基于多源数据融合的新能源运行数据监测系统设计.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：郭海霞 ：基金项目：中国南方电网有限责任公司重点科技项目（）作者简介：刘显茁（），男，吉林白山人，工程师，硕士，研究方向为新能源并网调度、新型储能并网调度等。引用格式：刘显茁，王皓怀，郭自豪，等 基于多源数据融合的新能源运行数据监测系统设计 能源与环保，（）：，（）：，基于多源数据融合的新能源运行数据监测系统设计刘显茁，王皓怀，郭自豪，丁刚（中国南方电网电力调度控制中心，广东 广州 ；北京清大科越股份有限公司，北京 ）摘要：为解决新能源调度分析和运行统计，提出了基于多源数据融合的新能源运行数据监测系统。分析了新能源发电特性，结合新能源发电与传统电网之间的关系说明了多源数据融合平台的意义和作用。构建了基于多源数据融合的新成员调度运行监测系统，设计了总体架构，分析了系统功能模块，给出了系统硬件部署方案和系统接口。针对新能源台帐动态管理、区域新能源运行建设、优先调度评价、消纳统计分析等功能进行说明。最后结合某地区典型的微型新能源网络的系统应用情况进行了说明和分析，论证了本文提出系统的有效性。关键词：多源数据；新能源运行调度；系统设计；新能源系统中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；我国新能源发电项目技术水平和经济条件日趋成熟，新能源装机占比不断提升，可再生能源为主的新能源发电并网渗透率逐渐提升，给电网的运行安全带来一定压力。同时分布式新能源由于部署位置较为分散，地区差异较为明显，对于运行和调度监测数据建设系统相对不足 。为解决新能源运行和调度的监测需求，本文提出了相应的系统平台。目前针对新能源运行分析，文献 提出了基于物联网技术的新能源电网运行状态监测方法；文献 提出了基于调控云的新能源运行监测与调度系统；文献 分析了多状态下分布式能源运行在线监测方法；文献 建立了基于物联网的光储能源运行状态监测系统；文献 分析了未来电网调度控制系统应用功能的新特征；文献 分析了基于电力数据驱动和需求响应的冷热电多站融合系统能源路由策略。针对含有新能源的调度运行系统，文献 设计了网调度运行指挥平台基础数据库；文献 说 年第 期能源与环保第 卷明了电网调度运行指挥信息化平台的应用；文献 针对调控一体化模式下监控信息智能化管理系统建设提出了方案。上述文献均针对新能源运行分析进行了建模，但对于运行数据监视的平台架构设计较少。由此可见，目前针对新能源运行调度主要根据目前的多级调度系统进行模型优化，而针对多能源数据平台在调度运行中的分析应用较少，目前的模型大部分针对具体的调度运行，而未针对数据应用展开。为此，本文以新能源运行特性分析为出发点，将以风电和光伏为代表的新能源运行特性进行总结，提出了基于多源数据融合的新能源运行平台，分析了平台功能，并对平台的应用进行论证。新能源运行特性分析 新能源发电特性分析新能源运行数据监测主要针对新能源发电功率的输出特性以及运行过程中的动态变化，而主要的新能源以风电和光伏为代表，受到气候和天气的影响，具有较强的出力波动性和出力不确定性 。因此，针对新能源的运行数据监测主要以风电功率输出和光伏功率输出为代表。某风电场在一定时间间隔内的输出功率曲线如图 所示。由图 可以看出，风电输出功率随着时间的变化呈现出明显的波动性和间歇性。图 风电场功率输出波动曲线 光伏发电功率与光照辐射强度有关，而光照辐射强度与云层厚度及云层移动情况有关。在典型日内，晴空天气状态下的光照辐射强度在正午时达到最大 ，一般呈现出的光伏出力曲线如图 所示。从图 中可以看出，采样时间不同，光照辐射强度也会产生波动，从而导致光伏出力产生波动。图 单位面积光照辐射功率波动曲线 另外，从较大时间尺度的统一性分析来看，风电具有反调峰 特性。即白天风电输出功率较小，夜间输出功率较大；而针对光伏则在晴天中午时输出功率达到最大，夜间输出功率为 （图 ）。由此可以看出，风能和太阳能发电具有互补性，因此对风电和太阳能发电运行数据进行监测能够有效提升电网对风电和光伏电站发电功率的合理调配能力，并满足负荷波动的需求。图 某典型日新能源功率输出曲线 基于多源数据的新能源平台管理结合新能源接入电网对整体电力系统的影响进行分析，提出新能源系统关系，如图 所示。