智慧風電場監控系統設計

張錦隴，張立輝

(吉林建筑大學，吉林 長春 130119)

0 引言

隨著工業化的推進，傳統的不可再生能源日益枯竭；隨著石油化工能源的使用，環境污染越來越嚴重，對于人們的發展和生存造成了嚴重的困擾，因此對于清潔型新能源的開發和利用已經變得異常重要[1]。風力發電是一種清潔且極易獲得的新型能源。傳統風電監控系統中的風電場信息化建設相對滯后，往往存在信息數據統計不準確、人工統計數據量大、信息數據時效性差等問題，這些無疑給業務辦理、制定措施、協調職能、管理決策等方面的工作帶來了不利的影響。

在風力發電場中，對于場內各發電機組的智能化監控顯得尤為重要。隨著我國風電快速發展，風機數量急劇增加，如何提高風機的利用率、降低設備故障發生率和故障時間，同時避免設備的突發故障，已經成為風電場日常運維的主要目標[2]。基于上述問題，本文設計了智慧風電場監控系統，借助于創新的基礎架構，解決用戶關心的風電場SCADA系統穩定性、易用性、數據質量等關鍵問題，可以為客戶提供一站式監控平臺，可輸出滿足各種用戶所需的高質量、多維度的數據報表，進一步提升風場運維水平。

1 系統需求分析

1.1 系統需求定義

智慧風電場的SCADA系統最重要的功能就是能夠把不同區域的發電設備機組的參數數據進行實時收集，然后對數據進行匯總、分析、展示，將數據進行實時存儲，并根據數據反饋出來的信息，對發電機組進行相應的操作，如停止、重啟、切流等[3]。在風力發電場SCADA監控系統智能化發展過程中，不僅能夠對整個風力發電行業的發展起到推動作用，還能夠讓管理人員在遠程控制室就可以及時且準確地獲知各風電場的運行實時狀態，以此達到高效管理。

1.2 報表管理需求分析

在智慧風電場監控系統中，風電場報表管理的功能主要就是為了對風電場的一些相關報表進行管理，這些數據分別包括風機名稱、風機轉速、發電機轉速、機內溫度、電壓、電流、功率等，可以將査詢的數據項通過表格的形式展現出來。與此同時，用戶還可以通過產能報表導出功能將所查詢的產能報表導出到電腦文件夾內，以Excel的文件格式存在。風電場群信息管理系統主要管理風電場群的一些信息，詳細顯示風電場的運行狀態，可以在Excel文件中隨時查看風電機組的實時狀態。

1.3 數據庫需求分析

在智慧風電場監控系統中，數據查詢功能主要是可以對相關的風電數據進行一系列的查詢，可以查詢出風機的歷史數據。數據查詢模塊中的風機運行參數列表管理和預警列表管理中主要就是對風機數據點進行設置。在數據庫管理系統中，用戶查詢所得到的結果主要是以表格的形式展現給用戶，而表格中的數據項主要包括風電機組電壓電流、風機轉速、風機溫度等。

2 系統設計

2.1 硬件設計

智慧風電場監控系統包括現場風力發電機組的控制單元、高速環型冗余光纖以太網、遠程上位機操作員站等部分，風電電力監控系統包括現場風力發電機組控制單元、高速環型冗余光纖以太網、遠程上位機操作員站等部分。現場風力發電機組控制單元是每臺風機控制的核心，實現機組的參數監視、自動發電控制和設備保護等功能；高速環型冗余光纖以太網是系統的數據高速公路，將機組的實時數據送至上位機界面；上位機操作員站是風電廠的運行監視核心，并具備完善的機組狀態監視、參數報警、實時/歷史數據的記錄顯示等功能，操作員在控制室內實現對風場所有機組的運行監視及操作，智慧風電場監控系統框架如圖1所示。

