CN103310306B - 风储电场综合信息监测管理系统及监测管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风储电场综合信息监测管理系统，该系统包括风电机组监控系统、储能配电监控系统、风功率预测系统、电池管理系统和风储综合信息管理系统，风电机组监控系统、储能配电监控系统和风功率预测系统连接至风储电场综合管理系统，电池管理系统和储能配电监控系统共同组成储能监控系统部分。其把相关的风功率数据、风机监控系统中的数据、储能能量转换系统的数据和电池管理系统的数据进行整合，并利用图、表以及其它形式为操作人员和管理人员提供全面、直观的展现，综合掌握风储电场的整体运行情况，并通过对数据的进行深度的抽取挖掘和分析，实现风储综合发电性能的展示，并有利于进一步优化风储的协调运行，为上层调度以及管理者提供决策支持。
Description
技术领域
本发明涉及一套风储电场综合信息监测管理系统，主要涉及风储电场上层综合信息管理。
背景技术
近年来，为了节约资源、环境保护以及国家安全的需要可再生能源之一的风电发展迅猛。但是由于其固有的间歇性、随机性的特点，对电网产生明显冲击，不对于电网的安全、稳定运行，需要配备蓄电储能装置，才能实现连续、稳定的电能输出，因此大规模电力储能装置受到了极大的关注
当前国家能源部门及电力公司逐步积极建设示范性的风、光、储互补的混合新能源电场，开展多方面技术的研究与探索。
我国专利文献《基于中央控制系统的储能型风电场》（申请号：201110445897.5）提出基于中央控制系统的储能型风电场，并通过中央控制系统将储能电池系统的监控、能量转换系统的监控、全场风机的监控、升压站的监控、全场箱式变压器的监控全部融为一体，并设立了电网调度接口，实现储能型风电场的全集成一体化控制。并在中央控制系统平台上实现了功率预测功能、能量管理功能、电网直接调度功能和全风场低电压穿越功能，解决了现存风力发电并网的一些问题，提升风力发电上网电能质量，并提高了储能型风力发电场的控制实时性、准确性和安全性。该发明的侧重点是储能型风电场中储能系统的运行控制以及整个电场的过程控制、电气控制、逻辑控制等监控方向一体化集控技术。但是没有涉及电场监控系统中人机界面系统的功能模块，缺少对所有风电机组的整体监视。
另外清华大学的电机系统国家重点实验室，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功能首次提出利用风引入风功率预测优化风电场日电压控制以及储能调峰和设备检修计划等。但研究重点是在控制算法与策略。於益军，雷为民发表于电力系统自动化的《风光储联合发电监控系统功能设计与应用》（2012年，第36卷，第20期，第32—38页）详细的阐述了风光储联合发电监控系统的总体建设方案，以及该系统的关键技术和主要功能，阐释了其信息采集方案、多能互补自动发电控制方案和多源协同自动电压控制方案。
目前还没有一种适用于风储联合发电的电场综合监控系统。
发明内容
发明目的：本发明提供一种风储电场综合信息监测管理系统及监测管理方法，其目的是解决以往的方式数据利用率低、不能对数据进行集中精简化处理的问题。
技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种风储电场综合信息监测管理系统，其特征在于：该系统包括风电机组监控系统、储能配电监控系统、风功率预测系统、电池管理系统和风储综合信息管理系统，风电机组监控系统、储能配电监控系统和风功率预测系统连接至风储电场综合管理系统，电池管理系统和储能配电监控系统共同组成储能监控系统部分。
