風電場遠程集中監控系統的建設

張弼博

摘 要 隨著風電企業的快速發展，跨區域、分布式運營的風電場數量與日俱增，考驗著企業的運營管理能力和效益，如何快速有效地實現負載已經成為風電企業面臨的難題。風電遠程集中監控系統實現了風電場的集中數據采集、監控、控制和優化，實現了風電場的局部集中控制，保證了運維管理的安全性、可靠性和經濟性，減少了風電場從業人員數量，提高了運行管理水平，提高了勞動生產率，是實現風電場“無人化、少人化”運行的重要條件。

關鍵詞 風電場 集中監控 監控系統

中圖分類號：TN948.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）04-0031-03

1 風電場遠程集中監控系統建設的意義

風電企業與時俱進，不斷擴大投資建設的風電場規模，地理區域相對分散，運營、維護和管理十分不便。風電生產企業正積極準備著手建設一個風電場遠程集中安全監控管理中心，在提高電力系統運行穩定性等安全因素的前提下，實現監控風電場和風力升壓站“無人化、少工”。遠程集中監控、科學調度管理、遠程維護、全網絡化信息交互，滿足風電場減員增效、利潤最大化的發展需求。同時，中央控制中心與各風電場之間的遠程數據傳輸和監控信息通信，可集成相關控制方式、通信協議及相關技術要求。在集中控制中心匯總數據，實現數據應用，可分為實時數據應用和歷史數據應用。該層可分為數據庫平臺和應用支持平臺。

2 系統概述

風電場功能集約化質量監控處理系統以數據實時采集數據庫系統為技術基礎建立數據采集平臺，SCADA以監控處理軟件系統為技術基礎采用監控技術手段，通過自動數據采集處理裝置實時采集各類型風電場的實際風電質量監測數據和對各升壓站進行遠程控制。而部署在每個風電場的采集軟件系統包括遠程數據、電能計量數據、保護裝置、錯誤日志數據和視頻數據。這樣，將不同風電場的各種異構系統集成到中央控制中心的集成系統平臺中，真正實現了數據建設級和應用級的大規模集中控制系統集成，提高了生產效率和管理水平。[1]基于集成的大型集中控制系統平臺，豐富、完整、全面的實時數據監控，通過圖片展示，對信息資源進行深度挖掘和綜合利用，真實靈活地將數據進行橫向縱向對比，完善報警功能。事故前輔助判斷（平均誤差報警）和事故后召回分析功能，方便中控操作人員直觀了解和控制各風電場生產現場情況，是可以穩定、可靠地提供現場生產狀態的綜合管理信息實時監控系統。

3 系統總體架構

3.1 總體概述

風電場集群監控系統基于工業實時歷史數據庫和SCADA系統平臺，按照強化、流程化、標準化、標準化的理念設計。系統同時實現了RTU等綜合監控設備、電力遠程綜合終端、風電遠程綜合設備通信系統管理設備終端、視頻錄像監控管理設備等平臺提供的遠程信息實時采集，監控、視頻錄像監控等綜合監控設備應用管理功能。

3.2 系統硬件及網絡結構

硬件平臺設計包括各種應用網絡主機和其他網絡平臺的硬件選擇和系統集成，整個網絡平臺的硬件設計主要具有以下幾個特點：（1）穩定性。管理系統內部采用各種先進硬件保證系統冗余、電源等各種系統關鍵部件冗余，采用各種類型高性能、高可靠性的并行控制管理設備，保證整個并行監控管理平臺的正常運行和穩定，減少或最大限度消除單點故障，避免瞬時多點斷電故障。并行控制管理系統自動切換斷電時不會直接影響所有并行機房結構成員的UPS，是不間斷自動切換電源并行控制管理系統。（2）可擴展性。系統采用各種模塊化的網絡基礎設備和高應用性能的可持續擴展網絡服務器，保證了整個服務平臺的系統可持續擴展性，方便后期系統的優化升級和系統擴展。（3）安全性。服務平臺支持全網連接網絡基礎結構，全部連接采用領先美國戴爾雙星公司全網網絡結構，專線接入，保障整個服務平臺安全。[2]（4）適用性。根據工業監控平臺系統的實際應用要求，選擇性價比高的監控設備，確保監控平臺的適用性，增加投資回報。（5）先進性。平臺上選擇的設備大部分采用先進技術。

