摘要：由于风力发电系统自身固有的运行特点和控制特性，以及风电场接入电网方式，大规模风电接入电网后会对电网的暂态稳定、静态稳定、频率特性、电压稳定、短路容量、电能质量和继电保护等产生不同程度的影响，因此，风电场运行管理成为电网调度中心必须考虑的问题。本文介绍了系统的关键技术和功能。提出了风电场自动发电控制（AGC）方案和自动电压控制（AVC）方案。
关键词：风电场；监视控制；自动发电控制
目前，省级调度中心均已建设了能量管理系统（EMS），用于电网的监控与调度管理，但不具备风电场监控功能，监控范围只限于风电场接入电网的升压站。该风电场调度管理技术支持系统是省级调度中心实现风电场远程集中监控和调度的技术支撑手段。通过与EMS的无缝连接和应用集成，电网调度中心可以像调度常规发电厂一样对风电场进行在线功率和电压闭环控制，实现对大规模风电场的在线经济调度，保证电网的安全稳定经济运行。
一、风电场监视控制系统功能特点
调度中心风电场SCADA系统、NWP系统和风电功率预测系统分布运行，相互联系。风电场SCADA系统和NWP系统为风电功率预测系统提供功率预测所需基础数据；风电功率预测系统为风电场SCADA系统提供风电场功率预测结果，用于风电场功率电压控制。风电场本地控制系统主要完成本地控制功能。
1、调度中心风电场SCADA系统。作为面向风电场的监控系统，调度中心风电场SCADA系统在应用软件支撑平台、应用功能等方面进行了专门设计和开发。
系统的应用软件支撑平台作为系统的平台服务，为上层应用提供以下主要功能：① 分布式系统管理和监视；② 实时数据库和商用数据库有机结合的数据库管理平台；③分布式网络服务；④ 权限管理服务；⑤ 图形管理平台；⑥报表管理平台等。
系统的主要应用功能包括：① 数据采集和处理（采集内容包括风机状态、风速、风向、发电机转速、叶轮转速、环境温度、有功和无功功率、功率因数、频率、电流、电压和累计发电量等）；② 控制操作（自动发电控制（AGc）、自动电压控制（AVC））；③ 事件顺序记录及事故追忆；④ 报警处理；⑤ 图形曲线生成及显示；⑥ 报表管理；⑦数据计算和统计；⑧ 报文监视。
2、风电功率预测系统。风电功率预测系统基于Java技术和Oracle数据库，采用客户端／服务器结构模式。系统包含功率预测、风电监视、数据分析、程序管理等四大功能子系统，可以满足风电功率预测、实时风电监控、数据挖掘等综合性风电管理需求。系统支持预报员、调度员、管理员等不同角色用户的业务需求，提供具有针对性的后台模块与人机界面。风电功率预测软件可以实现单个风电场整场功率、指定区域风电功率总和以及全网风电功率总和的短期和超短期预测，也可对日前总发电量进行预测。
二、风电场监视控制技术实现
1、数据采集与传输。智能通信管理终端是实现风电场风电机组综合信息采集和传输的关键设备。遵循OPC标准规范口，风电机组监控系统作为OPC服务器，提供OPC接口。智能通信管理终端作为OPC客户端，通过内嵌客户端应用程序，基于OPC DA和XML DA规范，使用传输控制协议／因特网互联协议（TCP／IP）与不同生产厂家的风电场风电机组监控系统OPC服务器通信，采集风电场风电机组监控信息，并上传到调度中心风电场SCADA系统。智能通信管理终端采用4线专线模拟通道或通过路由器使用电力调度数据网2种方式，将风电机组监控信息上送到调度中心风电场SCADA 系统。由于传输的数据既有实时数据，也有历史数据和文件，通过IEC 60870—5—101和IEC 60870—5—104协议无法实现，因而专门编制了风电综合信息传输协议用于数据传输。
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2、风电场功率预测
NWP系统每天定时将各风电场气象预报结果形成E格式文本数据，通过本地服务器以文件传输协议（FTP）方式上传到调度中心NWP文件服务器指定目录下。
