風電場遠程監控中心關鍵技術探討

劉　剛　篤　峻　金巖磊

（南瑞繼保電氣有限公司，南京　211111）

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風電場遠程監控中心關鍵技術探討

劉剛篤峻金巖磊

（南瑞繼保電氣有限公司，南京211111）

針對目前傳統風電場就地監控運營模式存在的問題，本文提出了建設風電場遠程監控中心的技術方案。技術方案詳細闡述了遠程監控中心的系統架構、計算機及網絡配置、應用功能等方面的內容。結合遠程監控中心自身的技術特點，本文還介紹了不同制造商風機數據集成、風機高頻海量數據存儲和訪問、風機數據挖掘等多項關鍵技術的應用。

風電場遠程監控中心；風機監控；IEC 61400-25；時序數據庫；數據挖掘

風力資源作為清潔、低碳、可持續的新型能源，在國家能源戰略中的地位不斷提升。風力發電因具有技術成熟、可靠性高、可較大規模利用等特點，日趨成為最具規模化開發條件和商業化發展前景的新能源發電方式之一。“十一五”規劃以來，國內風電發展迅速，裝機容量連年實現翻番，在內蒙古、黑龍江、吉林、河北等風力資源豐富的地區，風電裝機容量更是超過了 100萬 kW，形成大規模風力發電基地［1］。

隨著風電在國家能源結構中的比例不斷增大，對風電場自動化運營水平也提出了越來越高的要求，風電場監控成為風電大規模接入電網的關鍵技術問題［2］。傳統風電場就地監控的運營模式已經不能滿足用戶的運行和管理需求，本文將重點探討風電場遠程監控中心的解決方案及相關的關鍵技術。

1　遠程監控中心的必要性

隨著風電場的大規模建設，傳統就地監控的運營模式已經顯露出許多弊端。主要表現為以下幾個方面：

1）風電場一般建設在偏遠地區，地理環境惡劣，運行維護困難，雖然當地設有運行值班人員，但運營成本較高，風電場實現無人值班和遠程監控應該是今后發展的大趨勢。

2）風電場一般分期建設，分批采購多家供應商的設備，尤其是風機，目前風機監控系統尚無統一的接入標準，各風機制造商配套的風機監控系統互不兼容，無法互聯互通，風電場必須安裝多套風機監控系統，同時要求運行人員也必須熟練掌握多家的風機監控產品，才能實現對不同廠家、不同類型的風機進行監控，造成維護困難。用戶需要一套功能強大、性能穩定、通信開放的一體化監控系統。

3）傳統的風電場一般只向上級電網調度上送升壓站的電氣量數據并接收電網調度對電氣設備的控制，電網調度的管轄范圍相對較小。隨著風電場數目越來越多、裝機容量越來越大，電網調度必須將風機也納入其管轄范圍。而對于一個地調或者省調，直接管理成百上千臺風機顯然不現實，這就需要增加一級管理中心即遠程監控中心，各風電場運行數據經遠程監控中心匯總處理后統一上送電網調度，遠程監控中心同時接收電網調度的統一調度，接收諸如有功發電計劃等調度指令，分配轉發至各風電場執行。

4）發電公司在一個地區甚至全國擁有多家風電場，作為風電場的管理方，發電公司總部需要及時掌握所有風電場的運行數據，比較各風電場的發電量、可利用率、故障率等多項運行指標，從而為公司今后的運營決策提供可靠的數據支撐。遠程監控中心為發電公司提供了一個分析決策的數據平臺。

上述原因造成風電場傳統就地監控的運營模式已經不能滿足用戶運行和管理的需求，越來越多的用戶提出了建設風電場遠程監控中心的愿望［3］。遠程監控中心在傳統的輸配電領域已經司空見慣，但在風電領域還屬于較新的技術應用。風電場遠程監控中心相比傳統的電力集控中心在技術實現的細節上具有其自身特點。

1）電力集控中心一般只需接入變電站的綜自系統。而風電場遠程監控中心需要接入的系統更多，如需接入風機監控、能量管理、風功率預測、視頻監控、氣象監測等系統，數據類型更復雜，集成難度更大。

