风电场集成监控平台的研究

第39卷第6期电力系统保护与控制Vol.39 No.6 2011年3月16日Power System Protection and Control Mar.16, 2011

风电场集成监控平台的研究

乔 颖1，鲁宗相1，徐 飞1，王小海2，侯佑华2，朱长胜2

（1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京 100084；

2.内蒙古电力（集团）有限责任公司调度通信中心，内蒙古自治区 呼和浩特 010020）

摘要：实现风电场调度控制的自动化、常规化和智能化是其融入电网管理体系的关键。设计了风电场集成监控平台,在数据采集与控制系统的基础上，将风电场内所有设备组织成一个有机整体，可实现有功控制、电压控制、发电与检修计划安排等高级应用功能。平台以风功率预测为基础，制定发电、储能与检修计划，并报送电网调度中心，供后者编制全局优化方案；在运行时响应电网调度指令，实现闭环控制，使风电场真正成为电网的一个可预测、可调节和可靠的优质电源。

关键词：风电场；监控平台；风功率预测；协调调度；预测控制

Study on the integrated monitoring & control platform of wind farms

QIAO Ying1，LU Zong-xiang1，XU Fei1，WANG Xiao-hai2，HOU You-hua2，ZHU Chang-sheng2

（1. State Key Lab of Power Systems，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；

2. Dispatch Center of Inner Mongolia Power Company，Hohehot 010020，China）

Abstract：It is essential for wind farms to implement automatic，routine and intelligent control and dispatching so as to integrate themselves to power grid management．Based on wind farm SCADA system，this paper designs an integrated monitoring & control platform．The platform manages all equipments in a wind farm as a whole，and has comprehensive function such as active power control，voltage control，and generation & maintenance planning, etc．On the basis of wind power prediction，the platform can make plans of generation，storage，and equipment maintenance，then report them to grid dispatching center for global optimal plan; it real-time responses to dispatching orders in close loop mode．The platform helps the wind farm work as a predictable，controllable and reliable generation unit of good quality．

Key words：wind farm；monitoring & control platform；wind prediction；coordinate dispatching；predictive control

中图分类号： TM85 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2011)06-0117-07

0 引言

截止2008年底，我国风电装机容量超过1 200万kW，超过100万kW的省份达到了4个；预计到2020年，将建设千万kW级风电基地7个[1]。局部地区风力发电峰值占负荷比例已超过20%[2]，标志着这些地区电网已步入高风电渗透率阶段，对风电的调度也需要由被动接纳转入主动管理阶段。

实现风电场调度控制的自动化、常规化和智能化，使之具有与传统能源电厂相似的调节能力，是其融入现有电网运行管理体系的关键。相关基础技术涉及风功率预测、风电场单元设备控制技术、风机与变电站自动监控系统技术等多个方面。

风功率预测是目前国内外公认有效地提高风电可控性的关键基础技术。在风电装机容量较大的欧美国家，相关研究已相当成熟，有多套软件预测包（如Prediktor，Zephyr，eWind，Advanced WPPT 等）应用于发电计划与电力市场交易等[3]。我国近年也在开展算法研究[4-8]，但离实用还有相当距离。预测精度的主要制约因素是数值天气预报精度和现场数据积累程度。

单元设备的调节能力是风电场协调控制的基础。双馈与直驱等采用PQ解耦控制的风机可远程执行给定有功/无功/功率因数指令[9-11]。10~35 kV级SVC/Statcom动态无功补偿设备在风电场已有一定普及率。1~5 MJ/MW级超导储能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）基本技术成型，10 MW/MJ级电池储能技术在风/储发电系统已有成功示范[12-13]。

