基于統(tǒng)一平臺的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)主站設(shè)計

田 英，徐麗杰，王 瑋，陳 君

（1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044；2.龍源正合電力技術(shù)有限公司，北京100176）

隨著風力發(fā)電自動化水平的提高，風電場監(jiān)控技術(shù)已成為風電行業(yè)的一項重要技術(shù)[1]。但該技術(shù)沒有現(xiàn)行可依據(jù)的規(guī)范標準，監(jiān)控系統(tǒng)版本有很多，國外有GE 公司的VisuPro、Vestas 公司的VestasOnline 等，國內(nèi)有金風數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制SCADA、華銳監(jiān)控等。不同監(jiān)控系統(tǒng)互不兼容的現(xiàn)象普遍存在，無法和我國電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)接口[2]。

目前國內(nèi)的風場管理大多停留在單機監(jiān)控或單個風電場監(jiān)控，而現(xiàn)代化風場管理的目標是要實現(xiàn)多個風電場的集中監(jiān)控[3]，即中央監(jiān)控，當風電場內(nèi)擁有不同類型的風電機組時就必須配置多套監(jiān)控系統(tǒng)，導(dǎo)致風電管理指標不統(tǒng)一，人員配備增多，監(jiān)控系統(tǒng)運營維護成本增加[4]。為此結(jié)合江蘇某風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)實例，開發(fā)出基于統(tǒng)一平臺的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的設(shè)計方案，重點設(shè)計了系統(tǒng)主站部分。

1 系統(tǒng)需求分析與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對國內(nèi)現(xiàn)有風電場監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，對基于統(tǒng)一平臺的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)需求做了深入分析，并由此設(shè)計出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

1.1 系統(tǒng)功能需求

研制的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)可將各種機組不同的控制系統(tǒng)有機互聯(lián)，實現(xiàn)多個風電場的統(tǒng)一監(jiān)控，其基本功能需求包括以下幾個方面。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集存儲、報警和設(shè)備操作

獲取實時數(shù)據(jù)有兩種方法：一種是設(shè)備廠家SCADA 系統(tǒng)所提供的用于過程控制的對象連接與嵌入OPC（object linking and embedding for process control）接口；另一種是直接和風機控制器或監(jiān)測計算機通訊。風機控制器或監(jiān)測計算機所提供的標簽量在350～1 200 之間，大多數(shù)是開關(guān)量，模擬量一般在50～60 個。風機廠家的SCADA 系統(tǒng)有的提供關(guān)系數(shù)據(jù)庫接口，可以通過結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL（structured query language）訪問10 min 數(shù)據(jù)；有的提供OPC 接口，可以訪問實時數(shù)據(jù)（可能不完整）。作為中央監(jiān)控系統(tǒng)，必須要盡可能完整地訪問實時數(shù)據(jù)并獲得操作設(shè)備的權(quán)限，因此要綜合采用這兩種方法。

數(shù)據(jù)采集后要存入實時/歷史數(shù)據(jù)庫，風場數(shù)據(jù)的特點是數(shù)量非常巨大。單臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)支持200 000 點數(shù)據(jù)，如按每臺風機500 點算可以有400 臺風機，基本滿足要求。如果點數(shù)超過200 000 則采用服務(wù)器集群。此外為滿足制作年度報表的要求，歷史數(shù)據(jù)需存儲18 個月以上。

風電場有大量的故障和報警信息，系統(tǒng)需要能及時反映當前的報警信息。此外，系統(tǒng)還應(yīng)提供設(shè)備的啟動、停止、復(fù)位和標定等操作，最大限度地簡化風電場的維護工作。

1.1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)計算、預(yù)警、故障分析、性能評估等模塊。其中，需要計算的數(shù)據(jù)有總發(fā)電量、上網(wǎng)電量、總發(fā)電時間、故障時間、維護時間等；預(yù)警是對多個同等運行工況下風機的各項運行指標進行對比，標識出其中異常者；故障分析是通過統(tǒng)計設(shè)備各類故障的發(fā)生頻次及時間來分析現(xiàn)有故障；性能評估是對風機和風場統(tǒng)計可利用率、發(fā)電效率等，計算風功率曲線。

1.1.3 人機界面

該系統(tǒng)為用戶提供一個Web 頁面形式的人機監(jiān)控界面，以圖形、表格、曲線等方式顯示實時、歷史和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，讓用戶直觀、方便地了解各個風場和風機內(nèi)部的運行狀態(tài)。此外還提供操作指定設(shè)備和制作報表等功能。由于要適用于多種不同的風機，系統(tǒng)還需要提供組態(tài)的功能。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)Fig.1 System principle structure

在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，先給出系統(tǒng)的總體建設(shè)目標，主要內(nèi)容如下。

