CN104716743B - 一种保护测控通信及agc子站一体化实现方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种保护测控、通信管理、AGC子站一体化实现方法，该方法的特征是将保护测控模块、通信管理及新增AGC子站模块在同一装置中实现。本发明主要应用于光伏等新能源发电领域，它的优势特点是：基于本发明的装置除保护测控和通信管理模块外还可以接收上级AGC系统对本子方阵的总功率指令并优化控制分解至各发电单元，在提高全站AGC运行精度和时效性的同时还可解决上级AGC系统容量及计算负荷瓶颈；装置在箱式变压器中直接安装，无常规方案下的多设备高成本问题，也没有常规方案下还需配置就地柜这样的附加高成本安装难题；有效提高AGC控制效率，降低设备总成本，节省投资，优化二次接线，提高发电厂经济运行水平。

Description

一种保护测控通信及AGC子站一体化实现方法和装置
技术领域
本发明涉及新能源发电自动化领域，尤其涉及一种在新能源光伏电站中应用的新能源保护测控通信及AGC子站一体化实现方法和装置。
背景技术
近年来随着国家扶持新能源产业的政策不断出台，大型的新能源光伏电站、风电场不断涌现。为了满足系统电网对新能源发电厂站系统安全与监控的需求，要求在升压站或远方监控中心实现对各发电单元或子方阵进行通讯实时监控以及功率AGC控制。以光伏发电为例，光伏电站的每个光伏子方阵(一般为1～1.25MWp)，通常要配置箱式变压器保护测控装置、通信管理机、环网交换机这三种设备。一方面，众多的二次设备不但总成本高，而且系统二次回路复杂，户外现场安装十分不便：除箱变保护测控装置可集成在箱变中之外，通信管理机和环网交换机通常要配置较高价格的柜体来安装。对于集中式逆变器光伏工程，还可采用普通屏柜安放于逆变器小室中；而对于当前越来越多的组串式逆变器光伏工程，由于没有逆变器独自壁挂安装没有小室，这两个设备的安装只能采用防护等级要求高得多的就地柜来安装，又将进一步增加成本；虽然，为解决类似问题，当前也有少数厂家开发了集成保护测控和通信管理功能的装置产品，但由于其保护测控和通信管理模块共用同一个CPU插件甚至同一个CPU芯片，产品的可靠性及灵活性等方面存在诸多问题，影响工程实施推广。另一方面，对于当前越来越多的组串式逆变器光伏工程应用推广，由于组串式光伏电站与集中式光伏电站相比逆变器数量剧增，相同容量下组串式光伏电站的逆变器数量是集中式光伏电站的20～30倍，这导致此前主要面向集中式逆变器光伏电站进行控制的厂站级AGC并网控制系统因逆变器数量爆增而效率低下甚至无法控制。
这些问题和不足的存在不利于新能源发电技术的应用推广，相关产品模块需要重新审视规划，以满足当前新能源行业的发展需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：1)解决现有常规技术中存在的箱式变压器保护测控和通信管理，环网交换机三设备实现方案成本高，且安装不便的问题；2)解决现有新能源光伏电站尤其是组串式光伏电站因逆变器数量巨大而难以进行有效AGC功率控制的问题。提出一种将箱式变压器保护测控模块、通信管理模块和环网交换机多模块融合的方法，兼顾成本与可靠性，同时为解决组串式光伏电站AGC控制效率低下提出了面向光伏子方阵的自动发电控制AGC子站模块并将其融合于一体化产品中，该模块可与上级厂站级AGC控制系统形成层次化架构，解决当前光伏站尤其是组串式光伏电站AGC控制难题。
本发明技术方案内容为：一种新能源保护测控通信及AGC子站一体化实现方法，其特征在于：将箱式变压器保护测控模块、通信管理模块和自动发电控制AGC子站模块一体化实现在同一装置中，其中AGC子站模块接收上级AGC系统下发的总功率控制指令，AGC子站模块将该指令优化分解后下发至所管辖区域的多个发电单元，对这些发电单元进行功率控制。
上述方案中：方案1：三个模块集成于同一块CPU插件中，直接共用外围软硬件资源；或者方案2：将三个模块自由组合分散布置于2～3块CPU插件中，通过总线板共享外围软硬件资源。
上述方案中：方案2的一种典型方案为采用2块CPU插件，将保护测控模块安置于一块CPU插件中，而将通信管理模块和AGC子站模块集成安置于另一块CPU插件中，两块CPU插件通过总线共享外围软硬件资源。
