基于西門子WinCC_OA的風電場SCADA系統設計及應用

文 | 喬孟磊，韋永清

基于西門子WinCC_OA的風電場SCADA系統設計及應用

文 | 喬孟磊，韋永清

大型風電機組常安裝于偏僻邊遠的地區，如丘陵、草原、近海、戈壁灘和山區，當地往往氣候惡劣，環境復雜，且風電機組分布面積較大。一個標準化的風電場一般擁有風電機組幾十臺至幾百臺不等，并且每臺風電機組都有非常復雜的結構，機組的設計、結構和運行發電過程涉及到材料、機械、電氣、空氣動力、流體等學科，因此，如何來監控風電機組的運行情況顯得非常重要。風電場SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統實現了對風電機組的單機獨立控制、多機群控和遙控等遠程監控和實時報警功能，完全可以做到無人值守，安全運行，保護措施也更加完善。

本系統根據風電場的需求，結合IEC（International Electrotechnical Commission）中對風電場的設計要求，從結構、功能和特點三個方面介紹了SCADA系統，并通過該系統在風電場的實際應用舉例，證明了該系統具有穩定、可靠、高效的特性，完全能夠滿足風電場運行、維護的需要。

風電場SCADA系統總體結構

SCADA系統是以西門子WinCC_ OA為開發環境，以計算機為運行環境的生產過程控制，可以實現對風電場機組的監控、報表、故障報警提醒和

一、服務器結構

該系統采用類似冗余系統的結構，對系統中的服務器分配不同的功能，從而保證了系統更高的可靠性。項目服務器的主要功能是實時采集風電機組的運行數據，把采集到的數據經過程序內部的處理，在監控畫面上直觀地顯示風電機組的狀態和變量變化。數據庫服務器的主要功能是把項目風電機組的運行數據存儲在數據庫中，當操作人員需要顯示趨勢圖時，數據庫服務器會把數據處理完成后顯示在監控畫面上。轉發服務器的主要功能是作為中轉服務器，把風電機組的運行數據通過協商好的通訊協議轉發給第三方廠家或者設備。如圖1中的遠程監控系統就是通過轉發服務器獲取風電機組的數據。

二、客戶端結構

客戶端主要包括兩個UI（User Interface）監控畫面和一個手機客戶端畫面，三個畫面相互獨立，可以放置在風電場的不同位置。客戶端與服務器之間建立一條數據交換的通道，從而使得客戶端可以向服務器發送指令，控制服務器完成特定的工作，客戶端只是負責發送指令和顯示SCADA系統界面，當操作人員需要查看風電機組的運行數據和操作風電機組時，只需要對客戶端進行操作即可完成所需功能。客戶端結構中還支持手機客戶趨勢等功能。

風電場的裝機容量越大，對該地區的電力系統的影響也越大，電力系統為了保證其電網的穩定性和長久性，需要對其電網下的風電場進行監視與控制。風電場中的風電機組發出的電量不僅需要能滿足電網對電量的要求，還要按照電網的要求進行投產或者停產，故風電場SCADA系統應具備以下技術特點：

（一）遠距離通信能力強。由于機組與機組、機組與主控中心的距離比較遠，需要使用通信能力強的介質來確保相互之間通信的穩定性和實時性。

（二）可靠性高。系統所采集、傳輸的數據和下發的控制命令要具有高的可靠性，對保證機組正常運行具有至關重要的作用。

（三）實時性強。由于風電機組受自然條件影響較大，需要能迅速地按照電力調度的要求進行投產和停產。

（四）經濟性。風電場SCADA系統通過接受電網調度的指令，并合理地利用風能資源從而提高風電場的發電量。系統的報警功能能在設備出現故障前及時提醒操作人員，減少了因設備出現問題而帶來的經濟損失。

風電場SCADA軟硬件系統分為項目客戶端、項目服務器、數據庫服務器、數據轉發服務器、遠程遙控客戶端五個部分。端功能，當操作人員通過手機用戶登錄并連接到服務器時就能操作服務器，方便操作，人員不在主控中心時也能監視和操作風電機組。

三、風電場SCADA系統通信結構

風電場SCADA監控系統一般包括下位機（塔底機組控制器）、通信線路、光纖交換機、以太網交換機、上位服務器和客戶端等部分，由于風電機組與風電機組、風電機組和主控中心的距離都較遠，為了保證數據傳輸的實時性和可靠性，需選用傳輸距離較遠的通信介質光纖。服務器與客戶端之間屬于主控中心內部局域網，選擇通信性較高的網線即可。

