基于北斗的海上風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)通信模塊設(shè)計(jì)

劉行　陳敏　仇煥青　湯曉安　孫海洋

摘要：目前，海上風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)存在通信成本高、運(yùn)維不便等問(wèn)題，隨著北斗+風(fēng)電應(yīng)用的不斷深入，北斗獨(dú)特的報(bào)文通信對(duì)解決上述問(wèn)題提供了可能。通過(guò)使用北斗報(bào)文通信機(jī)制，優(yōu)化現(xiàn)有SCADA架構(gòu)的通信模塊，采用TCP/UDP通信原理，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于北斗報(bào)文通信的海上風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)方案。應(yīng)用表明，該系統(tǒng)通信傳輸成功率較高、通信傳輸穩(wěn)定，滿足海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維需求。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力發(fā)電;北斗報(bào)文通信;SCADA系統(tǒng);TCP/UDP通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TN927+.21 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）13-0249-03

Abstract： At present， the communication cost of SCADA system in offshore wind farm is high and its maintenance is inconvenient. With the deepening of Beidou + wind power application， Beidou's unique message communication provides the possibility to solve the above problems. By using Beidou message communication mechanism， optimizing the existing SCADA communication module， and adopting TCP/UDP communication principle， a scheme of offshore wind farm SCADA system based on Beidou message communication is designed. The application shows that the system has high success rate of communication transmission and stable communication transmission， which meets the operation and maintenance requirements of offshore wind farms.

Key words： offshore wind power generation;Beidou message communication;SCADA system;TCP/UDP Communication

1 背景

海上風(fēng)力發(fā)電是未來(lái)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的主要研究方向，發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電有利于充分使用海上豐富的風(fēng)能資源[1]，同時(shí)能夠就近消納風(fēng)力發(fā)電資源并解決輸電成本高昂?jiǎn)栴}。然而，我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展仍處在初期階段，面臨著許多挑戰(zhàn)。特別是現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)通信模塊無(wú)法滿足海上風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控需要，主要表現(xiàn)有：

1）系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定無(wú)法滿足要求。海上氣候等其他環(huán)境惡劣，現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)的傳輸通路故障率高。

2）系統(tǒng)的通信性?xún)r(jià)比低。海上風(fēng)電場(chǎng)距離陸地較遠(yuǎn)，專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本高昂。

3）系統(tǒng)的通信維護(hù)難度大。對(duì)于有線長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸，檢修困難并且?guī)в形ｋU(xiǎn)性。采用外網(wǎng)隔離，三方運(yùn)維不方便。

通過(guò)實(shí)踐調(diào)研湖南湘電公司興化灣海上風(fēng)電項(xiàng)目，抽象出海上風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)通信模塊的基本共性需求如下：

1）功能性需求

通信數(shù)據(jù)鏈路要完成5兆瓦風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)傳輸功能;通信鏈路設(shè)計(jì)要為遠(yuǎn)程控制和故障檢修提供通信保障;滿足點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信息傳輸;具備雙向數(shù)據(jù)報(bào)文通信能力。

2）性能需求

每臺(tái)風(fēng)機(jī)傳輸速率達(dá)到1000字節(jié)每秒;通信鏈路故障率低于10小時(shí)每年;通信鏈路在保證安全性的同時(shí)維護(hù)方便。

2 北斗導(dǎo)航及其報(bào)文通信分析

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與國(guó)外其他導(dǎo)航系統(tǒng)的最大區(qū)別就是提供短報(bào)文通信服務(wù)[2]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，北斗報(bào)文通信不僅可以進(jìn)行不同終端長(zhǎng)距離雙向通信，而且可實(shí)現(xiàn)指揮機(jī)控制范圍內(nèi)的風(fēng)機(jī)間通信。

2.1 海上風(fēng)電場(chǎng)北斗報(bào)文通信機(jī)制

海上風(fēng)電場(chǎng)北斗報(bào)文通信需要北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、風(fēng)電場(chǎng)控制中心、風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)群三者協(xié)同完成。北斗的用戶(hù)終端之間通過(guò)報(bào)文進(jìn)行通信并服從于北斗指揮機(jī)的管理。終端之間可以進(jìn)行單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的通信，北斗指揮機(jī)和北斗終端之間可以單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或者點(diǎn)廣播通信[3]。北斗系統(tǒng)通信不支持終端之間組群通信，但是可以通過(guò)后臺(tái)模擬實(shí)現(xiàn)[4]。風(fēng)機(jī)群組內(nèi)部可以任意通信，如果想和風(fēng)機(jī)控制中心通訊，必須經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)群組指揮機(jī)和乙組進(jìn)行通信轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就實(shí)現(xiàn)指揮機(jī)范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)之間通信[5]。

2.2 北斗報(bào)文通信性能分析

傳輸?shù)某晒β屎蛡鬏數(shù)难訒r(shí)是北斗報(bào)文通信性能的兩個(gè)重要參數(shù)[6]，通過(guò)北斗數(shù)據(jù)傳輸成功率、北斗長(zhǎng)報(bào)文傳輸成功率、北斗傳輸延時(shí)三方面對(duì)報(bào)文通信的性能進(jìn)行分析。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示北斗數(shù)據(jù)包傳輸失敗率低于百分之五，傳輸成功率較高;研究北斗相關(guān)文檔發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)報(bào)文傳輸成功率跟報(bào)文包個(gè)數(shù)成反比例，所以應(yīng)選擇合適的拆包方式和丟包處理規(guī)則，以提高傳輸成功率;根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，得出一般北斗報(bào)文通信的傳輸延時(shí)為3.8s。

3 基于北斗報(bào)文通信的海上風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)通信模塊設(shè)計(jì)方案

通信模塊的設(shè)計(jì)方案需要解決風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與北斗協(xié)議的規(guī)約轉(zhuǎn)換問(wèn)題、實(shí)時(shí)長(zhǎng)報(bào)文傳輸問(wèn)題、收發(fā)端運(yùn)行流程問(wèn)題，以及整體通信框架詳細(xì)設(shè)計(jì)方案等四個(gè)問(wèn)題，下面依次展開(kāi)詳細(xì)論述。

3.1 規(guī)約轉(zhuǎn)換問(wèn)題解決方案