基于物聯網的風電SCADA系統架構研究

杜名欣，于林韜

(長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022)

0 引言

作為可再生能源代表在我國迅速發展的風力發電，如今進入了整個行業發展的低谷。究其原因是由于風電機組適應電網電壓波動的要求有限，電網傳輸消納能力不足。如何能有效的控制大規模風電機組并網以適應電網的要求，解決風電并網的技術難題?將風電加入智能電網已經被認可是解決并網難題的一種方法。智能電網擁有先進的傳感和測量、傳輸和控制方法，從而大大增強電網的可控性，實現風電安全可靠且高效的并網。然而隨著風電加入智能電網，作為風力發電重要組成部分的SCADA系統必然存在一定的局限，不能滿足智能電網發展的要求。本文考察了國內風電行業SCADA系統的應用情況，并參照相應領域所采用的實用技術，設計了基于物聯網的風電SCADA系統，來滿足智能電網的發展要求。

1 系統概念

1.1 物聯網

物聯網IOT(Internet Of Things)功能特征是全面感知信息、可靠傳遞信息和智能處理信息，以實現對物體實施智能化的控制與管理［1］。物聯網與智能電網的相互滲透和深度融合是信息通信技術發展到一定階段的必然結果。由于風電場的出力具有隨機性，當大規模的風電場接入電網系統時，利用物聯網技術在機組內部布置傳感監測點，了解機組運行情況，從而提高機組狀態監測水平。

物聯網主要分為感知層、網絡層和應用服務層三層基本架構。感知層主要通過傳感器、射頻識別等技術手段實現各種數據量的采集;網絡層實現各種網絡的接入;應用層主要采用智能計算、模式識別等技術實現物聯網在各個領域中的應用。

1.2 SCADA 系統

風電SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制)系統是由計算機與網絡技術作為支撐，通過對現場機組數據采集和數據分析，實現風電場全系統風機監控、報警、信息共享和故障診斷及維護。

面向智能電網的風電SCADA系統除具有風電SCADA系統本身具有的遠距離實時數據可靠傳輸外，還要求能夠非常準確的反映電網的真實運行狀況，非常敏銳的獲取電網運行狀態，實現電網故障信息的匯總、分析和判斷功能，對影響到電網運行的信息有非常全面及時的獲取手段，對于電網的運行狀態的變化能及時做出正確的反映。

2 基于物聯網的風電SCADA系統構架

本文依據目前運行比較成熟的基于Internet的風電SCADA系統架構，整個系統由遠程測控終端RTU(Remote Terminal Unit)、通信網絡和監控中心分別組成感知層、網絡層、應用層(圖1)。

圖1 基于物聯網的風電SCADA系統拓撲結構圖

2.1 感知層

遠程測控終端RTU主要完成風機PLC數據提取，將設置在風機、變電站、測風塔、氣象站等前端的各類智能傳感器中信息進行接入采集以及通過備用數字I/O和模擬I/O輸出信號和接入信號，并接收監控中心的數據傳輸指令和管理配置指令，完成數據傳輸和控制任務。此外，還需要對終端加設狀態監測點。使用智能電子設備以及其他分析工具對關鍵設備的運行狀況進行實時監控和數據整合，對整個系統的狀態進行評估，如靈活的控制風電場的有功、無功功率，保證電網及風電的安全穩定運行。

測控終端RTU之間的相互通信，采用物聯網中技術中的無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)，采用2.4 GHz免費通信頻段的ZigBee技術。Zigbee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，其通訊距離從標準的75 m到數百米，乃至數千米，并且支持無限擴展［2］。相對于其他通訊技術具有應用簡單、可靠性高及可支持節點無限擴展，便于系統規模擴大組網能力強等特點，彌補了無線通信市場上低成本、低功耗設備領域的空缺。從而可以避免由于風電地理位置的影響和投資成本的限制，造成的有線網絡測控鋪設難、造價高、維護困難、功耗大等問題。

ZigBee傳感器網絡無線傳輸系統結構如圖2所示。該系統由傳感器節點、Zigbee路由節點和協調器3部分組成樹型的分層網絡結構。終端傳感器節點進行數據采集，并將采集的風速、風向、溫濕度和大氣壓力等信息通過Zigbee無線通信方式上傳至路由節點，路由節點再將數據送至協調器匯總，協調器通過網絡使得遠端中央監控系統機能夠獲知現場數據。

圖2 ZigBee傳感器網絡無線傳輸系統結構圖

2.2 網絡層

風電場監控系統和遠程中心監控系統的通信就是構建于現有的Internet公眾網資源和VPN虛擬網絡。Internet擁有世界范圍的平臺，可以使所有風電場的網絡通信具有同一標準;為了保證系統的安全性，采用VPN技術，VPN是在Internet上臨時建立的安全專用虛擬網絡，無需租用專線路，而是依靠Internet服務提供商在Internet公眾網中建立專用的數據傳輸通道，構成一個邏輯網絡，在數據安全性方面，因VPN技術對所有的數據流量均經過加密和壓縮后才在網絡中傳輸，這就給用戶信息提供了一定安全性保證［3］。

ZigBee技術接入到Internet網絡中是通過內部集成嵌入式TCP/IP協議棧的網關來實現的，可以通過配置實現互聯網的訪問，特殊長距離的，也可由以太網作為有線的骨干網，在合適位置接出ZigBee以太網網關。

2.3 應用層

風機中央監控系統及遠程監控系統是風電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［4］。采用先進的B/S結構，即Browser/Server(瀏覽器/服務器)結構。這種結構主要是利用了不斷成熟的WWW瀏覽器技術，在用戶端不用再安裝任何軟件，只要能上Internet隨時可以查閱風機實時的數據資料。

風電場在運行管理過程中需要存儲和分析大量的數據，這些數據包括:風機運行、風機故障、物資管理等大量數據。當前這些大量的風電場運行數據資源由于缺乏有效的分析處理方法和手段沒有得到充分的開發和利用，數據中心數據存儲在滿足網絡功能要求的前提下，采用云存儲概念，用云終端簡化操作員站與管理員站的硬件設備，提高系統的安全性、可靠性，并可根據智能電網的要求進行功能擴展如經濟評估功能，根據售電量、電網損失的電量、風電場消耗的電量計算出風電場的經濟效益等。

3 結語

本文依據物聯網無線傳感器網絡的優勢，對風電SCADA系統進行新的架構，給出了系統總結架構方案，使之適應智能電網的發展需求。結合物聯網的Zigbee無線傳輸技術，實現數據的遠距離傳輸，節省復雜的布線，降低成本。隨著智能電網以及物聯網應用的推進，該系統會在風電行業中將會發揮越來越重要的作用。

［1］ 彭國紅，李新國.SCADA系統如何過渡物聯網［J］.自動化博覽，2011(9):56-58.

［2］ 宋曉萍，廖明夫.基于Internet的風電場SCADA系統框架設計［J］.電力系統自動化，2006，30(17):89-93.

［3］ 丁巧林，于力強，張哲.基于 VPN技術的風電場遠程監控系統［J］.機電信息，2011(3):30-31.

［4］ 項曉春，劉廣魁.SCADA系統及其應用［J］.自動化技術與應用，2000，19(6):19-22.