2）電力集控中心一般只接收變電站的電氣量數據，數據量有限，一般不會超過2000個點。而風電場遠程監控中心需要接入風機數據，通信數據量更大。目前較小的風電場一般裝有20～30臺風機，對于大中型風電場，風機數量則多達上百臺，對于風電場遠程監控中心，接入的風機數量更是達到上千臺。每臺風機包括IO、告警、事件、參數等多種類型的數據，信息點數一般達到200～300個，全面反映了風機的運行狀態。按照上述數據推算，一個風電場監控中心要接收和處理的數據量將達到數十萬甚至數百萬的數量級［4］。

3）風電場遠程監控中心具備風電領域特有的數據模型和高級應用。風電場遠程監控中心一般要求按風機對象建模。針對風電領域需要開發如風功率預測、風玫瑰圖、風功率曲線等高級應用。面向電廠用戶需要開發如停機時間分析、可利用率計算、損失電量計算等高級應用［5］。

由于上述特殊性，風電場遠程監控中心還需要解決一些關鍵技術。

2　遠程監控中心的系統架構

風電場遠程監控中心的系統架構如圖1所示。

圖1　風電場遠程監控中心系統架構圖

在風電場側，可通過通信規約轉換裝置接入升壓站監控、風機監控、風功率預測、能量管理、在線監測、環境監測等子系統，并通過通信子站上送遠程監控中心。考慮到視頻數據流量較大，視頻監控子系統建議單獨組網，通過視頻硬盤錄像機（視頻DVR）接入各路攝像機的模擬信號，轉換壓縮成數字信號后上送至遠程監控中心。風電場與遠程監控中心之間的通道建議配置 8～10M帶寬，可分為4～5路2M通道使用，其中2路用于數據傳輸（可作主備通道），1路用于視頻傳輸，1路用于IP電話傳輸，1路留作備用。

遠程監控中心可分為以下若干子系統：

1）前置采集子系統。負責采集升壓站、風機、風功率預測、能量管理、在線監測、環境監測等子系統上送的生產運行數據，并轉發上層應用對風電場運行設備的控制命令。建議配置兩臺獨立的、冗余的前置通信服務器來實現。配置獨立的前置通信服務器具有如下優點：可以集中優勢的硬件資源，提升接入數據的處理效率，增強風電場的接入能力；使得系統架構更加清晰與合理，便于以后系統的擴容與升級，當接入的風電場增加到一定數量時，可以通過增加前置通信服務器方便地完成系統的擴容；前置通信服務器配置獨立的前置通信網絡，與監控通信網絡分開，類似網關設備，起到了網絡隔離作用，使得對下通信不會影響上層應用。

2）運行監控子系統。配置兩臺冗余的實時數據庫服務器負責實現實時數據處理功能。配置兩臺冗余的歷史數據庫服務器及磁盤陣列負責實現歷史數據存儲及統計功能。配置操作員工作站，作為遠程監控中心監控系統的主要人機界面，用于圖形及報表顯示，事件記錄及報警狀態顯示和查詢，設備狀態和參數的查詢，防誤操作指導，操作控制命令的解釋和下達等，運行人員可通過操作員工作站對風電場全部電氣設備進行運行監測和操作控制。另外，配置維護工程師站，供系統管理人員進行系統維護，可進行系統配置數據庫的定值修改、系統組態圖形的定義修改、報表的制作修改及網絡維護、系統診斷等。

3）高級應用子系統。配置若干臺服務器，運行遠程監控中心的高級應用功能，如風功率預測、能量管理、在線監測、環境監測等。目前每個風電場一般都會要求安裝風功率預測系統，并向上級電網調度上送短期及超短期功率預測的結果。遠程監控中心的風功率預測應用需要考慮整合各風電場上送的功率預測結果并進行統一集中展示，使監控中心的用戶能夠全面掌握各風電場未來的發電情況，便于制定發電及檢修計劃。能量管理應用可通過遠動機從上級電網調度接收發電計劃，并根據各風電場的風功率預測結果及各風電場的實際運行狀況，統一分配各風電場的發電份額，合理調節各風電場風機的投、退或限功率運行，以提高整個發電公司的運行效率及風電設備的使用周期。在線監測應用可集中處理風機的電氣狀態、絕緣狀態、溫濕度、振動、擺動、竄動、噪聲等相關數據，并進行專業分析，給出風機健康狀態的評估報告及檢修建議，實現風機的狀態檢修。通過長期運行數據的積累，還能給出各制造商風機質量的評估報告，為今后的設備采購提供參考依據。環境監測應用實現氣象、消防、安防等輔助系統數據的統一接入，除提供對各風電場的全面監視和控制功能外，各輔助系統之間應能夠實現一定程度的聯動。

