CN107516943A - 一种新能源站进行快速功率控制的通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对光伏，风电等新能源电站控制大量发电单元进行快速功率调节以满足系统一次调频类似快速响应需求的通讯方法，该发明通过基于以太网的组播或广播快速下发至各发电单元，发电单元接收无需通讯确认，也无需执行后功率快速回传；厂站快速功率控制装置通过对电站并网点采集计算得到调节效果从而形成闭环控制；厂站快速功率控制装置对众多发电单元常规非实时信息的需求通过各发电单元TCP通讯上送来实现。该发明旨在解决当前新能源尤其是光伏电站功率调节通讯迟缓带来的对电网响应迟钝的问题，以提高新能源电站的控制调节水平。

Description

一种新能源站进行快速功率控制的通讯方法

技术领域

本发明涉及新能源发电自动化领域，尤其涉及一种在大型新能源光伏电站中应用的新能源快速功率调节的站内通讯实现方法。

背景技术

目前我国大多数地区对风电、光伏等新能源采取的是大规模集中式的开发模式，每个大规模新能源开发区域都分布着数十个新能源场站，而单个新能源场站的装机容量都较大。由于新能源发电固有的间歇性特点，大规模新能源并网给电网运行带来了极大的挑战。为保障大规模新能源接入下电网运行的安全稳定，2011年以来，国家标准委员会和国网公司颁布了标准《Q/GDW 617-2011光伏电站接入电网技术规定》和《GBT_19963-2011风电场接入电网技术规定》，提出了在光伏电站、风电场配置有功功率控制系统(以下简称AGC系统)的要求，同类的还有电压控制AVC的要求。以光伏电站为例，站内功率和电压调节通常是由AGC/AVC系统完成的。该系统的通讯接入方式是：户外方阵中的逆变器等设备通过串口接入到方阵中的通信管理装置，通信管理装置将其转换为IEC104、IEC103等通讯规约后再通过光纤环网接入到站内环网总交换机，然后再经过2～3级交换机再接入到站内AGC/AVC服务器。行业内，光伏、风电等新能源电站的AGC/AVC控制启动响应时间一般为20s，而其整个控制响应时间长达2分钟以上，这种系统一般只能参与电力系统的几分钟级的二次调频，主要进行电力系统长周期计划功率调节，无法达到电力系统一次调频的速度和性能要求。

近年来，随着我国光伏、风电等可再生新能源的大面积推广以及这些新能源发电容量在整个电网中的比例逐步提升，电网对新能源提出了越来越高、越来越快的功率支撑和响应需求。由于光伏、风电等新能源发电出力不确定性，对西藏、青海、甘肃、内蒙古等新能源占比大的省份的电网造成调峰困难现象尤为突出，新能源站的传统AGC/AVC系统因响应速度慢已越来越难以满足目前电网对新能源调节相应的需求，为此迫切需要新能源电站整体提高功率反应速度主动参与电力系统一次调频，成为电网“友好型”电源。即当系统故障或紧急事故发生时，新能源快速功率调节响应以便尽快使系统进入稳定状态。需要指出的是，光伏等新能源通过基于电力电子技术的逆变器接入电网，从逆变器本体技术上，是具备功率快速控制以及有功、无功独立控制的能力。对于我国西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古等新能源占比容量较大的省份，当前弃光弃风比较严重，以西藏光伏为例，光伏电站限制为50％的容量发电，在大部分良好天气下，这为每个光伏电站留出了上下各50％的可调节功率容量，通过实施光伏电站的功率快速回降与提升控制，在电网紧急控制的时间尺度内(10秒)，外部输入功率(光或风)相对是比较稳定的，此时新能源电站如果通过功率快速回降或者提升，接受上级系统的调节指令，并参与电网的频率和电压调节，将对电网的安全稳定运行发挥巨大的作用，当发生直流闭锁或者大电源损失等严重故障下，可以少切甚至不切负荷，从而降低所在区域电网运行控制的压力。同时，可以有效提升所在电网的频率、电压控制能力，增强电网的稳定水平。

虽然逆变器本体具备快速功率调节的潜力，然而目前新能源电厂站内的通信网络协议和发电单元通讯接口多不支持上述协调控制方案的通信快速性要求，需要按新的方案的要求设计通信协议和接口。

理论上，新能源站级快速功率控制装置或系统可以完全基于统一的高速通讯协议实现与全站众多各新能源发电单元的收发交互通讯。但考虑到其中与全站众多的新能源发电单元收发会形成海量通讯报文，这会大大消耗和占用本系统中包括站级快速功率控制装置、网络交换机以及目标发电单元的计算、存储和通讯资源，使得对各层级设备硬件成本要求大大提高；另一方面，站级快速功率控制装置接收下级各新能源发电单元功率调节信息反馈，目标是要获得汇总累加后的调节实际效果，而这个全站调节后的实际效果，我们通过对新能源升压站并网点的电流电压采集计算，进行功率计算就可以得到全站所有新能源发电单元实时发电功率总和减去各级损耗后的真正上网功率，这个并网点的上网功率值是最真实的，是站级快速功率控制装置调节控制的根本。

因此，从数据需求和准确度来看，我们无需从各新能源发电单元高速获取功率执行信息。我们只需实现功率调节信息的高速下达，新能源发电单元接收后执行即可。这样，我们就可以取消发电单元对上级系统的高速通讯回传。对于上级系统对于下级众多发电单元的一些非实时性信息需求，我们采用常规的TCP网络通讯方式进行非实时传输；具体协议可以是基于以太网的MMS、MODBUS、IEC103、IEC104和OPC通讯协议；此外发电单元与厂站级新能源快速功率控制装置之间信息上送可以进行直接互通或者基于规约转换单元的间接通讯方式。上送的信息包含装置较完整的遥信、遥测、遥控、遥调信息。

这样，考虑到厂站快速功率控制装置以及网络通讯设备的硬件成本，数据需求以及数据可靠性等方面，我们对相关通讯方法进行重新设计，目标是大大提升新能源电站内的各发电单元功率控制整体通讯响应速度至百毫秒内，而同时保证对系统中各层次装置设备的性能成本需求在较低的范围内，并且还要求能够使得该系统与原有各通讯系统保持兼容，这需要我们对相关系统通讯方法进行深入设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

1)解决站级系统与众多发电单元高速通讯需求与对相关系统高成本高性能需求矛盾的问题。使用基于以太网的快速组播一对多直接通讯下发方式，与包含以太网TCP通讯上送接收相结合的通讯方式，可在满足功率调节通讯功能需求下，降低相关功能实现对系统中各层次设备软硬件高性能指标的需求。

2)解决快速功率控制系统组播快速功率控制下发无需高速回传情况下如何实现快速闭环控制的问题，通过并网点电流电压采集计算功率值进行闭环控制，速度快准确性高。

3)解决快速功率控制系统组播快速模块下发报文无回传确认情况下如何实现对侧接收可靠性的问题，通过数据突变时刻开始连续多帧快速重复报文发送实现，速度快，冗余度高。

4)解决新能源快速功率控制系统升级与已建常规光伏电站现有通讯网络系统兼容的问题，方法对系统各层次设备没有超出当前常规水平的高性能需求，无需新增或者升级网络设备，节约投资成本。

采用上述方法和系统方案后，本发明的有益效果是：

1、采用本方法后，可解决传统新能源电站大批量发电单元群体控制功率调节一对一通讯命令下达速度慢，而高速一对一通讯又会对系统各层级设备提出高性能高成本需求的矛盾。通过快速组播一对多直接通讯下发，与以太网TCP通讯上送相结合的通讯方式，有效降低相关系统、装置与设备性能需求，从而降低相关经济成本，有利于新能源的长期发展。

2、采用本方法，可以保留原有通讯系统架构和监控系统设备，对于现有的大量新能源电站提升新能源发电单元快速功率控制的需求，通讯及相关系统改造成本低，工作量小。

3、采用本方法后、已有大量已建新能源光伏电站能进行兼容性升级，这能大大提高众多新能源站参与系统调频调压响应的可控性和快速性，使得大量风电、光伏等新能源电站能进一步接近火电、水电等常规发电厂的运行控制特性的，这有利于提高新能源在电网中的接入消纳能力；同时，这有利于快速挖掘各新能源单元的无功潜力，可以减少甚至取消当前新能源电站所需的无功补偿SVC/SVG设备和配置容量，减少新能源电站相关设备电力损耗，减少相关设备投资和运维成本，提高新能源电站建设运行经济性。

附图说明

图1新能源厂站功率控制组播/广播下发与TCP上传的通讯示意图。

图2光伏电站快速功率控制通讯网络方案图。

图3风电场快速功率控制通讯网络方案图。

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。

1)如图1、图2所示，以光伏电站为例进行说明，在光伏电站内建立一个厂站快速功率控制通讯系统，通过GOOSE组播与站内各逆变器进行一对多高速下发通讯，将上级系统的调节命令下发至与站内各光伏逆变器，这些设备满足快速GOOSE接收通讯和快速功率执行的相关条件。

2)新能源电站中的发电单元如光伏逆变器、风电变流器、储能控制装置等设备，开发能够支持GOOSE等组播快速通讯协议，与厂站端快速功率控制装置快速通讯交互，具备在20～30ms内接收并依照自身当前设备状态完成目标功率调节的能力。

3)新能源发电单元如光伏逆变器等，通过常规TCP方式与包括新能源快速功率控制装置在内的上级装置或系统进行信息状态上传通讯。具体协议可以选配进行，主要有MMS、MODBUS、IEC103、IEC104和OPC等基于以太网的一些通讯协议；此外发电单元与厂站级新能源快速功率控制装置之间信息上送可以进行直接互通或者基于规约转换单元的间接通讯方式。上送的信息包含装置较完整的遥信、遥测、遥控、遥调信息。中间还可经信息采集或规约转换装置汇总上送。

4)对于系统中的个别特殊或样本发电单元，也可配置高速上送方式进行信息上传。

5)快速功率控制装置主要以并网点电流电压采样计算的并网点功率值进行全站功率闭环控制，辅助结合样本或特殊发电单元上送的单台发电单元实时功率状态作参考，同时还辅助参考各发电单元通过TCP非实时上传的功率状态信息。

6)如图2所示，在新能源光伏电站中，光伏方阵分为集中式方阵和组串式方阵两种。对于集中式方阵，逆变器直接与方阵中的环网交换机相连。在组串式方阵中，逆变器数据采集器直接与方阵中的环网交换机相连，数据采集器对下采集并控制本方阵中的组串式逆变器。各个方阵的环网交换机组成光纤环网，然后汇总在升压站的总环网交换机。功率协调控制装置通过以太网口接入与升压站总环网交换机相连。

7)如图3所示，在新能源风电场中，与光伏电站类似，对于快速功率控制装置与风电机组中的风机主控系统网络相连。快速组播功率调节命令直接下发至主控系统。在接收到功率调节命令后，主控系统再调节风电变流器、变桨系统和制动等系统进行相关功率命令的执行。考虑到风电牵涉到变桨、制动等机械环节，其调节执行速度没有光伏功率控制纯电力电子环节快速效果明显。

Claims (5)

1.一种适应新能源电站快速功率控制的通讯方法，其特征在于：在新能源电站厂站快速功率控制装置与站内发电单元之间的交互通讯，采用网络组播或广播方式一对多快速通讯下发；厂站快速功率控制装置通过对新能源电站并网点电流电压直接采集计算全站当前功率获得全站快速调节效果从而形成闭环控制；厂站快速功率控制装置通过由发电单元TCP通讯上传的方式实现对发电单元常规非实时信息的获取。

2.根据权利要求1所述的一种适应新能源电站快速功率控制的通讯方法，其特征在于：所述发电单元的可靠接收是通过在报文内容值突变时刻开始间隔时间t快速连续n帧重复内容发送实现，后续组播/广播报文将进入稳态T时间间隔心跳发送，其中快速发送间隔时间t的范围为1～2ms，连续重复帧数n范围为2～3ms，稳态间隔发送时间T范围为5～10s。

3.根据权利要求1所述的一种适应新能源电站快速功率控制的通讯方法，其特征在于：厂站快速功率控制装置向发电单元采用组播或者广播通讯方式进行功率调节命令下发，所述厂站快速功率控制装置中设置有组播通讯块，每台快速功率控制装置拥有一或多个组播通讯块控制，每个组播通讯块负责向N台发电单元进行一对多组播，下发功率调节命令，其中N的范围是2～50。

4.根据权利要求3所述的一种适应新能源电站快速功率控制的通讯方法，其特征在于，所述组播块控制下发的功率调节命令数据包中，每个报文数据包中包含整个组内N台发电单元的功率调节相关的信息，所述功率调节相关的信息包括地址识别码、有功功率目标值、无功功率目标值以及起停机命令，相应发电单元接收到报文数据包后收取本发电单元相应的功率调节目标值。

5.根据权利要求1或2所述的一种适应新能源电站快速功率控制的通讯方法，其特征在于，所述发电单元的TCP通讯上传内容中，包括常规遥测、遥信、遥调、遥控信息，还包括发电单元组播或广播高速接收通讯状态信息点。