基于北斗的海上風電場SCADA系統(tǒng)通信模塊設(shè)計

劉行　陳敏　仇煥青　湯曉安　孫海洋

摘要：目前，海上風電場SCADA系統(tǒng)存在通信成本高、運維不便等問題，隨著北斗+風電應(yīng)用的不斷深入，北斗獨特的報文通信對解決上述問題提供了可能。通過使用北斗報文通信機制，優(yōu)化現(xiàn)有SCADA架構(gòu)的通信模塊，采用TCP/UDP通信原理，設(shè)計出一個基于北斗報文通信的海上風電場SCADA系統(tǒng)方案。應(yīng)用表明，該系統(tǒng)通信傳輸成功率較高、通信傳輸穩(wěn)定，滿足海上風電場運維需求。

關(guān)鍵詞：海上風力發(fā)電;北斗報文通信;SCADA系統(tǒng);TCP/UDP通信

中圖分類號：TN927+.21 ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0249-03

Abstract： At present， the communication cost of SCADA system in offshore wind farm is high and its maintenance is inconvenient. With the deepening of Beidou + wind power application， Beidou's unique message communication provides the possibility to solve the above problems. By using Beidou message communication mechanism， optimizing the existing SCADA communication module， and adopting TCP/UDP communication principle， a scheme of offshore wind farm SCADA system based on Beidou message communication is designed. The application shows that the system has high success rate of communication transmission and stable communication transmission， which meets the operation and maintenance requirements of offshore wind farms.

Key words： offshore wind power generation;Beidou message communication;SCADA system;TCP/UDP Communication

1 背景

海上風力發(fā)電是未來大規(guī)模風電場建設(shè)的主要研究方向，發(fā)展海上風力發(fā)電有利于充分使用海上豐富的風能資源[1]，同時能夠就近消納風力發(fā)電資源并解決輸電成本高昂問題。然而，我國海上風力發(fā)電的發(fā)展仍處在初期階段，面臨著許多挑戰(zhàn)。特別是現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)通信模塊無法滿足海上風電場的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控需要，主要表現(xiàn)有：

1）系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定無法滿足要求。海上氣候等其他環(huán)境惡劣，現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)的傳輸通路故障率高。

2）系統(tǒng)的通信性價比低。海上風電場距離陸地較遠，專用網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本高昂。

3）系統(tǒng)的通信維護難度大。對于有線長距離數(shù)據(jù)傳輸，檢修困難并且?guī)в形ｋU性。采用外網(wǎng)隔離，三方運維不方便。

通過實踐調(diào)研湖南湘電公司興化灣海上風電項目，抽象出海上風電場SCADA系統(tǒng)通信模塊的基本共性需求如下：

1）功能性需求

通信數(shù)據(jù)鏈路要完成5兆瓦風機數(shù)據(jù)傳輸功能;通信鏈路設(shè)計要為遠程控制和故障檢修提供通信保障;滿足點對點、一點對多點的信息傳輸;具備雙向數(shù)據(jù)報文通信能力。

2）性能需求

每臺風機傳輸速率達到1000字節(jié)每秒;通信鏈路故障率低于10小時每年;通信鏈路在保證安全性的同時維護方便。

2 北斗導航及其報文通信分析

北斗導航系統(tǒng)與國外其他導航系統(tǒng)的最大區(qū)別就是提供短報文通信服務(wù)[2]。通過研究發(fā)現(xiàn)，北斗報文通信不僅可以進行不同終端長距離雙向通信，而且可實現(xiàn)指揮機控制范圍內(nèi)的風機間通信。

2.1 海上風電場北斗報文通信機制

海上風電場北斗報文通信需要北斗導航系統(tǒng)、風電場控制中心、風電場風機群三者協(xié)同完成。北斗的用戶終端之間通過報文進行通信并服從于北斗指揮機的管理。終端之間可以進行單點對單點的通信，北斗指揮機和北斗終端之間可以單點對多點或者點廣播通信[3]。北斗系統(tǒng)通信不支持終端之間組群通信，但是可以通過后臺模擬實現(xiàn)[4]。風機群組內(nèi)部可以任意通信，如果想和風機控制中心通訊，必須經(jīng)過對應(yīng)群組指揮機和乙組進行通信轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就實現(xiàn)指揮機范圍內(nèi)風機之間通信[5]。

2.2 北斗報文通信性能分析

傳輸?shù)某晒β屎蛡鬏數(shù)难訒r是北斗報文通信性能的兩個重要參數(shù)[6]，通過北斗數(shù)據(jù)傳輸成功率、北斗長報文傳輸成功率、北斗傳輸延時三方面對報文通信的性能進行分析。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)顯示北斗數(shù)據(jù)包傳輸失敗率低于百分之五，傳輸成功率較高;研究北斗相關(guān)文檔發(fā)現(xiàn)長報文傳輸成功率跟報文包個數(shù)成反比例，所以應(yīng)選擇合適的拆包方式和丟包處理規(guī)則，以提高傳輸成功率;根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與計算，得出一般北斗報文通信的傳輸延時為3.8s。

3 基于北斗報文通信的海上風電場SCADA系統(tǒng)通信模塊設(shè)計方案

通信模塊的設(shè)計方案需要解決風場數(shù)據(jù)與北斗協(xié)議的規(guī)約轉(zhuǎn)換問題、實時長報文傳輸問題、收發(fā)端運行流程問題，以及整體通信框架詳細設(shè)計方案等四個問題，下面依次展開詳細論述。

3.1 規(guī)約轉(zhuǎn)換問題解決方案