风电场智能功率预报系统技术方案超短期Word格式文档下载.docx
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《风电场并网验收规范》
《风电场风能资源测量和评估技术规定》
《电力工程电缆设计规范》
《继电保护设备信息接口配套标准》
《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》
《风电功率预测预报与电网协调运行实施细则》
《风电功率预测及系统协调运行管理办法》
《风电并网运行控制技术规定》
《风电功率预报与电网协调运行实施细节（试行）》
《能源局风电场功率预测预报管理办法》
《风电功率预测预报考核办法（试行）》
《风电功率预测系统测风塔数据测量技术要求》
《风电场理论发电量与弃风电量评估导则》
2.2设计原则
先进性
采用先进的系统架构体系和网络通讯技术设备，做到配置和技术应用的先进；
经济、实用性
系统以实用性为原则，充分利用现代化信息技术、通讯技术，在系统整体设计、硬件软件选型时结合企业现有系统实际情况，确定了合理、高性价比的建设方案；
开放、可扩展性
软件、硬件平台均采用模块化设计与开发，具有良好的可扩充、扩展能力，能够非常方便地进行系统升级和更新，以适应今后业务的不断发展，并提供与调度和其它系统的数据接口；
可移植性
系统支持Linux/Unix与Windows的跨平台技术，可运行于各类平台，具有很好的可移植性。
3系统构架
3.1系统架构拓扑图
本技术方案适用于风电场智能功率预报系统（风电场智能功率预报系统V1.0）。
风电场智能功率预报系统通过精准的功率预报，为电网的调峰、调频以及风电场的科学管理提供重要参考。
系统包括：
实时测风塔系统、数值天气预报系统、网络安全隔离装置、内（外）网服务器、系统工作站（PC）、防火墙、预测软件平台等组成。
风电场智能功率预报系统V1.0原理简化图（打印机除外）
风电场智能功率预报系统需要配置两台服务器：
数据采集服务器与功率预测服务器。
为保障系统的安全性和电网调度对新能源电站安全性的要求，对从外网接收的数值天气预报数据需加装反向隔离装置，以保证系统的安全性。
数据采集服务器用于接收数值天气预报数据和预测参数，通过反向隔离器将数据传输至功率预测服务器。
功率预测服务器利用数值天气预报、预测参数、实时气象观测数据和电场运行数据，进行风电功率预测。
风电功率预测系统包含商业数据库系统，用于存储历史数据。
3.2实时测风塔系统
实时测风塔主要用于风电场智能功率预报系统的超短期预测，为超短期预测提供实时测风数据；
东润在测风塔选址、风资源评估及测风塔建设等方面积累了丰富的经验，支持新建测风塔、已有测风塔得改造、移址等；
测风塔的数量需根据风场条件计算分析后确定，每座测风塔配套硬件设备包括气象数据传感器、数据采集设备、数据传输设备，如下图：
具体配套设备包括3台风速传感器、2台风向传感器、1台大气温度传感器、
1台大气湿度传感器和1台大气压力传感器及数据采集器和数据传输设备。
测风塔高度不低于风机轮毂高度，大气温度传感器和大气压力传感器装在10米高度；
风向传感器10米高度装一个，其他需根据项目具体情况确定安装高度；
风速传感器在10米、70米分别安装一台，其他需根据项目具体情况确定安装高度。
3.2.1数据采集器
具有在现场或无线（电台）下载数据的功能；
能完整地保存不低于36个月左右采集的数据量；
在-55℃～85℃的环境温度下可靠运行；
远程数据采集系统保证传输数据的准确性，数据可实时观测，定时下载，采样精度0.02%；
数据通道共12个，可分别接入多达10个风速仪，6个风向标（或大气温度计、大气压力计及其他传感器）。
在数据记录中满足各传感器的数据记录，采样精度±
0.02%；
传感器接口，至少10个风速接口，16个模拟量接口（风向、气温、气压等），8个IO口，RS232口；
太阳能电源供电，80W太阳能板，可长期不间断供电；
通讯协议，应支持多种协议至少包括OPC、Modbus；
箱体防护等级IP67，防水、防尘、防沙、防紫外、放腐蚀；
箱体结构安装盒应防水、防沙尘，蚀防腐。
3.2.2风速传感器
测量范围：
0m/s～75m/s；
启动风速：
0.78m/s；
适应温度：
-50℃～85℃。
3.2.3风向传感器
0°
～360°
；
精确度：
±
2.5°
适应气温：
-40℃～65℃。
3.2.4大气温度传感器
-40-52.5°
C；
精度：
1.1℃；
尺寸：
100x15mmФ；
防护等级：
IP65；
防紫外辐射罩。
3.2.5大气压力传感器
15-115kPa；
1.5kPa；
操作温度：
-40°
-+60°
C。
3.2.6仪器主要部件材料防护要求
主要部件材料为Lexan塑料及不锈钢能防止盐雾引起的腐蚀。
3.2.7数据采集频次要求
满足国家《风电场风能资源测量和评估技术规定》；
符合IEC61400-12标准（测风要求1HZ采样频率,存数10分钟时间间隔）；
可以根据客户要求进行调整、设置，默认采集频次如下：
数据存储时间间隔为5分钟；
风速参数采样时间间隔为1秒，并自动计算和记录每5分钟的平均风速，每5分钟的风速标准偏差，每5分钟内最大风速、最小风速、阵风风速、阵风风速出现时间日期、当时风向；
单位为m/s；
风向参数采样时间间隔为1秒，并自动计算和记录每5分钟的风向矢量平均值，每5分钟的风向标准偏差，每5分钟内最大风向、最小风向，单位为°
温度参数每1秒钟采样一次，记录每5分钟的平均值，每5分钟的温度标准偏差，每5分钟内最大、最小温度，单位为℃；
湿度参数每1秒钟采样一次，记录每5分钟的平均值，每5分钟的湿度标准偏差，每5分钟内最大、最小湿度，单位为%；
大气压力参数每1秒钟采样一次，记录每5分钟的平均值，每5分钟的气压标准偏差，每5分钟内最大、最小气压，单位kPa。
3.2.8数据传输
系统具备多种通讯方式传输采集数据，包括光纤、电缆以及无线传输，确保数据传输实时、稳定。
中心站配有采集数据接收软件，用于数据收集，数据监控、采集器程序的编制，采集器的设置，数据的简单分析，处理，监控界面的制作以及网络服务和联网功能等。
3.3数值天气预报
东润具备国内外5家气象源支撑：
3家欧美（西班牙、丹麦、美国）专业气象服务商，2家国家级覆盖全国范围的专业气象研究单位（中国气象局、中国科学院大气物理研究所）。
东润提供的适用于新能源应用（风电、太阳能功率预测系统）的数值天气预报，空间分辨率小于5*5公里，目前在超过600个电场已有备用应用案例。
东润与中国科学院大气物理研究所合作成立实验室，开展对数值气象预报的专项研究，采用先进的数值预报模式和四维同化技术，充分考虑我国风电场气候、地形特点，通过大量的敏感性试验和覆盖全国的实测气象数据积累，结合多参数化方案、多边界/初始条件的集合预报，不断优化和提高数值预报精准度。
3.4通信接口系统
风电场智能功率预报系统具有灵活的通讯接口，支持以太网、RS232和RS485等多种通讯方式，并可以和国内外众多风机运行后台系统、风电场升压站后台SCADA系统等建立数据交互，并支持各类标准协议和非标准规约，可与各地调、省调及风电功率预测集控系统建立数据通讯，其强大的接口主要体现在：
◆支持国内外众多的标准协议，如：
CDT91、Modbus、DL/645、IEC870-5-101/102/104等；
◆支持本地和远程OPC方式通讯，兼容1.0、2.0规范；
◆支持各类非标准规约的定制开发；
◆支持以*.txt、*.ini、*.xml等各类文件的传输；
◆支持各种关系数据库的数据交互，如：
Oracle等，兼容各类表和视图；
3.5网络安全隔离装置
风电场智能功率预报系统的信息交互在电网专用信息网络安全II或III区，因此，风电场智能功率预报系统的信息网络结构与通信安全措施必须满足国家电监会令《电力二次系统安全防护规定》要求。
