择性存储。

水光一体联合控制系统对互补系统全景数据同步、交换、对外通信、模型等进行统一管理，集中进行备份、审计、日志，以提高数据质量，进而保证应用功能高效、稳定运行。利用不同管理区的数据中心与实时数据总线实现各类数据源共享，在此基础上实现信息互动、综合监控、智能决策等应用。共同在数据集中、模型集中、信息集中的基础上，通过各个环节、各专业的专家对产生的历史数据和实时数据进行分析处理，利用分析模型、数据挖掘等先进技术，提供设备信息管理、多系统联动、智能告警应用等多个智能高级应用，为生产运行提供辅助决策。实现水光发电系统信息的统一采集和处理，同时采用可视化技术，为联合控制系统提供包括测点、设备、系统、区域等不同层层次、不同分区的全方位多视角呈现，满足控制系统实时性要求。

3 系统应用

3.1 运行监视

系统利用层次分明的多主题窗口和可视化技术，实现水光互补系统生产大数据的全景展示与分析。系统精准采集、汇聚来自监控系统、在线监测系统、水情自动化系统、大坝自动系统、光伏功率预测系统、水电/光伏故障诊断系统、微机五防系统、通风控制系统、门禁系统、工业电视系统、消防系统等的联动系统的有效“生产大数据”，将测点、设备、区域、系统与工况、事件、时间相关联，完成由点到过程的全方位监控。

系统具有功能完备的智能告警策略配置功能、形式多样的报警方式。系统将诸如线路中断、测量超限、控制异常、状态异常等事故统一上送到报警平台，对数据进行基本处理后，根据报警策略完成智能分级报警，按照预定通知策略采用OnCall通知或广播指令系统即时通知到对应的责任人并形成报警记录。

系统对水光互补生产大数据的全景监视与完备的报警平台，实现设备可靠测量、控制、保护等基本功能，确保互补系统生产运行的安全可靠、经济高效。

3.2 经济运行控制

对通过水电送出线路实现光伏并网的梯级水光互补系统，将光伏电站作为水电站的一台不可调节、不稳定出力的机组或电站，利用EDC、AGC 系统，通过调节其他可控水电站和水电机组，达到“削峰填谷”“平滑出力”“经济运行”的目的，提高互补系统电能质量。

水光互补系统AGC有光伏发电最大出力、跟踪调度计划两种运行策略。光伏发电最大出力不限制光伏发电的功率输出，仅在影响电网安全时进行紧急控制。跟踪调度计划是水光互补联合控制系统根据上级调度要求实时调度光电和水电出力，使系统总输出功率尽可能接近计划值、以满足电网调度计划优先。

EDC 系统主要对梯级水电站进行调度。在光伏出力之外，调节各级水电站、机组负荷以最经济的方式提供剩余电力，保障系统满足调度要求。EDC系统综合考虑光伏发电预测、水库调度、机组容量、机组运行工况(汽蚀区、震动区)、机组耗量特性等多方面因素，遵循避开震动区、不频繁跨域震动区、尽量少调功率范围、预先定义机组有功调节步长等策略调节水电站机组有功，将水电站和光伏电站总负荷维持在调度给定的目标负荷。

4 结语

本文完整介绍流域集控中心水光一体联合控制系统，涵盖系统架构、软件功能、网络结构、数据集成和系统应用等方面内容，各功能模块之间的性能稳定、运行流畅，系统易于拓展、使用方便、功能实用，促进了流域级水光互补发电系统安全经济运行水平的提升和水、光资源的充分利用。

水光互补一体化控制系统实现了水光联合发电系统的监视与协调控制。通过水电系统与光伏发电系统的协调，不仅有效减小了光伏发电对电力系统的冲击和影响，而且提高电网对大规模新能源的接纳能力，对促进国内新型电力系统的发展和调度控制的智能化建设具有重要意义。