风储电场综合管理系统包含实时运行数据图形显示模块、历史数据查询模块、用户管理模块、综合报表处理模块、计划安排模块、Internet外部访问接口模块和监控程序模块，实时运行数据图形显示模块、历史数据查询模块、用户管理模块、综合报表处理模块、计划安排模块和Internet外部访问接口模块均连接至监控程序模块。
如上所述的风储电场综合信息监测管理系统的监测管理方法：
将风机与监控室内的风电机组监控系统之间以工业以太网的通讯方式连接，通讯规约为Modbus TCP/IP，每台风机塔基内工控机与风电机组监控系统内的光纤以太网交换机相连，一组风机的光纤以太网交换机以单模光纤为传输介质组成冗余环网，其中一台光纤以太网交换机与前置适配器相连，它作为风机组的一个总体外接口，将数据传输至前置适配器，前置适配器将数据进行处理转换后存入风机监控系统的数据及应用服务器，数据及应用服务器再将风电机组运行状态、机组机械状态信息及瞬时发电量的信息传输至风储综合信息管理系统；
利用电池管理系统中的电池信号PIC模块采集电池堆的温度、电流和电压的运行状态信息，通过RS485总线上传到RS485 /RS232转换器，RS485 /RS232转换器对数据进行电平转换，并将转换后的数据上传到电池管理系统数据应用服务器，电池管理系统数据应用服务器将数据上传至风储综合信息管理系统；
能量转换系统PCS是电池堆与电网的桥接器，实现储能电池系统与电场交流母线间的双向能量转换。变流器具有以太网、CAN和 RS485 接口，实现和电网、电池管理系统等的信息交互。利用储能配电监控系统可以获得变流器的运行状态：监视控制模拟量包括直流侧电压、电流，交流侧三相电压、电流、有功、无功；运行模式并网/孤网的转换、充电/放电的转换；运行参数包括充电/放电倍率、放电深度和各种保护定值的设定等信息，储能配电监控系统数据应用服务器将数据上传至风储综合信息管理系统。
利用风功率预测系统中采集电场测风塔数据、接受精确的数值天气预报信息，再综合风电场地形、地表植被及粗糙度、周围障碍物等信息，通过集成了物理模型、时间序列模型及智能模型的综合预测方法，对风电场风功率情况进行预测，得到风电出力信息，将信息传输至风储电场综合管理系统；
风储电场综合信息管理系统将风电机组监控系统储能配电监控系统及风功率预测系统采集的信息进行数据的提取融合处理，然后将融合后的数据进行展现应用。
该数据的提取融合步骤如下：
数据采集的前期准备是，对数据源库进行编号DBi（i=1,2，…），每个数据源的读取周期定为Ti，另外制定数据融合的规则即异构的数据源中的字段与目标数据库表中字段的对应关系，以及二次数据的运算；
数据采集的步骤如下：
第一步：编辑数据采集周期触发器，设定每个数据源的数据采集周期Ti，（i=1,2，…）；
第二步：判定当前时间与数据源提取周期Ti相符的i的值，确定将要连接的数据源库编号，否则，重复第二步，若同时与多个Ti相符，则按照i的值由小到大或者由大到小依此读取；
第三步：连接数据源库DBi；
第四步：根据数据抽取规则，执行数据库查询语句；
第五步：数据抽取和融合的规则，对得到的数据进行运算和转换，得到结果数据；
第六步：结果数据存储到目标数据库的目标表或临时表中；一轮数据的存储结束，作为下一轮数据采集的触发条件。
优点及效果：
本发明提供一种风储能电场综合信息监测系统，其把相关的风功率数据、风机监控系统中的数据、储能能量转换系统的数据和电池管理系统的数据进行整合，并利用图、表以及其它形式为操作人员和管理人员提供全面、直观的展现，综合掌握风储电场的整体运行情况，并通过对数据的进行深度的抽取挖掘和分析，实现风储综合发电性能的展示，并有利于进一步优化风储的协调运行，为上层调度以及管理者提供决策支持。
