新能源发电并网调度自动化系统设计要点

马 乐

（中国三峡新能源（集团）股份有限公司山西分公司，山西 太原 030000）

新能源发电并网调度自动化系统需要根据负荷需求、电网运行情况控制分布式发电设备，使其灵活接入或者脱离电网，并提高电压、潮流等参数的平稳性。根据国内的技术现状，该系统应该具备电力数据采集、传输、存储、下达指令以及远程控制等功能，其设计重点为软、硬件设备的交互方式。

1 新能源发电并网调度自动化系统基本构成

1.1 新能源发电的特点

新能源发电方式包括光伏发电、风力发电以及水力发电等，以并网光伏发电系统为例，其基本构成包括光伏阵列、电压/功率自动控制装置（光伏AVC/AGC）、并网逆变器以及计量与切换装置，经过电能计量装置后并入电网。由于太阳能、风能以及水利资源稳定性较低，将其接入电网后有可能导致系统失稳，因此需要设计并网调度自动化系统，达到协调发电端和用电端的目的。

1.2 电网调度自动化系统基本构成

电网自动化调度主要依赖能量管理系统 （Energy Management System，EMS）和配电管理系统（Distribution Management System，DMS），核心子系统为数据采集与监视控制系统和自动发电控制系统。

1.2.1 核心子系统

1.2.1.1 数据采集与监视控制系统

数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）具有数据监视、数据采集、故障报警、参数调节以及设备控制等功能，是电网实现运行数据监视和电力设备远程自动化控制的重要技术，其主要构成包括远程终端（Remote Terminal Unit，RTU）、通信网络以及主终端单元（Main Terminal Unit，MTU）[1]。MTU是SCADA系统的核心组件，由计算机、数据库和服务器构成，可以保存电力数据。

1.2.1.2 自动发电控制系统

自动发电控制系统（Automatic Generation Control，AGC）是EMS系统的重要组成部分，由电厂级控制系统、数据传输系统以及主站控制系统构成，通过负荷预测结果、新能源发电计划、机组信息以及交换计划等形成综合性的发电计划，在该基础上跟踪控制区域电网，从而确定发电机的输出功率。

1.2.1.3 经济调度控制系统

经济调度控制（Economic Dispatch Control，EDC）系统可以控制电力系统中各发电机的出力分配，并将电网的运行成本降至最低水平，EDC可以设置在AGC系统中，也可以独立设置。

1.2.2 系统整体结构及功能分析

根据电网调度自动化系统的核心子系统，其整体结构如图1所示，主要功能为新能源自动发电控制、电力数据采集与监控、电网经济调度控制以及电力信息化管理。以电力信息管理功能为例，其作用是生产电力大数据报表、采集和汇总电能交易数据。

图1 新能源发电并网调度自动化系统整体架构

2 新能源发电并网调度自动化系统设计要点

2.1 数据库设计

2.1.1 数据库选型

电力系统的运行数据大多具有结构化的特点，因此可以采用关系型数据库存储电力数据，数据库为SCADA、AGC等各子系统提供数据存储、查询和管理服务。常用的关系型数据库为Mysql、SQL Server。选型阶段需要考虑数据库的存储能力、并发能力、扩展能力、查询能力、安全性、数据备份和恢复能力[2]。SQL Server属于中型数据库，可以支持中大型项目开发，应用广泛于海里数据存储任务中。Mysql为中小型数据库，属于开源产品。从性能来看，SQL Server的查询能力、并发能力更强，因此以SQL Server为系统数据库。

2.1.2 表和字段设计

系统中需要创建的数据表为新能源发电站信息主表（Data_Record）、电能交易数据表（Ammeter_Record）、发电站故障信息表（Electrical_Faults_Record）、远程终端信息表（Rtu_Record）以及主站操作记录表（Operation_Record）。以Data_Record表为例，其字段名称、字段类型以及字段长度见表1。

表1 新能源发电站信息主表字段设计示例

2.2 SCADA子系统设计要点

2.2.1 通信规约设计要点

2.2.1.1 通信规约整体架构

通信规约需要实现硬件设备通信和软件通信功能，在软件层面依托TCP/IP协议，在硬件层面主要采用问答式远动通信规约（Polling）。其中，Polling规约是一种异步通信方式，由调度端向RTU设备发送查询命令报文，在调度端获得子站的响应数据后，才能进行新一轮的查询。为了保证通信的实时性和可靠性，硬件通信还应支持循环式远动规约（Cycle Distance Transmission，CDT），将其作为Polling规约的补充方案[3]。CDT属于同步通信方式，通信过程的主动方为RTU装置，可以通过固定频率循环向调度端上传数据。