3.3 遠程視頻監控系統

（1）視頻業務監控管理系統網絡作為國家風電場遠程業務監控管理系統的重要結構組成的一部分，必須嚴格保證系統的網絡穩定性、安全性和系統可持續擴展性，確保系統視頻源的及時、安全、準確傳輸。為保證穩定性和系統經濟性，錄像源的歷史記錄可以保存一個月。（2）視頻遠程在線視頻監控系統軟件功能系統的主要軟件應用功能。視頻遠程在線視頻監控系統軟件功能系統主要應用功能軟件包括遠程在線視頻、音頻遠程在線文件瀏覽、視頻在線播放、報警系統提示信息、用戶控制運行系統權限以及控制系統配置以及系統管理等。（3）視頻遠程監控系統信息傳輸通道要求。集中控制中心視頻監控系統控制的風電場視頻信息傳輸采用數據組網方式或2M、4M專線傳輸方式。

4 系統設計

4.1 系統主界面

系統主頁包含系統名稱、系統菜單和已連接風電場的地理分布。系統菜單有五個菜單按鈕：風扇監控系統、遠程控制系統、報警系統、報告系統和系統管理。風電場域內地理空間分布定位圖操作是風電系統管理主地圖界面的一部分，形象清晰地展示了一個屬于中央控制中心的大型風電場域內地理空間分布和各類型風電場地的整體設施運行管理情況。

4.2 風機監控

（1）風電場大型風機分組平面圖的分組計劃分布結構圖。用于風電場分組計劃中的分類機組圖左側，以一個樹狀分組菜單的視圖形式直接顯示每個風電場的風機分組計劃狀態，右側在分組列表頁的頂部以視圖形式顯示每組具體的大型風力發電計劃機組。風力渦輪機及其主要參數顯示在每個風力渦輪機的平面圖上。（2）詳細的風扇監控屏幕。風機實時監控功能界面主要分為風機實時記錄數據和風機歷史記錄兩個功能標簽頁，實時記錄數據分類界面用戶可以通過實時數據分類出并顯示單個類型風機所有重要性能參數的歷史實時記錄值，根據實際需要可以繪制一些重要參數的數據圖表。實時歷史記錄顯示畫面可以包括10分鐘的實時記錄、歷史顯示錯誤和實時報警等歷史數據。[3]（3）功率密度曲線。一般風機設備出廠時有風機額定功率密度曲線，系統每小時或每天可以實時自動計算額定功率與電機風速的對應功率關系，并將其數值置于風機額定功率密度曲線中即可作為功率比較點（它是散點圖和功率曲線對比圖相互的結合）。

4.3 升壓站監控

（1）主接線圖。主接線圖顯示升壓站主電源變壓器供電高低和升壓側供電接線圖，主接線圖可以實時清晰顯示主電源變壓器供電高低和升壓側供電線路的高壓遙測、遙控電信號和高壓遙脈動緩沖值，控制升壓線路以及斷路器等各種關鍵設備。（2）子線圖。每條線路由集電器線路、反向變壓器線路、風電場PT線路組成，控制斷路器等重要設備。（3）保護相關信號。風電保護相關信號顯示模塊系統可以自動顯示各類型風電場所的保護訊號信息和各變電站自動接入的各種風電保護相關信號，并根據供電線路、設備等使用條件自動查詢是否保護相關信號。（4）實時電站歷史遙測曲線。實時電站歷史遙測曲線查詢模塊，是可以實時自動顯示各個大型風電場所對升壓站進行監測時得到的電站遙測歷史值數，并形成實時歷史曲線，也就是可以直接進行實時歷史曲線查詢，顯示各個電站遙測的實時歷史查詢曲線。[4]（5）歷史數據報告。歷史數據報表模塊可以根據選擇的時間間隔查詢歷史遙測數據。

4.4 故障報警

（1）實時監測報警。實時監測報警模塊包括用于風電電力機組故障監測和風電升壓站故障監測的所有實時報警模塊信息，實時監測報警系統模塊信息可以根據實時自動顯示各種實時報警模塊信息，運行管理人員甚至可以直接根據實時報警模塊信息及時了解整個風電場的日常運行管理情況，根據風電故障監測報警模塊信息，準備進行相應的故障維護等準備操作。（2）歷史報警。歷史報警模塊可以按固定時間間隔（日、月、年）查詢歷史錯誤和報警，按用戶指定的時間間隔查詢歷史錯誤和報警列表，根據報警類型或報警查詢歷史報警信息。

5 系統實現功能

5.1 數據采集

系統構建了一個基于數萬點實時數據庫的綜合數據平臺。所有數據均基于標準協議實時采集，自定義接口軟件如Modbus、DISA、IEC103、IEC104，并通過專用網線連接到遠程中央監控中心。將各風電場的各種異構系統集成到中控中心的綜合系統平臺中，實現了數據建設級和應用級一體化的大規模集中控制系統。視頻信號通過放置在視頻服務器上的專業視頻軟件實現攝像機的視頻數據采集和存儲。

