風電場中SCADA系統設計

摘 要:在大型的風電場中，如何有效地對各風力機狀態進行監控，使整個風場風機安全、可靠、經濟地運行變得至關重要。為此通過設計風電場的現場SCADA系統來建立一個風電場各項監控、監測數據的信息共享、交換、傳輸平臺。詳細介紹了風電場的現場SCADA系統中前置機設計，并針對風電場的特點設計了現場SCADA系統監控中心的軟硬件平臺。實現了風電場的前端數據采集、基礎信息管理、地形圖管理以及遠程接入等功能，較好地滿足了風電場的監控管理。

關鍵詞:風電場;SCADA;前置機;Modbus

中圖分類號:TP274+.2文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-201-03

Design of SCADA System in Wind Farm

WAN Haidong1，QI Boyu2，XIA Yijun1

(1.Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing，210013，China;

2.Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing，210044，China)

Abstract:In the large wind farm，it is important to monitor the state of wind turbine，and then it can make the wind turbine running safely，reliably and economically.For this reason，a platform is built up by designing a local SCADA system，which can share，exchange and transmit information of monitoring data.In this paper，the design of front-end computer in local SCADA system of wind farm is introduced in detail，the software and hardware platform in monitoring center of local SCADA system are designed.The system has functions of data collection，basic information management，landform management and remote access，which satisfies the requirement of monitoring and management in wind farm.

Keywords:wind farm;SCADA;front-end computer;Modbus

0 引 言

風能作為一種清潔的可再生能源，已經日益引起世界各國的注意，風力發電技術已基本趨于成熟。在大型的風電場中有幾十臺甚至上百臺風力機，如何有效地對各風力機狀態進行監控，使整個風場風機安全、可靠、經濟地運行變得至關重要[1，2]。解決上述問題的途徑可以通過建立風電場的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制)系統，實現風場全系統風機監控、信息共享和故障診斷及維護。

SCADA系統的應用領域很廣，它可以應用于電力系統、給水系統、石油、化工等領域的數據采集與監視控制以及過程控制等。風力發電場的SCADA系統包括了對風電場的風力狀況和機組、風電場運行狀況數據進行采集與集中處理，提供就地操作和遠程監控人機界面，還可自動或根據管理人員反饋的指令對風電機組和風電場運行進行效率優化和安全保障控制。

1 系統功能

現場SCADA系統主要完成數據采集、網絡構建、集中監控等功能。采集系統通過多種通用接口，實現將各廠商的風機、變電站、測風塔、氣象站等前端傳感器中信息進行接入采集，并通過現場光纖網絡，采用OPC技術實現數據接入中央監控系統[3]。通過組建光纖環網或者星型網絡將風場各風機、測風塔等前端傳感器與中央監控系統構建以太網絡，并由中央監控系統完成整個網絡的時間同步?，F場SCADA系統監控中心可實現對現場裝機容量、風機部件參數、風機控制器組件氣象基礎信息等信息進行監視，并對風機開關機進行遠程控制，實現風場的風機網絡拓樸圖監控，系統提供Web訪問界面，允許被授權用戶訪問系統[4]。具備報表處理功能，可實現風場地形圖錄入、轉換，并實現邏輯風機與實際風機的實時聯接，并由“現場SCADA系統安裝盤”在指定服務器上實現“現場SCADA系統”安裝，具備完善的日志管理功能，可實現數據備份/恢復，數據導入/導出，預留多種接口，可通過郵件、傳真、GPRS、CDMA等模式將信息及時通知相關用戶。

2 前置機設計

2.1 概述

常規SCADA系統中通訊處理主要由前置機完成，現場情況下必須保證前置機長期、穩定、不間斷的運行。本系統設計采用的前端數據處理機操作系統使用Linux操作系統，Linux具有Unix的優點:穩定、可靠、安全，有強大的網絡功能。支持多用戶、多任務，是目前嵌入式產品操作系統的首選。

前置機由通訊處理及后臺監控系統兩部分組成。前置機基于嵌入式硬件平臺并采用客戶服務器模式、分布式處理、分散式數據庫備份等技術實現。

作為數據采集的前端控制計算機具有多種標準工業接口。通過RS 232，RS 485和TCP/IP接口可實現對各廠商不同風機、氣象站、測風塔等設備進行接入，并可將多路RS 232/485信號轉換為以太網標準接口。通過支持多種工業通訊協議實現在應用層上對多種不同協議設備的接入，并轉換成標準的Modbus TCP/IP協議[5，6]。具備實時對風機等前端設備進行數據采集，并將采集到的參數進行存儲。接收中央監控系統的查詢指令，并將采集到的參數數據上報中央監控系統。接收風場監控中心的控制指令，對風機等設備進行開機、關機、復位等控制操作。

2.2 硬件平臺

前置機包括采集接口單元、中央處理單元、Modbus TCP/IP總線接口單元。采集接口單元包括了RS 232接口處理單元、RS 485接口處理單元、TCP/IP接口處理單元。

2.3 軟件設計

前置機整體框架包含了協議處理模塊、數據處理模塊、日志管理模塊、Web服務模塊、時鐘同步模塊、看門狗模塊以及物理層RS 232，RS 485和TCP/IP RJ45接口，如圖1所示。

