CN103514281B - 一种基于wams动态数据的风电场无功调节能力自动分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于WAMS动态数据的风电场无功调节能力自动分析系统，此系统包括实时监测模块、评价考核模块、安全预警模块和事故分析模块。实时监测模块实时监视风电设备有功无功变化；评价考核模块统计无功补偿设备三相电流不平衡度、投运情况、动态无功响应能力，并网点电压偏差、电压变动、三相电压不平衡度、频率和有功变化，风电机组高低电压穿越及低电压穿越时无功支撑能力；安全预警模块分析电压稳定性指标和高低压穿越事件；事故分析模块分析脱网事件过程有功恢复情况。此发明的技术方案用以解决智能电网调度技术支持系统中对于风电场无功调节运行能力评估问题，为电网调度运行人员快速定位风机脱网原因提供了辅助工具和便利手段。
Description
技术领域
本发明属于电力系统动态监测领域，具体涉及一种基于WAMS动态数据的风电场无功调节能力自动分析系统。
背景技术
近年来，随着新能源的发展，风电作为可再生能源和清洁资源，在国内获得了前所未有的发展。风电运行具有随机性、间歇性、同时性、反调峰性等特点，随着风电装机运行容量快速增加和占电源比例的不断扩大，电网调峰、调频、调压形式日益严峻，对电网安全稳定运行产生的影响越来越明显。国内风电汇集地区出现了多次因电压波动造成风机脱网的事故，解决此类问题的关键工作是对现有风场，包括风机和无功补偿设备的无功调节能力进行分析。因此，迫切需要研究一种基于WAMS动态数据的风电场无功调节自动分析系统。
目前风电场对无功调节能力分析方法，主要是实时监视风电设备电压和电流变化，以及风电机组、无功补偿设备的有功出力、无功出力、电压、电流的变动情况，通过人为分析这些原始数据和曲线，判断电风场无功调节性能，没有一个针对性的、多方面考核的统计分析系统。这种分析方法不能够直观展示风电场无功调节能力分析结果，同时存在片面性。本发明技术方案针对风电运行特点，从实时监视、评价考核、安全预警、事故分析四个方面综合分析风电场运行情况，可以直观、全面地反映风电场无功调节能力。
发明内容
本发明的目的是利用风电场无功调节能力考核指标体系的建立，解决风电场无功调节能力自动分析与评估的难题。构建的风电场无功调节能力分析系统可大大便利电网调度运行人员对风电场无功运行状况和电压水平进行实时监测，对无功补偿设备性能及风电场动态无功性能评价考核，对风电场电压安全监视预警以及对风电场运行历史数据进行溯源和事故分析。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于WAMS动态数据的风电场无功调节能力自动分析系统，所述风电场无功调节能力分析系统包括实时监测模块、评价考核模块、安全预警模块和事故分析模块；其特征在于：
所述实时监测模块、评价考核模块、安全预警模块、事故分析模块的输入端均与广域量测系统WAMS相连，输出端均连接至可视化人机界面；
所述实时监测模块实时监测和计算风电机组、无功补偿装置和风电场运行情况并写入实时库；实时监测模块检测广域量测系统WAMS的监测数据，并计算风电机组、无功补偿装置和风电场运行参数；
所述评价考核模块读取广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，实时检测计算风电场的考核指标，并将所述考核指标输出至可视化人机界面；
所述安全预警模块读取广域量测系统WAMS时间序列历史库数据，计算一定时间段内风电场节点电压稳定指标VSM和线路功率因数指标LQP，并将所述风电场节点电压稳定指标VSM和线路功率因数指标LQP输出至所述可视化人机界面；
所述事故分析模块利用广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，检测高低电压穿越事件，并计算其发生过程中电压跌落深度、无功电流持续时间、有功出力极值、穿越合格率指标；分析计算风电机组和风电场的脱网事件过程中有功恢复情况，所述有功恢复情况包括：脱网故障清除后有功恢复起止时刻、起止时刻有功值、有功恢复速度；风电汇集站、风电场的脱网容量。
本发明可以有效解决风电场无功调节能力分析考核指标难以评估的问题；构建的系统作为智能电网调度技术支持系统的WAMS应用下的子单元，为调度运行人员快速掌握风电场无功调节能力的各项指标提供了便利，为进一步地分析风电场的运行工况提供更为详细的辅助决策依据。
附图说明
图1是本发明风电场无功调节能力自动分析系统的系统结构框图；
图2是本发明风电场无功调节能力自动分析系统及智能电网调度技术支持与电网调度的关系示意图；
图3是本发明实时监测模块的结构框图；
图4是本发明评价考核模块的结构框图；
图5是本发明安全预警模块的结构框图；
图6是本发明事故分析模块的结构框图；
图7是本发明风电场无功调节能力自动分析系统的结构组成之可视化界面框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明适用于实施部署了智能电网调度技术支持系统平台且部署了WAMS应用的电网。风电场无功调节能力分析系统属于WAMS应用下的一个子单元，基于智能电网调度技术支持系统平台，通过风电场无功调节能力分析系统可以快速掌握风电场的无功调节能力的各项指标，便于调度快速分析并下达排除风机脱网故障的指令，从而维持或改善了风机的运行状况；
本发明风电场无功调节能力自动分析系统如附图1所示。本发明公开的一种基于WAMS动态数据的风电场无功调节能力自动分析系统包括实时监测模块、评价考核模块、安全预警模块和事故分析模块。
所述实时监测模块、评价考核模块、安全预警模块、事故分析模块的输入端均与广域量测系统WAMS相连，评价考核模块和安全预警模块的输出端均连接至可视化人机界面；
所述实时监测模块实时监测和计算风电机组、无功补偿装置和风电场运行情况并写入实时库；实时监测模块检测广域量测系统WAMS的监测数据，并计算风电机组、无功补偿装置和风电场运行参数；
所述评价考核模块读取广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，实时检测计算风电场的考核指标，并将所述考核指标输出至可视化人机界面；
所述安全预警模块读取广域量测系统WAMS时间序列历史库数据，计算一定时间段内风电场节点电压稳定指标VSM和线路功率因数指标LQP，并将所述风电场节点电压稳定指标VSM和线路功率因数指标LQP输出至所述可视化人机界面；
所述事故分析模块利用广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，检测高低电压穿越事件，并计算其发生过程中电压跌落深度、无功电流持续时间、有功出力极值、穿越合格率指标；分析计算风电机组和风电场的脱网事件过程中有功恢复情况，所述有功恢复情况包括：脱网故障清除后有功恢复起止时刻、起止时刻有功值、有功恢复速度；风电汇集站、风电场的脱网容量。实时监测模块、评价考核模块、安全预警模块、事故分析模块都以可视化人机界面作为输出端，展示WAMS实时库和商用库中的结果。四个模块之间是独立的，各自实现对应功能。
系统与电网调度运行人员以及智能调度技术支持系统的连接功能关系如附图2所示。电网调度运行人员通过登录到智能电网调度技术支持系统，访问到WAMS应用主画面，通过操作“风电场无功分析”按钮，登录到风电场无功调节能力分析系统。在此系统上，包括实时监测、评价考核、安全预警、事故分析独立四个子功能界面，可以分别查看和分析风电电场无功调节能力的对应功能业务。
下面对本发明的技术方案进一步详细描述：
本发明使用基于智能电网调度技术支持系统平台的风电场无功调节能力自动分析方法及软件架构、风电场无功调节能力指标体系、国产商用数据库的读写访问技术和WAMS时间序列实时库的访问技术，最终可构建形成基于WAMS动态数据的风电场无功调节能力自动分析系统。
实时监测模块的功能实现方法，如附图3所示，实时监测模块包括实时检测计算单元、实时库表刷新单元，所述实时检测计算单元以广域量测系统WAMS的实时库和时间序列实时库作为输入端，每一秒读取一次广域量测系统WAMS时间序列实时库监测数据，计算风电机组有功出力、无功出力、功率因数和三相电流不平衡度，无功补偿装置有功出力、无功出力和无功裕度，以及风电场有功出力、无功出力、无功裕度、并网点电压幅值、并网点电压偏差、并网点电压变动、三相电压不平衡度、有功变化指标和频率变化指标；所述实时检测计算单元将计算结果输出至实时库表刷新单元，实时库表刷新单元根据实时检测计算单元的输出结果同步更新至实时库表WAMS风机实时结果表WAMS_WINDGENREALRLT、WAMS无功补偿装置实时结果表WAMS_WINDCOMPREALRLT、WAMS风电场实时结果表WAMS_WINDREALRLT对应监测和计算值字段，所述实时库表刷新单元将更新后的实时监测和计算结果输出至可视化人机界面。
实时监测模块包括实时检测计算单元、实时库表刷新单元，其中实时检测计算单元包括以下三个子功能单元：