相对而言，我国风电场调度系统建设还处于初

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级阶段。现行风电场安装的变电站自动监控系统与风机数据采集与监视系统（SCADA）之间通信隔断，前者不提供对风机设备四遥的支持，后者采用私有规约甚至公网通信[14]，尚无法支持功能层对风电场各类可控资源进行有机整合。部分风机制造商提供以风机为受控对象的风电场有功/无功控制方案，但对风机与集中补偿设备之间如何联动、如何实时响应电网调度等问题的研究尚不充分[15-16]。

本文提出了一套完整的风电场集控平台设计框架，将风电场内的所有设备（包括风机、升压站、测风塔与风场馈线子网等）组织成一个有机整体，对外可接受电网统一调度，对内可协调监控风场设备，有效提高风场的可预测性、可靠性与可控性，使之能够像常规能源电厂那样融入电网调度体系，促进风电真正成为未来电网的优质电源。

本文将先介绍风电场集成监控平台的基本概念，然后具体讨论平台的结构与功能，特别是有功/无功控制、发电计划安排等电网密切关注的子模块，最后总结了平台建设的若干关键技术。

1 风场集成监控平台的基本概念

风电场集成监控平台是集现有风机SCADA和变电站SCADA为一体、并在此基础上实现自动闭环、协调控制风场内所有可调设备以满足风场并网综合需求的监控管理系统。

从风场角度来看，集控平台就是风场这个小网络的调度中心，进行功率预测，远程监控风机、馈线、升压站设备、储能、集中补偿电容器等设备，在确保风场安全经济运行的同时，使公共接入点状态满足电网调度需求。

从电网角度来看，集控调度平台使风场成为一个行为可预测、状态可控制和具有较高可靠性的发电单元。电网可以发送指令，使其参与频率和电压的调整、甚至紧急控制，从而实现全网的安全稳定与优化运行。

与现有的风电场SCADA相比，集控平台的突出特点如下：

①主动控制：改变现有风电场类似负荷的工作模式（如不干涉有功出力、被动进行无功补偿等），采用基于预测的主动控制，在尽可能不弃风的前提下控制有功、提高并网点电压－无功水平。

②集群控制：平台考虑风机的群体效应和集中补偿设备的协同效果、以提高风场整体输出特性为设计依据。平台不需要更改现有风机控制器设计，而是利用简单远程指令（如定无功、定功率因数、有功输出限制和起停等）的有机组合来实现调频、调峰、调压等复杂的风电场控制，更易为风场业主接受。

③多目标协调控制：平台不仅在风机与集中补偿设备之间协调，也在紧急控制与校正控制之间、有功控制与无功控制等不同控制目标进行协调。

④事件驱动型控制：由于风能的随机性与波动性，风电场的最优运行点、稳定域边界也时刻变化。平台采用离散事件驱动型控制，将有悖并网要求的越限状态、风电场安全裕度降低和电网调度指令等都视为出发控制的基本事件，激发相应设备动作。

2 风场集成监控平台的功能与结构

2.1 风电场并网控制需求

电力系统对并网风场提出了综合控制需求，涉及有功控制（一次/二次调频、调峰）、无功控制（电压稳定、无功优化）、电能质量（谐波、闪变、电压合格率）和紧急控制（低电压穿越、电压/频率支撑）等各个方面[17]。风电场除了尽量利用风机控制能力之外，往往辅以多种集中补偿设备，其时间常数分布从毫秒到小时不等。设备的时间常数与并网控制需求之间的匹配关系总结如图1所示。

图1风电场并网控制需求与可控设备时间常数对比Fig.1 Comparison of grid integration requirements and

time constant of controllable equipments in wind farms

总地来讲，谐波与闪变的抑制、紧急控制等对响应速度要求很高的功能主要依赖可控设备的本地控制实现，而调频、调压、无功优化等需要配合电网进行的控制，由平台集中协调。

2.2 平台整体结构

风场集成监控平台的基本结构与电网能量管理系统类似，由以四遥为核心的风电场SCADA（基础层）及其高级应用（功能层）构成，如图2所示。

风电场SCADA在传统电力系统SCADA的基