基于物联网技术的风电场无功调度系统设计

张志明,朱群强, 张宇舟,肖文君

(1.湖南劳动人事职业学院,湖南 长沙 410137;2.湖南湘投新能源有限公司,湖南 长沙 410036)

0 引言

当前各风电场的无功补偿装置(Static Var Generator,SVG)采用的方式为人工切除和选择补偿模式。人工切除和选择补偿模式是当风电场需要进行无功补偿时,风电场集控中心通知工作人员根据现场情况切换无功补偿方式,此操作过程需要大量专业人员进行熟练配合才能完成,因此,这样的人工操作具有反应时间长、操作效率低、存在安全事故等缺点[1]。除此之外,低效的人工SVG运行和维护,不仅影响了风电场本身的生产效益,还会因未能及时投入SVG导致功率因数不达标而受到处罚,造成额外的支出。因此,急需解决这些问题。

如今大数据、云计算、物联网快速发展,在电力、医学、天文、交通等领域广泛应用。因此,可以采用物联网技术设计一套风电场SVG远程监控一体化系统方案[2]。该SVG远控系统包括了SVG系统投切、运行方式切换、对应指标的设定[3]。同时,利用该系统运行过程中产生和累积的大量数据,可预测设备状态的运行趋势,对风电机组进行系统调节,提高生产效率,降低运行成本[4]。

1 SVG监控系统的整体设计

整个SVG远程监控系统设计具体内容包括:系统底层数据的采集、通信环境建立与系统平台搭建以及SVG运行方式动态转换界面设计。采集控制器通过采集各类传感器数据,传输到数据库进行存储,并将这些数据发送给电脑和手机端,最终在风场集控中心的工作站实现人机交互和手机端远程监控的功能[5]。整个系统结构如图1所示。

图1 SVG监控系统结构

1.1 系统底层数据采集设计

该SVG远程监控系统在设计的时候,首先应先进行底层数据的采集,并构建SVG机房的通信网络。在SVG机房和设备周边加装温湿度传感器、粉尘传感器等终端设备,并通过采集控制器将采集到的传感器数据和SVG自身数据上传到前端处理器,完成对底层原始数据的采集[6]。整个系统经过现场勘察和评估设计,最终得到了如图2所示的系统数据采集框图。

图2 系统数据采集

1.2 系统通信网络搭建

该监控系统通信的建立是通过有线的网络进行。在机房安装SVG通信控制箱,内置工业网络交换机、前端处理器;在本地集控中心安装监控工作站。从SVG机房通信柜内的通信端子引出通信线接入通信控制箱中(以太网或者485通信端子),敷设通信控制箱到本地监控中心监控工作站的光纤,完成SVG监控网络搭建。

1.3 SVG运行方式动态转换界面设计

目前,SVG有4种运行方式:恒功率因素、恒电压、恒无功、负荷补偿[7]。根据风场的自然条件,当风场出力低,风机频繁偏航消耗无功,拉低电网并网点电压,SVG监控系统能跟踪并网点处功率因数补偿无功。当风场出力高,主变低压侧补充无功易导致并网点过压,SVG监控系统跟踪并网点处电压补偿无功[8]。当功率因数与电压均符合要求时,SVG可处于热备用状态,节省场用电,延长本体运行寿命。根据各风场风机布局、集电线路拓扑结构等具体情况,定制适“一场一策”配性的无功调度策略,设定特定触发条件,转换运行状态[9]。

除此之外,该SVG监控系统通过人工智能技术实现了智能化,通过接收SCADA系统里面的风机数据,解析出各台风机的风速、风向数据,并与风功率预测系统关联,形成单台风机小范围气象系统,对单台风机出力进行超短期预测,针对风电场微电网风机、集电线路等各点的电压情况和无功需求,可即时就近调整出力,实现无功就地平衡。贯通风电场内EMS、功率预测等各系统信息,实时分析风场电气状态,采用智能算法,减少或消除SVG或FC出力支撑,为风电场运行提供智能控制[10]。该系统智能化控制流程如图3所示。

图3 SVG监控系统智能化控制流程

最终将该SVG监控系统各个模块组装起来,经过多次运行调试,并将其应用于某风电场进行测试达到了预期的效果。

2 实验数据结果分析

将此套系统应用于湖南某风场,通过控制SVG接入电网的时间,不仅可以将SVG寿命延长,而且通过及时将SVG接入电网补偿无功功率,还可以取得良好的经济效益[11]。如表1所示,统计平均每月该风电场的电费处罚数据和功率因素。

表1 风电场装入该系统后的数据统计分析

如表1所示,通过将人工接入SVG月平均功率和系统自动SVG月平均功率统计对比分析看出(国家电网规定风电场的功率因素必须为0.95～1[12]),功率因素有了大大的提高,月产生的经济处罚数额大大减少,不仅给风电场带来了好的经济利益,而且大大提高了风电场的智能化水平。

3 结语

综上所述,SVG监控系统将各个模块组装安装调试成功,不仅实现了SVG的自动切换功能,避免了人工操作引起的安全事故,而且通过采集SVG机房中的数据和风机参数,实现SVG监控系统自动下发控制指令,对风电机组进行系统调节,提高了生产效率,降低了运行成本,保障了人身安全。未来,可进一步引入人工智能技术,将采集到的数据建立数据模型可实现SVG接入的智能决策,可为风电企业安全稳定发展,为国家能源发展、用电安全作出贡献。