调度自动化综合数据平台经反向隔离设备，每天定时将Ⅲ区NWP文件服务器上的E格式文本数据传送到工区风电功率预测应用服务器。风电功率预测数据库／应用服务器定时从风电监控系统scADA数据库读取风电场风电机组风速、风向、功率，以及风电场升压站主变压器高压侧有功功率实时量测信息，从预测应用服务器读取气象预报结果进行风电场区域功率预测。
该电网风电功率预测系统采用了区域风电功率预测模式，预测目标是特定区域风电功率，即对特定地理区域内的所有风电场的总风电功率输出进行预测，预测最小单位是1个风电场的总风电功率输出，而不是单台风电机组的功率输出。结合该电网风电场实际情况，系统采用物理模型与统计模型相结合的方式，以内蒙古气象局中尺度NWP数据和风电场监控系统SCADA实测数据作为输入，采用反向传播（BP）神经网络方法进行区域风电功率预测。其中，实测数据用来建模和误差校验分析，NWP数据用来进行功率预测。
风电功率预测系统基于相似模型理论，通过选择最佳建模粒度，采用BP神经网络法描述局部天气要素与风电场功率输出的关系，进行功率预测。本系统BP神经网络选择隐含层神经元个数为5或7，最佳学习次数为100，用于功率预测。
三、风电场功率和电压自动控制
通过与调度中心EMS和风电场控制系统进行应用集成，调度中心可实现对风电场的AGC 和AVC。
1、风电场AGC。目前，电网通过4条500 kV线路采用联络线频率偏差控制方式参与该区域电网的AGC。控制目标是维持系统的频率及联络线净交换功率为计划值，各控制地区根据其区域控制误差ACE控制地区内的电厂机组出力，自行平衡其负荷波动。考虑风电场后，调度中心EMS的AGC模块在进行ACE计算时，需要把参与AGC调节的风电场考虑在内，把整个风电场当做1台常规发电厂机组对待，机组实际有功出力为风电场升压站主变压器高压侧有功功率，机组可能出力以风电场功率预测结果为基础。
由于目前风电场自动控制系统还在试验中，AGC综合指令直接下发到风电场监控系统，由风电场监控系统控制分配各台风电机组的有功出力。
2、风电场AVC。该电网AVC模式为无功电压全局优化，分区分级协调控制，控制对象为发电厂和变电站，控制目标为各分区中枢点母线电压在合格范围内。
针对风电场的无功电压控制策略是控制风电场升压站高压侧母线电压值在合理范围内，即风电场并网公共连接点（PCC）的电压值在合格范围内。对于风电场高压侧电压控制，只需利用常规信号就能控制风电场出口升压变压器高压侧电压为目标设定值，具有很好的经济性。该控制策略缩短了风电场与负荷间的电气距离，提高了风电场无功补偿能力，减少了风速扰动时母线电压的波动。同时，与故障情况下的紧急电压控制方案相结合，提升了电网故障下的电压水平，从而电压水平的提高使得风电场可以输出更多的有功功率。与功率因数控制和传统的电压控制策略相比，有效地提高了风电场故障穿越能力。具体控制目标由风电场本地控制系统实现。这是一个多目标、多系统协调优化控制过程，需要风电场本地升压站综合自动化系统、风电场监控系统、风电场自动控制系统和无功补偿设备共同完成。需要制定考虑有载调压变压器、集中补偿电容器和双馈风力发电机等多种无功源设备的协调控制策略。
目前，调度中心风电场SCADA系统、NWP系统、风电功率预测系统3个子系统已在内蒙古西部电网调度中心投入运行。
参考文献：
[1]王少蕊.关于电厂升压站的优化设计问题探讨[J].中国新技术新产品，2012，（13）.
[2]王鑫明，刘建州.浅析发电厂升压站电气监控系统的技术应用[J].中国高新技术企业，2012，（19）.
论文作者:周鑫
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/20
标签：风电场论文; 功率论文; 风电论文; 系统论文; 电压论文; 电网论文; 机组论文; 《基层建设》2018年第18期论文;