2.2.1.2 通信报文格式设计

根据系统架构图可知，通信模块的主要作用是实现监控中心主站与RTU装置的通信功能，报文是通信过程的数据交互方式，报文具有固定的格式，以便通信时获取、检验数据。新能源发电并网调度自动化系统的报文格式包括6个字段，分别为起始字段、地址字段、功能字段、数据字段、校验字段以及结束字段，均采用16进制。RTU装置的微机地址存储在地址字段中，RTU运行时产生的故障信息和RTU的运行数据存储在数据字段中，校验字段采用16位的循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC），可以提高数据传输的安全性和可靠性。以报文中的地址字段为例，其存储方式为16进制数值，取值包括01H、FEH等，地址字段可以存储现场工控微机的信息。

通信系统的报文分为5种类型，包括状态检测、遥控操作、广播校时、RTU应答以及RTU数据主动上传。这些报文可以完成2种数据交互，一种是点对点数据传送，例如监控中心主站可以通过状态检测报文查询某个RTU装置当前的工作状态；另一种是一对多数据传送，例如广播校时报文。当RTU现场设备出现故障时，可以主动上传报文，将故障参数传递给监控中心，对应的故障码会自动入库，RTU故障码采用二进制，存储内容见表2。

表2 报文中数据字段RTU故障信息示例

2.2.2 SCADA系统监控中心主站设计要点

监控中心主站由服务器、数据库以及相关的软件操作界面构成，主站服务器不断与远程部署的RTU装置进行信息交互，后者通过IP地址访问主站服务器。主站软件的工作流程为初始化→启动GPRS服务→显示监控主界面→发送指令→获取RTU数据→数据解析→数据存储入库→生成数据报表或运行曲线[4]。

2.3 AGC子系统设计要点

2.3.1 AGC子系统建模分析

2.3.1.1 AGC系统风电机组建模

在风力发电系统中，将风轮产生的实际有功功率记为PWTG，那么功率、风机桨距角和风机转子转速的额定转速在某一时刻的变化值分别如公式（1）～公式（3）所示。

式中：ρ为空气密度；A为风机的扫风面积；Cp为风机的效率系数，Cp≤0.593；Vw为实际风速；λ为叶尖速比；θ为风机桨距角；Kp为控制器的比例环节参数；Kc为桨距控制增益参数；Ki为控制器的积分环节参数；ωg、ωf和ωrated分别为风机轴转速、风机转子转速和风机转子的额定转速[5]；τg为时间常数；ω'f为ωf在某一时刻的变化值。

2.3.1.2 AGC系统光伏发电机组建模

在光伏发电系统中，将其实际输出功率记为Ppv，如公式（4）所示。

式中：η为将光能转换为电能的效率；S为光伏阵列的有效光照面积；Φ为太阳的光照强度；Ta为环境温度。

在光伏发电机组投入使用后，参数S和η基本不变，室外温度对系统的影响相对较小，可以不考虑，此时机组输出功率的主要影响因素为光照强度。

2.3.1.3 AGC系统控制模型建模

AGC子系统的核心控制目标包括3个：1） 将发电系统的实时频率误差和累积频率误差控制在合理范围内。2） 控制互联电网的联络线净交换功率，使其在计划区间内运行。3） 提高电网的经济效益。将自动发电控制系统控制区域的误差记为ACE，如公式（5）所示。

式中：Ps为控制区内的计划交换功率；Pa为相应控制区的净交换功率；fa、fs分别为系统实际频率、目标频率；K为区域频率控制偏差常数；ΔP为计划交换功率减去净交换率的数值；Δf为系统实际频率减去目标频率的数值。

