新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

馬 樂

（中國三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司山西分公司，山西 太原 030000）

新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)需要根據(jù)負(fù)荷需求、電網(wǎng)運(yùn)行情況控制分布式發(fā)電設(shè)備，使其靈活接入或者脫離電網(wǎng)，并提高電壓、潮流等參數(shù)的平穩(wěn)性。根據(jù)國內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)狀，該系統(tǒng)應(yīng)該具備電力數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、下達(dá)指令以及遠(yuǎn)程控制等功能，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)為軟、硬件設(shè)備的交互方式。

1 新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)基本構(gòu)成

1.1 新能源發(fā)電的特點(diǎn)

新能源發(fā)電方式包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及水力發(fā)電等，以并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，其基本構(gòu)成包括光伏陣列、電壓/功率自動控制裝置（光伏AVC/AGC）、并網(wǎng)逆變器以及計(jì)量與切換裝置，經(jīng)過電能計(jì)量裝置后并入電網(wǎng)。由于太陽能、風(fēng)能以及水利資源穩(wěn)定性較低，將其接入電網(wǎng)后有可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，因此需要設(shè)計(jì)并網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)，達(dá)到協(xié)調(diào)發(fā)電端和用電端的目的。

1.2 電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)基本構(gòu)成

電網(wǎng)自動化調(diào)度主要依賴能量管理系統(tǒng) （Energy Management System，EMS）和配電管理系統(tǒng)（Distribution Management System，DMS），核心子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)和自動發(fā)電控制系統(tǒng)。

1.2.1 核心子系統(tǒng)

1.2.1.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）具有數(shù)據(jù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警、參數(shù)調(diào)節(jié)以及設(shè)備控制等功能，是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視和電力設(shè)備遠(yuǎn)程自動化控制的重要技術(shù)，其主要構(gòu)成包括遠(yuǎn)程終端（Remote Terminal Unit，RTU）、通信網(wǎng)絡(luò)以及主終端單元（Main Terminal Unit，MTU）[1]。MTU是SCADA系統(tǒng)的核心組件，由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器構(gòu)成，可以保存電力數(shù)據(jù)。

1.2.1.2 自動發(fā)電控制系統(tǒng)

自動發(fā)電控制系統(tǒng)（Automatic Generation Control，AGC）是EMS系統(tǒng)的重要組成部分，由電廠級控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及主站控制系統(tǒng)構(gòu)成，通過負(fù)荷預(yù)測結(jié)果、新能源發(fā)電計(jì)劃、機(jī)組信息以及交換計(jì)劃等形成綜合性的發(fā)電計(jì)劃，在該基礎(chǔ)上跟蹤控制區(qū)域電網(wǎng)，從而確定發(fā)電機(jī)的輸出功率。

1.2.1.3 經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制系統(tǒng)

經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制（Economic Dispatch Control，EDC）系統(tǒng)可以控制電力系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)的出力分配，并將電網(wǎng)的運(yùn)行成本降至最低水平，EDC可以設(shè)置在AGC系統(tǒng)中，也可以獨(dú)立設(shè)置。

1.2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及功能分析

根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要功能為新能源自動發(fā)電控制、電力數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制以及電力信息化管理。以電力信息管理功能為例，其作用是生產(chǎn)電力大數(shù)據(jù)報(bào)表、采集和匯總電能交易數(shù)據(jù)。

圖1 新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

2.1.1 數(shù)據(jù)庫選型

電力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)大多具有結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，因此可以采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲電力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫為SCADA、AGC等各子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲、查詢和管理服務(wù)。常用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為Mysql、SQL Server。選型階段需要考慮數(shù)據(jù)庫的存儲能力、并發(fā)能力、擴(kuò)展能力、查詢能力、安全性、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)能力[2]。SQL Server屬于中型數(shù)據(jù)庫，可以支持中大型項(xiàng)目開發(fā)，應(yīng)用廣泛于海里數(shù)據(jù)存儲任務(wù)中。Mysql為中小型數(shù)據(jù)庫，屬于開源產(chǎn)品。從性能來看，SQL Server的查詢能力、并發(fā)能力更強(qiáng)，因此以SQL Server為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

