基于統一平臺的風電場監控系統的設計探討

周少平 郝敏 熊濤

摘要：針對風電場各機組廠家提供的SCADA系統協議不統一，風電場監控系統結構復雜，電網對風電場運行提出的新功能需求等問題，提出基于統一平臺的風電場中央監控系統的整套解決方案，在此基礎上探討風電場中央監控系統應具備的特殊功能。

關鍵詞：風電場；監控系統；SCADA系統；網絡拓撲

2014年，全國風電產業繼續保持強勁增長勢頭，全年風電新增裝機容量1981萬千瓦，新增裝機容量創歷史新高，累計并網裝機容量達到9637萬千瓦，占全部發電裝機容量的7%，占全球風電裝機的27%。隨著風電行業的迅猛發展，風電機組國產化率不斷提高，風機控制系統方面國內幾大風電機組廠家也做了大量的國產化工作，但是由于國內還沒有針對風電場出臺相關的規約標準，能參照的只有IEC61400-25，國內廠家實現的較少[1]，造成不同機組廠家監控系統設備信息模型不統一，不同機組廠家提供的SCADA系統兼容性差，協調運行困難。近幾年來，全國各地電網根據自身情況對風電場運行控制提出了更高的要求，要求風電場具備有功調、無功電壓調節，夜間無功輸出等功能，作為風電場內調度運行控制中心的中央監控系統成為風電場調度控制亟需解決的關鍵問題。

1、風電場監控系統現狀分析

現階段風電場內現有的監控系統主要基于升壓站綜合自動化系統、風機機組SCADA監控系統兩個監控平臺構建，各自完成各自對象的監控，兩者獨立運行，中間通過通信的方式完成信息的交互。其拓撲圖如下圖：

圖1 風電場中央監控系統框圖

風機機組SCADA監控系統一般都機組廠

家成套提供，單獨組建系統，主要負責風力發電機組的數據采集和控制，其由每臺機組現地控制單元、服務器、監控后臺組成，每臺現地控制單元收集風電機組各個部件的實時信息，如偏航、變漿、齒輪箱、變流器等[2]，通過組建光纖環網，將數據送至控制室的數據采集服務器。現階段國內風機機組廠家風機SCADA系統內部通信接口大多數基于OPC。

升壓站綜合自動化系統（以下簡稱綜自系統）主要由保護裝置廠家提供，主要負責升壓站內的一二次設備測量及控制，其控制邏輯上可劃分為控層設備和間隔層設備[3]，站控層主要由系統服務器、網絡單元、遠動設備組成，以統一信息平臺管理間隔層的智能設備。間隔層設備面向對象設計，負責對電氣設備的智能化，通過網絡的方式將信息送至綜自系統。遠動設備負責將風電場的信息上傳給調度部門。通信協議方面，綜自廠家內部基本采用IEC60870-105-103。

綜自系統與機組SCADA系統由于由不同設備產商提供，各自都有獨立的平臺，獨立完成對設備的監控。兩個平臺之間接口規范不統一，綜自系統與風機SCADA系統通信需要通過規約轉換進行規約轉換，才能讀取風電機組的控制及實時數據信息，達到控制風電機組的目的，而無法直接訪問機組現地控制單元采集風電機組信息，這種數據獲取方式不滿足調度自動化信息直調直送，直采直送的要求。且風機SCADA系統服務器基本上采用單套配置，通過單臺規約轉換器與綜自系統相連，冗余度差，可靠性無法保證。

如果一個風電場采用不同風機廠家的機組，由于各個機組廠家協議不統一，將會配置多套機組SCADA監控系統，導致風電場運行人員必須學習使用不同廠家的監控系統，給運行維護增加難度，增加了維護成本[4]。

2、統一平臺中央監控系統的建設

2.1 監控系統組網

監控系統的組網方式根據風電場內設備布置情況確定。升壓站內設備由于比較集中，可采用綜合自動化設備的組網方式，綜合考慮可靠性，站控層采用雙網星型組網。

風電機組由于比較分散，特別是南方山地風電場，風機距離升壓站控制室可能有10多km，風電機組監控系統需采用光纖傳輸，為了提高可靠性，一般采用光纖環網組網方式，隨匯集的集電線路架設自承式光纜，每回集電線路組建一回光纖環網。為了解決風電機側組網冗余度差的問題，通過在中控室增加一臺接入交換機，改變中控室的交換機的連接方式，以實現冗余的目的，如圖2所示，兩臺中控室內SCADA系統的接入交換機與每回集電線路的中控制環網交換機用網線相連，環網交換機之間相連，但SCADA接入交換機之間不連，這樣就避免接入交換機與環網交換機之間形成環路，造成網絡風暴[5]。考慮現階段風機機組主控的協議與站控層不一致，中間增加了規約轉換器作為過渡方案。

圖2 風電機組組網圖

2.2 中央監控系統拓撲

統一平臺中央監控系統將機組SCADA與綜合自動化系統合并到一個平臺，其拓撲結構主要框架在綜合自動化系統上建立，如圖3所示，將風機現地LCU、升壓站內保護、測控裝置等作為間隔層設備。在風機機艙現地設置LCU現地控制單元，完成風電機組現地測控單元的功能；升壓站內的保護測控裝置根據面向對象設置，每個單元的保護測控裝置通過以太網與站控層主交換機相連。站控層設備的數據采集服務器，雙機冗余配置，帶有歷史數據庫管理、實時數據庫管理功能，數據庫采用大型的數據庫SQL SERVER或者Oracle，完成風電機組-箱變單元、升壓站內保護測控裝置的數據分析、統計、處理，并儲存到關系數據庫；設置一臺應用程序服務器，主要用于監控系統，AGC/AVC控制系統，五防系統的程序運行。操作員工作站完成升壓站電氣設備、風機及其部件的人機交互顯示、告警，以及操作命令的下發操作；報表生成等工作。

