新型數字化風電場海陸一體集控中心系統設計及應用

陳偉球，曾 東，陳天淼，劉澤健

（1.廣東粵電湛江風力發電有限公司，廣東 湛江 524000；2.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510000；3.深圳華工能源技術有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

截至2022年底，中國的風電累計裝機容量為3.7億千瓦[1]。在陸地風電和海洋風電裝機容量不斷增加的背后，如何管理風電場成為一個新的挑戰。在風電場運行初期，風電場運行、管理方面存在以下問題：一是機組場站運行系統繁多，由于使用不同廠家的設備系統，使現場人員在監視設備時需要同時開啟多臺終端[2]；二是運維信息封閉，管理人員不能及時全面了解現場運行維護情況，無法對現場的日常檢修、設備管理等工作進行監督和考核；三是數據流不暢通，現有的各個系統孤立，與現場管理造成斷流，無法形成閉環管理，導致頻繁發生數據閉塞和業務脫節問題[3,4]；四是技術知識分散，決策數據缺失，技術資源不能共享，使得數據資源和財富無法有效結合在一起[5]。

為解決運行和管理問題，需要采用數字化、一體化的集控中心，以提供“智慧管控”的運營新模式。

1 系統架構

功能系統采用“三側”架構，云服務側的服務包括運行監控服務、運維管理服務、分析診斷服務、技術支持服務以及運營決策5類服務；智慧集中監控側的功能包括實時監視、集中控制、五防管理、實時告警以及安防監控；場站采集側的功能包括數據采集、數據傳輸、數據緩存等。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

網絡安全系統按照電網要求和電力二次防護要求設計，部分遠程實時監控系統可根據不同公司和業主的實際情況進行調整。

2 功能設計

建立統一的數據庫平臺，采集和整理新能源電站生產的實時數據，并實現實時監視和控制生產過程信息、實時報警、自動生成報表、控制風電場機組與升壓站等功能。系統可以進行統計分析，找出發電指標差距，定量分析維護、電網限電、設備故障或天氣等原因造成的電量損失情況，查找設備故障根源問題，提高設備利用率。同時，提供參考數據，實現設備的精細化管理、優化控制以及規模化檢修維護。數據庫平臺的基本功能包括統一采集與處理數據、遠程監視與控制設備、事故報警與統計報表、可視化數據與分區管理、遠程音視頻監控與通話以及移動終端控制。

2.1 統一采集和數據處理

數據統一采集接口支持多種接口程序與規約，如表1所示。

表1 適配的通信規約

表1展示了統一接口支持的多種通信規約及其適用的領域，接口同時適配了Modbus、OPC、103規約和104規約等多種規約，由此可見，統一采集接口規約的適配范圍大，適用領域廣。

數據采集系統采用統一定義的風電場設備監測點命名規則和編碼規則，定義統一的風電機組、升壓站以及測風塔的通信協議，不同協議數據的統一類型轉化被自動處理，為監測的實時性、統計分析的準確性提供基礎。

風機對象數據采集包括風機運行狀態信息、風機運行數據、風機部件數據、風機所有故障信息、事件代碼以及事件發生時間等；光伏發電組件對象數據采集包括支路電流、電壓、功率，逆變器輸入輸出側的總輸入開關、模塊運行狀態、運行告警等遙信信息；升壓站對象數據采集包括遙信數據、遙脈數據、故障錄波數據等。

上傳的各項數據含有時間序列節點，即時間戳。當通信意外中斷時，數據采集系統將會保存一星期內的數據，以供數據恢復。此外，數據處理包括自動統一數據格式、數據自動加密傳輸以及數據計算與儲存。其中，數據計算即統計分析，具體內容如下：一是電站設備分析，如發電量分析、設備效率分析、故障統計分析等，通過對電站設備的歷史運行數據進行定期的統計分析，為風機、逆變器、匯流箱等設備的檢修與維護提供可靠且準確的數據支持；二是功率分析，包括功率曲線分析、功率一致性分析、能耗指標分析等；三是環境資源分析，如提供不同時間尺度，進行不同區域的風資源、光照資源對比；四是輔助決策分析，如同一風電場不同機型對標、不同風電場同一機型對標、不同風電場間對標以及實際與計劃對標，用以輔助決策。

2.2 遠程監控識別與控制設備

在監控方面，集控中心能以傳感器、視頻監控、數據可視化等方式監視電場內的信息。傳感器用于采集光伏場站和風電場站的信息、升壓站的信息、電能計量數據以及網絡通信狀態；視頻監控系統在功能上具備實時圖像監視、遠程控制等功能，支持與電站集中監控系統的告警聯動；數據可視化實現功率預測展示。

在設備的控制方面，系統可以實現單個風力發電機組的遠控操作、批量風力發電機組的遠方啟動、停機控制以及升壓站控制。用戶可通過風力發電機組細節圖實現對風力發電機組的本地控制功能。此外，系統還具備五防功能，可通過軟件五防系統滿足五防安全要求，五防邏輯判斷可保護操作設備對象。

2.3 事故報警與統計報表

事故報警條件包括保護裝置動作與電網故障斷路器跳閘[4]。可以自定義報警信號，對需要進行越限告警監視的每一個數據設限，限值可人工設置，也可以設置選擇性處理。在發生報警后，可以通過相應操作掛起或撤消。同時，報警分級功能可以提高事故處理效率。

統計報表分為固定報表和自由報表。其中，固定報表主要包含運行和計劃數據、主要趨勢曲線、風場設備運行狀態、遠程集控系統設備運行狀態、各類數據庫中所需要的其他數據以及升壓站各電壓等級母線的電壓合格率等。日報和月報中需分別統計出合格點、不合格點的個數及電壓合格率，月報中應包括各關口、各條出線的月有功功率、功率因數以及當月最大負荷等。

