面向風電場群的異構數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲技術

姜興武

（大唐廣東分公司新能源事業(yè)部，廣東 廣州 510000）

0 引 言

目前，大型風電場設備種類繁多，風電機組廠家、綜自廠家不同，從各設備到本地監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集方式和周期不同，導致風電場實時運行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)復雜，異構數(shù)據(jù)源多樣，且具備不同時間尺度，采樣頻率從毫秒級到分鐘級不等[1]。因此，利用異構數(shù)據(jù)技術對數(shù)據(jù)源進行統(tǒng)一存儲。這是建立風電場群實時運行數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫以及實現(xiàn)不同網(wǎng)絡環(huán)境、不同硬件平臺、不同數(shù)據(jù)庫之間的互操作的基礎?？紤]到風電場實時運行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)復雜，異構數(shù)據(jù)源多樣，本文在分析風電場群異構數(shù)據(jù)源的基礎上研究異構數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲技術，包括各風電場生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的遠程采集、存儲[2-3]。

1 風電場異構數(shù)據(jù)源分析

風電場異構數(shù)據(jù)主要來源于監(jiān)控數(shù)據(jù)與現(xiàn)有分散管理系統(tǒng)，具體如圖1所示。

各分散管理系統(tǒng)的異構數(shù)據(jù)源主要內(nèi)容如下。

（1）風電機組實時運行數(shù)據(jù)：風速、風向、電壓、功率等運行數(shù)據(jù)，主控柜、變頻器系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、齒輪箱等部件數(shù)據(jù)，發(fā)電機故障、控制系統(tǒng)故障等多有故障信息數(shù)據(jù)，主軸承振動、發(fā)電機軸承振動等在線監(jiān)測數(shù)據(jù)；

圖1 風電場異構數(shù)據(jù)源

（2）升壓站實時運行數(shù)據(jù)：設備運行狀態(tài)、運行參數(shù)、報警信號、直流系統(tǒng)信號等運行狀態(tài)開關量和模擬量；

（3）箱變設備實時運行數(shù)據(jù)：變壓器油溫、環(huán)境溫度、低壓側(cè)斷路器位置信號、小空開位置信號、高壓側(cè)負荷開關位置信號等箱變運行參數(shù)，變壓器重/輕瓦斯、變壓器油溫高、變壓器油位低等報警信號；

（4）風電功率預測系統(tǒng)數(shù)據(jù)：風電場短期功率預測結果、開機容量等站端數(shù)據(jù)，風電場各個垂直層的風速、風向、氣溫、氣壓等數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)；

（5）功率控制系統(tǒng)（AGC/AVC）；

（6）電能量計量信息及設備管理信息：風電場機組出口電量數(shù)據(jù)、線路電能表數(shù)據(jù)、升壓站SCADA采集數(shù)據(jù)等電能數(shù)據(jù)；

（7）設備管理信息：用于記錄設備生命周期發(fā)生的故障內(nèi)容等設備故障記錄、用于記錄設備定期或者不定期的定期維護保養(yǎng)等檢修記錄信息。

通過以上對大型風電場異構數(shù)據(jù)源的詳細分析可知，大型風電場的實時運行數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)的結構復雜，異構數(shù)據(jù)源多樣，且具備不同時間尺度，采樣頻率從毫秒級到分鐘級不等，因此利用異構數(shù)據(jù)技術來對異構數(shù)據(jù)源進行統(tǒng)一的存儲，為建立風電場的實時運行數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫提供技術支持，同時實現(xiàn)不同網(wǎng)絡環(huán)境、不同硬件平臺、不同數(shù)據(jù)庫之間的相互操作的基礎。

根據(jù)異構數(shù)據(jù)特性，風電場側(cè)采集的數(shù)據(jù)項如表1所示，各種協(xié)議的數(shù)據(jù)經(jīng)由風電機組/電氣廠家提供的接口采集后，然后將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的Modbus協(xié)議格式，并通過消息傳輸中間件進行可靠的傳輸。

2 異構數(shù)據(jù)消息隊列交互技術實現(xiàn)

為確保風電場實時數(shù)據(jù)的完整性和正確性，應用防止數(shù)據(jù)丟失的消息隊列技術，設計風電場異構數(shù)據(jù)交互接口體系。

2.1 消息隊列介紹

消息隊列是分布式系統(tǒng)非常重要的一部分，主要是通過解決系統(tǒng)中異步消息、流量削鋒和應用耦合等問題來實現(xiàn)高性能、可伸縮和最終一致性系統(tǒng)架構。

2.2 風電場集控中心異構數(shù)據(jù)接口體系

圖2 風電場群異構數(shù)據(jù)接口體系

表1 風電場設備通信協(xié)議轉(zhuǎn)換方案

圖3 消息中間件機制示意圖

風電場集控中心異構數(shù)據(jù)接口體系如圖2所示。集控中心與各風電場之間通過點對點的方式對數(shù)據(jù)進行傳輸。消息發(fā)送者通過將消息發(fā)送給某一特定接收者，并將其存儲再對應的某一隊列中，保證在任何時刻消息接收者都能接收到消息。將各個風電場與集控中心建立直接傳輸通道，即采用一一對應的分散采集方式，分散數(shù)據(jù)采集風險與降低傳輸風險，是最為可靠也是最常用的一種傳輸模式。如圖2所示。