因此风电场智能功率预报系统在接收外部（数值天气预报）信息时，必须安装反向网络安全隔离装置。
3.5.1安全隔离设备的定义
网络安全隔离设备是一种通过专用的硬件使两个网络在不连通的情况下进行网络间的安全数据传输和资源共享的网络设备。
因此，它有广阔的应用前景。
在国外已被美国、以色列等国家的军政、航天、金融等要害部门广泛应用。
作为国际上最新的网络安全技术，网络安全隔离设备独特的硬件设计使它能够提供比防火墙更高的安全性能，可大大提高政府、金融、军队等高端用户的整体网络安全强度。
网络安全隔离设备将可信任的内网和不可信任的外网进行隔离，因此必须保证内部网和外部网之间的通信均通过网络安全隔离设备进行，同时还必须保证网络安全隔离设备自身的安全性；
网络安全隔离设备是实施内部网安全策略的一部分，保证了内部网的正常运行而不受外部的干扰。
网络安全隔离设备连接示意图
3.5.2网络安全隔离设备访问控制策略
访问控制策略是网络安全隔离设备的基础，它可以按如下两种逻辑来制订：
●默认禁止：
访问控制规则没有明确允许的都禁止访问；
●默认允许：
访问控制规则没有明确禁止的都允许访问。
可以看出，前一种逻辑限制性大，后一种逻辑则比较宽松。
基于安全性考虑，网络安全隔离设备采用的是“默认禁止”访问控制策略。
3.5.3网络安全隔离设备简介
●工作原理
网络安全隔离设备采用软、硬结合的安全措施，在硬件上使用双机结构通过安全岛装置进行通信来实现物理上的隔离；
在软件上，采用综合过滤、访问控制、应用代理技术实现链路层、网络层与应用层的隔离。
在保证网络透明性的同时，实现了对非法信息的隔离。
网络安全隔离设备通过开关切换及数据缓冲设施来进行数据交换。
开关的切换使得在任何时刻两个网络没有直接连通，在某个时刻网络安全隔离设备只能连接到一个网络，而数据流经网络安全隔离设备时TCP/IP协议被终止，因此可以有效地防护利用网络进行的外部攻击。
网络安全隔离设备作为代理从外网的网络访问包中抽取出数据然后通过数据缓冲设施转入内网，完成数据中转。
在中转过程中，网络安全隔离设备会对抽取的数据报文的IP地址、MAC地址、端口号、连接方向实施过滤控制；
由于网络安全隔离设备采用了独特的开关切换机制，因此，在进行过滤检查时网络实际上处于断开状态；
通过严格检查只有符合安全策略的数据才能进入内网，因此即使黑客强行攻击了网络安全隔离设备，由于攻击发生时内外网始终处于物理断开状态，黑客也无法进入内网。
网络安全隔离设备在实现物理隔断的同时允许可信的内部网络和不可信的外部网络之间的数据和信息进行安全交换。
由于网络安全隔离设备仅抽取合法数据进入内网，因此，内网不会受到网络层的攻击，这就在物理隔离的同时实现了数据的安全交换。
●功能和特性
✓具有物理隔离能力的硬件结构
由两个嵌入式计算机及辅助装置形成安全岛系统，并由安全半岛调度引擎实现安全轮渡，保证了内部网络和外部网络的物理隔离；
✓软、硬结合的数据流向控制
经过安全隔离设备的数据流向控制可以通过安全策略实现软控制，通过物理开关实现硬控制，极大地保证了内部系统的安全；
✓连接方向的控制
可对TCP连接进行方向控制，TCP连接只能由内网主机建立连接，以保证内网主机不向外网提供网络服务；
✓多级过滤的立体访问控制
多级过滤形成了立体的全面的访问控制机制。
它可以在链路层根据MAC地址进行分组过滤，在IP层提供基于状态检测的分组过滤，可以根据网络地址、网络协议以及TCP、UDP端口进行过滤；
在应用层通过应用代理提供对应用协议的命令、访问路径、内容等过滤；
同时还提供用户级的鉴别和过滤控制。
保证了系统的安全性，提高了了防护能力，增强控制的灵活性；
✓更强的防御功能
采用非INTEL系列的RISC处理器，减少被病毒攻击的概率，采用专门裁剪的LINUX内核，取消所有系统网络功能。
这不但提高了安全性，而且保证了高性能；
✓支持实时报警
支持多种工作模式，包括无IP地址透明监听、网络地址转换、混合工作模式、双向网络地址转换（NAT）
