風電場風機操控系統優化改造

國電甘肅新能源有限公司 裴 凱

某風場機裝機容量20.1MW，選用國內知名品牌風機，單機容量1.5MW，共安裝134臺風機?？刂葡到y選用2期風機廠家自帶的操控系統，該系統自風機投運以來性能相對穩定，前期能夠基本滿足該風場的風機控制需求。但隨著時間推移及風機數據量的增加、運行環境影響及設備老化的顯現，造成系統數據、冗余數據過多而儲存空間過小，控制系統經常發生崩潰使得風機失聯無法控制，直接威脅到風場風機設備安全穩定運行。

目前風機控制系統除監控風機運行以外，還需接入風功率預測系統。隨著電網“兩個細則”出臺，對風功率可用功率偏差等要求的不斷提高和考核的加重，該風場在2019年內多次被調度“兩個細則”考核。經排查分析具體原因是：風功率預測系統可用功率偏差太大，不滿足省調可用電量的日準確率應不小于97%要求；風機控制系統崩潰致使風機運行數據無法及時轉發有直接關系。因此，經與該風場技術人員反復深入分析和研究，現場數據收集考證，提出多種解決方案，并對方案可行性進行論證，最終確定本方案。

1 系統技改前的情況

“兩個細則”可用功率考核情況分析可知，1月、7月、10月該風場可用功率考核明顯高于區域平均水平。經查閱歷史記錄一期風機控制系統于2019年1月數據服務器發生第一次系統崩潰，二期風機控制系統于2019年7月數據服務器發生第一次系統崩潰，一期風機控制系統于2019年10月數據服務器發生第二次系統崩潰。究其原因，當數據服務器發生系統崩潰時使得風機后臺服務器運行的控制風機軟件無法運行，同時給預測服務器轉發的風機開機容量、機頭風速等信息均無法轉發，致使風功率預測系統不能及時更新風機實時數據，使可用功率計算結果發生較大的偏差，使該風場當月在可用功率考核上蒙受巨大的經濟損失。

當一期風機數據服務器發生系統崩潰時，風機數據服務器所屬的本期67臺風機數據均無法生產、儲存、轉發，使風機控制服務器的服務不能正常運行。當風機控制服務器發生系統崩潰時，風機控制服務器所屬的本期67臺風機均無法控制啟停風機和采集風機狀態、轉發風機實時數據。當風機操作員站發生系統崩潰時，風機操作員站所屬的本期67臺風機均無法監視、控制、轉發和歸檔風機實時數據，直接威脅風電場安全穩定運行。

綜上，風機操控系統能否連續穩定運行至關重要。該風場有134臺風機，配置2期風機控制系統，上述設備共計6套，由于目前已運行6年有余，而隨著控制系統設備老化、冗余數據量極大，加之早期設備性能及其有限，系統可靠性較低。該風場風機操作控制系統目前經常發生崩潰，以致影響到風場的安全運行和風場經濟效益，改造該風場風機控制模式勢在必行。

2 風機制造廠家提供的技改方案

隨著計算機技術不斷的高速發展，該風場運行的原風機廠家的風機操作控制系統由于驅動缺少、軟件不兼容的問題已無法安裝在目前制造的服務器上。所以需要更換第三方公司開發的操作控制平臺與原系統有效兼容，實現操作控制系統的虛擬兼容。

所需物料：風電機組，中控室設備分兩期監控，共六套硬件及兩套軟件；軟件備份：統計現場操作控制軟件備份所有原有數據，其中著重備份風機點表、第三方傳輸點表、備份數據庫和歷史數據；根據業主需求，拆除舊設備，安裝新設備、系統及軟件、遷移歷史數據并調通設備。

所需服務器硬件配置。CPU：INTEL Xeon Silver 4114@2.20GHz；內存：32GB DDR4；系統硬盤：2×512GB SSD；存儲硬盤：4×4TB 3.5寸SAS 12Gbps 7200RPM；操作員站配置尺寸：普通PC機；CPU：INTEL I5-7500@3.40GHz；主板：B250主板（LGA1151插槽類型）；內存：8GB DDR4；硬盤：1TB 7200RPM。此項目不包含兩期的能量管理平臺。軟件平臺：某公司“1.5MW風機監控系統”。方案存在問題分析如下。

