CN207475284U - 一种新能源站进行快速功率控制的通讯系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种新能源电站进行快速功率控制的通讯系统，所述系统包括厂站快速功率控制装置的快速通讯控制模块和TCP通讯模块、新能源发电单元的快速通讯接收模块和TCP通讯模块、规约转换单元的TCP通讯模块、以及由交换机等组成的以太网网络。所述的快速功率控制装置的快速控制模块通过组播或广播一对多方式向各发电单元直接下发功率调节命令；各发电单元接收功率命令后无需回传确认，也无需执行后状态信息实时上送，仅通过常规TCP通讯上传非实时信息。系统通过两种不同的通讯方式，满足新能源厂站越来越高的快速功率控制相关的通讯需求。

Description

一种新能源站进行快速功率控制的通讯系统

技术领域

本实用新型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系统。

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。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％的额定容量发电，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。

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，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，这个并网点的上网功率值是最真实和可信的，是厂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，本实用新型的发明内容包括：

一种新能源站进行快速功率控制的通讯系统，该系统由厂站快速功率控制装置、新能源发电单元、交换机、规约转换装置组成；厂站快速功率控制装置含快速通讯控制模块和 TCP通讯模块，新能源发电单元含快速通讯模块和TCP通讯模块，交换机组成的以太网网络，规约转换器含TCP通信模块；厂站快速功率控制装置与各发电单元之间通讯采用组播或广播高速下发和TCP通讯上传的相结合的通讯方式；

其中厂站快速功率控制装置的快速通讯控制模块与多个发电单元的快速通讯模块建立直接通讯连接，以一对多的组播或广播通讯方式高速下发功率调节命令；

其中厂站快速功率控制装置与新能源发电单元的各自TCP通讯模块，主要用于各新能源发电单元功率执行后功率状态信息的非实时上传。

作为本实用新型的进一步优选方案，厂站快速功率控制装置的快速通讯控制模块与众多发电单元的快速通讯模块建立一个物理以太网网络，在同一物理网络上实现组播或广播方式的快速功率调节命令的向下群发，新能源发电单元相关信息非实时TCP上送共用同一物理网络，也支持独立组网。

作为本实用新型的进一步优选方案，交换机包含中心环网交换机和环网交换机，环网交换机首尾相连组成光纤环网，在新能源电站中包含多个光纤环网，汇集到中心环网交换机。

作为本实用新型的进一步优选方案，厂站快速功率控制装置与中心环网交换机通过以太网口相连，厂站快速功率控制装置的快速通信控制模块和TCP通信模块通过环网向各新能源发电单元下发功率调节指令，同时通过环网接收各新能源发电单元的TCP相关信息上送。

作为本实用新型的进一步优选方案，当新能源发电单元具备快速通讯模块和TCP通讯模块时，新能源发电单元通过以太网口直接与本单元中的环网交换机相连，快速通讯模块接收厂站快速功率控制装置下发的功率调节指令，TCP通讯模块上送本发电单元的运行信息， TCP上送信息直接上送至厂站快速功率控制装置，也支持经规约转换器TCP通讯汇集后再TCP 通讯上传。

实用新型内容

本实用新型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。

2)解决快速功率控制系统组播或广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。

3)解决快速功率控制系统组播或广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。

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。

为解决上述问题，本实用新型采用的方法是：

1)使用基于以太网的快速组播或广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)通过并网点电流电压直接采集计算功率值进行快速闭环控制，速度快、准确性高且无需各发电单元功率回传。

3)通过组播或广播控制块在数据突变时刻开始连续多帧快速重复报文发送实现数据下发的可靠性，速度快，冗余度高。

4)采用现有以太网网络设备与系统，命令下发和上送推荐共用同一物理网络，也兼容独立物理网络。

采用上述方法和系统方案后，本实用新型的有益效果是：

1、采用本系统后，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。通过快速组播或广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、采用本系统后，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、采用本系统后、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或广播下发与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

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本通讯系统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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本通讯系统保护的范围。

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组播或广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等组播或广播快速通讯协议，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方式与包括厂站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。中间还可经信息采集或规约转换装置汇总上送。

4)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，，辅助结合各发电单元通过TCP非实时上传的功率状态信息。

5)如图2所示，在新能源光伏电站中，逆变器支持网络接口并直接与方阵中的环网交换机相连。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。

6)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。快速组播或广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。

Claims (5)

1.一种新能源站进行快速功率控制的通讯系统，其特征在于：该系统由厂站快速功率控制装置、新能源发电单元、交换机、规约转换装置组成；厂站快速功率控制装置含快速通讯控制模块和TCP通讯模块，新能源发电单元含快速通讯模块和TCP通讯模块，交换机组成的以太网网络，规约转换器含TCP通信模块；厂站快速功率控制装置与各发电单元之间通讯采用组播或广播高速下发和TCP通讯上传的相结合的通讯方式；

其中厂站快速功率控制装置的快速通讯控制模块与多个发电单元的快速通讯模块建立直接通讯连接，以一对多的组播或广播通讯方式高速下发功率调节命令；

其中厂站快速功率控制装置与新能源发电单元的各自TCP通讯模块，主要用于各新能源发电单元功率执行后功率状态信息的非实时上传。

2.根据权利要求1所述的一种新能源站进行快速功率控制的通讯系统，其特征在于：厂站快速功率控制装置的快速通讯控制模块与众多发电单元的快速通讯模块建立一个物理以太网网络，在同一物理网络上实现组播或广播方式的快速功率调节命令的向下群发，新能源发电单元相关信息非实时TCP上送共用同一物理网络，也支持独立组网。

3.根据权利要求1所述的一种新能源站进行快速功率控制的通讯系统，其特征在于：交换机包含中心环网交换机和环网交换机，环网交换机首尾相连组成光纤环网，在新能源电站中包含多个光纤环网，汇集到中心环网交换机。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种新能源站进行快速功率控制的通讯系统，其特征在于：厂站快速功率控制装置与中心环网交换机通过以太网口相连，厂站快速功率控制装置的快速通信控制模块和TCP通信模块通过环网向各新能源发电单元下发功率调节指令，同时通过环网接收各新能源发电单元的TCP相关信息上送。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种新能源站进行快速功率控制的通讯系统，其特征在于：当新能源发电单元具备快速通讯模块和TCP通讯模块时，新能源发电单元通过以太网口直接与本单元中的环网交换机相连，快速通讯模块接收厂站快速功率控制装置下发的功率调节指令，TCP通讯模块上送本发电单元的运行信息，TCP上送信息直接上送至厂站快速功率控制装置，也支持经规约转换器TCP通讯汇集后再TCP通讯上传。