（1）標準化，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)分類、統(tǒng)計規(guī)則、標簽命名等的標準化。

（2）開放性，是指系統(tǒng)預(yù)留有一定的數(shù)據(jù)通訊接口，并能提供與其他信息系統(tǒng)連接的能力，以適應(yīng)風電場不斷變化的生產(chǎn)需求，如擴大規(guī)模時添加風電機組的種類或數(shù)量。

（3）安全性，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通訊采用高速串口隔離，防止公網(wǎng)計算機病毒和其它非法侵入對風電機組的安全構(gòu)成威脅。

（4）可靠性，主要體現(xiàn)在：①系統(tǒng)硬件設(shè)備均選用技術(shù)成熟的高集成設(shè)備，確保質(zhì)量，其中關(guān)鍵設(shè)備均采用冗余配置，提高可靠性；②系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用容錯性設(shè)計，保證用戶輸入的正確性和對系統(tǒng)非法及破壞性輸入有很強的容錯能力，避免系統(tǒng)死機或癱瘓，提高可靠性。

由此設(shè)計出系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 System network structure

2 系統(tǒng)主站設(shè)計

風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)的主站設(shè)計是整個監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的重點，主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括以下幾個方面。

（1）通訊接口機和通訊服務(wù)器。主要負責解析各種不同的規(guī)約，完成通訊接口數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)。包括前置計算機、串口池、防雷措施和網(wǎng)絡(luò)接口。該系統(tǒng)采用兩個前置計算機，通過RS232/485 和TCP/IP 接口實現(xiàn)對各廠商不同風機、氣象站、測風塔等設(shè)備進行接入，并將多路RS232/485 信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)標準接口。

（2）OPC 服務(wù)器。OPC 技術(shù)為工業(yè)自動化軟件面向?qū)ο蟮拈_發(fā)提供了統(tǒng)一標準，它大大減輕了軟件開發(fā)負擔[5]。只要硬件特征符合統(tǒng)一的OPC 接口程序標準，或硬件生產(chǎn)商提供OPC 服務(wù)器，則軟件開發(fā)者不必再為每個硬件單獨編寫驅(qū)動程序。

（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。主要用于保存、分析、計算和處理數(shù)據(jù)。

（4）工程師站和操作員站。前者主要負責系統(tǒng)的組態(tài)、畫面制作和系統(tǒng)維護；后者是監(jiān)控系統(tǒng)的主要用戶，實現(xiàn)畫面顯示、畫面瀏覽、報警等功能。

（5）Web 服務(wù)器。使用Web 服務(wù)器是目前風電場監(jiān)控系統(tǒng)主站的一個流行趨勢，只要用戶裝有瀏覽器軟件，得到相應(yīng)授權(quán)，就可訪問他所關(guān)心的數(shù)據(jù)[6]。

2.2 軟件設(shè)計

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 System software structure

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。通訊接口程序從各個系統(tǒng)獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)后存入實時/歷史數(shù)據(jù)庫。操作員對設(shè)備的操作也通過實時/歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給通訊接口程序處理。非現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊取得，預(yù)警功能也由這個模塊實現(xiàn)。為了提高效率，預(yù)處理模塊可采用數(shù)據(jù)庫插件的方式實現(xiàn)。對數(shù)據(jù)的進一步處理由分析計算模塊完成，如統(tǒng)計分析、故障分析等，分析結(jié)果存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。此外，用戶信息、風場信息等靜態(tài)數(shù)據(jù)也存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。人機界面可以完成系統(tǒng)監(jiān)控和制作報表等功能。

2.2.1 通訊接口模塊

研究國標對數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約的相關(guān)要求，借鑒已獲得的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約明細，分析工業(yè)以太網(wǎng)、分布式對象鏈接和控制器局域網(wǎng)總線的傳輸機理和各種傳輸介質(zhì)的特性，確定傳輸數(shù)據(jù)的種類和傳輸方法，建立統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，用C++編寫各風機、綜合自動化系統(tǒng)的通訊接口程序。風電場數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約測試方案如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約測試方案Fig.4 Testing scheme of data transmission protocol

2.2.2 數(shù)據(jù)庫層

實時/歷史數(shù)據(jù)庫可選用PI 數(shù)據(jù)庫。PI 是一款功能強大的實時數(shù)據(jù)庫軟件，它采用獨特的“旋轉(zhuǎn)門”壓縮技術(shù)和二次過濾技術(shù)，使進入PI 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)達到最有效的壓縮，節(jié)省了硬盤空間。據(jù)計算，每秒l 萬點數(shù)據(jù)存儲1 a，僅需4G 空間，即一只普通硬盤也可存貯5～10 a 的數(shù)據(jù)[7]。SQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫可很好兼容Windows 操作系統(tǒng)，并能和許多組態(tài)軟件進行ODBC（open database connectivity）通信[8]。編寫數(shù)據(jù)庫接口程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入PI 數(shù)據(jù)庫并實時刷新，數(shù)據(jù)導(dǎo)入PI 后，主站的各個模塊通過PI-API 接口從PI 數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)進行各種性能計算及分析，并將運算后的數(shù)據(jù)保存回PI 數(shù)據(jù)庫或SQL 數(shù)據(jù)庫中，利用PI 數(shù)據(jù)庫的ODBC 客戶端連接關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并用SQL 語句對關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行存取。

2.2.3 人機界面

不論是從核心到外圍，還是從底層到上層，基于統(tǒng)一平臺的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)都采用跨平臺的應(yīng)用程序開發(fā)框架Qt Creator，它是一款新的輕量級集成開發(fā)工具，利用它可以快速編寫C++代碼，并使用瀏覽器管理源代碼，提供Web 發(fā)布功能。因此整個監(jiān)控系統(tǒng)不受操作平臺的限制，可以在Windows、Unix 或Linux 環(huán)境下運行。

監(jiān)控中心人機界面主要包含實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)報表模塊，實時數(shù)據(jù)模塊顯示某個風場或某臺風機的基本信息，數(shù)據(jù)曲線有功率曲線、風速曲線等，數(shù)據(jù)查詢模塊能在指定時間段內(nèi)根據(jù)需求查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)報表分為歷史數(shù)據(jù)報表和報警報表。利用PI Process Book 可組態(tài)的方式制作多種圖形界面，并以PDI 文件格式上傳到Web 服務(wù)器，在客戶端安裝Active View 控件就可使用瀏覽器瀏覽界面。當新數(shù)據(jù)存儲到PI時，界面會進行自動更新。數(shù)據(jù)報表可通過Excel和PI Datalink 生成，以Excel 或PDF 格式導(dǎo)出。對PI 中任何一個工位號進行報警條件設(shè)置，如高和低限報警、偏差報警或數(shù)值大小變化率報警等，編寫報警處理程序，判斷數(shù)據(jù)超出范圍或有異常時，給出報警信號，同時從PI 數(shù)據(jù)庫讀出實時報警量，生成報警查詢和報警報表統(tǒng)計分析。圖5 是江蘇某風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)顯示的某風電場在選中時間段內(nèi)的狀態(tài)報警查詢，其中風場、報警類型可通過下拉菜單選擇，時間段也可根據(jù)需要設(shè)置。

圖5 某風電場報警報表Fig.5 Alarm reports of a wind farm

2.2.4 用戶操作控制模塊

監(jiān)控系統(tǒng)用戶根據(jù)操作權(quán)限可對風機進行啟動、停止、調(diào)向、手/自動控制以及大/小發(fā)電機切換等。在每臺風機塔筒內(nèi)都安裝有含微處理器的主控制器，主控制器本身就具備嚴密的安全控制策略，在沒有外部操作命令的情況下，也可實現(xiàn)對風機的基本控制。當監(jiān)控系統(tǒng)用戶下發(fā)操作命令時，Web 服務(wù)器首先對操作命令進行用戶身份驗證，驗證通過后將操作命令通過通訊接口程序傳送到主控制器上，由主控制器控制執(zhí)行相應(yīng)操作。具體工作流程如圖6 所示。

圖6 控制模塊工作流程Fig.6 Working process of control module

3 主要技術(shù)難點和問題分析

3.1 適用于風電場實際環(huán)境的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風電場環(huán)境一般呈現(xiàn)溫差大、風力強、高灰塵和強電磁干擾等特點，這就要求在設(shè)備選型、布設(shè)、傳輸和容錯方面進行相應(yīng)考慮。例如可以把服務(wù)器、工控主機、電源等硬件設(shè)備集成在一個中央監(jiān)控屏柜里，要求監(jiān)控屏柜能有效防止來自空間輻射的電磁干擾，而且盡可能容納所有的電路和電子器件，還應(yīng)防止電源引入的干擾，應(yīng)加入電源濾波環(huán)節(jié)，同時要求監(jiān)控屏柜有良好的接地和中央監(jiān)控室有良好的接地裝置。

此外要充分考慮不同的地貌結(jié)構(gòu)，在節(jié)省資源和資金的條件下使整個系統(tǒng)硬件和通訊鏈路穩(wěn)定運行。例如可考慮使用高速串口和屏蔽電纜，保證系統(tǒng)不被外網(wǎng)侵入。