2.1 費用昂貴

以1.5MW風機25臺為例，1.5MW風機監控授權費用需要30萬左右，具體計算為：1.5MW風機監控授權為按點表授權，通過風機需采集、控制的數據點位個數收取系統授權費用。單臺1.5MW風機數據點位約1800余個為簡化計算記為1800個。1800×25=4.5萬個數據點。某公司提供3萬點、5萬點、10萬點3種規格的點表且單張點表最大風機數不超過70臺，意味著單期風機最多不超過70臺。

以1.5MW風機67臺為例，單臺1.5MW風機數據點位約1400余個，為簡化計算記為1400個，1400×67=9.3萬個數據點。該風場兩期共計134臺風機，按照上述要求需要某公司兩個10萬點的授權。光系統授權費用將近百萬。還有設備費材料費45萬，費用遠超該風場項目預算40萬。且此項目不包含兩期的能量管理平臺，技改仍需另行收費。

2.2 設備配置較為基礎、拓展性不強

風機廠家提供的設備配置一般。設備配置服務器核心為CPU：INTEL Xeon Silver 4114 2.2GHz，主頻一般；運行內存32GB，系統硬盤512GB、數據硬盤4TB，空間一般；工作站主板配置B250，平臺相對落后；七代CPU：INTEL I5-7500，相對落后；8G內存、1T硬盤，空間有限。隨著計算機行業的高速發展，以2019年計算機行業的平均配置水平來看，此供貨單所列設備屬中下水平，近幾年后仍存在設備性能不足的問題，以后該風場的系統技改項目還需軟件升級，系統資源不足的情況更是雪上加霜。系統資源也不足，無法開展多級熱備等高級應用，系統可靠性不能得到額外的提升。

2.3 風機廠家提供的技改清單，不包括能量管理平臺的改造

僅對服務器進行升級，原能量管理平臺設備性能無法保證，遠期存在諸多風險，與電網的設備性能要求存在較大差距，無法滿足電網對風電場站精確化控制的要求，將面臨加重“兩個細則”考核的風險。

3 技改方案

在對設備現狀深入探討及市場調研的基礎上，經大膽探索，依據計算機控制理論及發展，通過對本行業最新發展動態的導向理解，綜合各大設備廠商的技術能力，創新的提出基于虛化平臺+集中儲存的風機控制系統解決方案。該方案在整個雙饋風力發電機組各類容量的風機平臺內均未出現過，該風場是中國第一家提出并實現雙饋風力發電機使用此方案的風場。

3.1 虛擬化的應用簡介

通過把現有的物理系統整合到虛擬構架的數據中心上去，降低了的硬件投資和后期維護費用。將空閑的系統資源有機整合提升了系統的運作效率。

整合基礎服務器：運行基礎應用的設備大多數是基于Intel構架，基礎應用有文件、打印、網頁、防火墻、NAT/DHCP應用等。雖然大多數運行基礎應用的設備的系統資源占用率通常為10～15%，但由于設備安全和兼容性方面的問題，導致必須指定不同的物理平臺來運行它們。設備管理、主機加固等保測評將花去大量的時間和費用。另外，為服務器服務的衍生設備將導致電力供應和散熱方面的成本上升。因為較低的服務器資源利用率，基礎應用服務器首選作為虛擬化和相關整合的對象。虛擬化降低了企業的投資、運作成本。

在服務器管理方面也做出了重大改進，如：添加集中儲存池、集中控制套件、萬兆光網。移動全部系統磁盤到集中儲存池，配置雙機災備，大大提升了系統可靠性。變更了原系統的組網方式，通過雙路光網有效降低了系統傳輸延時，為風電機組在故障穿越時提供了更加可靠的通訊支撐，確保集控系統能夠在故障穿越時及時發揮調節作用。預制了系統軟件及點表大大縮短了系統部署時間，僅半天即可完成系統遷移，有效降低了風電場非停時間。完成部署后，制備了系統鏡像，如系統運行期間發生任何問題，重置過程僅需3分鐘，基于雙機災備系統支撐，重置后當天運行數據亦能得到保全。設備故障狀態下，減少了恢復時間、更少冗余設備的情況下，提升了可靠性。