2.1.2 表和字段設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中需要創(chuàng)建的數(shù)據(jù)表為新能源發(fā)電站信息主表（Data_Record）、電能交易數(shù)據(jù)表（Ammeter_Record）、發(fā)電站故障信息表（Electrical_Faults_Record）、遠(yuǎn)程終端信息表（Rtu_Record）以及主站操作記錄表（Operation_Record）。以Data_Record表為例，其字段名稱、字段類型以及字段長度見表1。

表1 新能源發(fā)電站信息主表字段設(shè)計(jì)示例

2.2 SCADA子系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 通信規(guī)約設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1.1 通信規(guī)約整體架構(gòu)

通信規(guī)約需要實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備通信和軟件通信功能，在軟件層面依托TCP/IP協(xié)議，在硬件層面主要采用問答式遠(yuǎn)動通信規(guī)約（Polling）。其中，Polling規(guī)約是一種異步通信方式，由調(diào)度端向RTU設(shè)備發(fā)送查詢命令報(bào)文，在調(diào)度端獲得子站的響應(yīng)數(shù)據(jù)后，才能進(jìn)行新一輪的查詢。為了保證通信的實(shí)時(shí)性和可靠性，硬件通信還應(yīng)支持循環(huán)式遠(yuǎn)動規(guī)約（Cycle Distance Transmission，CDT），將其作為Polling規(guī)約的補(bǔ)充方案[3]。CDT屬于同步通信方式，通信過程的主動方為RTU裝置，可以通過固定頻率循環(huán)向調(diào)度端上傳數(shù)據(jù)。

2.2.1.2 通信報(bào)文格式設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)圖可知，通信模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心主站與RTU裝置的通信功能，報(bào)文是通信過程的數(shù)據(jù)交互方式，報(bào)文具有固定的格式，以便通信時(shí)獲取、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的報(bào)文格式包括6個(gè)字段，分別為起始字段、地址字段、功能字段、數(shù)據(jù)字段、校驗(yàn)字段以及結(jié)束字段，均采用16進(jìn)制。RTU裝置的微機(jī)地址存儲在地址字段中，RTU運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的故障信息和RTU的運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)字段中，校驗(yàn)字段采用16位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check，CRC），可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴Ｒ詧?bào)文中的地址字段為例，其存儲方式為16進(jìn)制數(shù)值，取值包括01H、FEH等，地址字段可以存儲現(xiàn)場工控微機(jī)的信息。

通信系統(tǒng)的報(bào)文分為5種類型，包括狀態(tài)檢測、遙控操作、廣播校時(shí)、RTU應(yīng)答以及RTU數(shù)據(jù)主動上傳。這些報(bào)文可以完成2種數(shù)據(jù)交互，一種是點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送，例如監(jiān)控中心主站可以通過狀態(tài)檢測報(bào)文查詢某個(gè)RTU裝置當(dāng)前的工作狀態(tài)；另一種是一對多數(shù)據(jù)傳送，例如廣播校時(shí)報(bào)文。當(dāng)RTU現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可以主動上傳報(bào)文，將故障參數(shù)傳遞給監(jiān)控中心，對應(yīng)的故障碼會自動入庫，RTU故障碼采用二進(jìn)制，存儲內(nèi)容見表2。

表2 報(bào)文中數(shù)據(jù)字段RTU故障信息示例

2.2.2 SCADA系統(tǒng)監(jiān)控中心主站設(shè)計(jì)要點(diǎn)

監(jiān)控中心主站由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)的軟件操作界面構(gòu)成，主站服務(wù)器不斷與遠(yuǎn)程部署的RTU裝置進(jìn)行信息交互，后者通過IP地址訪問主站服務(wù)器。主站軟件的工作流程為初始化→啟動GPRS服務(wù)→顯示監(jiān)控主界面→發(fā)送指令→獲取RTU數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)解析→數(shù)據(jù)存儲入庫→生成數(shù)據(jù)報(bào)表或運(yùn)行曲線[4]。

2.3 AGC子系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.3.1 AGC子系統(tǒng)建模分析

2.3.1.1 AGC系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組建模

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，將風(fēng)輪產(chǎn)生的實(shí)際有功功率記為PWTG，那么功率、風(fēng)機(jī)槳距角和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的額定轉(zhuǎn)速在某一時(shí)刻的變化值分別如公式（1）～公式（3）所示。