上位機與下位機之間的實時數據采集通信機制是利用TCP/IP協議通過千兆局域網絡采集機組部件的實時模擬量和數字量等信息。下位機中的程序內置轉發程序，把需要轉發的變量放置在一個DB塊中，并定義好相應的地址，上位機通過相對應的地址讀取變量。上位機與下位機的歷史數據采用文本文件機制，下位機把機組運行數據存儲在一定格式的文本文件中，上位機固定時間或者手動操作來讀取下位機存儲的文本文件。然后把讀取到的文本文件解析出來并存入相應的數據庫中。

圖1　風電場SCADA系統總體結構圖

圖2　風電場SCADA系統客戶端運行圖

風電場SCADA系統功能

風電場SCADA系統不僅要實現對單個風電機組的監控，還要能實現對全場的運行信息統計分析、記錄操作人員日志和顯示報警故障信息的功能。

一、全場運行信息

該部分是對實時數據進行顯示，主要包括：平均風速、全場總有功功率、運行臺數、停機臺數、通信中斷臺數、日發電量、月發電量和年發電量等。

二、單臺運行信息

單臺運行信息不僅要滿足對實時數據進行監控，還要滿足能對歷史數據進行查詢。實時數據監控可為風電機組運行或者待機時的參數和報警故障提醒。歷史數據主要包括：功率曲線、風玫瑰圖、5分鐘運行記錄、故障記錄、狀態記錄。

（一）功率曲線。按照IEC61400－12標準的定義，在風電機組的設計過程中，需要對風電機組的性能進行評估和對功率曲線進行設計仿真，這樣得到的功率曲線為理論功率曲線或設計功率曲線。測試功率曲線為機組的動態功率曲線，對風電機組的功率曲線進行測試是一個比較復雜的過程，需要對機組進行長期的觀察和記錄。記錄的數據包括連續10mins平均風速計平均功率、大氣壓力、空氣密度以及環境溫度、地形等，然后換算成標準條件下的環境值，對測試得到的功率值進行修正，并把風速換算成輪轂高度處的值，再對修正后的數據進行統計和處理，最后繪制出功率曲線。

（二）風玫瑰圖。根據塔底控制器對風電機組風向標和風速儀的數據進行記錄。在極坐標底圖上點繪出的某一地區在某一時間段內各個風向出現的頻率或者各風向的平均風速的統計圖，圖形類似玫瑰花朵，故叫風玫瑰圖。把360°的極坐標底圖按每30°分為12個區間，每個區間顯示這個區間內的風向頻率、平均風速、平均功率和機艙位置。

（三）5分鐘運行記錄。需要能記錄影響機組運行和發電量變量的5分鐘平均值、5分鐘最大值、5分鐘最小值和5分鐘標準差。并在曲線上繪制出圖形。方便對機組的運行情況進行分析。

（四）故障記錄。故障代碼是風電機組運行時發生故障產生的故障信息，故障記錄能記錄風電機組發生過的故障代碼名稱、激活故障時間、復位故障時間、故障持續時間以及故障發生的次數。

（五）狀態記錄。詳細記錄風電機組的狀態變化，例如偏航的啟動時間和結束時間、風電機組的開始發電時間和開始等風時間等。能夠一目了然地掌握風電機組的狀態變化過程。

（六）操作記錄。能記錄下風電機組在運行期間人為的操作，包括操作的名稱、操作時間。操作有實時數據查詢、歷史數據查詢、啟機、停機、復位、安全褲復位和服務模式的激活等。

（七）報表。報表中變量包括：發電量、有功耗電量、運行時間、發電時間、故障時間和服務時間等，其中一種報表為SCADA系統自動生成，系統能夠每日、每月、每年自動生成全場及單臺風電機組的日、月和年報表。另外一種為手動生成報表，操作人員可以手動選擇時間段生成該時間段的運行報表。

圖3　風電場SCADA系統功率曲線模擬圖

圖4　風電場SCADA系統風玫瑰模擬圖

圖5　風電場SCADA系統5分鐘記錄模擬圖

結語

目前傳統的發電行業帶來發電量的同時也帶來了環境污染，而風電作為新能源行業，帶來發電量時無污染，國家正大力發展風電行業，而風電場SCADA系統是風電行業中一項重要的技術，它幫助用戶管理、控制、監控風電機組的運行數據，可以保證風電場內的全部風電機組安全、高效的運行，給風電場帶來經濟效益的同時也帶了來社會效益。

（作者單位：沈陽華創風能有限公司）