冗余數(shù)據(jù)采集器將接收風電場的風電機組監(jiān)控、能量管理平臺、綜合自動化系統(tǒng)等設備的數(shù)據(jù)。收集完畢之后，再通過一個可靠的傳輸機制將此類數(shù)據(jù)傳輸給集控中心。集控中心從上自下的控制指令也是通過一個可靠的傳輸機制傳輸給風電場。

系統(tǒng)信號采集類型被分為模擬量和開關量兩部分。模擬量主要是包括電壓、功率荷電流等電氣模擬量和風速、位移、溫度、振動、轉(zhuǎn)速、風向、輻射量等非電氣模擬量實測量。開關量主要是包括了事故信號、斷路器及重要繼電保護的動作信號等中斷開關量和各類故障信號、斷路器以及隔離開關的位置信號、機組設備的狀態(tài)信號等非中斷開關量兩種。

數(shù)據(jù)采集接口由SCADA系統(tǒng)完成，讀取接收風場SCADA系統(tǒng)和電氣綜合自動化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，其中，消息中間件起到傳輸功能的作用，由運行節(jié)點、開發(fā)接口和監(jiān)控管理中心3個部分組成。其組成結構如圖3所示。

消息中間件是在數(shù)據(jù)通信的基礎上來進行分布式系統(tǒng)的集成，保證信息傳遞的可靠和高效。消息發(fā)送者發(fā)送的消息存儲于消息服務器的多個隊列中，在適當?shù)臅r候可以將所傳遞的消息發(fā)送給消息接收者。監(jiān)控管理中心用來對消息中間件的運行環(huán)境進行配置和實施監(jiān)控管理，可提供集中式的遠程管理，在一個點就能夠完成對所有消息中間件節(jié)點的監(jiān)控和管理，極大地方便了系統(tǒng)的維護與管理。

3 基于SOA的異構數(shù)據(jù)集成

3.1 SOA介紹

面向服務架構（Service Oriented Architecture，SOA）是通過良好的契約和接口將應用程序的不同服務聯(lián)系起來，而Web Service是一種分布式計算技術，主要應用在Internet上，也是一種“自描述的、自包含的組件化的應用程序”。傳統(tǒng)的SOA架構的緊耦合和非通用接口設計的特點，在跨企業(yè)的分布式系統(tǒng)中是無法達到很好的信息共享。因此，為了彌補傳統(tǒng)SOA架構的一些不足，可以將Web Service與SOA進行結合，來充分發(fā)揮Web Service的異構平臺信息集成性的優(yōu)勢，為用戶提供一種靈活的分布式的模型。

3.2 異構數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲的問題

異構數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲主要包括如下問題：（1）不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)差別的協(xié)調(diào)、交互模式的協(xié)調(diào)；（2）不同系統(tǒng)間、不兼容的技術和業(yè)務流程之間的協(xié)調(diào)。

3.3 基于SOA的風電場群異構數(shù)據(jù)集成框架圖

為了解決面向風電場群的異構數(shù)據(jù)的存儲、集成問題，建立基于SOA的風電場群異構數(shù)據(jù)集成框架，如圖4所示。該框架首先要將數(shù)據(jù)按照Web Services標準進行封裝，然后通過本體服務層和語義層將數(shù)據(jù)進行解析和重組，以虛擬視圖的形式傳遞給應用層，主要包括5個層次。

（1）應用層：可以提供統(tǒng)一的查詢接口，使用戶可以像訪問單數(shù)據(jù)源一樣，在不清楚數(shù)據(jù)地異構性和物理位置的情況下透明地訪問底層數(shù)據(jù)；

（2）語義層：語義層可以將語義信息和查詢結果等信息進行包裝，傳遞給應用層；

（3）本體服務層：主要可以分為系統(tǒng)和領域本體服務；

圖4 基于SOA的風電場群異構數(shù)據(jù)集成框架圖

（4）數(shù)據(jù)資源服務層：數(shù)據(jù)資源層主要是提供與數(shù)據(jù)資源相關操作支持，這些操作包括數(shù)據(jù)資源的動態(tài)發(fā)布、加入、退出、信息維護、信息查詢、數(shù)據(jù)的導入和查詢等。系統(tǒng)平臺在分析用戶的查詢請求時，正是從這個數(shù)據(jù)資源服務中獲取數(shù)據(jù)資源的相應信息，進而生成查詢計劃，并把查詢分派到各個數(shù)據(jù)資源；

（5）資源層：原有或新建數(shù)據(jù)資源，包括風電場監(jiān)控數(shù)據(jù)與分散管理系統(tǒng)。

4 結 論

為了實現(xiàn)風電場復雜數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)采集，本文首先對風電場群原有分散管理系統(tǒng)異構數(shù)據(jù)源進行分析，其次，應用消息隊列技術，設計風電場異構數(shù)據(jù)交互接口體系，最后，采用SOA架構及通過Web Service技術封裝數(shù)據(jù)源的集成架構，實現(xiàn)風電場群異構數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲。