風力發電場遠程集中監控系統的設計與實施

汪浩然

（浙江運達風電股份有限公司，浙江 杭州 310005）

風力發電作為一種可持續利用的清潔能源，具有儲量豐富、可開發潛力大、易于開采等特點，大力發展風力發電行業，對確保能源供應安全、減少環境污染、轉變能源結構等方面發揮著重要作用。風力發電要求滿足地理環境和運行條件要求，風電場運營管理方面仍存在著一些問題，不同場站所使用的風機可能來自不同的整機廠商，不同廠家都有各自的SCADA 系統，所使用的通信協議也不盡相同，兼容性較差，所以導致同一業主的不同場站都需要部署人員運維，這樣會增大成本且不利于數據共享分析。這就需要開發風電場遠程集中監控系統，進一步優化人員結構和提升電場經濟效益，對風場電力設備進行集中監控，采用信息技術改造和優化運營管理水平，提升信息溝通與共享效率，有利于規范管理手段，減小運行成本和提升市場競爭力。

1 監控系統需求分析與結構選擇

1.1 需求分析

風力發電不同于傳統的火力發電技術，發電質量會受到風速、風向、氣候等多種因素的影響，為保證風電場可以繼續穩定運行，需要采用可靠的監控技術和故障診斷技術，實現采集現場運行數據，并對數據進行處理與存儲，這就要求監控系統具備測量、控制和監視功能。測量是對風電場電力設備運行數據和參數進行采集與傳統，要采集到環境溫度、風速、風向，還需要采集電網和發電機組三相電流、有功參數、無功參數，并采集發電機組軸承溫度、繞組溫度、運行溫度等參數。控制功能要實現就地、集中和遠程控制功能，而當前風電場中機型存在差異和采用控制系統的不同，每個場站內都需建立獨立的監控系統，管理層對風電場的遠程監管存在著較大的難度，需要采用獨立中央監控軟件來滿足多種不同的機型[1]。監視功能要求對每臺風電機組、電場運行狀態、信號通道進行監測，以故障診斷模塊作為開發基礎，對風電機組和風場運行狀態進行監測，具有故障診斷和預警等功能，還需要對開關狀態、通訊中斷、越權等進行報警，對確保風力發電機組正常運行監控。

1.2 結構選擇

很多工業監控系統都采用C/S 或B/S 結構。C/S 結構為客戶端與服務器結構，可以用于分配處理任務和減小數據信息輸成本，充分利用硬件環境，客戶端安裝好應用軟件以后，對服務器端發送處理業務要求，服務器端進行數據處理并響應要求，將返回數據進行顯示，而風電場監控系統采用該結構會導致業務多采用客戶端進行處理，對客戶端設備有著更高的要求，系統間無法跨平臺運行，存在著應用局限性；B/S 結構也就是瀏覽器與服務器結構，將C/S 結構為作基礎，通過在中間增設Web 服務器，客戶端不再于原數據庫中提取數據，需在客戶端安裝瀏覽器，原結構中的服務以數據庫方式存在，但需要安裝數據庫管理系統和創建系統，Web 服務器用于對數據庫的訪問，并將訪問結果傳至瀏覽器，該種架構充分結合了Web 和數據庫，為三層的服務架構，用戶采用瀏覽器來進行該問題，大多事務在服務器端進行處理，少部分也在瀏覽器端完成，具有較高的安全性，通過物理隔離手段就可進行數據保護和權限管理。通過上述分析發現，B/S 架構具有C/S 不具備的優點，可結合工業控制技術，采用Web 技術來拓展監控軟件功能，可以更好地滿足風力發電場監控要求。

2 數據采集系統技術

2.1 IEC-60870-5-104 規約

規約實質上是電力系統中，發送與接收信息端對數據報文格式封裝與解封而形成的約定。為確保規約實現標準化，104 規約以TCP/IP 協議作為基礎，可用于串行比特數據編碼傳輸的設備，不同風力發電站間可通過數據網絡進行連接，網絡中的轉發站用于數據信息存儲與轉發，遠動站間可建立起虛電路，滿足X.25、FR、ISDN 等多種網絡類型，傳輸延時會受到網絡負載影響，毫秒級的延時不會對采樣系統產生影響。104 規約可以使數據采集系統具有更好的靈活性和更高的經濟性。

2.2 ADS 通信協議

在TwinCAT 系統中，將每個軟件模塊工作模式視作可以獨立運行的硬件設備，ADS 通信協議運行在網絡應用層，通過Message Router 來進行數據交互，可以為應用程序間提供通信接口。ADS 設備中具備獨立ID和Port 端口號，Port 端口號固定不變且存在唯一性，用于指定虛擬設備，用于創建PLC 時可將端口默認為851。ID 用于指定路由器，為TCP/IP 地址的擴展。ADS為非實時通訊協議，會受到風電場數據采集系統和網絡狀況的影響，不能保證穩定的通訊時間，主要有如下兩種通訊方式：（1）同步方式。同步讀寫時，客戶端向服務器發出ADS 請求，通訊時客戶端程序不再運行，當得到服務器響應后方可返回結果；（2）異步方式。異步讀寫時，客戶端對服務器發出ADS 請求，客戶端不停止工作，服務器處理請求以后，有用Call-back 函數返給客戶端。通知方式，客戶端對服務器發出ADS請求，服務器采用Call-back 函數持續向客戶端送出響應結果，客戶端取消方可完成請求。

2.3 Modbus 協議

Modbus 是一種現場總線通信協議，具備數據易于處理、協議開放等優點，用于控制器與其他設備間的通信，并支持RS-232、RS-485 和以太網通信設備，很多PLC、DCS 和儀表等也采用該協議，不同廠商設備采用該協議可以進行集中監控，支持多種電氣接口，可采用光纖、絞線等信息介質來進行傳輸。

2.4 基于云的大數據平臺

風電場中的風電機組廠商不同，每個控制系統間均具有獨立性，運營管理人員進行控制時無法采用集中控制方式，生產數據分散且不利于管理。基于云平臺大數據對監控系統進行設計，建立統一的監控系統平臺，可對多個風力發電機進行集中化管理，在提升管理效率的同時還可以提升市場競爭力，也有利于減少運維資金投入。大數據平臺可通過集群配置方式，結合網絡節點承擔任務差異劃分為管理節點、工作節點，服務器將獲取到的生產運行數據傳至風力發電場側，再進行加密處理后通過網絡將數據上傳至云平臺，交由數據處理中心進行存儲，用戶在網絡正常條件下可通過權限驗證來對風力發電場進行監測、控制與管理。該管理模式下，管理人員可以更為方便地對發電量、風資源和產生的效益進行查詢。數據存儲平臺用于對測風塔、發電機組運行數據、設備資產數據等進行存儲，作為高級的數據庫可進行多維度查詢、報表統計、BI 分析，為風電場運營和評估提供數據信息的支持，采用大數據挖掘技術可實現并行計算和數據挖掘，充分整合Hadoop、Hive、Flume 等數據組件，創建Ocean風電數據庫模型，為核心數據鏈平臺解決方案，解決方案更為靈活，具有開源架構優勢。

3 遠程集中監控系統設計

3.1 整體架構

風力發電場遠程集中監控系統由客戶端、服務器和數據采集端構成，服務器端通過Web 服務器和數據庫構成，為軟件層、數據庫層和采集層多種層次結構。軟件層為用戶層界面，可完成人機交互和辦面顯示與瀏覽，數據庫層是對數據信息的分析與處理，設計有實時和歷史數據統計分析功能，邏輯組件用于完成請求并發送出處理結果，該層采用標準通訊接口來實現數據信息的采集，再通過軟件層來輸出處理結果。采集層通過OPC、Modbus、104 和ADS 等通信規約來與風力發電場進行通信，實時采集數據參數，該層可用于數據信息讀取并向數據庫層發送數據。

3.2 拓撲結構設計

風力發電場遠程監控系統網絡由三部分構成，拓撲結構由風場側、生產控制區和集控室構成。風場側為就地監測，設置于風電機組塔筒內，采用控制柜對風電機組進行就地監控，可采集到機組運行狀態，并對生產數據進行采集與傳輸，生產控制區為中央監控部分，設置于風力發電場監控室內，工作人員可通過畫面來了解機組運行和操作狀態，集控室用于遠程監控，距離風力發電場較遠，采和光纖或無線等通訊方式來進行監控。遠程集中監控系統設置有2 臺應用服務器和2 臺數據服務器，數服務器建立起集群來實現資源磁盤的共享，采用雙網進行連接，若某臺服務器存在故障可切換至正常服務器，可確保數據信息的可靠存儲，也保證網絡和數據的安全。每個風力發電場安裝有2 臺采集服務器，服務器中運行采集程序，若采集服務器存在故障則備用服務器會向應用服務器傳輸數據。