可以支持无IP地址透明监听、网络地址转换、混合工作模式。
隔离设备没有IP地址，非法用户无法对隔离设备本身进行网络攻击。
同时双向NAT，隐藏内部网络主机IP地址。
不但便于实施，又提高了安全性能；
✓真正实现了透明接入
网络安全隔离设备真正做到了透明接入；
即：
在接入网络安全隔离设备后，不影响现有的网络应用的数据传输，正常使用网络的合法用户对本设备是不可感知的。
✓安全方便的维护管理
网络安全隔离设备配置非常简便，对它的操作及设置基本上只需使用规则配置管理工具就可以实现。
StoneWall-2000网络安全隔离设备提供了两种不同的规则配置管理工具：
GUI管理工具、CLI管理工具。
规则管理工具（GUI）是本产品的专用配套程序。
该管理器具有界面友好、直观、功能齐全、通俗易懂等特点，可以运行于MicrosoftWindows9X/Me/2000/XP环境下。
管理工具如下图所示：
CLI命令行方式是指使用设备提供的Console接口进行本地管理。
该管理工具具有最高的安全级别，但是对管理员的要求比较高。
管理工具的界面如下：
具备以上功能的网络安全隔离设备是计算机网络与网络之间、主机与网络之间、主机与主机之间实施物理安全隔离的最佳解决方案。
4风电场智能功率预报系统功能
风电场智能功率预报系统采用B/S模式。
用户登录系统不需要安装其它软件，在系统所在网段任何一台电脑的浏览器上输入功率预测系统的链接，便可以进入系统的登陆界面。
所有操作必须在用户成功登陆并授权的情况下进行。
4.1系统功能概述
风电场智能功率预报系统包括多风场管理、实时监控管理、曲线展示管理、上报管理、发电计划管理、统计分析、数据报表、高级应用、生产管理、系统管理等十大模块。
4.1.1多电场管理
多电场管理以全景地理分布图的方式展示区域内多个电场的分布情况，显示电场的基本信息，例如装机容量、预测功率，实际功率，坐标等。
本模块包含：
◆全景展示
◆曲线展示
◆统计分析
4.1.2实时监控管理
实时监控管理用于对单个电场进行监控，用户可以查看气象数据、功率数据与风机状态等信息，监控上报状态与发电计划。
◆实时曲线展示
◆状态监控
◆风机运行监控
4.1.3曲线展示管理
曲线展示以曲线和列表的方式展示预测结果，所有数据能够以Excle等格式导出。
◆功率曲线
◆气象曲线
◆风机曲线
4.1.4上报管理
用户可以查看不同电场的上报项，后台根据用户所选上报项和上报日期生成上报文件，然后根据系统配置的上报方式进行上报。
◆气象上报
◆功率上报
◆手动上报
◆风电场运行数据上报
4.1.5发电计划管理
用户可以查看并修改发电计划。
◆日前发电计划
◆实时发电计划
◆人工修正发电计划
◆电压目标值
4.1.6统计分析
统计分析模块可以计算各类预测与上报指标的误差、精度、相关性系数、准确率、合格率等信息。
◆功率指标
◆气象指标
◆运行数据指标
◆发电计划指标
◆上报项指标
4.1.7数据报表
根据客户查询选择的时段与类型导出报表。
◆功率报表
◆气象报表
◆限电功率报表
◆故障功率报表
◆检修功率报表
◆弃风功率报表
◆发电计划报表
4.1.8高级应用
系统高级应用模块可提供检修计划设置和检修计划展示、限电曲线和检修曲线展示、理论发电量计算等功能，需要用户额外定制。
定制功能不包含在软件基本功能中，如有需要请与服务商联系。
4.1.9生产管理
生产管理可进行预测开机容量、检修计划、风机故障、风场限电等关键生产参数的设置与实时数据补录。
◆预测开机容量设置
◆检修计划设置
◆风机故障设置
◆风场限电设置
◆实时数据补录
4.1.10系统管理
系统管理实现了风场信息管理、用户管理与系统维护功能。
◆风场信息管理
◆系统维护
4.1.11后台管理
用户可以通过该模块进行后台任务配置、系统权限管理、系统日志操作管理、预测模型管理、系统参数管理等
●后台任务配置管理
用户可以通过该模块对后台执行的预测任务、上报任务等进行设置可修订
●权限管理