4）Web發布子系統。配置2臺冗余的Web應用服務器，負責向辦公網用戶提供對風電場運行數據的瀏覽和查詢服務，用戶只需通過瀏覽器便可隨時了解和掌握各風電場的運行狀況。另外，可配置MIS應用服務器，可與業主的生產管理信息系統實現對接，如遠程監控系統可以直接讀取生產管理信息系統中的設備臺帳數據，用于建立自己的設備數據庫，并可以向生產管理信息系統傳輸設備的運行、缺陷、檢修等在線數據。可以通過多種技術方案來實現遠程監控系統與生產管理信息系統之間的集成，如通過Web頁面框架的集成、通過商業數據庫之間的數據同步、通過WebService分布式應用開發技術等。

5）視頻監控子系統。配置視頻工作站、視頻解碼器、通道切換器、圖像拼接器、液晶大屏幕電視墻等設備，實現將各風電場上送的多路視頻數據經過解壓、拼接后在液晶大屏幕電視墻上顯示，并可向各風電場下達控制命令，直接控制各個前端的攝像機，實現攝像頭的定位、旋轉、對焦等。

遠程監控中心內網采用冗余雙星型以太網結構。考慮到電力系統二次安全分區的要求，監控中心內網分為兩個網段：運行監控網絡和運行管理網絡。運行監控網絡配置運行監控、高級應用等生產運行系統；運行管理網絡配置Web發布等生產管理系統。不同網段之間配置隔離裝置實現有效隔離。外部網絡通過防火墻與監控中心運行管理網絡連接，實現對外網用戶訪問Web服務的有效隔離，保證了監控中心內網的安全性。另外，建議配置獨立的前置通信網絡，通過前置通信服務器實現與監控中心內網的有效隔離，保證了對下通信網絡不會影響監控中心內網。

3　遠程監控中心的關鍵技術

風電場遠程監控中心相比傳統的電力集控中心具有其自身的特點，還有一些關鍵技術有待解決。

1）不同制造商風機的數據集成。遠程監控中心下屬多家風電場，不可避免地會安裝不同廠家、不同型號的風機。要實現對各廠家風機的統一監控、統一維護和統一管理，必須要統一各家風機的模型和規約。目前，各風機廠家均通過提供與自己風機配套的專用的風機監控系統來實現監控，而各家風機監控系統之間互不兼容。要實現各家風機監控系統之間的集成，必須通過規約轉換裝置進行模型和規約的轉換，而這種轉換制約了通信的流量和速率，大大增加了工作量和維護成本。為解決這個問題，國際電工委員會（IEC）早在2006年就制定發布了IEC 61400-25標準［6］，該標準是IEC 61850標準在風電領域的延伸，專門面向風電場風機監控系統的通信，旨在實現風電場中不同制造廠家設備之間的自由通信。通過對風電場信息進行抽象化、模型化、標準化，實現各設備之間的相互通信，使各設備之間具有互聯性、互操作性和可擴展性［7］。但從目前的工程實踐來看，國內能夠真正按照IEC 61400-25標準建模和通信的風機幾乎沒有。這需要風機及監控系統廠家的共同努力，基于IEC 61400-25標準盡快制定符合國內技術條件現狀的風機應用模型和工程實施規范，并指導風電場監控系統及風電場遠程監控中心的建設［8］。

2）風機高頻海量數據的存儲和訪問。一個風電場監控中心要接收和處理的數據量將達到數十萬甚至數百萬數量級，數據采樣周期最快的達到秒級甚至毫秒級［9］。如此高頻、海量的數據對存儲空間和存取速度都提出了極高的要求。目前可采用時序數據庫技術來解決。時序數據庫采用數據壓縮和過濾技術，數據經過有效壓縮，可極大地節省存儲空間，如按每秒1萬點數據存儲1年來計算，一般僅需要4GB左右的磁盤空間，即一只普通硬盤也可存儲五到十年的數據。另外，時序數據庫單節點的數據存儲能力可達到10～15萬點/s，數據訪問能力可達到100萬點/s，并可以在秒級時間內取到1000個點2～3年的歷史數據。如果采用高端服務器或者服務器集群，甚至能夠達到1000萬/s的數據處理能力。可見，時序數據庫可以很好地滿足高頻、海量數據對存儲空間和存取速度的要求［3］。

