一种新能源电站的综合通信管理系统及其应用

李 莉，孙耀东，丁浩川

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

国家“十四五”规划中明确提出实现碳达峰、碳中和的目标，随着国家大力推动重点领域节能降碳革新，制定碳达峰行动方案，全面开始建设绿色制造体系，新型电力系统以光伏、风电、水电等作为重要资源的新能源电站被大力推广并建设，从而推动电网稳定快速发展。国家能源局规划2030 年非化石能源消费占比达到25%左右和风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上［1-2］。因此未来新能源发电将成为趋势，风力、太阳能作为优质自然资源，具有构建新型电力系统的天然条件和优势，发展风电、光伏新能源电站能够推动电网后续革新［3］。

新能源对自然资源具有绝对的依赖，其布局分散、运行环境复杂等特点，给新型电力系统的建设和运行带来难题。新能源电站自动化设备类型种类繁多，不同厂家设备之间通讯接口类型不同，给新能源电站现场的施工调试及后续的运维带来很多困难，大量新能源电站并网也影响电力系统的稳定运行。为充分利用自然资源，确保采集的新能源数据信息、实时监视设备运行状态、传输系统控制指令等通信的准确性和及时性，掌握新能源电站未来发电能力，本文提出了一种用于新能源电站的综合通信管理系统，该系统能够将站内所接入的设备及主站系统集中管理并入新能源电站，使得新能源主站端有效集控运营，提升远方控制水平，统筹区域电网安全、优质和经济运行［4-6］。

1 新能源电站架构

新能源电站中接入的设备及系统主要有：风电系统（风电机组）、光伏系统（光伏逆变器）、测风塔、环境监测仪、功率预测系统、AGC 系统、AVC 系统、升压站设备、无功补偿装置等。以综合通信管理系统为依托的新能源综合通信管理装置通过串口或网络方式与新能源电站的接入设备和系统建立通信并采集各种信息统一管理，不同设备的通信通道相互独立。产生的信息类型有遥信量、遥测量、电能量、遥调量、控制命令、E 文件等。有些地方配置视频监控系统，可以将生成的图像文件传送至综合通信管理系统，方便主站端调阅［7］。同时新能源综合通信管理装置还与新能源主站系统建立通信，通过综合通信管理系统进行数据、命令、文件等信息的交互。

光伏系统子阵多，控制命令通常会同时刻发出，综合通信管理系统能够对控制命令群调群控，管理光伏站各个逆变器，并将调节结果反馈给主站系统。升压站、AGC/AVC 系统、光伏子站、风机系统、功率预测等数据量较大，通常会将数据信息转换为E 文件存储并通过综合通信管理系统传送给新能源主站系统。同样，新能源主站系统将统计的气象预测信息文件、消息信息文件由综合通信管理系统转发给下行接入的设备。

典型的新能源电站系统架构如图1所示。

图1 新能源电站系统架构Fig.1 System architecture of new energy power station

2 新能源综合通信管理系统架构

在变电站自动化通信系统中通常采用通信及规约转换装置作为中间层，对上与监控系统、保信装置通信，对下与继电保护装置、电度表、直流屏等智能设备通信，数据主要以遥信、遥测、遥脉、遥控等类型为主，传输数据不符合规范时，需要通过数据转换器来进行数据处理以便符合通信及规约转换装置的数据类型接口要求。接入设备或数据量较大时，通信及规约转换装置实时处理能力有限，必须多台协调工作；当通信需要以文件形式发布/调阅时，通信及规约转换装置需要进行重大改变才能支撑。

为了保证数据的实时性、准确性与完整性，且能够将数据以文件形式进行传输，新能源综合通信管理系统采用多线程和多个子系统的设计方案［8-10］，分解出实时库子系统、历史库子系统、通信协议库子系统、时钟同步子系统、双机冗余子系统、逻辑运算子系统、开出子系统、人机界面子系统、高级应用子系统等［11-12］，各个子系统既能够独立运行又能够交互协作，灵活地满足各种需求和扩展功能，系统设计如图2所示。

图2 新能源综合通信管理系统架构Fig.2 Architecture of new energy integrated communication management system

新能源综合通信管理系统的主要子系统功能如表1所示。

表1 分解子系统Table 1 Subsystem decomposition

2.1 通信协议库子系统

综合通信管理系统区别于其他通信产品的关键部分在于通信协议库子系统，该子系统对新能源自动化通信中具有承上启下的作用。通信协议库子系统上行和下行的遥信量、遥测量、电能量、遥调量等数据采用标准的IEC60870-5-101、IEC60870-5-102、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MODBUS、部 颁CDT 等 协议［13-14］进行交互，而文件采用IEC60870-5系列规约基础上制定的新能源电站信息传输规约，该规约与IEC60870-5定义的标准保持最大限度的兼容，从而保证与不同厂家设备的通讯协议具备良好的接入性。

综合通信管理系统文件交互的基本流程如图3所示。

图3 文件交互流程Fig.3 File interaction flow

新能源综合通信管理系统接收文件处理的详细流程为：

1）功率预测系统/视频监控系统/新能源主站作为客户端，主动发起通信连接请求，新能源综合通信管理系统作为服务端，响应连接建立确认。

2）通信连接建立后，功率预测系统将短期预测结果文件、视频监控系统将图像文件、新能源主站系统将气象预报文件等几种文件的存储路径发送给服务端，服务端确认路径是否存在，不存在则创建该路径用于文件存储。文件路径需要能够反映文件类型，通常文件存储路径与文件类型关系如表2所示。