该模块包含资源管理、用户管理、角色管理、角色资源绑定、用户角色绑定、用户反权限设置、业务组管理、用户业务组绑定、用户电场绑定等子模块，运用先进的基于角色的访问控制（RBAC）管理方式，可以灵活的对用户和资源权限进行设置，包括但不限于用户名称、密码及权限，真正做到权限设置安全可靠，用户操作可追溯查询。
4.2数据接口
系统提供了多种通讯接口与相关系统通讯，可满足用户不同的数据交互需求。
例如除了向调度系统上报功率预测结果以外还可上报风机机组实时运行信息、测风塔实测数据、风机检修安排等。
5技术指标
风电场智能功率预报系统采用差分自回归移动平均模型（ARIMA）、混沌时间序列分析、人工神经网络（ANN）等多种算法，根据预测时间尺度的不同使用上述算法构成组合预测模型，对每一种算法的预测结果选取适当的权重进行加权平均算法从而得到最终预测结果，权重的选择可以采用等权平均法、最小方差法，保证预测的准度和精度。
5.1功率预测
风电场智能功率预报系统根据所处地理位置的气候特征、数值天气预报和风电场历史数据情况、风电机组的运行状态情况，采用适合的预测模型进行本风电场发电预测，根据预测时间尺度的不同和实际应用的具体需求，采用多种物理及统计方法模型，形成最优预测策略。
同时，针对气候的季节性变化、区域气候的互相影响、极端天气情况以及风电设备运行状态变化等，东润建立的预测服务中心每日除了发送数值模拟技术提供的天气预报外，还发送根据覆盖全国的实际气象测量数据调整后的电场预测模型参数，保证预测模型调整的及时性，进而保证系统预测精度。
功率预测的空间：
⏹预测的最小单位为一个风电场；
⏹能够预测多个风电场的单独输出功率和叠加输出功率。
功率预测的时间：
⏹短期风电功率预测能够预测风电场未来0-24、0-48和0-72小时之内的风电输出功率，时间分辨率为15分钟。
⏹超短期风电功率预测能够预测未来0h-4h的风电输出功率，时间分辨率不小于15分钟。
其他功能：
⏹考虑到出力受限、风电机组故障和机组检修等非正常停机对风电场发电能力的影响，支持限电和风电机组故障等特殊情况下的功率预测。
⏹考虑到风电场装机扩容对发电的影响，支持不断扩建中的风电场的功率预测。
⏹对于风电功率预测系统预测得到的曲线，可人工修正，人工修正应设置严格的权限管理。
⏹能够对预测曲线进行误差估计，预测给定置信度的误差范围。
5.2统计分析
数据统计：
⏹参与统计数据的时间范围可任意选定；
⏹历史功率数据统计包括数据完整性统计、频率分布统计、变化率统计等；
⏹历史气象数据统计包括数据完整性统计、风速频率分布统计、风向频率分布统计等。
⏹风电场运行参数统计包括发电量、有效发电时间、最大出力及其发生时间、同时率、利用小时数及平均负荷率等参数的统计。
误差统计：
能对任意时间区间的预测结果进行误差统计，误差指标包括均方根误差、平均绝对误差率。
5.3系统界面
展示界面：
⏹支持风电场（群）实时出力监测，以地图的形式显示各风电场的分布，地图页面应显示风电场（群）的实时功率及预测功率，页面更新周期不应超过5分钟。
⏹支持多个风电场出力的同步监视，可同时显示系统预测曲线、实际功率曲线及预测误差带。
实际功率曲线需实时更新，更新周期不超过5分钟。
⏹支持不同时刻预测结果的同步显示。
⏹支持数值天气预报数据与测风塔数据、实际功率与预测功率的对比，提供图形、表格等多种可视化手段。
⏹支持时间序列图、风向玫瑰图、风廓线以及气温、气压、湿度变化曲线等气象图表，对实测气象数据和预测气象数据进行展示。
操作界面：
⏹支持预测曲线的人工修改。
⏹具备开机容量设置、调度限电设置及查询页面。
⏹支持异常数据定义的设置，支持异常数据以特殊标识显示。
⏹具备系统用户添加和管理功能，支持用户级别和权限设置，至少应包括系统管理员、运行操作人员、浏览用户等不同级别的用户权限。
统计查询界面：
⏹支持风电场基本信息的查询，风电场基本信息应包括装机容量、风电机组类型、风电机组台数、接入变电站名称、接入电压等级以及开发商等。
升级会员 