（1）风电机组实时监测子单元，每隔一秒读取一次读取PMU数据，实时计算风电机机组的有功出力、无功出力、功率因数和无功裕度；把计算结果写入WAMS风机实时计算结果表这张实时库表中，结果按照机组名称进行排序。表结构如表1所示：
表1WAMS风机实时计算结果表结构
（2）无功补偿装置实时监测子单元，读取PMU实时数据，实时计算无补偿装置的有功出力、无功出力和无功裕度；把计算结果写入WAMS无功补偿装置实时计算结果表这张实时库表中，结果按照厂站、无功补偿装置和支路名称进行排序。表结构如表2所示：
表2WAMS无功补偿装置实时计算结果表
（3）风电场实时监测子单元，读取PMU实时数据，实时计算风电场的有功出力、无功出力和无功裕度；把计算结果写入WAMS风电场实时计算结果表这张实时库表中，结果按照厂站名称进行排序。表结构如表3所示：
表3WAMS风电场实时计算结果表
评价考核模块的功能实现方法，如附图4所示，所述评价考核模块包括评价考核后台检测单元、评价考核商用库表存储单元；所述后台检测单元读取广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，实时检测计算风电场的考核指标，所述风电场考核指标包括风电机组、无功补偿装置和风电场考核指标，即风电机组三相电流不平衡度持续时间、动态无功响应时间、低电压穿越成功率、高电压穿越成功率；无功补偿装置投入自动可用率、在不同电压水平下运行时间、有功损耗、响应时间；风电场在不同系统频率下的运行时间、并网点电压合格率、并网点电压不平衡持续时间、自动电压控制装置AVC投运率、AVC调节合格率、风电场注入电网系统无功电流大小、风电场注入电网系统无功电流响应时间和持续时间；评价考核商用库表存储单元将评价考核后台检测单元计算的考核指标结果存储到商用库表中，并通过可视化人机界面查询商用库表和WAMS历史时间序列库数据，以数据、表格和曲线形式展示所述考核指标。
（1）后台检测计算单元读取WAMS实时数据进行实时监测计算，评价考核商用库存储单元将实时监测和计算结果记录到相应的商用库表中。评价后台检测计算单元具体包括以下十个子功能单元：风电机组三相电流不平衡度监视和统计子单元，实时监视风电机组三相电流是否出现不平衡，记录不平衡的起止时间、持续时间。读取每一断面实时数据，并计算相关数值，在判为三相电流不平衡时，记录不平衡的起止时间，并统计不平衡期间的最大不平衡度，将计算结果写入WAMS风电场电流三相不平衡度结果表这张商用库表中。表结构如表4所示：
表4WAMS风电场电流三相不平衡度结果表
（2）无功补偿装置投运情况监视与统计子单元，实时监视记录每台无功补偿装置的投运情况及升压站带电小时数，并计算投运率。统计结果记录在WAMS无功补偿装置投运结果表这张商用库表中，结构如表5所示：
表5WAMS无功补偿装置投运结果表
（3）无功补偿装置在不同电压水平下运行时间监视与统计子单元，记录动态无功补偿装置在不同电压水平下运行时间，并统计的相应的运行时间，把结果写入WAMS无功补偿装置不同电压情况投运结果表这张商用库表中，结构如表6所示：
表6WAMS无功补偿装置不同电压情况投运结果表
（4）无功补偿装置及并联电容器有功损耗计算及统计子单元，实时计算无功补偿设备与并联电容器的有功损耗并评价是否合格，记录不合格的起止时间、持续时间。结果写入WAMS无功补偿装置有功损耗结果表这张商用库表中，结构如表7所示：
表7WAMS无功补偿装置有功损耗结果表
（5）并网点电压偏差监视及统计子单元，实时监视并网点电压偏差，如电压偏差超出额定电压的-3%到+7%范围，则开始记录电压偏差不合格起止时间，按照日、月统计电压合格率。结果写入WAMS电压偏差结果表中，表结构如表8所示：
表8WAMS电压偏差结果表
（6）并网点电压变动监视及统计子单元，实时监视并网点电压，按国标要求计算1小时内电压波动，将不满足要求的时间记录到WAMS电压变动结果表这张商用库表中，并可按日月统计电压波动不合格时间。表结构如表9所示：
表9WAMS电压变动结果表
（7）并网点电压不平衡度监视及统计子单元，实时计算并网点电压不平衡度，按国标要求评价是否合格，记录不合格起止时间、持续时间到WAMS风电场电压不平衡结果表这张商用库表中，按日月统计电压不平衡持续时间。表结构如表10所示：
表10WAMS风电场电压不平衡结果表
（8）风电场有功功率最大变化量监视及统计子单元，实时监测风电场有功功率最大变化量，分别统计风电场的10分钟和1分钟内有功的最大最小值，计算最大变化量，按国标要求评价是否合格，将不合格的信息记录到WAMS风电场有功变化结果表这张商用库表中，表结构如表11所示：
表11WAMS风电场有功变化结果表
（9）风电场频率变化监视及统计子单元，实时监视风场频率变化，按国标要求评价风电场在不同的电力系统频率范围内连续运行能力，并将结果记录到WAMS风电场频率变化结果表中，表结构如表12所示：
表12WAMS风电场频率变化结果表
（10）无功响应计算和评价子单元，对具有无功调节能力的机组、无功补偿装置以及并联电容器，计算自并网点正序电压异常升高或者降低达到触发设定值开始，这三类设备的动态无功响应时间，并评价是否合格。结果写入WAMS风电场无功响应结果表，表结构如表13所示：
表13WAMS风电场无功响应结果表
安全预警模块的功能实现方法，如附图5所示，可视化人机界面通过人机交互获取当前进行指标计算的设备，VSM和LQP指标计算单元从历史时间序列库中读取当前时刻前某个时间窗口的PMU实时数据进行计算，将这段时间的VSM和LQP指标以曲线和详细数据表格的形式展出来。VSM和LQP指标计算单元包括以下两个子功能单元：
（1）风电场电压稳定VSM指标计算子单元，根据戴维南定理将节点的所有功率流入支路等效为电压源和阻抗Zs，所有流出支路等效为ZL，根据每个时间窗口测点数据计算出系统阻抗和负荷阻抗的比值，确定节点的电压稳定性，绘制VSM指标曲线、PV曲线等。
（2）线路电压稳定指标LQP计算子单元，以当系统到达传输能力极限时，线路送端不能再多送无功为理论依据，通过计算线路输送无功的能力，即线路功率因数指标LQP，判断线路电压稳定性。在计算LQP的表达式中不但包含无功且包含有功，能充分反应系统的变化。根据计算结果绘制LQP指标曲线、PQ曲线等通过可视化界面展示出来。
事故分析模块的功能实现方法，如附图6所示，所述事故分析模块包括事故分析后台检测计算单元、事故分析商用库表存储单元。事故分析后台检测计算单元利用广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，检测计算所述高低压穿越事件指标，记录脱网事件及脱网过程有功恢复情况。事故分析商用库表存储单元将事故分析后台检测计算单元输出结果以记录形式存储到商用库表中。可视化人机界面作为输出端读取并统计商用库表中记录，展示所述高低压穿越事件指标及脱网事件后有功恢复情况。
事故分析后台实时检测计算单元读取PMU实时数据进行实时监测计算，事故分析商用库存储单元将实时监测和计算结果记录到相应的商用库表中。事故分析后台检测计算单元具体包括以下三个子功能单元：
（1）风电机组高、低电压穿越检测及评价子单元，检测风电机组退出运行的情况，按照国标要求的低电压穿越曲线限定的运行范围，判定该风电机组是否实现低电压穿越。当风电场并网点正序电压幅值最大值低于该型号风机设定的高电压限值时，风机有功功率已明显持续降低，则表明风电机组高电压穿越失败。检测记录写入WAMS电压穿越结果表中，表结构如下表14所示：
表14WAMS电压穿越结果表
（2）风电场无功支撑能力计算与评价子单元，计算低电压穿越过程中，风电场注入系统无功电流大小、无功电流响应时间和无功电流持续时间，并根据国标要求评价其无功支撑能力是否合格。
（3）风电机组、风电场有功恢复速度计算子单元，计算风电机组、风电场在脱网事件过程中有功恢复速度，可评价其恢复能力，并统计相应的合格率指标，把结果写入WAMS脱网分析结果表中，表结构如表15所示：
表15WAMS脱网分析结果表
风电场无功调节能力自动分析系统的可视化界面结构如图7所示。实现步骤如下：
（1）采用Qt4.5.3设计整体界面；
（2）该模块分为“实时监测”、“评价考核”、“安全预警”和“事故分析”四个子界面；
（3）实时监测界面主要负责风电机组、无功补偿装置和风电场的监视；
（4）评价考核界面主要负责风电机组三相电流不平衡度监视和统计、无功补偿装置投运情况监视与统计、无功补偿装置在不同电压水平下运行时间监视与统计、无功补偿装置及并联电容器有功损耗计算及统计、并网点电压偏差监视及统计、并网点电压变动监视及统计、并网点电压不平衡度监视及统计、风电场有功功率最大变化量监视及统计、风电场频率变化监视及统计、无功响应计算和评价等指标的展示；
（5）安全预警界面主要负责风电场电压稳定VSM指标和线路电压稳定指标LQP的展示；
（6）事故分析界面主要负责风电机组高、低电压穿越检测及评价、风电场无功支撑能力计算与评价和风电机组、风电场有功恢复速度指标的展示；
该风电场无功调节能力自动分析系统部署在智能电网调度技术支持系统WAMS应用下且接入风电机组PMU量测的现场。在工程实施中，在智能电网调度技术支持系统的基础环境能够正常运行且WAMS应用正确部署的条件，就可以运行本系统进行操作，非常简单易用。
Claims (4)
1.一种基于WAMS动态数据的风电场无功调节能力自动分析系统，所述风电场无功调节能力分析系统包括实时监测模块、评价考核模块、安全预警模块和事故分析模块；其特征在于：
所述实时监测模块、评价考核模块、安全预警模块、事故分析模块的输入端均与广域量测系统WAMS相连，输出端均连接至可视化人机界面；
所述实时监测模块检测广域量测系统WAMS的监测数据，计算风电机组、无功补偿装置和风电场运行参数并将监测数据和/或运行参数写入实时库，通过可视化人机界面显示；
所述评价考核模块读取广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，实时检测计算风电场的考核指标，并将所述考核指标输出至可视化人机界面；
所述安全预警模块读取广域量测系统WAMS时间序列历史库数据，计算一定时间段内风电场节点电压稳定指标VSM和线路功率因数指标LQP，并将所述风电场节点电压稳定指标VSM和线路功率因数指标LQP输出至所述可视化人机界面；
所述事故分析模块利用广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，检测高低电压穿越事件，并计算其发生过程中电压跌落深度、无功电流持续时间、有功出力极值、穿越合格率指标；分析计算风电机组和风电场的脱网事件过程中有功恢复情况，所述有功恢复情况包括：脱网故障清除后有功恢复起止时刻、起止时刻有功值、有功恢复速度；风电汇集站、风电场的脱网容量。
2.根据权利要求1所述的风电场无功调节能力自动分析系统，其特征在于：
所述实时监测模块包括实时检测计算单元、实时库表刷新单元；所述实时检测计算单元以广域量测系统WAMS的实时库和时间序列实时库作为输入端，每一秒读取一次广域量测系统WAMS时间序列实时库监测数据，计算风电机组有功出力、无功出力、功率因数和三相电流不平衡度，无功补偿装置有功出力、无功出力和无功裕度，以及风电场有功出力、无功出力、无功裕度、并网点电压幅值、并网点电压偏差、并网点电压变动、三相电压不平衡度、有功变化指标和频率变化指标；
所述实时检测计算单元将计算结果输出至实时库表刷新单元，实时库表刷新单元根据实时检测计算单元的输出结果同步更新至WAMS风机实时结果表WAMS_WINDGENREALRLT、WAMS无功补偿装置实时结果表WAMS_WINDCOMPREALRLT、WAMS风电场实时结果表WAMS_WINDREALRLT对应监测和计算值字段，所述实时库表刷新单元将更新后的实时监测模块的计算结果输出至可视化人机界面。
3.根据权利要求1所述的风电场无功调节能力自动分析系统，其特征在于：
所述评价考核模块包括评价考核后台检测单元、评价考核商用库表存储单元；所述后台检测单元读取广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，实时检测计算风电场的考核指标，所述风电场考核指标包括风电机组、无功补偿装置和风电场考核指标，即风电机组三相电流不平衡度持续时间、动态无功响应时间、低电压穿越成功率、高电压穿越成功率；无功补偿装置投入自动可用率、在不同电压水平下运行时间、有功损耗、响应时间；风电场在不同系统频率下的运行时间、并网点电压合格率、并网点电压不平衡持续时间、自动电压控制装置AVC投运率、AVC调节合格率、风电场注入电网系统无功电流大小、风电场注入电网系统无功电流响应时间和持续时间；评价考核商用库表存储单元将评价考核后台检测单元计算的考核指标结果存储到商用库表中，并通过可视化人机界面查询商用库表和WAMS历史时间序列库数据，以数据、表格和曲线形式展示所述考核指标。
4.根据权利要求1所述的风电场无功调节能力自动分析系统，其特征在于：
所述事故分析模块包括事故分析后台检测计算单元、事故分析商用库表存储单元；事故分析后台检测计算单元利用广域量测系统WAMS时间序列实时库数据，检测计算所述高低压穿越事件指标，记录脱网事件及脱网过程有功恢复情况；事故分析商用库表存储单元将事故分析后台检测计算单元输出结果以记录形式存储到商用库表中；可视化人机界面作为输出端读取并统计商用库表中记录，展示所述高低压穿越事件指标及脱网事件后有功恢复情况。
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