上述方案中：所述方法还包含辅助环网通讯模块支持，该模块辅助通信管理与AGC子站模块与上级相关系统进行环网通讯。
上述方案中：所述的箱变保护测控模块实现双分裂或者双绕组变压器的1～2个支路电气量信号采集、开入信号采集、变压器油温采集，功率电度测量，支持电量和非电量保护，远方/就地跳合闸，提供串口或网络对上数据通讯。
上述方案中：所述的通信管理模块实现子方阵内各发电单元和相关智能设备的串口或网络通讯规约接入，并将各通信规约转换为统一的通信规约与上级相关系统进行交互通讯。
上述方案中：所述的AGC子站模块作为子方阵的AGC子站，可将接收到的上级厂站AGC系统对本子方阵的功率调度指令Pf优化分解为本子方阵下属各发电单元的功率指令Pi，满足关系式(其中N为本子方阵中所含发电单元的总数目)，并通过遥控、遥调命令向这些发电单元(如组串式光伏逆变器)分别下发单元启停命令或单元功率调度指令。
上述方案中：在所述保护测控CPU插件上设计开发1～4个网口，这几个网口一方面作为保护测控模块的对上级厂站系统通讯网口，另一方面还作为网络交换机使用担当通信管理模块的对下级辖区内装置设备扩展通讯网口，所述通讯网口能够根据需要独立配置为光口或电口。
本发明还提供一种新能源保护测控通信及AGC子站一体化装置，其特征在于：该装置集成包含了保护测控、通信管理与AGC子站三大组成模块；该装置包含保护测控CPU插件、温度信号采集插件、交流头插件、串口通信插件、通信管理及AGC子站CPU插件、开入插件、电源及开出插件、总线板卡、显示板卡、面板及箱体；所述的总线板卡包括定时复用同步通信总线、电源总线、模拟量总线、I/O总线；各插件通过总线板卡电源总线与电源插件板连接，获得供电电源，并通过总线板卡通信总线相互连接，实现相互之间信息报文交换；保护测控CPU插件通过总线板与交流头插件、温度信号采集插件、开入插件和开出插件相连，获得电流电压采集信号、温度信号、非电量及遥信开入信号，进行逻辑计算并将计算结果输送至开出板输出；通信管理及AGC子站CPU插件通过总线板与扩展串口通信插件相连，与各设备进行网络或串口通讯，经通信管理模块规约转换后与上一级监控进行环网以太网通讯；显示板卡与上述两CPU插件基于总线板通过串口通讯连接，提供通讯连接调试口和人机信息接口，显示相应CPU插件定值和相关信息，提供装置状态指示灯。
上述方案中：保护测控CPU插件采用高性能双核CPU芯片，现场可编程门阵列芯片FPGA、PCI以太网控器和光纤收发器，支持1～4路对上通信网口、1～2对对上环网通信口、1～2对自定义设置串口，和1路对时口，板卡软件包含保护、测控、报告、录波、通讯模块。
上述方案中：所述保护测控CPU插件上提供的1～4个网口，这几个网口一方面作为保护测控模块的对上级厂站系统通讯网口，另一方面还作为网络交换机使用担当通信管理模块的对下级辖区内装置设备扩展通讯网口，这些通讯网口能够根据需要独立配置为光口或电口。
上述方案中：通信管理及AGC子站CPU插件采用高性能双核CPU芯片，现场可编程门阵列芯片FPGA、PCI以太网控器和光纤收发器，支持1～4路对下通信网口、1～2对对上环网通信口、1～10对自定义设置串口，和1路对时口，板卡软件上包含通信管理、AGC子站、数据库、环网RSTP模块。
上述方案中：所述的箱变保护测控模块实现双分裂或者双绕组变压器的1～2个支路电气量信号采集、开入信号采集、变压器油温采集、功率电度测量，支持电量和非电量保护，远方/就地跳合闸。
上述方案中：所述的通信管理模块可以实现子方阵内各发电单元以及各相关智能设备的串口或网络通讯规约接入，并将各通信规约转换为统一的通讯规约与上级相关系统进行通讯。
上述方案中：所述温度信号采集插件同时支持1～4路4～20mA直流温度输入和1～4路RTD温度电阻输入。
上述方案中：交流头插件配置有电流变换器和电压变换器，支持1～4个支路的电流和电压采集。每个支路电压分别为3相支路电压；每个支路电流分别为3相支路电流。
上述方案中：各支路电压可直接接入额定值为100V～1000V的支路线电压，无需一次电压互感器。
上述方案中：电源与开出插件提供24～220V交直流电源输入和若干对空接点输出。
上述方案中：开入插件配置2块，提供1～6路非电量开入和1～36路普通遥信开入，支持AC/DC 24～220V开入电压输入。