该综合监测系统在风电机组监控系统、储能配电监控系统、风功率预测系统、电池管理系统的基础上，添加风储综合信息管理系统，实现电场的集中化、精简化信息管理能力。监测对象主要是储能电池组、储能双向逆变器、风电机组和测风塔等。所述风电机组监控系统、风功率预测系统、储能配电监控系统和风储综合信息管理系统，都位于电场总监控室内，且相互独立。电池管理系统位于储能电池堆所在的场区内。所述风储综合信息管理系统将从风电机组监控系统、储能配电监控系统、风功率预测系统和电池管理系统抽取获得部分数据，根据需要进行融合挖掘，利用统一的数据库、人机界面等服务，实现整个电场的一体化监控。
本发明由于储能系统为增补后建或不同厂商的技术独立等原因，电场内的各监控系统之间相互独立，造成一些数据也相互独立，无法形成电场的全面数据的统计与分析，不利于风储电场各系统之间的紧密快速协调运行和上层管理者的决策。为此，需要建立一套风储综合信息监测管理系统，整合风储电场不同系统的数据，进行统一的对比统计，提高数据利用率，实现电场数据层次化与集中精简化管理。
附图说明：
图1是本发明提供的风储电场综合监控系统软件的部署图；
图2是本发明提供的风储综合信息监测系统软件架构图；
图3是本发明提供的风储综合信息数据抽取步骤图；
图4、图5是本发明提供的风储综合信息监测系统的人机界面图
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：
本发明提供一种风储电场综合信息监测管理系统，其特征在于：该系统包括风电机组监控系统、储能配电监控系统、风功率预测系统、电池管理系统和风储电场综合信息管理系统，风电机组监控系统、储能配电监控系统和风功率预测系统连接至风储电场综合信息监测管理系统，电池管理系统设置在储能配电监控系统内。
风储电场综合信息管理系统包含实时运行数据图形显示模块、历史数据查询模块、用户管理模块、综合报表处理模块、计划安排模块、Internet外部访问接口模块和监控程序模块，实时运行数据图形显示模块、历史数据查询模块、用户管理模块、综合报表处理模块、计划安排模块和Internet外部访问接口模块均连接至监控程序模块。
风电机组监控系统包括数据及应用服务器、前置适配器和连接至风机的多个光纤以太网交换机，其中一个光纤以太网交换机通过前置适配器连接至数据及应用服务器，数据及应用服务器连接至风储电场综合信息监测管理系统；储能配电监控系统包括电池管理系统、RS485/RS232转换器、电池信号PLC、电池堆、变流器PCS和PCS数据应用服务器，电池堆连接至电池信号PLC和变流器PCS，电池信号PLC连接至RS485/RS232转换器，RS485/RS232转换器连接至电池管理系统，变流器PCS连接至电池管理系统和PCS数据应用服务器，电池管理系统和PCS数据应用服务器均连接至风储电场综合信息监测管理系统；风功率预测系统包括用于采集测风塔信息的信息采集平台、用于采集数值天气预报的预推解析平台和风功率预测数据应用服务器，信息采集平台和预推解析平台均连接至风功率预测数据应用服务器，风功率预测数据应用服务器连接至风储电场综合信息监测管理系统。
本发明的的风储电场综合信息监测管理系统的监测管理方法：
将风机与监控室内的风电机组监控系统之间以工业以太网的通讯方式连接，通讯规约为Modbus TCP/IP，每台风机塔基内工控机与风电机组监控系统内的光纤以太网交换机相连，一组风机的光纤以太网交换机以单模光纤为传输介质组成冗余环网，其中一台光纤以太网交换机与前置适配器相连，它作为风机组的一个总体外接口，将数据传输至前置适配器，前置适配器将数据进行处理转换后存入风机监控系统的数据及应用服务器，数据及应用服务器再将风电机组运行状态、机组机械状态信息及瞬时发电量的信息传输至风储电场综合管理系统；
利用储能配电监控系统中的电池信号PIC模块采集电池堆的温度、电流和电压的运行状态信息，通过RS485总线上传到RS485 /RS232转换器，RS485 /RS232转换器对数据进行电平转换，并将转换后的数据上传到电池管理系统数据应用服务器，电池管理系统数据应用服务器将数据上传至风储电场综合管理系统；