3.3 硬件需求設計

風力發電場中設置有局域網，要求風力發電場與區域公司間存在數據信息的交互，通過搭建專網絡來提供數據傳輸通道。若條件無法滿足可通過配置VPN設備來實現數據交互，要求帶寬滿足大數據傳輸需要，確保帶寬不低于2M。為保證不同用戶正常使用該系統，要通過互聯網進行WEB 發布，采用移動通信要配備5G 上網設備，進行Web 發布時要確保公網有靜態IP 地址，防火墻也要進行配置，采用VPN 設備會使網絡更為安全。用戶端采用IE6.0 及以上瀏覽器，64 位操作系統，Oracle 數據庫、Tomcat6.0 服務器軟件，安裝有區域電場端和區域公司端應用軟件。硬件客戶端，不再單獨配置專用工作站，系統數據庫服務器存儲風電機組、變電量等運行數據。客戶端不再采用專用工作站，通過辦公PC 就可以進行遠程監控，也可以配置手機、平板電腦等，數據庫服務器需要存儲風電機組、發電量、升壓站等運行數據和業務數據，結合具體的風機數量和預算情況來設置2 臺服務器。

3.4 管理功能設計

監控系統運行和設計具有較高的保密級，授予權限的人方可進行操作和登錄系統，根據不同的執行權限來進入不同登錄界面，確保風電場數據的安全管理。設置功能采取配置式，主要從功能和用戶兩個方面進行功能設計，管理員可進行軟件的維護、修改等操作，可對瀏覽、操作權限進行設置，也可通過查看日志來確認用戶登錄情況。權限管理功能用于對登錄權限進行管理，用戶輸入存在密碼錯誤、信息不完整、驗證錯誤和準確的用戶和密碼四種不同狀態，在對系統進行處理操作時，需要先對數據庫賬戶、密碼進行識別，檢驗是否與輸入內容保持一致。如果輸入內容正確，需要調用出系統頁面，即可進入操作權限功能界面。

3.5 數據采集處理設計

以云平臺作為架構前提條件，應用Cloudera 軟件作為業務高級管理開發平臺，具備開源Hadoop 和CDH核心，對風力發電場實時數據參數進行整合于CDH 內。分布數據采集，可對生產、管理和調度數據進行采集，采集時間不超過5 秒，用于獲取每個風場監控系統和輔助設備生產數據信息，還用于接受每個升壓站監控系統運行的數據，采集關口電能表電量數據，并接收工作人員在手持終端發送的數據信息[2]。采用數據軟總線技術，于分布式裝置和設備中采集數據，集成多種通信協議和接口，為數據采集提供接口開發包，也可以根據設備要求進行接口開發。完成數據采集后寫入集控系統。數據傳輸存在中斷時，接口程序會定期檢連接狀態且形成數據緩存在區，連接正常時恢復接口應用，確保數據信息的穩定可靠。

3.6 遠程監控功能和機組控制功能設計

風電場遠程監控系統為B/S 架構，監控系統以公司、風場、風機、部分四個不同層級進行顯示，用于反映出每個子站狀況，實際運行的裝機容量、風機數量、風機運行狀態、發電量和環境風速等多種類型運行信息，選取每個風場名稱則可對風機運行狀態進行顯示。主機界面用于顯示管轄范圍內的每個風電場信息，體現出每個風機的運行狀態，對采集到的數據信息進行實時顯示，主要為示發電量、設備運行溫度等，還可以向工作人員提示報警信息，可以更為直觀地了解風電場運行狀態。監控功能可以讓運行人員更為全面地了解風場電力設備的運行狀態，通過選取顯示和操作控制。控制系統按照分層分布方式對控制結構進行劃分，控制功能模塊可對單向或多臺風機進行控制，自動實現對AGC 的投入和退出控制，也用于對電場升壓站的控制。將控制系統劃分為現場、廠站和遠程三個層級，現場控制級安裝有風電機組控制柜，現場工作人員可通過操作按制柜來運行監控和操作，系統將采集到的數據信息傳至中央控制室。廠站監控層是在控制室內安裝監控系統，利用中央控制室來對風電場電力設備實現集中控制，遠程監控層可在遠方對風電場進行監控。

4 結語

綜上所述，傳統的風力發電場實現集中監控存在著諸多問題，遠程集中監控系統可實現數據信息的實時采集和遠程集中控制，可對采集到數據信息進行長期存儲，通過對運行狀態和性能進行分析，向電網調度管理部門提供更為準確的運行數據，也可以為風電運行和檢修創造更為便利的條件，可滿足風力發電場電能生產管理的需要。