上述方案中：所述显示板卡上设有可选配的键盘操作模块和显示液晶模块，以及信号灯指示模块，一个远方/就地选择按钮，一个调试通讯网口。
采用上述方法和装置方案后，本发明的有益效果是：
1、一体化融合了常规方案中箱变保护测控、通信管理机和环网交换机等三个设备功能，降低设备总成本。
2、提出并设计开发了针对新能源子方阵尤其是组串式光伏子方阵的自动发电控制AGC子站模块，解决相应新能源电站的AGC控制难题。
3、装置按实现方案2的一种典型双CPU插件方案实施设计，兼顾了产品成本和可靠性，系统工作效率和可靠性高，调试维护更方便。
4、直接集成安装于箱变中，无需常规方案中的屏柜或就地柜，降低了安装设备成本；
5、简化系统二次接线，提高设计和工程施工效率。
6、满足组串式光伏电站子方阵大容量通信和AGC控制需求。
7、可直接接入逆变器或变流器输出电压，无需一次电压互感器，减少设备投资。
8、兼容支持双分裂箱式变压器和双绕组箱式变压器，优化用户产品选型。环网故障诊断功能使得新能源电站维护更加方便。
附图说明
图1装置主模块组成。
图2两种典型集成方案。
图3基于子方阵自动发电控制AGC子站的全站AGC体系架构。
图4装置板卡硬件组成。
图5装置背板接线图。
图6装置光伏典型应用图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面基于上述发明开发的箱变智能保护测控装置为例进行说明
1)为了实现本发明(如图1所示)，考虑到成本和可靠性等方面，有多种一块或多块CPU插件的实现方案，典型实现方案(如图2所示)有方案1：多功能模块集成在同一块CPU插件中实现；方案2：多功能模块自由组合分布在2～3块CPU插件中，该方案的一个典型方案为采用两块CPU插件中实现，其中保护测控模块在CPU插件1中，通信管理和AGC子站在CPU插件2中。
2)本发明的AGC子站模块将接收到的上级厂站AGC系统对本子方阵的功率调度指令Pf优化分解为本子方阵下属各发电单元的功率指令Pi，满足关系式(其中N为本子方阵中所含发电单元的总数目)，并通过遥控、遥调命令向这些发电单元(如组串式光伏逆变器)分别下发单元启停命令或单元功率调度指令，整个厂站AGC系统功能示意和结构如图3所示。
3)实施实例中采用了实现方案2的一种双CPU插件典型方案，硬件平台选用嵌入式CPU，DSP和大容量的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)进行设计，内部采用总线数据交换接口。硬件组成包含保护测控CPU插件，温度信号采集插件，交流头插件、串口通信插件、通信管理及AGC控制CPU插件、开入插件、电源及开出插件、总线板卡、显示板卡、面板及箱体(如图4所示)。装置前面板含有指示灯，可选配的按键和液晶显示模块，远方/就地按钮及调试通讯网口。保护CPU插件完成保护测控、事件、计量、录波等模块；智能I/O板卡实现非电量、遥信等开入输入和跳闸等信号输出等模块；通信管理及AGC子站CPU插件配合其他板卡的扩展通信口实现其它智能设备如逆变器，汇流箱等各规约通信接入，规约转换存储处理后基于板卡内嵌的环网交换机模块统一上送，直接与升压站环网主交换机通讯，实现整个区域如光伏子方阵与主监控室的信息交互。电源板卡能够自适应AC/DC 24V～220V交直流电压输入，实现AC/DC或DC/DC变换，从而为各板卡提供稳定可靠的3～12V直流电源。
4)总线板卡包括高性能的定时复用同步通信总线、电源总线、模拟量总线、I/O总线；各插件通过总线板卡电源总线与电源及开出插件连接，获得供电电源；保护测控CPU插件、温度信号采集插件、电流电压交流头插件、串口通信插件、通信管理及AGC子站CPU插件、开入插件、电源及开出插件、通过总线板卡通信总线相互连接，实现相互之间信息报文交换；保护测控CPU插件通过总线板卡模拟量总线与交流头插件连接，获得模拟量小信号；通过通信总线与油温信号采集插件、非电量与开入插件，获得处理完成的变压器油温信号，非电量及遥信开入信号；与电源与开出插件相连，将逻辑计算开出结果输送至开出；通信管理及AGC子站CPU插件通过总线板与串口通信插件相连，获得各串口输入通信信号；显示板卡与两CPU插件通过总线板上的串口线连接，作为人机接口，显示相应CPU插件定值和相关信息。
5)具体使用时，背板插件图如图5所示，针对不同支路数目和电流电压等级需求可配置不同类型的交流头插件，如针对光伏应用，采用支持两组三相电流和两组三相电压的交流头插件，装置的交流插件可分别采集双分裂变两个低压侧支路，或者双绕组变压器的高低压侧支路的三相电流、三相电压；保护测控CPU插件根据所接入的电流电压输入计算出电流电压幅值，相角，频率、功率因数、有功功率、无功功率,电度计量等模拟量的遥测；2块开入插件板可采集断路器或负荷开关的开关位置、熔断器熔断信号、箱变门开关信号等36路开入量信号，也可接入1～6个非电量信号实现重瓦斯动作跳闸、轻瓦斯动作告警、SF6气压异常报警、变压器高温报警、变压器超高温跳闸、变压器油位低等非电量保护；温度插件不但具有4路PT100温度量，还能采集4路直流量(4～20mA电流)，满足各种形式各种数量温度如箱式变压器油温采集需求。
6)通信管理模块实现子方阵内各逆变器、汇流箱、箱变保护测控和电度表及旋转支架控制器的串口或网络通讯规约接入，并将所有信号统一规约转换为同一个通讯规约对上级监控系统进行通讯。
7)装置各支路电压直接接入额定值为100V～1000V的线电压，无需一次电压互感器。
8)装置保护模块针对每个支路提供三段可经复压闭锁的过流保护；一段过负荷报警；二段负序过流保护；二段零序过流保护；低电压保护；过电压保护；零序过电压保护；6路自定义非电量保护。
9)同时电源与开出插件上有8个继电器出口，满足1～3个支路保护开关跳闸和控制跳合闸模块需求。还能提供一对遥控实现其它侧负荷开关等的遥控模块，对有电操模块的开关实现远程控分和控合操作。
10)串口通讯插件板提供1～6路RS485/RS232自定义扩展串口，可接入智能设备如逆变器，汇流箱，电度表等其它第三方箱变测控等装置的串口输入，加上通信管理及AGC子站CPU插件的2个RS485口，装置可提供8个RS485口，或6个RS232口。
11)装置串口通讯信号电路上增加了GDT(气体防雷管)，当信号线上有强干扰时，GDT过压导通，将从信号线引入的干扰导入大地，使得信号线电压限制在电路可接受的的电压水平范围以内。这提高了信号的防雷和抗干扰等级。
12)通信管理及AGC子站CPU插件提供两个对下网口，支持带网络通讯模块的智能装置通讯接入，当网口不足时，还可使用保护测控CPU插件卡上的网口作为扩展。该插件上还带有光纤转换器，光纤环网的链路控制通过RSTP协议实现。环网上装置之间通过STP管理报文交互信息，确定唯一的阻塞端口，使物理上的环网解开，形成逻辑上的线形放射状网络。当有链路失效，装置检测到故障，迅速开放阻塞的端口，启用备份链路，恢复通信，实现环网自愈。
13)通信管理及AGC控制CPU插件中集成AGC子站模块，它接收上一级发送过来的本新能源子方阵总功率指令，再根据可选的功率优化配置策略向所连接的逆变器等可调功率发电单元进行功率计算分配，并将计算分配结果通过遥调或遥控命令向各设备通讯下发，厂站AGC系统向各子方阵AGC子站下发功率调度指令的周期默认为15分钟，可根据现场需要重新设置。
14)工程实施中，在光伏电站中，通常每1～2MWp的光伏容量定义为一个子方阵，有一台升压箱式变压器，配置一台本发明新装置，通常下接48台组串式逆变器或两台集中式逆变器，装置的箱变保护测控模块实现箱变的保护测控等模块，而装置的通信管理模块能和自动发电控制AGC子站模块分别实现对这些逆变器的通信接入转发和对这些逆变器进行功率分配(整体功能示意如图6所示)；若干个子方阵的同型号装置手拉手组环后接入升压站中心环网交换机；以一个100MWp的组串式光伏发电站AGC系统为例，采用20KWp容量的组串式逆变器，每48台组成一个子方阵，总共80个子方阵。原厂站级AGC系统直接控制到逆变器需要处理计算的逆变器数目3840台，一个批次遥控遥调命令就得下发3840个，相关系统计算处理压力极大；而采用了新AGC子站设备之后，厂站AGC只需计算处理80个左右子方阵AGC子站功率控制，计算量仅相当于原系统的1/48。轻松快捷；且命令下发后，这80个子方阵的AGC子站几乎可以同步计算分解并控制下发，计算速度和效率相比原厂站AGC系统直接控制要高；加上子方阵AGC直接下接各发电逆变器单元，对各逆变器信息反馈收集的速度及准确度都相对厂站级AGC系统要高，因此AGC控制的精准度更高。