5.2 集中監控

1.基礎信息維護。基礎信息包括：公司轄風電廠、風電廠地理位置、風機地理位置、風機編號、風機狀態等信息，以及按風扇參數劃分的標準曲線圖、按風扇類型劃分的錯誤代碼表進行對比分析。變電站包含：主變壓器、斷路器等設備的基本信息。

2.監控畫面。監測屏動態顯示水平和垂直多角度數據，并結合風場地理分布圖、風場三維圖、風場矩陣圖、風電機組監測圖。主要電氣接線圖和支線圖輔以曲線、儀表盤、條形圖和表格等不同的顯示方式，便于中控操作人員直觀了解各風電場生產現場情況，讓操作人員實時全面掌握現場生產情況。

3.控制與調節。系統嚴格按照五項防范規則和嚴格的安全設置要求，確保控制的安全性和準確性。在保證控制和調節安全的前提下，操作人員可以從中央監控中心同時對多臺風電場進行監控，也可以從中央控制中心執行相應的遠程控制命令。

4.告警系統。它將風電場內所有設備的故障告警集成到一個集成的故障告警平臺中，針對不同的告警類別和級別提供不同的告警，形成完整的故障告警數據。可實現實時、歷史告警信息的顯示、存儲和查詢，并以多種方式通知操作人員，以便用戶及時發現錯誤。此外，還提供了通訊故障提示/查詢功能，方便用戶對系統采集到的通訊中出現的異常情況進行分析和判斷。

5.事件順序記錄（SOE）。SOE記錄包括日期、時間和事件內容，事件記錄存儲在歷史數據庫中，實現SOE信息按各種條件分類查詢、顯示和打印。

6.事故追憶（PDR）。PDR回放實現了事故過程中SCADA監控系統圖形和模型的重構，將事故前后的實時數據變化過程進行逆向再現“事故現場”，為事故分析提供重要數據。根據內置的綜合數據平臺，可以隨時方便地查看事故前后的數據。PDR數據可以以各種形式再現，例如曲線和圖表。

7.預測與規劃。運營管理人員通過識別每臺風機一定時間段內的風向發生率或風向平均風速，對風場場址的風速特性和風能資源進行分析評估，從而提高發電效率。[5]

8.計算和統計。計算與完成統計分析使用強大的企業數據綜合計算分析引擎，從各個不同角度對企業相關統計數據信息進行分析計算并完成統計數據分析。計算關鍵數據的最大值、最小值、平均值、累計值，利用圖形平臺動態展示各種格式的數據分析結果，如對關鍵數據進行趨勢統計分析等。

9.負荷優化。負載優化可以選擇最優的控制策略，配合負載預測系統實現有效的功率控制。隨著系統的持續運行，數據的不斷增加和內置模型的不斷豐富，將有效指導風電場的優化運行。

6 智能分析

智能分析是對利用人工智能獲得的信息進行分析和研究，分析包括相關風資源數據、風機實際運行數據和總發電量。運營商建立專業知識數據庫，將獲得的數據輸入數據庫，計算機對風電場進行評估并據此提出建議，使風力發電能夠正常高效地運行。

風資源指標代表一組需要監測的數據，如平均風速、有效風速、風能利用系數等。監控這些數據有兩個作用：一是找出停電等情況的根本原因;二是作為企業制定停電或維護計劃的依據。

核心運維指標是指反映風機在實際運行中性能的數據。例如可用性、電力損失量、機器的等效使用小時數和現場電力消耗率。這些數據可以進一步描述風扇的性能，我們也可以對這些數據進行計算，以確保能夠準確地使用風扇。

電能的來源有單機、風電場和現場三種，因此智能分析計算的總功率為單機發電量之和。然后可以根據系統的組織級信息數據庫清楚地顯示每天、每月和每年的總發電量。

7 結語

隨著發達國家對利用清潔能源的需求不斷增長，風電在國家電網建設中的使用比重必須逐步提高。為了解決我國風電場分布式過程管理，實現我國風電場無人化，提升我國風電生產企業競爭優勢，構建遠程集中電力監控與風電生產過程管理綜合一體化監控系統無疑是必然選擇。

參考文獻：

[1] 余艷波，黃宏偉，范長明.電力二次系統安全防護在風電場群遠程集中監控系統的成功應用[C].電力行業信息化優秀論文集2013，2013.

[2] 梁永宏.簡析風電場遠程集中監控系統的建設[J].軍民兩用技術與產品，2016（22）：147.

[3] 姜鑫，許偉，吳勇才.風電場遠程集中監控系統設計與實現[J].湖南電力，2014（02）：53-55.

[4] 徐佳宇.風電場遠程集中監控系統的探索和發展[J].河南科技，2013（24）：106-107.

[5] 邢軍，孫軍，陳郭力.漢中電網運行集中監控系統建設方案研究[J].陜西電力，2011，39（01）：59-61.