CN107566921A - 为新能源发电单元提供快速和常规通讯兼容接口的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为新能源发电单元提供一种为新能源发电单元提供快速和常规通讯兼容接口的方法，支持快速通讯和常规通讯使之能同时满足高速接收上级功率指令和常规通讯需求，从而为该发电单元参与系统一次调频创造通讯条件。所述方法通过提供一个具备对上接收高速组播与对下通讯转发，并具备常规通讯与通信管理功能的接口装置，解决传统新能源发电单元不具备高速通讯能力的问题。这为常规新能源电站尤其是光伏电站升级改造提升功率响应速度，以便参与电力系统一次调频打下技术基础。该方法有利于提高新能源电站并网友好性，有助于提升电网新能源的消纳能力和安全稳定性。

Description

为新能源发电单元提供快速和常规通讯兼容接口的方法

技术领域

本发明涉及发电自动化控制领域，尤其涉及一种在大型新能源光伏电站或风电场中应用并提供快速和常规通讯兼容接口使常规新能源发电单元满足系统一次调频通讯需求的方法。

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厂站，而单个新能源厂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。

对于功率快速回降或者提升的需求，虽然逆变器本体具备快速功率调节的潜力，各逆变器基于本身就地并网点电流电压采集进行的各自独立快速控制又会面临导致功率振荡的问题，因此需要一个全站的协调控制；然而目前新能源电厂站内的通讯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讯快速性要求，需要按新的方案的要求设计通讯协议和接口。

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厂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，厂站级快速功率控制装置接收下级代表各新能源发电单元的接口装置的功率调节信息反馈，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，再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。

因此，从数据需求和准确度来看，我们无需从代表各新能源发电单元的接口装置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，我们就可以取新能源发电单元对上级系统的高速通讯回传。

需要指出的是，虽然光伏逆变器等新能源发电单元基于电力电子原理上支持20～30毫秒内快速功率执行响应的能力，但是现有这些光伏逆变器产品除少数产品外，大部分还不满足上述协调控制方案的通讯快速性要求，这就要求对这些逆变器进行相关通讯功能升级和改造。对于其中一些逆变器产品，我们可以通过软硬件功能升级的方法使之直接支持快速通讯。而对于另外现有的大部分逆变器产品，由于这些产品原有的硬件或软件的不足，难以通过软硬件升级满足快速功率控制的通讯要求，这就需要我们提出一种解决这种常规新能源发电单元快速通讯接口问题使之能高速接收上级系统功率调节指令；

当接口装置解决了传统新能源发电单元的高速通讯需求后，因为新能源发电单元还有正常对外的常规信号采集上送通讯需求，最好也能融合到接口装置中，否则会带来复杂的通讯接线和通讯配置问题；因此，该方法还要能给接口装置加入兼容常规通讯和通信管理的相关功能。对于上级系统对于下级众多代表传统发电单元的接口装置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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

1)传统新能源发电单元不支持快速通讯，不能满足系统一次调频的快速功率调节的通讯需求。

2)在没有快速接收发电单元上送功率时，传统新能源发电缺少快速功率反馈，不能实现快速的功率闭环控制。

3)当传统新能源发电单元接收到多种不同需求等级功率调节命令和多种来源功率调节命令时，很可能出现功率执行选择与执行冲突的问题。

4)作为传统新能源发电单元的接口装置，在不同应用场景如组串式逆变器光伏方阵和集中式逆变器光伏方阵不同应用场景中，存在单台功率命令下达和多台功率调节命令总值下达情况时，接口装置很可能出现转发执行混乱的问题。

为解决上述问题，本发明采用的方法是：

通过提出一个新能源发电单元的接口装置，接口装置设置两种通讯方式，一种是对上高速组播或广播接收通讯，一种是对上常规TCP通讯；接口装置还具备对下向新能源发电单元快速通讯转发功能，同时具备通信管理、多路功率调节命令策略选择和功率分解分配功能；方法中接口装置布置在传统新能源发电单元与上级系统之间，物理位置靠近传统新能源发电单元，对下通过串口或以太网口与传统新能源发电单元通讯，对上通过以太网口与上级各系统通讯。