15)保护测控CPU插件上的网口一方面作为保护测控模块的对上级厂站系统通讯网口，还可作为通信管理模块的对下级辖区内装置设备扩展通讯网口，所述通讯网口能够根据需要独立配置为光口或电口。
16)温度信号采集插件同时支持1～4路4～20mA直流量输入和1～4路RTD温度电阻输入。
17)基于环网端口状态监测原理实现环网失链诊断模块，即装置除提供装置正常的通信信息点之外，额外提供装置环网A,B两端口当前实时通信状态，升压站监控后台通过检测两端口的实时状态，判断出环网断链位置，有利于现场维护。
18)通信管理模块对下支持的规约可以是IEC60870-5-103、IEC60870-5-101、IEC60870-5-104、MODBUS、DNP或IEC61850等，通信管理对上支持的规约可以是IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MODBUS、DNP或IEC61850等；
19)结构上：
采用4U半层机箱，后插拔式，强弱电分离；
保护测控CPU、通信管理及AGC子站CPU插件独立分开配置；
面板针对双分支分裂变提供两列信号灯，分别标志各支路断路器状态和各支路保护控制跳闸告警情况，另外面板上还提供一个远方就地按钮，除提供开入实现远方就地选择外，还可在面板上控制，方便现场运行调试；
加强型单元机箱，按照工业级抗强振动、强干扰设计，可分散安装运行，满足新能源风电、光伏行业复杂的抗干扰要求。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种新能源保护测控通信及AGC子站一体化实现方法，其特征在于：将箱式变压器保护测控模块、通信管理模块和自动发电控制AGC子站模块一体化实现在同一装置中，其中AGC子站模块接收上级厂站AGC系统下发的总功率控制指令，AGC子站模块将该指令优化分解后下发至所管辖区域的多个发电单元，对这些发电单元进行功率控制；
所述的AGC子站模块作为子方阵的AGC子站，可将接收到的上级厂站AGC系统对本子方阵的功率调度指令Pf优化分解为本子方阵内各发电单元的功率指令Pi，满足关系式其中，N为本子方阵中所含发电单元的总数目，并通过遥控、遥调命令向这些发电单元分别下发单元启停命令或单元功率调节指令，所述发电单元为组串式光伏逆变器。
2.根据权利要求1所述的新能源保护测控通信及AGC子站一体化实现方法，其特征在于：一体化实现有两种方案，方案1：三个模块集成于同一块CPU插件中，直接共用外围软硬件资源；或者方案2：将三个模块自由组合分散布置于2～3块CPU插件中，通过总线板共享外围软硬件资源。
3.根据权利要求2所述的新能源保护测控通信及AGC子站一体化实现方法，其特征在于：所述的方案2，其典型方案为采用2块CPU插件，将保护测控模块安置于一块CPU插件中，而将通信管理模块和AGC子站模块集成安置于另一块CPU插件中，两块CPU插件通过总线共享外围软硬件资源。
4.根据权利要求1所述的新能源保护测控通信及AGC子站一体化实现方法，其特征在于：所述方法还包含辅助环网通讯模块，该模块辅助通信管理模块与AGC子站模块与上级相关系统进行环网通讯。
5.根据权利要求1所述的新能源保护测控通信及AGC子站一体化实现方法，其特征在于：所述的箱式变压器保护测控模块实现双分裂或者双绕组变压器的1～2个支路电气量信号采集、开入信号采集、变压器油温采集、功率电度测量，支持电量和非电量保护，远方/就地跳合闸，提供串口或网络对上数据通讯。
6.根据权利要求1所述的新能源保护测控通信及AGC子站一体化实现方法，其特征在于：所述的通信管理模块实现子方阵内各发电单元和相关智能设备的串口或网络通讯规约接入，并将各通信规约转换为统一的通信规约与上级相关系统进行交互通讯。
7.根据权利要求1所述的新能源保护测控通信及AGC子站一体化实现方法，其特征在于：在所述保护测控CPU插件上设计开发1～4个网口，这几个网口一方面作为保护测控模块的对上级厂站监控系统通讯网口，另一方面还作为网络交换机使用担当通信管理模块的对下级辖区内装置设备扩展通讯网口，所述通讯网口能够根据需要独立配置为光口或电口。
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