有了虛擬化，系統管理員能在運行重要應用的實體機和同等配置的虛擬機上創建集群。在待機狀態下，虛擬機并不消耗計算機資源，并且能以非常高的比例整合到一個或幾個實體平臺上去。企業無須在硬件投資、運維和加固上投入多倍的人力和物力，從而實現高可用性。冗余的方式將由2N變為N+1。

圖1 虛擬化方案拓撲圖

主機與磁盤整列通過冗余萬兆光纖網絡連接，從而保證了傳輸速率和可靠性。而通過動態磁盤池技術會將raid的熱備空間打散到所有硬盤內，這樣就可以保證在重建的時候所有硬盤可以同時參與重建，從而大大加快重建的速度。

3.2 硬件配置

服務器：采用Intel C622芯片組，2×Intel Xeon Silver 4215R 8C 130W 3.2GHz的雙處理器，64GB TruDDR4 2666 MHz，2×600GB 10K 12Gbps SAS 2.5"G4HS，RAID 530-8i PCIe Adapter，1GbE RJ45 4網絡端口，1×Emulex 16Gb FC Dual-port HBA，2×ThinkSystem 750W(230/115V)電源，支持ASHARE A4標準。

磁盤整列：冗余雙控制器架構，控制器為雙活工作模式。實配雙控制器，控制器內配置ASIC架構專用RAID計算芯片，可支持FC、iSCSI、SAS協議，16G緩存，7×1.2TB 10K HDD，4×16Gb FC含模塊。

工控機：采用IPC-610L/AIMB-786/I7 9700/8G/1T×2/DVD/KM+2口網卡。以2019年計算機行業的平均配置水平來看，此供貨單所列設備屬上游水平，數年內不存在設備性能不足的問題。在實際設備運行結果表明，基礎應用所占算力僅為總算力的1%。以后該風場的技改項目，如數據直采、快頻改造項目需要升級控制軟件，由于本系統資源充足，均不需要升級配置。

3.3 系統HA集群

多臺設備組成的集合就稱為集群，集群的目的就是將單臺設備的負擔分配到多臺設備上從而提升算力，或是當運行某一個服務的物理設備出現故障時，讓另一臺或多臺設備繼續接手這些服務。如：VMware vSphere中，將多臺物理服務器組成一個集群，在這個集群中某臺物理服務器出現故障時，這臺服務器上運行的虛擬機可自動遷移到其他可用的物理服務器上，保障業務的不間斷運行。集群中所有的虛擬機均可在儲存池所掛任意主機上自由遷移，并且集群可做到快速擴容和HA故障冗余；所以集群是服務器虛擬化通往數據中心的必備功能。

該風場系統使用了的HA集群。因為該種集群設計專用于意外故障切換，當監控到集群中有主機意外故障時，會自動在其他主機上運行故障主機在故障之前所運行的全部業務，切換過程可以做到無縫銜接。該風場的服務器配置的形式為N+2，即單一臺物理機故障可用的繼承主機還有兩臺，相當于三級熱備，大大提升了可靠性。

3.4 技改總結

該項改造費用約48余萬元，由于虛化系統兼容性極佳，可繼續使用風場現役的已購買的風機控制系統，不需對風機控制系統點表重新授權，節約了近百萬元的授權費用。且本次改造硬件性能較高，使得本方案極具性價比，開創了聯合動力早期投運風機控制系統的平價技改先河，而且由于相同算力下與純物理系統相比所需的硬件及其附件設備數量更少，投資更低、更易維護。

本次技改所需的集群系統為主流的服務器級的應用系統。系統基于Linux內核，安全系數更高、主機加固效果更好、更易通過等保測評，運維成本大大降低。主機及其附屬設備更少、更加節能，有效的降低了系統運行成本。后續的技改工作亦可在本系統上進行，大大提升系統的拓展性，且單一設備升級、維護、退備其他設備仍可繼續運行其業務，大大提升了系統的可靠性。

該項目于2020年6月完成調試驗收，經該風場運行4個多月，整體表現良好，設備運轉正常，徹底解決數據服務器發生系統崩潰問題，各項數據傳輸正常，達到了立項目的。