2.3.2 AGC子系统控制模式设计

新能源发电以清洁能源为主，可以减少碳排放，因此具有优先调度权，通常要充分使用新能源电站产生的电能，其他电力缺口由传统火电补充[6]。新能源发电并网调度自动化系统通过监控中心主站向远程部署的RTU装置发送指令，由RTU装置采集现场设备的运行数据，从而向新能源电站下达发电指令，如果新能源电站不具备发电条件，那么监控中心向设备发送停止发电的指令，相应的报文见表3。以光伏发电的自动化调度为例，系统通过时段（白天）、天气数据（天气晴好）自动向光伏电站发送启动发电的指令，当时间接近傍晚或者天气为阴天时，系统自动向光伏电站发送停止发电的指令。

表3 AGC子系统启动发电和停止发电的通信报文示例

2.4 经济调度控制子系统设计要点

2.4.1 经济调度数学建模

经济调度控制（Economic Dispatch Control，EDC）子系统可以通过电力调度使电网和新能源电站的运行费用降至最低，达到系统效益最大化的目标，该过程的数学模型如公式（6）所示。

式中：F为经济调度控制数学模型；N为新能源电站的待选总数目记；ei为电网中新能源电站的并入数量（i=1，2，...，N）；cfi为第i个新能源电站的单位容量投资费用；cri为第i个新能源电站单位容量的替代费用；pREGi为第i个新能源电站的容量；pt为时段t对应的电网电价；pst为输出电网的供电功率。

针对公式（6）存在一定的约束条件，将新能源电站输出功率记为PREG，则有pst+PREG=LR（LR为对应时段的总负荷需求）。针对经济调度模型也存在一定的约束条件，将新能源发电机组的最大容量记为Pmax，要求PREG≤Pmax；将电网最大传输功率记为Pstmax，要求pst≤Pstmax。

2.4.2 经济调度控制子系统的控制模式设计

新能源发电站并入电网需要满足一定的条件，要求并网逆变器的输出频率、电流相位以及输出电压与电网的对应参数保持一致，并网逆变器根据相关条件自动并入电网或者脱离电网。在新能源发电设备进入发电状态后，由RTU装置采集天气数据和设备运行参数，再由监控中心主站从RTU装置获取这些数据，从而通过发送指令的方式自动并入电网[7]。并网时的报文同样为6个字段，核心字段为工控微机地址、功能字段、校验字段以及数据字段。以光伏电站的并网发电通信报文功能字段为例，其主要存储内容为天气编码，部分编码信息见表4。当报文功能字段存储内容为00H、05H时，新能源电站可以自动并入电网；当功能字段存储内容为01H、02H、03H、04H、06H以及07H时，光伏电站自动脱离电网。

表4 部分天气的编码信息

2.4.3 基于经济调度的并网控制策略

为了提高并网时的经济性和效率，针对不同类型的新能源发电机组，可以采取差异化的并网控制策略。

2.4.3.1 光伏发电经济调度策略

光伏发电通过并网逆变器实现并网，将直流电转换为交流电，其能量变换分为2级，分别为DC-DC和DC-AC。DC-DC变换可以调整光伏阵列的工作点，使其追踪最大功率。DC-AC环节称为逆变环节，其作用是确保输出电流与电网电压相位相同，以上过程由专门的控制电路完成，例如采用TMS2812芯片进行控制。在大型光伏电站中，光伏阵列的面积较大，为了更好地追踪最大功率，提高光伏并网发电能力，可以设置若干个支路，分区域实施DC-DC变换过程，再集中进行DC-AC逆变过程，使每个支路都在最大功率点上工作。

2.4.3.2 风力发电经济调度策略

风力发电受到风量、风速的制约，需要根据发电效率切换并网发电的机组。小型风电设备可在较小的风速和风量下工作，其适用性更高。大型风机设备可以在单位时间内将更多的风能转化为电能，但是其对风量和风速的要求较高。在经济调度中，应根据发电机组的功率切换大、小风机，以获得最高的并网效率。例如在小发电机组并网发电期间，由EDC系统检测其输出功率，如果瞬时功率在检测时间内超过额定功率的20%，并且120 s内的平均功率大于阈值，就切换至大发电机。

3 结语

该文建立的新能源发电并网调度自动化系统由监控中心主站、RTU装置和GPRS-Internet通信网络构成，设计重点包括系统数据库、通信规约、通信报文的结构形式、SCADA子系统、AGC子系统以及EDC子系统。数据库采用SQL Server；软件通信规约运用TCP/IP协议，硬件通信可以综合运用Polling规约和CDT规约；报文格式包括起始字段、功能字段、数据字段、地址字段、校验字段以及结束字段。