利用风功率预测系统中采集电场测风塔数据、接受精确的数值天气预报信息，再综合风电场地形、地表植被及粗糙度、周围障碍物等信息，通过集成了物理模型、时间序列模型及智能模型的综合预测方法，对风电场风功率情况进行预测，得到风电出力信息，将信息传输至风储电场综合管理系统；
风储电场综合信息管理系统将风电机组监控系统储能配电监控系统及风功率预测系统采集的信息进行数据的提取融合处理，然后将融合后的数据进行展现应用。
该数据的提取融合步骤如下：
数据采集的前期准备是，对数据源库进行编号DBi（i=1,2，…），每个数据源的读取周期定为Ti，另外制定数据融合的规则即异构的数据源中的字段与目标数据库表中字段的对应关系，以及二次数据的运算；
数据采集的步骤如下：
第一步：编辑数据采集周期触发器，设定每个数据源的数据采集周期Ti，（i=1,2，…）；
第二步：判定当前时间与数据源提取周期Ti相符的i的值，确定将要连接的数据源库编号，否则，重复第二步，若同时与多个Ti相符，则按照i的值由小到大或者由大到小依此读取；
第三步：连接数据源库DBi；
第四步：根据数据抽取规则，执行数据库查询语句；
第五步：数据抽取和融合的规则，对得到的数据进行运算和转换，得到结果数据；
第六步：结果数据存储到目标数据库的目标表或临时表中。一轮数据的存储结束，作为下一轮数据采集的触发条件。
下面结合附图对本发明的各部件的方法、用途及功能进行详细说明：
图1所示为风储电场综合信息监测管理系统的软件的部署图，底层系统包含风机监控系统、储能监控和风功率预测系统。其中储能监控系统有可分为储能配电系统和电池管理系统。风储综合信息管理系统通过数据服务器抽取各方数据，进行全景分析监测，并通过web服务器上传网络，远程访问者通络Internet公共网络建立VPN专用通道实现安全快速的远程访问。
风储电场综合信息管理系统获取到风电、储能以及风功率预测的数据后，需要对各种来源的数据进行一致的顺序化和规范化，并对采集到的各种数据按照同一时间轴进行统一存储管理。
所述风机监控系统包含光纤环网、光纤以太网交换机、前置适配器、数据服务器、应用服务器和风机监控系统软件。风机与监控室内的风机监控系统之间的通讯方式为工业以太网，通讯规约为Modbus TCP/IP，每台风机塔基内工控机与光纤以太网交换机相连，一组风机的光纤以太网交换机以单模光纤为传输介质组成冗余环网。其中一台光纤以太网交换机与前置适配器相连，它作为风机组的一个总体外接口。前置适配器将数据进行处理转换后存入风机监控系统的数据库，风机监控系统软件运行在数据服务器、应用服务器之上，采用人机界面模式，监视风电机组运行状态、机组机械状态信息、瞬时发电量等，而且可以实现风电机组的远程控制，包括远程开机、停机、左右偏航、复位等，简化维护管理。
所述电池管理系统包括电池堆、电池信号PLC模块、RS485 /RS232转换器、数据、应用服务器。电池信号PIC模块采集电池堆的温度、电流、电压等运行状态信息，通过RS485总线上传到RS485 /RS232转换器，RS485 /RS232转换器对数据进行电平转换，并将转换后的数据上传到电池管理系统服务器，电池管理系统将数据存储并做基本的计算判断。电池管理系统软件具有人机界面和数据管理功能，通过电池管理系统可以查看电池堆运行参数：电堆端电压、电池系统的电压、温度、电流、荷电状态、可充放电深度，电池系统的功率可调节深度等
所述电池堆与电池管理系统与能量转换系统PCS主要是逆变器相连，能量转换系统PCS是电池堆与电网的桥接器，实现储能电池系统与电场交流母线间的双向能量转换。变流器具有以太网、CAN和 RS485 接口，实现和电网、电池管理系统等的信息交互。通过储能配电监控系统可以查看变流器的运行状态：监视控制模拟量包括直流侧电压、电流，交流侧三相电压、电流、有功、无功；运行模式并网/孤网的转换、充电/放电的转换；运行参数包括充电/放电倍率、放电深度和各种保护定值的设定等。