圖1 前置機軟件框圖

前置機軟件完成協議處理、數據處理、OPC服務、日志管理、Web服務和時鐘同步功能。

協議處理完成Modbus協議的接收處理。當在Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。

數據處理為前置機核心處理部分。數據處理模塊完成OPC服務器中數據處理功能，對各種采集來數據經過協議處理器解析后取出相應數據實時存入現場數據庫，并提供日志查詢功能。能實時處理經由風場監控中心發出控制指令，并將控制指令傳遞給協議處理模塊，由其完成對應風機設備PLC協議封裝。

日志記錄各風機節點對應時段的狀態如發電機轉速、風輪轉速、漿距角、發電機機艙角度等參數，各風機實時的開關機狀態和故障狀態[7]，可供遠程日志調用。日志信息量大小可保留10~30天單個風機數據。

嵌入式的Web診斷網頁，可以實現遠程的診斷和控制;客戶化的網頁空間，可以幫助用戶創建自己的、基于標準HTML的HMI應用;內置的基于Java小應用程序的圖形庫，可以幫助用戶建立動態的對話頁面。

前置機采用網絡時間協議NTP來實現時鐘同步，本系統采用客戶/服務器方式。風場監控中心確立時間服務器，各前置機作為客戶端，時間服務器與需要時間同步的客戶機相互交換NTP數據包。

3 現場SCADA系統監控中心設計

現場SCADA系統監控中心是現場SCADA系統的核心，承擔著對SCADA系統進行管理、集中數據處理、監控和數據交換控制等功能[8]?，F場SCADA系統監控中心對整個風場系統實行全面統一的調度管理，監視系統中風機等設備的運行參數和狀態，如風機部件信息、風機控制組件信息、風機電力信息等相關參數;監視所有風機設備的開、關和故障狀態，報警，通信狀態等。監控中心將數據實時的送到遠程風場監控中心，并接受遠程風場監控中心的遠程控制指令[9]。

3.1 主要功能

數據采集 對前置機進行實時數據采集，采用OPC技術采集前置機OPC服務器中已記錄當前特征量信息;

風場基礎信息管理 風場基礎信息管理包括了前置機節點信息、風機節點信息、風機顯示屏信息、變電站節點信息、測風塔節點信息;

風場地形圖管理 根據風場各風機節點、變電站節點和測風塔節點的風場布局生成相關的風場地形布局圖，并轉換成矢量圖，與各節點生成對應聯接關系;

現場實時報警信息管理 具備對各前置機、風機、變電站、測風塔故障信息報警功能，實現聲音報警、圖示報警、打印報警等方式。具備故障等級顯示，由故障級別進行相應級別的故障警示;

人機交互 具備友好人機交互界面，可操作性強，顯示直觀明晰。顯示內容包括實時采集、計算、系統估計和人工置入的各種風場動態及靜態運行參數，具有風場地形圖無級縮放、畫面導航、漫游和熱點選擇功能，提供包括接線圖、表格、曲線及其它所需畫面的編輯和修改工具;

遠程接入 提供與遠端風場監控中心軟硬件接口，可實現現場風機狀態信息上報、現場電網基礎信息上報、故障報警信息上報等數據上報，接受遠程中心對現場風機遙控、遠程故障定位排除等控制指令。

3.2 硬件平臺

現場SCADA系統監控中心包含系統管理服務器、操作員工作站、數據庫服務器、網絡交換設備、網絡安全設備。

3.3 軟件設計

3.3.1 軟件總體規劃

現場SCADA系統監控中心軟件主要分為三大部分:現場SCADA系統監控管理服務器軟件、現場SCADA系統監控管理客戶端軟件、實時數據庫軟件。

監控管理服務器軟件包括多個軟件模塊，作為監控中心的系統管理服務器起到前端數據接入采集、數據庫操作、風場地形圖管理、日志管理、報表生成、故障監測報警、遠程受控等功能，如圖2所示。

圖2 監控管理服務器軟件模塊

監控管理客戶端軟件作為監控管理服務器的客戶端軟件，根據授權可實現除服務器中前端數據接入、數據庫存儲錄入功能外所有監控服務器軟件功能，它通過服務器/客戶端網絡模式提取服務器中相關數據，實現與服務器相同的監控功能。

3.3.2 軟件構架

采用目前國際上先進的B/S三層次結構，即Web服務器、應用服務器、數據庫服務器分別安裝在不同的主機上，中間用防火墻隔離[10]。

其中應用服務器和數據庫服務器處于內網，處于外網危險地帶(DMZ)的只有面向移動商務服務的WWW服務器，而真正的業務邏輯及數據庫的操作都是封裝于應用服務層的EJB構件中(Enterprise JavaBean)來實現的。應用層的主機都處于內部網絡，使得系統安全性得到保障。

整個系統中只有外部Web服務器處于危險地帶，即使高明的黑客穿透系統的第一道防火墻，攻陷Web服務器，充其量只能做到篡改網頁。由于系統的數據，邏輯處理等內容都處于內部網絡，IP保護，接口不透明，需授權認證，黑客想在Web服務器的基礎上再進一步攻擊內部網絡是難上加難。

4 結 語

通過風電場中SCADA系統的設計能實現各種異構風電場監測設備的數據通信、互連互通，能夠大幅提高集成效率，滿足現有的和將來不斷出現的需求;屏蔽了底層設備，減少了系統通信連接和數據交換成本，使各風電場單個監測設備的更換不影響整個監測系統的運作，使子站子系統具有良好的網絡連接功能，可以根據網絡情況靈活使用網絡協議，具備同時和省級、地區級主站通信的能力，為將來的數字化電力自動化系統改造帶來便利。

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