對于風機，有單臺風機數據統計報表、分組風機數據統計報表、風電場運行統計報表等，可以通過報表系統，將風機的實時數據自動按設定轉存為平均數據或不同時間尺度等固定周期的歷史數據。自由報表是根據實際需求自由設定內容的報表，系統中提供了制定報表的工具，用戶通過選擇風場、風機、時間等參數，自由設定報表。

2.4 可視化數據與分區管理

可視化數據功能通過大屏幕系統和生產管理區實現數據展示。大屏幕系統用于實現對系統的集中展示，操作員可通過大屏幕上高亮度、高分辨率的監控畫面了解整個風電場的運行狀態和設備狀態，并對所有參數進行控制和監視。

分區管理基于安全三區的網絡結構和辦公網絡間的安全連接，在辦公網絡中建立Web訪問系統，用戶在辦公網絡中使用瀏覽器對各生產信息進行訪問，辦公網絡建立系統的原則和遠程集控系統的監控系統保持一致。對數據的融合展示和數據訪問性能進行高效的優化和改進，從而對各站的一次設備開關狀態、風機狀態、風速、功率、電量以及各時間周期的生產報表進行實時訪問。

2.5 遠程音視頻監控與通話

集控中心與風電場值班員、電網調度部門之間用電話通信，并具有錄音功能。風電場側部署視頻監控系統軟件，完成視頻流媒體轉發、原視頻監控系統接入等功能。通過集控中心實現對子站的負圖像監視、圖像遠程控制、圖像切換、錄像的存儲、備份、檢索、回放以及電子地圖顯示、電站數據視頻疊加、告警聯動等功能。

2.6 移動終端應用

移動端具備實時數據展示和部分生產信息統計匯總的能力，對集控下屬所有風電場的生產和統計數據進行及時發布，通過手機等手持終端進行生產數據的監視。移動應用應包含移動實時監視、指標查看及遠程支撐等功能，主界面如圖2所示。

圖2 移動端主界面

3 軟硬件配置

首先，系統軟件直接來自計算機制造廠，服務器采用底層漢化UNIX/Linux系統，提供開發工具（C語言等）、應用庫、編程工具、程序調試器以及各種開發者文檔等。其次，本架構引入采用中間件的應用平臺，使程序間能夠更高效地通信。再次，用戶前端將監控畫面、數據庫、趨勢圖表以及報表系統全集成在圖模一體化平臺中。最后，數據庫管理軟件分為關系數據庫管理軟件和實時數據庫管理軟件，前者具有分布式處理、并行處理等優勢；而后者有強大的實時數據處理能力和查詢優化策略。

在硬件方面，選用符合國際標準的通用設備，具有較高的穩定性，滿足系統容量設計的要求。穩定運行的遠程集控系統滿足計算機、存儲設備等微電子設備以及工作人員對溫度、濕度、潔凈度、防漏、電源質量、接地以及安全保衛等要求。

4 系統安全

為確保電力監控系統及電力調度數據網絡的安全，應依據《電力二次系統安全防護規定》和《中低壓配電網自動化系統安全防護補充規定（試行）》分別制定“安全分區”與“信道分類”2個方案。

在電力二次系統的結構中，其重點內容可以劃分為3個核心安全區域。首先，安全區I被視為最重要和最核心的系統，包括風場側風機監控系統、相位電壓測量系統、五防系統、繼電保護系統以及綜自監控系統等。這些系統對于數據通信的實時性要求極高，通常需要保持在毫秒級或秒級的精準度。其次，安全區II的組成包括故障錄波信息管理系統、電能量計量系統、風功率預測系統以及保護信息終端等。這些系統在電力二次系統中扮演著不可或缺的角色，負責各類重要信息的管理和處理。最后，安全區III則包含了生產管理信息系統、氣象信息接入、火災報警系統等。這些系統主要用于支持生產管理和提供安全防護，確保電力系統的穩定運行。

電力二次系統由以上3個安全區構成，每個安全區都負責不同的關鍵任務。其中，安全區I是最關鍵的系統，對數據通信的實時性有著最高的要求，而安全區II和安全區III則承擔著各類重要的信息管理和安全防護功能。安全區邏輯邊界如圖3所示。

圖3 安全區邏輯邊界

在安全區Ⅰ和安全區II之間采用經有關部門認定核準的硬件防火墻或相應設備進行邏輯隔離。安全區Ⅰ、安全區II不與安全區III直接聯系；安全區I、安全區II與安全區III之間采用經過國家有關部門認證的電力專用安全隔離裝置。安全區進行有效隔離后，在任意節點安裝防病毒軟件，并研究應對高級持續性威脅（Advanced Persistent Threat，APT）的手段。

對不同生產區內使用的通信手段加以分類和管理。例如，禁止生產控制大區內部的電子郵件服務，禁止控制區內通用的互聯網服務等。

5 結 論

新型數字化風電場海陸一體化系統實現了統一設備通信數據格式，集成監視、控制、管理及數據分析功能，解決了電站系統繁多的問題。在平臺方面，系統采用“三側”架構，在云服務側解決技術信息分散等問題；在集中監控側、場站采集側解決數據流閉塞的問題；提供5類服務，統一監控設備，分析數據，得出報表結論，降低數據分析處理的難度。在軟硬件配置方面，均采用合規穩定的系統和設備，保證系統整體架構的統一性、靈活性、兼容性、可維護性以及安全性。文章所設計的“安全分區”和“信道分類”方案能有效保障通信系統的安全性和合法性。