3.2 風電場可靠性管理和經(jīng)濟性評價指標的設(shè)定

由于風電與常規(guī)電源相比具有很強的隨機波動性，所以常規(guī)發(fā)電廠的可靠性管理和經(jīng)濟性評價指標已不適用于風電場[9]，這就需要結(jié)合風電場運營特點，創(chuàng)新可靠性管理和經(jīng)濟性評價指標。系統(tǒng)在分析風電場可靠性影響因素的基礎(chǔ)上設(shè)定了4 個基本指標：①風電場容量有效度：風電場在統(tǒng)計時間段內(nèi)的實際發(fā)電量與該時間段的額定發(fā)電量之比；②風電場發(fā)電密集度：風電場等效的全額發(fā)電時間與統(tǒng)計時間之比；③風電場運行安全度：風電場的等效停運時間與統(tǒng)計時間之比；④風電場相對效益系數(shù)：在總成本相同的情況下，風電場壽命期限內(nèi)的成本-效益與常規(guī)電源壽命期限內(nèi)的成本-效益之比。這4 個指標分別體現(xiàn)了風電場發(fā)電的充裕性、連續(xù)性、安全性和經(jīng)濟性。利用本風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)，可統(tǒng)計多個風電場多年的歷史數(shù)據(jù)，然后為這4 個指標的數(shù)值大小各設(shè)定一個界限，從而界定風電場的可靠等級，為風電場選址、風機選型、風電場并網(wǎng)方案、設(shè)備利用率、發(fā)電效率等提供科學(xué)指導(dǎo)。

4 結(jié)語

鑒于國內(nèi)風電場監(jiān)控多停留在單機或單一風電場監(jiān)控且不同類型風機監(jiān)控系統(tǒng)版本難以兼容的現(xiàn)狀和現(xiàn)代化管理的需求，提出基于統(tǒng)一平臺的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)，采用跨平臺的開發(fā)工具實現(xiàn)多個風電場、不同類型風機的統(tǒng)一監(jiān)控，具有標準化、開放性、安全與可靠性等優(yōu)點。目前該方案已用于江蘇某風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)中，兩年來運行平穩(wěn)可靠，解決了國內(nèi)現(xiàn)有風電場監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題。是實現(xiàn)大型風電場現(xiàn)代化集中管理的有效工具，有望在我國大型風電場得到推廣。

[1]王之華，王志新（Wang Zhihua，Wang Zhixin）.大型風力發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測與控制技術(shù)研究（Study on remote monitoring and controlling technology of MW wind turbine）[J].機電一體化（Mechatronics），2008，14（11）：41-43，50.

[2]黃紹真，戴志強，馬新平（Huang Shaozhen，Dai Zhiqiang，Ma Xinping）.風電場計算機綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)（Design and realization of computer integrated monitoring system of wind farm）[J]. 江蘇電機工程（Jiangsu Electrical Engineering），2010，29（1）：38-40.

[3]龍迅，柴建云（Long Xun，Chai Jianyun）.基于組態(tài)軟件的風電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)（Research on remote monitoring system of wind farm based on configuration software）[J]. 能源與環(huán)境（Energy and Environment），2007（2）：76-78.

[4]陳新（Chen Xin）.基于Web 的遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Application of long distance supervisory control and data acquisition system based on web）[J].電子科技大學(xué)學(xué)報（Journal of University of Electronic Science and Technology of China），2003，32（4）：433-436.

[5]路小俊，冬大龍，宋斌，等（Lu Xiaojun，Dong Dalong，Song Bin，et al）.基于OPC 技術(shù)的風電廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)方案（An OPC technology based SCADA system design for wind power plants）[J]. 電力系統(tǒng)自動化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（23）：90-94.

[6]陳奇志，王序，林建泉，等（Chen Qizhi，Wang Xu，Lin Jianquan，et al）. 基于J2EE 平臺的SCADA 系統(tǒng)實現(xiàn)（SCADA system based on J2EE platform）[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2007，19（6）：103-108.

[7]洪慧，林中達（Hong Hui，Lin Zhongda）.PI 數(shù)據(jù)庫及其在電廠SIS 中的應(yīng)用（PI database and its application in power plant SIS）[J]. 江蘇電機工程（Jiangsu Electrical Engineering），2004，23（6）：68-70.

[8]鄭培磊，程浩忠，楊鏡非（Zheng Peilei，Cheng Haozhong，Yang Jingfei）.循序漸進的數(shù)字化電氣信息實驗平臺的開發(fā)（The development of sequential digital experiment platform for power system）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2003，15（2）：84-88.

[9]許郁，朱永強（Xu Yu，Zhu Yongqiang）.并網(wǎng)風電場發(fā)電可靠性的新的評價指標（New reliability indices of gridconnected wind farms）[J].電氣技術(shù)（Electrical Technology），2010，9（6）：9-12.