圖3 統一平臺中央監控系統框圖

建立統一平臺的中央監控系統，關鍵問題主要為機組廠家的現地控制單元通信規約不統一及設備信息建模的不規范。解決通信規約不統一的問題，可通過規約轉換設備，將不同廠家的通信規約如MODBUS TCP、OPC等轉換為站控層統一的103標準接口協議。設備信息的建模不規范主要是機組廠家有自己內部的私有數據信息，如各個機組廠家有自內私有的保護信息狀態碼，這需要機組廠家執行IEC61400-25的通信規約建立風機監控信息模型[6]，在現階段機組廠家執行61400-25通信協議不是很徹底的情況下，通過對機組廠家建立不同的數據庫來作為過渡方案。

2.3二次安全防護要求

風電場監控系統除了中央監控系統外，還專門配置了風功率預測系統、風電機組在線監測系統、運行管理系統。

根據《電力監控系統安全防護總體方案》關于風電場監控系統安全分區表，中央監控系統為控制區（安全I區）；功率預測系統、風電機組狀態在線監測系統在非控制區（安全II區），而功率預測的數字氣象服務器在管理信息大區（安全III區）。根據邊界安全防護要求，安全I區與II區之間應采用硬件防火墻隔離，實現邏輯隔離、報文過濾、訪問控制等功能，如圖3所示，中央監控系統與風功率預測系統、風電機組在線監測系統之間部署硬件防火墻；生產控制大區（安全I區與II區）與管理信息大區之間通信應當部署電力專用橫向單向安全隔離裝置，數值氣象服務器與風功率預測系統之間部署了反向隔離裝置。控制區與運行管理系統之間部署正向隔離裝置。

3、中央監系統的特殊功能分析

1、與電網調度部門的信息交互：中央監控系統直接采集風機的所有監控信息，并通過遠動通信裝置上送至調度部門，取代傳統的風機SCADA系統收集風機信息，后轉給綜自系統，然后上傳調度部門的方式。減少了中間環節，提高信息上送調度的效率、可靠性。

2、有功控制功能：中央監控系統嵌入有功控制功能模塊，手動/自動可自由切換，控制風電場的有功輸出，使得風電場出力滿足調度部門下達的負荷要求。

3、無功控制功能：能接收調度部門AVC主站系統下發的全廠控制目標（電廠高壓母線電壓、全廠總無功等），按照控制策略（電壓曲線、恒母線電壓、恒無功），通過合理分配給每臺風力發電機組，并設定動態無功補償裝置的最優工作點，達到全廠目標控制值，實現全廠的電壓無功自動控制。中央監控系統無功控制模塊應能靈活配置風電機組、動態無功補償裝置作為無功輸出的優先級：若風機提供有功、無功解耦控制功能，即滿發時，風電機組仍有一定的無功輸出能力，則以風機無功輸出為主要調節手段，動態無功補償裝置為備用調節；若風機不提供有功、無功解耦功能，則以動態無功補償裝置無功輸出為主要調節手段。

4大數據分析功能：風速統計及其周期性變化趨勢分析，為運維工作時間安排提供依據；功率曲線分析，能對運行的風機進行橫向比較，找出可能存在不易被發現的問題情況，如測風儀故障，及時解決隱性故障，避免發電量的持續損失；

5在線故障智能診斷、檢修計劃安排功能，通過采集風機振動監測系統信息、風機各溫度傳感器，綜合判斷機組的故障狀態，提前告警，方便安排運行檢修。

4、結論

從國內風電場中央監控系統的現狀出發，提出了基于統一平臺的風電場中央監控系統組網方式及拓撲結構，對現階段存在的關鍵問題及難點給出了初步解決方案，并從電網調度部門、風電場運行維護方面考慮，提出了中央監控系統應具備的特殊功能，供監控系統廠家參考。

參考文獻：

[1]何飛躍，劉純，王偉勝.基于IEC61400-25的智能風電綜合控制系統設計[J].水電能源科學，2012，30（11）：208-212.

[2]劉彬.風電場中央監控及遠程監測系統的研究與設計[J].廣西電力，2013，36（1）：87-90.

[3]楊文華.風電場監控系統現狀和發展趨勢綜述[J].寧夏電力，2011，（4）：51-56.

[4]王奇.風電場數據采集與處理軟件設計[D].北京：北京交通大學電氣工程學院，2012

[5] 董定勇，賈志誠，白臣.一種提高風電場遠程監控網絡穩當性的改造方法[J].中國科技信息，2013，（10）：115-120.

[6]王文卓，秦世耀，曲春輝.基于面向對象建模的風電場監控系統的研究與開發[J].電網技術，2013，37（10）：2912-2919.

作者簡介；

周少平（1985.12-），男，四川成都人，碩士，工程師，單位：中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，研究方向：新能源發電，聯系地址：四川省成都市浣花北路1號，郵編：610000 電話：13408533737

郝敏（1974.2-），男，四川成都人，本科，高級工程師，單位：中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，研究方向：新能源發電。

熊濤（1977.10-）男，四川成都人，本科，高級工程師，單位：中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，研究方向：新能源發電。