所述风功率预测系统，采集电场测风塔数据，接受精确的数值天气预报信息，再综合风电场地形、地表植被及粗糙度、周围障碍物等信息，通过集成了物理模型、时间序列模型及智能模型的综合预测方法，对风电场风功率情况进行预测，得到风电出力。
风储综合数据库与下层数据库不在统一服务器上，通过局域网中的IP协议定位下属数据库所在服务器，然后再通过应用程序实现数据库连接。
如图2所示风储综合信息管理系统软件的架构，风储综合信息管理系统软件的数据库是通过抽取风机监控系统数据、储能配电监控系统数据、风功率预测数据以及电池管理系统数据，进行转化融合以及深度挖掘后而建立。
风储综合信息管理数据库提供系统的相对实时数据服务。它每隔一段时间进行一轮数据的抽取与处理。它还提供系统的历史数据服务，包括数据存储和查询。系统提供了完备的数据校验机制，保证多组数据的同步。同时采用并行的处理技术，保证了系统数据处理的效率。
所述的风储综合信息管理系统，采用人机界面模式，包含如下几个功能模块:实时运行数据图形显示模块、报警与故障信息模块、用户管理模块、综合报表处理模块、计划安排模块、Internet外部访问接口模块；
所述实时运行数据图形显示模块：对不同数据以实时-曲线方式显示监控数据的实时值，采用一图多线的显示方式显示风电发电功率、储能充放电功率、风储电场总的输出功率等数据的曲线图。
所述历史数据查询模块：历史数据查询采用曲线、棒状图、饼状图和报表等查询方式，查询电场风电累计发电量、储能累计充放电、风储综合发电量等及其历史趋势，并进行基本统计计算，
所述用户管理模块：进行用户登陆和用户注销，当以管理员身份登陆时，对用户组成员和用户等级、操作权限进行配置，对不同级别的用户设定不同的权限集，当用户级别不够，该用户不能使用该参数的操作，并产生警告；当使用Internet进行远程访问时，使用用户登陆模式增强网络安全；
所述计划安排模块：获取风功率预测系统未来24小时或者4小时的风电场功率预测数据，并用图形化显示，在风功率较低时安排风电设备检修和储能电池放电；利用风功率预测，合理制定未来一天或半天的风机发电计划以及储能计划，并上报上层调度系统。
所述综合报表模块：采用模板定义和模板替换的方式来生成系统各类报表。各类报表是分析风储电场整体运行性能的基础。日报表内容采用10分钟自动记录一条数据记录的方式，包含24小时的各监控参数的数据情况以及统计情况；依此为基础自动统计生成月报表、年报表，报表处理模块还提供报表查询、打印、删除功能，打印通过打印机进行；
所述外部接口模块，采用Internet远程网络访问方式，只要在设置好总数据处理单元的Internet网络接口的端口号后，对监控系统进行发布，实现在任意一台连网的计算机对监控系统进行远程监视和控制。
本专利所述风储综合信息管理系统软件如前面所述具有多数据源，包括风机系统的数据库、储能系统数据库和风功率预测数据库等。但是从每个数据源抽取数据的周期不尽相同，风机和储能电池信息的获取间隔时间较短，1分钟或30秒，风功率预测信息的获取周期是1小时到4小时不等。
图4和图5所示是风储电场综合信息管理系统的运行监控和综合报表的界面设计。在运行监控界面中清晰调理的显示风/储的实时出力、运行模式和每10分钟的波动率等。综合报表以日报为基础，可以根据需要设定报表时间段，还可打印与导出。
本发明提供的风储电场综合信息管理系统，采集数据全面，通过对多方数据的整合、挖掘、分析和图形化呈现有利于风储电场的全景监视，有利于实现电场的集中决策统筹管理，确保整个电站风电储能系统的安全、可靠、协调运行。并有利于实现电场的集中决策与分布执行。
Claims (2)