针对电力系统传统发电、输配电和用电的环节，将风电和太阳能发电与传统火电、核电、水电等机组形成综合发电网络，根据相应的市场规则和系统运行方式，确定风电和太阳能发电等可再生能源的出力情况 。确定出力组合关系后，由电网进行电能输送。同时可以实现大规模储能与电网功率交互传输，实现对风电、太阳能发电波动性的补偿机制。由用电环节实现负 年第 期刘显茁，等：基于多源数据融合的新能源运行数据监测系统设计第 卷荷对相应电能功率的消耗和使用，同时可避免大规模新能源接入电网带来的利用率不高等问题。图 新能源运行结构 针对电网接入的新能源机组在出力响应和波动调节等方面采取必要的数据监测手段，实现对数据的滚动优化和实时优化，形成满足电力系统分析要求的数据，从而实现对系统整体运行模式的把控。数据平台可以实现对多种数据的综合处理和分析。同时针对布置在不同位置的传感节点采取多源数据融合处理的方式，提升区域内部和区域之间可再生能源交互运行的优化模式，提升数据的传输效率，避免数据传输出现大规模缺失等问题。由于新能源运行系统主要体现在光伏和风电等形式的电能。因此，首先应考虑这类新能源直接参与发电调度的数据需求，结合机组的运行方式和区域运行规则，对典型运行日的运行方式进行数据特征抽取，提取关键断面。在数据分析过程中，应当以风电和光伏等可再生能源的预测信息与实际负荷需求数据进行匹配，将区域内部的优化调度作为数据对比的基本参考，从而将负荷与电源测数据进行有机整合，得到最终的分析结果。针对区域之间联络线传输的新能源发电功率，也应当开展广域电网的区域间协调数据分析和监测，将某区域剩余发电能力信息进行全网发布。从而实现区域内系统调峰裕度及功率发电计划的动态调节，满足不同区域之间系统功率交换的需求，从而进一步提升新能源在全部电力系统网络之间的应用效率。统一的数据管理平台可以包括运行类设备、规划类设备、运行方式类数据的统筹考虑，提供合适的接口以及数据模型，满足导入导出等服务，为电网的各项计算提供准确的数据支撑。基于数据平台，形成调度统一数据库管理，体现集中统一标准化作业流程，将数据的维护、应用作为调度系统的前提支撑，从而为新能源调度提供合理的支撑。在数据平台构建过程中，对象服务、流程服务、报表服务、数据交换以及日志服务形成统一的业务支撑组件，与调度管理系统相衔接，形成数据共享、复用。将数据的可视化共享作为数据平台的基本特色，实现各类数据在运行过程中体现可视化展示要求，实现分布式查询等。基于数据平台的新能源调度运行系统 系统总体构架平台整体结构基于 分布式发电数据采集和调度中心内网新能源运行监测分析平台。采用 年第 期能源与环保第 卷 结构 ，包括 分布式发电信息传输与管理、调度专网数据采集与管理、调度支撑系统。系统能从新能源发电侧采集相应运行状态数据，通过加密网关将分布式能源运行数据进行统一处理后上传至监测分析平台，形成分布式能源发电集中信息中心。由反向隔离装置将信息传送至分布式新能源运行平台。结合调度计划与 运行支撑，形成相应的调度传输数据。最终与智能电网调度支撑系统形成调度数据传输，并上传至其他调度机构。系统总体构架如图 所示。基于数据平台的新能源运行调度分析系统根据数据的来源以及安全分区，结合运行管理系统、调度操作指令下发系统，将新能源调度系统综合功能实现一体化管理。根据语音数据、调度数据、管理数据图 总体构架 三层级的数据一体化平台实现调度协调管理。系统功能模块该系统架构能够实现的功能如图 所示。图 功能分类 系统硬件部署平台网络硬件部署结构如图 所示。通过布置相应的工作站、服务器、隔离设备、网关、电能采集表等形成平台硬件拓扑结构。将平台网络分为安全接入区和区。区主要包括生产运行历史数据。同时厂站区包括相应的分布式电源发电自动化监测平台的数据。智能表计采集相应终端的数据。通过 专网将数据与新能源外网数据采集中心进行连接，通过反向隔离装置将信息传输至安全区，进而构成了由安全区与安全区组成的平台网络，安全区负责新能源运行监测数据分析的数据库以及运行监测分析平台的服务器处理。系统接口平台可通过与其他应用协同实现数据交互，具体包括智能电网调度支撑系统平台，实现对有功功率、无功功率、并网点电压和电流、馈线有功功率等参数的监视；智能电表计量系统，实现对有功功率、无功功率的量测；对功率预测进行数据分析和交互，实现短期、超短期功率预测；与调度计划系统实现交货，而将发电量数据、状态检修数据进行交互；与 系统进行交互，实现新能源运行数据的周期统计和分析。