3）風機數據的挖掘和分析。上述對風機數據的采集和處理僅僅是第一步，對于用戶來說，更重要的是將海量數據經過篩選、整理、分析、統計后給出有助于風電場運行和管理的各類指標數據，如自然特性指標：平均風速、平均溫度、平均空氣密度、平均風功率密度、有效風速小時數等；可靠性指標：風機可利用率、風電場可用系數等；電能指標：發電量、上網電量、購網電量、等效滿負荷發電小時數、容量系數、設備平均利用小時等；耗損指標：場用電量、綜合場用電量、場用電率、綜合場用電率、場損率；運維能力指標：風能利用提高率等。以上指標的計算需要基于豐富的風電場運營和管理知識及經驗，并熟悉各廠家風機的物理特性和數據模型。以用戶最為看重的風機可利用率指標為例，就需要考慮到風電場各個利益相關者的需求，對于風電場業主，風電場開發商、風機供應商、風電場投資方可能需要計算不同的可利用率，計算時需要考慮電網限電停機、風速越限停機、風機故障停機、風機檢修停機等多種情況［10］。目前國外有一些專業的風電軟件產品可以實現上述復雜的數據挖掘和分析功能，但受其昂貴的價格以及無法二次開發與定制的限制，不能滿足國內用戶的需求。國內的一些專業廠家也已經開始這方面產品的研制工作，但要達到國外產品的成熟水平，還有待時日。

4　結論

綜上所述，風電場遠程監控中心應該是未來風力發電運營管理模式的發展趨勢。風電場遠程監控中心在系統集成、數據優化、管理績效、運營成本等方面都具有較大的優勢，很好地滿足了未來用戶在風電場運行和管理上的需求。隨著上述關鍵技術的不斷發展，風電場遠程監控中心必將在風電監控領域得到越來越廣泛的應用。

［1］ 王小海，齊軍，侯佑華，等. 內蒙古電網大規模風電并網運行分析和發展思路［J］. 電力系統自動化，2011，35（22）︰90-96，146.

［2］ 白永祥，房大中，侯佑華，等. 調度中心大規模風電場實時在線監控系統［J］. 電力自動化設備，2010，30（11）︰6-9.

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［4］ 黃軍高，王首頂，凌強，等. 時間序列數據庫在地區電網調控一體化系統中的應用［J］. 電力系統自動化，2011，35（23）︰107-111.

［5］ 陳兵，李俊娥，聶劍平，等. 電廠實時監控信息系統的設計與應用［J］. 電力系統自動化，2003，27（8）︰81-83.

［6］ IEC 61400-25. Wind turbines︰Part 25 information and information exchange for wind power plants［S］. 2006.

［7］ 蔡忠勇，荊超. 風力發電廠監控通信原理及模型——IEC 61400-25標準介紹［J］. 電力系統通信，2008，29（4）︰59-65.

［8］ 賀韜，李衛. 風力發電場監控通訊標準 IEC 61400-25及其設計思路［J］. 電網與清潔能源，2009，25（8）︰45-49.

［9］ 佘慎思，楊文斌，李春. 風力發電場SCADA系統的設計［J］. 上海電氣技術，2010，3（3）︰39-42.

［10］ 倪璐佳，官云，胡漢梅. 風力發電場經濟運行研究［J］. 電氣技術，2009（8）︰38-42.

Research on the Remote Monitoring Center of Wind Power Plant

Liu Gang Du Jun Jin Yanlei
（NARI-Relays Electric Co. Ltd.，Nanjing211111）

Aiming at the problems of local monitoring operating mode in traditional wind power plant，this paper proposes the solution for remote monitoring center. The solution describes in detail system architecture，computer and network configuration and advanced application for remote monitoring center. Combined with the technology characteristics of remote monitoring center，this paper also describes a number of critical technologies，such as product data integration from different manufacturers，high-frequency and massive data storage and access，data mining and analysis.

remote monitoring center of wind power plant； wind power monitoring； IEC 61400-25；time sequence database； data mining

劉剛（1978-），男，江蘇贛榆人，本科，工程師，從事電力系統保護控制系統的研究和設計工作。