通过提出上级相应装置或系统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实时调节效果，从而形成快速闭环控制，解决接口装置不高速回传发电单元状态如何实现闭环的难题。

通过提出增加功率调节命令执行策略环节，将快速一次调频功率调节命令与其它来源如AGC/AVC等二次或三次调频功率调节命令进行选择判断，之后形成统一功率调节决策的方法，解决功率调节命令兼容性与多命令执行冲突难题。

提出在接口装置中提供功率分解功能，针对性处理不同类型如组串式方阵和集中式方阵的单台目标值和多台总目标值功率调节命令，进行相应的分解分配，解决转发功率值不当可能导致的新能源发电单元功率执行混乱的问题。

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，可解决新能源电站大批传统发电单元因自身不能满足快速通讯需求而难以满足新能源快速功率调节而参与电力系统一次调频的难题，还能满足常规新能源通讯和信息采集的需求，这些降低新能源参与电力系统一次调频的技术门槛，提高新能源的快速调节水平，这有利于提高新能源在电网中的接入消纳能力。

2、采用本方法后，通过快速组播一对多直接通讯下发，而无需高速状态回传，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；同时采用并网点功率采集计算实现闭环控制，高准确度与高可靠性，功能实现更为简单。

3、采用本方法后，通过功率调节命令执行策略环节解决功率命令执行混乱的问题，提高发电单元运行稳定与可靠性。

4、采用本方法后，通过功率分解功能环节解决功率转发或分解功能选择问题，提高针对集中式和组串式等不同光伏的适应性。

5、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。

6、采用本方法，传统新能源发电单元具备快速功率命令通讯的能力，这还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新能源发电单元快速通讯接口装置总体功能示意图。

图2装置应用通讯架构与模块组成示意图。

图3光伏电站接口装置应用通讯架构。

图4装置背板示意图。

图5装置面板示意图。

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)为了实现本发明新能源发电单元快速通讯接口功能，如图1所示，开发出一个具备两种对上通讯方式：对上高速组播或广播通讯接收和对上常规TCP通讯，并具备对下向相关新能源发电单元快速通讯转发功能，同时具备通信管理、多路功率调节命令策略选择、和功率分解分配功能的新能源发电单元接口装置，使传统不具备高速通讯能力的新能源发电单元具备高速通讯接收类似一次调频快速调节命令，也具备常规TCP通讯和发电单元状态信息收集转发能力。为了实现上述功能接口装置，本方案采用嵌入式平台开发对上高速组播或广播通讯接收功能模块，同时整合开发常规通信管理和环网交换机功能，如图2所示，甚至开发箱变保护测控功能，以满足光伏区箱式变压器保护测控功能的需求，为光伏区的通讯，控制，保护，测控提供一体化成套解决方案。

2)方案主CPU板开发完对上高速组播或广播通讯接收功能模块后，相关功率调节指令再经过功率调节命令执行策略环节，将快速一次调频功率调节命令与其它来源如AGC/AVC等二次或三次调频功率调节命令进行选择判断后形成统一功率调节决策，决策的策略可以先将不同类型的功率调节指令分配不同的等级，比如一次调频命令的等级最高，普通AGC调节的命令等级最低；当存在高等级快速一次调频功率调节命令时，一定时间周期内屏蔽其它低等级AGC/AVC的命令。

3)当形成了一定时间周期内唯一的功率调节命令后，该功率调节命令值还需要经过功率分解功能环节，该环节主要分别针对性处理不同类型的功率调节命令，当上级下发至接口装置的功率调节命令是针对本接口装置下辖的某一台发电单元时，则该模块直接进行功率命令转发；当上级下发至本接口装置的功率调节命令是一个包含本接口装置辖内所有或多个发电单元功率总目标功率值，则该功率分解分配模块按照策略进行功率值分解后再对下向各发电单元转发。该功能使得该方法能够适用于不同类型的集中式逆变器和组串式逆变器方阵中，它们各自的特点是集中式逆变器方阵一般仅有两台逆变器，上级调节命令一般针对单台逆变器；而组串式方阵有30～60台逆变器，上级调节的命令很可能是针对整个方阵，这样功率分解模块在不同的定值设置下，就能按照所需的功能进行相适应的直接转发或者分解下发。