最终，系统的接口包括与水电、风电、光伏、储能、智能变电站等多种能源形式，接口主要基于 规范，接口如图 所示。平台功能设计 新能源台账动态管理根据并网电压等级、建设规模、建设模式等，系统可以分步建立区域并网新能源场站管理台账，从而建立全网新能源场站的信息管理模块，实现对所有新能源场站并网管理基本信息（装机容量、地理位置、机组型号等）的维护，形成动态更新机制。由于新能源台账涉及的字段内容及信息过多，年第 期刘显茁，等：基于多源数据融合的新能源运行数据监测系统设计第 卷根据新能源设备特性，风电和光伏分别按多个层级进行了数据信息的统计。为便于在第一时间了解新能源的直观信息和数据，对新能源台账的数据展示采用分层管理和可视化展示。图 系统硬件结构 图 接口示意 风电场台账信息按照“场站期次集电线机组”个层级统计；集中式光伏台账信息按照“场站期次集电线箱变（阵列）光伏板类型”个层级统计。区域新能源运行监控系统运行监控功能主要满足运行要求时间范围内的运行状态和运行过程，从而实现告警信息的及时上送。采用实时数据库的模式，将平台业务层处理的数据分为电网运行情况监控、运行过程监控、运行告警信息发送等内容（图 ）。按照新能源运行方式的不同，对分布式新能源按照区域原则进行划分，将采集的有功功率、无功功率、并网点电压、频率、电压和电流等实现实时更新，从而确定在电网运行过程中新能源机组的出力情况。针对新能源机组的运行过程，采用多源数据融合的方式，将多种途径获取的资料和数据进行形象化展示。针对用户接入的对象分析原则进行数据分类，从而实现将运行情况数据和运行过程数据动态监控，最终满足系统的多线程运行要求。年第 期能源与环保第 卷图 运行监控结构 新能源运行分析功能新能源运行分析具体包括对新能源的运行规模和建设情况以及发电特性进行指标评价（图 ）。针对新能源运行过程中的数据而进一步整理和分解，达到输出信息更有价值的作用。从而方便运行和调度人员掌握具体的运行数据，包括新能源装机电量、新能源运行趋势、同时率以及调峰性能。图 运行分析结构 新能源装机电量采用时间对比方式，按照一定的规则，对新能源装机、发电量、同比增长、环比增长等情况进行时间序列分析。运行趋势分析，针对不同时间尺度范围内的新能源运行情况进行查询。同时率可以结合主要新能源电站在不同时间尺度内的概率统计分析，并加以不同时段的对比。调峰分析主要解决相应气象条件下，某地区风电机组反调峰性能。并分析这类调峰性能对地区和电网调度带来的影响。同时还可根据相应的气象条件，对风速、光照辐射强度进行资源统计和分析，实现功率的精准预测，进一步解决新能源在电网渗透率不足、弃风弃光等现象。区域新能源消纳统计分析系统支持获取年度资源预测和新能源电量预测数据；支持基于年度的消纳分析结果，对各地区新能源的弃风弃光情况进行预评估；支持对历史弃风弃光预评估结果进行对比、统计等分析；支持对历史弃风弃光预评估结果与实际弃风弃光结果进行比对；支持基于历史评估结果给出各弃风 弃光水平下指标完成的风险概率。应用分析以某地区微型电网的新能源作为监测对象，将风电机组、光伏发电作为主要的新能源监测对象，同时网络中还含有微型燃气轮机、燃料电池、储能电池等装置。该电网能够实现与主网进行功率交换。其中，风电机组和光伏机组的装机容量分别为 、。新能源结构如图 所示。图 新能源结构 利用本文提出的系统进行实际运行状况分析，得到某一日内的运行情况如图 所示。图 典型日运行曲线 根据采集的调度端功率预测数据，实现日曲线及日评价管理。具体步骤如下。（）数据可视化。将日照强度、实际发电量和预测发电量数据绘制成图表，以便直观地比较它们的变化趋势。年第 期刘显茁，等：基于多源数据融合的新能源运行数据监测系统设计第 卷（）发电量差异分析。比较实际发电量与预测发电量之间的差异。通过计算每天的差异值，可以得出每天的偏差情况。（）调度策略优化。基于实际发电量和预测发电量的差异，调整太阳能发电站的发电计划。如果实际发电量低于预测发电量，可以考虑在这些时段使用其他发电方式来补充电力需求。（）系统稳定性分析。通过模拟不同日照强度情况下的发电量变化，分析电力系统的频率和电压稳定性。确保太阳能发电的波动不会对电力系统的稳定造成影响。（）经济性评估。根据太阳能发电的实际发电量、成本和市场电价，评估其经济性。分析是否需要调整发电计划以获得更好的经济效益。以风电为例，具体实现页面效果如图 所示。