式中：ρ為空氣密度；A為風(fēng)機(jī)的掃風(fēng)面積；Cp為風(fēng)機(jī)的效率系數(shù)，Cp≤0.593；Vw為實(shí)際風(fēng)速；λ為葉尖速比；θ為風(fēng)機(jī)槳距角；Kp為控制器的比例環(huán)節(jié)參數(shù)；Kc為槳距控制增益參數(shù)；Ki為控制器的積分環(huán)節(jié)參數(shù)；ωg、ωf和ωrated分別為風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速[5]；τg為時(shí)間常數(shù)；ω'f為ωf在某一時(shí)刻的變化值。

2.3.1.2 AGC系統(tǒng)光伏發(fā)電機(jī)組建模

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，將其實(shí)際輸出功率記為Ppv，如公式（4）所示。

式中：η為將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率；S為光伏陣列的有效光照面積；Φ為太陽的光照強(qiáng)度；Ta為環(huán)境溫度。

在光伏發(fā)電機(jī)組投入使用后，參數(shù)S和η基本不變，室外溫度對系統(tǒng)的影響相對較小，可以不考慮，此時(shí)機(jī)組輸出功率的主要影響因素為光照強(qiáng)度。

2.3.1.3 AGC系統(tǒng)控制模型建模

AGC子系統(tǒng)的核心控制目標(biāo)包括3個(gè)：1） 將發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)頻率誤差和累積頻率誤差控制在合理范圍內(nèi)。2） 控制互聯(lián)電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線凈交換功率，使其在計(jì)劃區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。3） 提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。將自動發(fā)電控制系統(tǒng)控制區(qū)域的誤差記為ACE，如公式（5）所示。

式中：Ps為控制區(qū)內(nèi)的計(jì)劃交換功率；Pa為相應(yīng)控制區(qū)的凈交換功率；fa、fs分別為系統(tǒng)實(shí)際頻率、目標(biāo)頻率；K為區(qū)域頻率控制偏差常數(shù)；ΔP為計(jì)劃交換功率減去凈交換率的數(shù)值；Δf為系統(tǒng)實(shí)際頻率減去目標(biāo)頻率的數(shù)值。

2.3.2 AGC子系統(tǒng)控制模式設(shè)計(jì)

新能源發(fā)電以清潔能源為主，可以減少碳排放，因此具有優(yōu)先調(diào)度權(quán)，通常要充分使用新能源電站產(chǎn)生的電能，其他電力缺口由傳統(tǒng)火電補(bǔ)充[6]。新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)通過監(jiān)控中心主站向遠(yuǎn)程部署的RTU裝置發(fā)送指令，由RTU裝置采集現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而向新能源電站下達(dá)發(fā)電指令，如果新能源電站不具備發(fā)電條件，那么監(jiān)控中心向設(shè)備發(fā)送停止發(fā)電的指令，相應(yīng)的報(bào)文見表3。以光伏發(fā)電的自動化調(diào)度為例，系統(tǒng)通過時(shí)段（白天）、天氣數(shù)據(jù)（天氣晴好）自動向光伏電站發(fā)送啟動發(fā)電的指令，當(dāng)時(shí)間接近傍晚或者天氣為陰天時(shí)，系統(tǒng)自動向光伏電站發(fā)送停止發(fā)電的指令。

表3 AGC子系統(tǒng)啟動發(fā)電和停止發(fā)電的通信報(bào)文示例

2.4 經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.4.1 經(jīng)濟(jì)調(diào)度數(shù)學(xué)建模

經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制（Economic Dispatch Control，EDC）子系統(tǒng)可以通過電力調(diào)度使電網(wǎng)和新能源電站的運(yùn)行費(fèi)用降至最低，達(dá)到系統(tǒng)效益最大化的目標(biāo)，該過程的數(shù)學(xué)模型如公式（6）所示。

式中：F為經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制數(shù)學(xué)模型；N為新能源電站的待選總數(shù)目記；ei為電網(wǎng)中新能源電站的并入數(shù)量（i=1，2，...，N）；cfi為第i個(gè)新能源電站的單位容量投資費(fèi)用；cri為第i個(gè)新能源電站單位容量的替代費(fèi)用；pREGi為第i個(gè)新能源電站的容量；pt為時(shí)段t對應(yīng)的電網(wǎng)電價(jià)；pst為輸出電網(wǎng)的供電功率。