表2 文件路径名称与文件类型Table 2 File path name and file type

3）路径建立后，客户端将收集到的文件名称、文件大小、MD5 校验值等信息发送给服务端；服务端对此信息进行确认，并判断该文件在存储路径中是否已存在，若存在则回复已存在，客户端将不进行后续步骤，等待新的文件产生后再从步骤1）重新开始执行；若不存在进入步骤4）。

4）文件信息确认后，客户端开始将文件数据内容传输给服务端，由文件库子系统统一管理。

5）文件内容发送完毕，客户端和服务端进行结束确认。此时文件传输流程结束，下一个文件产生后，重复1）-5）步骤。

新能源综合通信管理系统发送文件处理的详细流程为：

1）功率预测系统/新能源主站作为客户端，主动发起通信连接请求，新能源综合通信管理系统作为服务端，响应连接建立确认；

2）通信连接建立后，客户端将文件路径、名称等信息发送给服务端，通知其需要召唤该文件；服务端的文件库子系统对此文件进行查找，文件已存在则通知客户端准备接收文件数据信息，文件不存在则通知客户端等待下一周期查询；

3）服务端开始传输文件数据内容给客户端；

4）文件发送完毕，客户端和服务端进行结束确认，下一周期到达后，重复1）-4）步骤。

通常文件应用协议数据单元（APDU）定义如表3，此APDU可适用于大部分地区的文件传输要求。

表3 文件应用协议数据单元(APDU)Table 3 File application protocol data unit(APDU)

2.2 新能源数据管理

为满足新能源电站对数据的要求，新能源综合通信管理系统能够通过逻辑运算子系统计算以下数据并进行存储［15-18］：

1）实时矢量平均量，如对风速、风向等实时气象要素数据进行时间滑差式矢量平均计算形成实时矢量平均量，计算数据周期可设为1 min、5 min、10 min、15 min；

2）实时算数平均量，如对风速、风向、温度、气压、湿度、辐照度等重要实时气象要素数据以及实时有功功率进行时间滑差式算术平均计算形成实时算数平均量；

3）自定义计算量，如支持加、减、乘、除的符号运算，逻辑判断运算以及函数等生成新的实时计算量。

新能源综合通信管理系统能够存储实时数据量，且根据不同应用场景支持配置存储周期，通常至少支持存储60 d，便于新能源主站系统调度使用。

E语言文件用于存储功率预测设备产生的日短期预测结果、超短期预测结果、气象预报系统产生的气象预报文件、视频监控系统产生的视频图像文件，文件相关信息定义如表4所示。

表4 文件信息Table 4 File information

日短期预测结果文件和超短期预测结果文件由功率预测系统传输给新能源主站系统，从而上送调度，用于电网安排发电计划规划和管理。功率预测系统要产生精确的预测数据，要求高分辨率高精度的数值天气预报作为数据依托［19-21］，因此气象预报文件由气象预报系统传输给新能源主站系统，再由新能源主站系统通过新能源综合通信管理系统下发给功率预测系统，从而提升功率预测系统预测精度。

图像文件使用JPG 或者PNG 格式，由现场视频监控系统周期上送，通过新能源综合通信管理系统传输至新能源主站系统，并可在线展示，供运维人员了解现场实时情况，从而及时发现问题并处理。

3 工程应用

使用新能源综合通信管理系统的新型电力系统已在内蒙、贵州、云南等地投入建设及并网运行。以贵州新能源电站系统为例，新能源综合通信管理装置采用综合通信管理系统架构，现场实施自动化系统部分如图4所示。

图4 工程实施系统Fig.4 Project implementation system

贵州新能源电站分布了3 个区，综合通信管理装置部署在II区，采用了双机冗余配置方式，接入了功率预测系统；I区接入了保护测控装置、风机系统、光伏系统、AGC/AVC 系统，现场经过防火墙接入了综合通信管理系统；天气预报系统设在III 区，通过正方向隔离接入综合通信管理系统与主站通信。此设计方案已在贵州新型电力系统中投入实施，高效地利用了风能、太阳能等自然资源，通过文件传输数据极大地提高了变电站自动化系统的通信能力，推动了新能源电力系统在贵州地区的落地应用。

4 结语

随着“双碳”工作的不断推进，使用自然资源建设新型电力系统成为电力行业的重要发展方式。本文对风电、光伏电站在推动新型电力系统发展过程中的新能源综合通信管理系统进行了阐述，新能源电站的自动化通信系统采用综合通信管理系统作为中间层，对上与新能源主站系统等进行通信，对下与风机系统、光伏系统、功率预测系统、AGC/AVG 系统等多种设备进行通信，并对数据量较大的文件信息在系统交互中的过程进行了详细介绍。以新能源综合通信管理系统为依托建设新型电力系统的方案对工程应用具有一定的实用价值，在“双碳”目标下推动电网发展、有效集控运营、统筹区域电网安全发挥着重要作用。