图 应用效果示意 通过本文设计的多源数据融合新能源运行数据监测系统的应用，可以实现在地区范围内多种形式新能源数据的共享和交互，满足多种能源数据，同时在线监测和分析，实现运行调度需求。结论本文建立了多源数据融合的新能源运行数据监测系统。通过对相应系统的功能和架构进行设计。在满足系统相应接口的条件下，实现区域新能源的动态运行监控和新能源运行分析。本文设计的系统经过实例论证，分析了在典型微电网环境下的多种能源共同组成的系统，在数据运行分析和统计输出展示方面具有较强的功能。进而满足系统调度和运行的要求，提升对新能源监控能力，进一步解决了新能源消纳问题。参考文献（）：张玮，白恺，鲁宗相，等 特大型新能源基地面临挑战及未来形态演化分析 全球能源互联网，（）：，（）：任彬华，冷迪 基于物联网技术的新能源电网运行状态监测方法 电脑编程技巧与维护，（）：，（）：史清芳，唐卫华，刘胜利，等 基于调控云的新能源运行监测与调度系统的应用浅析 电工技术，（）：，（）：乔连留，白建林，张碧华，等 多状态下分布式能源运行在线监测方法研究 科技通报，（）：，（）：贺贤达，江冰，孙晓晓 基于物联网的光储能源运行状态监测系统 信息技术，（）：，（）：，许洪强，姚建国，南贵林，等 未来电网调度控制系统应用功能的新特征 电力系统自动化，（）：，（）：杨晨，王峻尧，石世锋，等 基于电力数据驱动和需求响应的冷热电多站融合系统能源路由策略 电力大数据，（）：，（）：刘旭斐，谢一工 电网调度运行指挥平台基础数据库的设计与实现 年云南电力技术论坛论文集（文摘部分），刘旭斐，谢一工，王珍意，等 电网调度运行指挥信息化平台的应用 现代电力，（）：，（）：曹德发，陈诚伟，张军保，等 调控一体化模式下监控信息智能化管理系统建设 电工技术，（）：，（）：，（下转第 页）年第 期郭瑞：无人驾驶车载系统在煤矿胶轮车上的应用研究第 卷 车载控制系统的应用效果分析为检验所设计的无人驾驶车载系统的综合性能，将其应用至煤矿中的矿用胶轮车进行控制效果验证。在测试过程中，该系统运行正常，能高精度、高准确性地对胶轮车运行状态进行实时监测，并通过显示界面对车的行驶位置进行精度定位，并将监测数据传输至处理单元中进行分析判断，通过无人驾驶车载系统实现对胶轮车的有效控制。整个过程中，无需人员进行干预操作，车辆转弯时较为平稳，整体行驶速度处于相对均速状态。同时，也测定了车辆在 处遇到障碍物时，驾驶室发出声光报警，并匀减速地执行整车的减速操作，无人驾驶操作功能相对较全。经过几天的测试，基于无人驾驶车载系统的矿用胶轮车实现了全天满负荷作业，期间未出现异常现象，得到了人员的一致认可和好评，验证了此系统的安全性及可靠性。结论利用当前成熟无人驾驶技术，根据矿井中胶轮车的使用工况特点，从总体方案、硬件、控制策略、车载黑匣子等多方面，设计开发了一套矿用胶轮车无人驾驶车载系统，并将其应用至矿用胶轮车的实际作业中。经测试，该系统运行正常，定位精度较高，数据传输及响应速度快，能通过精准定位，实现对远程障碍物的异常报警及制动控制，转弯及行驶过程相对准确且平稳，整体无人化驾驶状态达到了现场实际操作需求，得到了人员的一致认可和好评。该系统的成功应用，提高了现场作业安全性，降低了人员作业风险，减少了企业运行成本，实际推广应用价值较大。参考文献（）：周李兵 煤矿井下无轨胶轮车无人驾驶系统研究 工矿自动化，（）：，（）：贺海涛，廖志伟，郭卫 煤矿井下无轨胶轮车无人驾驶技术研究与探索 煤炭科学技术，（）：，（）：秦沛霖，张传伟，周李兵，等 煤矿井下无人驾驶无轨胶轮车目标 检测研究 工矿自动化，（）：，（）：程兆辉，王春森 矿用胶轮车智能监控系统优化设计 自动化应用，（）：，（）：，王陈，鲍久圣，袁晓明，等 无轨胶轮车井下无人驾驶系统设计及控制策略研究 煤炭学报，（）：，（）：段韶伟 煤矿井下胶轮车交通调度指挥系统研究与设计 石化技术，（）：，（）：，檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）粟世玮，张谦，熊炜，等 含高渗透可再生能源的动态网络重构与无功电压调整协同优化 电网与清洁能源，（）：，（）：，欧阳婷，蔡晔，王炜宇，等 计及风电、光伏预测不确定性的抽水蓄能日前全调度优化 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