1.风储电场综合信息监测管理系统的监测管理方法，其特征在于：该方法利用如下系统实现：该系统包括风电机组监控系统、储能配电监控系统、风功率预测系统、电池管理系统和风储综合信息管理系统，风电机组监控系统、储能配电监控系统和风功率预测系统连接至风储电场综合管理系统，电池管理系统和储能配电监控系统共同组成储能监控系统部分；
该方法步骤如下：
将风机与监控室内的风电机组监控系统之间以工业以太网的通讯方式连接，通讯规约为Modbus TCP/IP，每台风机塔基内工控机与风电机组监控系统内的光纤以太网交换机相连，一组风机的光纤以太网交换机以单模光纤为传输介质组成冗余环网，其中一台光纤以太网交换机与前置适配器相连，它作为风机组的一个总体外接口，将数据传输至前置适配器，前置适配器将数据进行处理转换后存入风机监控系统的数据及应用服务器，数据及应用服务器再将风电机组运行状态、机组机械状态信息及瞬时发电量的信息传输至风储综合信息管理系统；利用电池管理系统中的电池信号PIC模块采集电池堆的温度、电流和电压的运行状态信息，通过RS485总线上传到RS485/RS232转换器，RS485/RS232转换器对数据进行电平转换，并将转换后的数据上传到电池管理系统数据应用服务器，电池管理系统数据应用服务器将数据上传至风储综合信息管理系统；
能量转换系统PCS是电池堆与电网的桥接器，实现储能电池系统与电场交流母线间的双向能量转换；
变流器具有以太网、CAN和RS485接口，实现和电网、电池管理系统的信息交互；
利用储能配电监控系统可以获得变流器的运行状态：监视控制模拟量包括直流侧电压、电流，交流侧三相电压、电流、有功、无功；运行模式并网/孤网的转换、充电/放电的转换；运行参数包括充电/放电倍率、放电深度和各种保护定值的设定信息，储能配电监控系统数据应用服务器将数据上传至风储综合信息管理系统；
利用风功率预测系统中采集电场测风塔数据、接受精确的数值天气预报信息，再综合风电场地形、地表植被及粗糙度、周围障碍物信息，通过集成了物理模型、时间序列模型及智能模型的综合预测方法，对风电场风功率情况进行预测，得到风电出力信息，将信息传输至风储电场综合管理系统；
风储电场综合信息管理系统将风电机组监控系统储能配电监控系统及风功率预测系统采集的信息进行数据的提取融合处理，然后将融合后的数据进行展现应用；
该数据的提取融合步骤如下：
数据采集的前期准备是，对数据源库进行编号DBi(i＝1,2，…)，每个数据源的读取周期定为Ti，另外制定数据融合的规则即异构的数据源中的字段与目标数据库表中字段的对应关系，以及二次数据的运算；
数据采集的步骤如下：
第一步：编辑数据采集周期触发器，设定每个数据源的数据采集周期Ti，(i＝1,2，…)；
第二步：判定当前时间与数据源提取周期Ti相符的i的值，确定将要连接的数据源库编号，否则，重复第二步，若同时与多个Ti相符，则按照i的值由小到大或者由大到小依此读取；
第三步：连接数据源库DBi；
第四步：根据数据抽取规则，执行数据库查询语句；
第五步：数据抽取和融合的规则，对得到的数据进行运算和转换，得到结果数据；
第六步：结果数据存储到目标数据库的目标表或临时表中；一轮数据的存储结束，作为下一轮数据采集的触发条件。
2.根据权利要求1所述的风储电场综合信息监测管理系统的监测管理方法，其特征在于：风储电场综合管理系统包含实时运行数据图形显示模块、历史数据查询模块、用户管理模块、综合报表处理模块、计划安排模块、Internet外部访问接口模块和监控程序模块，实时运行数据图形显示模块、历史数据查询模块、用户管理模块、综合报表处理模块、计划安排模块和Internet外部访问接口模块均连接至监控程序模块。
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