針對公式（6）存在一定的約束條件，將新能源電站輸出功率記為PREG，則有pst+PREG=LR（LR為對應(yīng)時(shí)段的總負(fù)荷需求）。針對經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型也存在一定的約束條件，將新能源發(fā)電機(jī)組的最大容量記為Pmax，要求PREG≤Pmax；將電網(wǎng)最大傳輸功率記為Pstmax，要求pst≤Pstmax。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制子系統(tǒng)的控制模式設(shè)計(jì)

新能源發(fā)電站并入電網(wǎng)需要滿足一定的條件，要求并網(wǎng)逆變器的輸出頻率、電流相位以及輸出電壓與電網(wǎng)的對應(yīng)參數(shù)保持一致，并網(wǎng)逆變器根據(jù)相關(guān)條件自動并入電網(wǎng)或者脫離電網(wǎng)。在新能源發(fā)電設(shè)備進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，由RTU裝置采集天氣數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，再由監(jiān)控中心主站從RTU裝置獲取這些數(shù)據(jù)，從而通過發(fā)送指令的方式自動并入電網(wǎng)[7]。并網(wǎng)時(shí)的報(bào)文同樣為6個(gè)字段，核心字段為工控微機(jī)地址、功能字段、校驗(yàn)字段以及數(shù)據(jù)字段。以光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電通信報(bào)文功能字段為例，其主要存儲內(nèi)容為天氣編碼，部分編碼信息見表4。當(dāng)報(bào)文功能字段存儲內(nèi)容為00H、05H時(shí)，新能源電站可以自動并入電網(wǎng)；當(dāng)功能字段存儲內(nèi)容為01H、02H、03H、04H、06H以及07H時(shí)，光伏電站自動脫離電網(wǎng)。

表4 部分天氣的編碼信息

2.4.3 基于經(jīng)濟(jì)調(diào)度的并網(wǎng)控制策略

為了提高并網(wǎng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和效率，針對不同類型的新能源發(fā)電機(jī)組，可以采取差異化的并網(wǎng)控制策略。

2.4.3.1 光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略

光伏發(fā)電通過并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，其能量變換分為2級，分別為DC-DC和DC-AC。DC-DC變換可以調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)，使其追蹤最大功率。DC-AC環(huán)節(jié)稱為逆變環(huán)節(jié)，其作用是確保輸出電流與電網(wǎng)電壓相位相同，以上過程由專門的控制電路完成，例如采用TMS2812芯片進(jìn)行控制。在大型光伏電站中，光伏陣列的面積較大，為了更好地追蹤最大功率，提高光伏并網(wǎng)發(fā)電能力，可以設(shè)置若干個(gè)支路，分區(qū)域?qū)嵤〥C-DC變換過程，再集中進(jìn)行DC-AC逆變過程，使每個(gè)支路都在最大功率點(diǎn)上工作。

2.4.3.2 風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略

風(fēng)力發(fā)電受到風(fēng)量、風(fēng)速的制約，需要根據(jù)發(fā)電效率切換并網(wǎng)發(fā)電的機(jī)組。小型風(fēng)電設(shè)備可在較小的風(fēng)速和風(fēng)量下工作，其適用性更高。大型風(fēng)機(jī)設(shè)備可以在單位時(shí)間內(nèi)將更多的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，但是其對風(fēng)量和風(fēng)速的要求較高。在經(jīng)濟(jì)調(diào)度中，應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)組的功率切換大、小風(fēng)機(jī)，以獲得最高的并網(wǎng)效率。例如在小發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電期間，由EDC系統(tǒng)檢測其輸出功率，如果瞬時(shí)功率在檢測時(shí)間內(nèi)超過額定功率的20%，并且120 s內(nèi)的平均功率大于閾值，就切換至大發(fā)電機(jī)。

3 結(jié)語

該文建立的新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)由監(jiān)控中心主站、RTU裝置和GPRS-Internet通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，設(shè)計(jì)重點(diǎn)包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、通信規(guī)約、通信報(bào)文的結(jié)構(gòu)形式、SCADA子系統(tǒng)、AGC子系統(tǒng)以及EDC子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server；軟件通信規(guī)約運(yùn)用TCP/IP協(xié)議，硬件通信可以綜合運(yùn)用Polling規(guī)約和CDT規(guī)約；報(bào)文格式包括起始字段、功能字段、數(shù)據(jù)字段、地址字段、校驗(yàn)字段以及結(jié)束字段。