4)产品硬件平台采用双CPU插件设计，每块CPU插件均选用嵌入式双核CPU处理器和大容量的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)进行设计，内部采用高可靠性、高实时性、高效率的数据交换接口。装置包含主CPU插件，串口通讯插件，选配保护测控CPU插件，选配温度信号采集插件，选配交流头插件、选配开入/开出插件、电源插件、总线及显示板卡、面板及箱体，如图3所示。装置采用背插式结构，通过总线板将各功能板卡(包括智能板和非智能板)连接起来。其中主CPU插件负责高速通讯与通信管理等对上对下通讯功能。相关高速通讯接口模块，功率执行策略判断模块,功率分解计算模块，对下通讯模块，通信管理模块，环网通讯模块均在主CPU插件中实现。装置前面板如图5所示，装置背板如图4所示，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，一个通讯网口。

5)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，有一台升压箱变，配置一台本接口装置，为该方阵中的两台集中式光伏逆变器或多台组串式光伏逆变器提供高速通讯接口功能；若干个子方阵的该新型接口装置手拉手组环后接入升压站中心环网交换机；对于风电场，每台风电机组升压箱变中安装一台该接口设备，同样手拉手组环后接入升压站中心环网交换机。

6)装置对上网络口支持高速通讯GOOSE收发功能，高速GOOSE组播通讯默认只收不发；对上网络TCP/IP通讯支持IEC IEC60870-5-104、IEC60870-5-103、MODBUS、OPC等通讯规约；

7)装置对下以太网口可支持Modbus，DNP，IEC60870-5-103/104，IEC61850等通讯规约；装置对下串口可支持Modbus、IEC60870-5-103等通讯规约；

8)接口装置的结构上：

采用4U半层机箱，后插拔式，强弱电分离；

主CPU插件和选配保护测控CPU插件完全独立；

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，如图5装置面板图所示；

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，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.为新能源发电单元提供快速和常规通讯兼容接口的方法，其特征在于：提供一个新能源发电单元的接口装置，所述接口装置设置两种网络通讯方式，一种是基于高速组播或广播网络通讯，一种是基于TCP/IP网络通讯；

所述接口装置具备对下向新能源发电单元快速通讯转发功能、通信管理功能、多路功率调节命令策略选择和功率分解分配功能；

所述接口装置设置在新能源发电单元与上级系统之间，通过串口或以太网口与新能源发电单元通讯，通过以太网口与上级系统通讯。

2.根据权利要求1所述的一种为新能源发电单元提供快速和常规通讯兼容接口的方法，其特征在于：所述方法中基于高速组播或广播通讯接口方法使得上级相应装置或系统对新能源发电单元的各接口装置进行一对多快速通讯下发；上级相应装置或系统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实时调节效果从而形成快速闭环控制。

3.根据权利要求1所述的一种为新能源发电单元提供快速和常规通讯兼容接口的方法，其特征在于：所述方法中，接口装置接收到上级系统的快速一次调频功率调节命令后，还经过功率调节命令执行策略环节，将快速一次调频功率调节命令与二次或三次调频功率调节命令进行选择判断，然后形成统一功率调节决策，再进入后续处理环节。

4.根据权利要求1所述的为新能源发电单元提供快速和常规通讯兼容接口的方法，其特征在于，所述方法中接口装置接收后的功率分解功能，分别针对性处理不同类型的功率调节命令，当上级下发至接口装置的功率调节命令是针对本接口装置下辖的某一台发电单元时，则该模块直接进行功率命令转发；当上级下发至本接口装置的功率调节命令是一个包含本接口装置辖内所有或多个发电单元功率总目标功率值，则该功率分解分配模块按照策略进行功率值分解后再对下向各发电单元转发。