圖1 智慧風電場監控系統框架Fig.1 Hardware diagram of wind farm monitoring system

2.2 軟件設計

風力發電機組的控制單元是整個系統的核心，通過與上位機LabVIEW監控程序的實時數據交互完成整個控制的實現。作為程序開發環境，本研究中采用LabVIEW作為上位機的監控界面，該軟件特點在于使用簡便、界面簡單、操作方便。使用者可利用框圖的方式進行編程開發，是開發監控界面、控制系統的理想選擇。智慧風電場監控界面中包含了電壓電流模塊、轉速模塊、風速模塊、功率模塊、數據庫模塊、歷史數據模塊以及溫度報警模塊。LabVIEW風電機組監控界面如圖2所示。

圖2 LabVIEW風電機組監控界面Fig.2 LabVIEW WTG monitoring interface

2.3 組網結構設計

在智慧風電場的控制系統中，就地采集的信息不僅要可靠地傳輸到中央監控室，還要向離風電場十幾公里以外的遠程監控端進行數據傳輸，所以需要采用光纖組網技術將數據傳輸到遠方監控系統，各類傳感器把采集到的信息傳給控制器，控制器之間的連接采用RS485總線，保證了控制器之間數據的通信，然后從控制器網口通過網線進入光纖交換機，通過以太網交換機將光纜組成自愈性環網，從而保證信息傳輸的可靠性。

光纖組網一般分為單環網組網方式和雙環網組網方式，電纜雙環網是電纜單環網的組合，這種接線具有很高的供電靈活性和可靠性，能最大限度地確保向用戶連續供電。雖然電纜雙環網具有接線完善、運行靈活、供電可靠性高等優點，但投資比單環網增加一倍，而單環網接線簡單、運行方便。綜合考慮，本文采用單環網的組網方式，實現數據的遠程傳輸。組網結構圖如圖3所示。

圖3 組網結構圖Fig.3 Networking structure

2.4 數據庫設計

在智慧風電場監控系統中，數據庫的設計極為重要。風電場現場設備每時每刻都在采集大量的風機運行參數，將這些運行參數進行科學的存儲和管理，將大大提高工作人員對現場設備狀態的了解和評估，本文使用MYSQL數據庫對風電參數進行儲存管理，該數據庫數據存儲量大、數據運行速度快、數據安全性高，能夠完成系統對數據的管理和操作。本文設計系統將控制器采集到的電機溫度等參數存入MYSQL數據庫進行管理，同時將LabVIEW和數據庫進行連接，比如輸入數據記錄篩選指令：sql="select * from 數據表 where 字段名=字段值 order by 字段名[desc]"，便可以對數據庫中的風機參數進行查詢。LabVIEW數據庫查詢程序如圖4所示。

圖4 LabVIEW數據庫查詢程序Fig.4 LabVIEW database program

3 系統實現與測試

3.1 數據查詢功能實現

在智慧風電場監控系統中，數據查詢主要實現對風機數據的相關查詢，可以查詢風機的電壓電流、電機轉速、電機溫度等歷史數據，在智慧風電場監控系統數據庫中的設備狀態列表管理中主要實現了對歷史數據的查詢。通過LabVIEW和數據庫的連接程序，可以在LabVIEW前面板中通過輸入相關指令來對數據庫中的歷史數據進行相應操作。歷史數據查詢圖如圖5所示。

圖5 歷史數據查詢圖Fig.5 Historical data query chart

3.2 報表功能實現

在智慧風電場監控系統中，表格管理的一個重要作用是對風電場運行數據進行管理和保存。其主要功能是產能報表管理，分別是有功發電量總計、無功發電量總計、電機溫度輸出、風機風速輸出等參數。智能風場監測系統中風場表管理的關鍵是詳細管理和剖析每臺風電機組的詳細運行參數。將LabVIEW中實時顯示的數據存入到相應的Excel文件中，可以在系統中查看風機的在線數據。表1顯示了在Excel文件中風電場系統的即時關鍵參數。

3.3 溫度報警功能實現

在LabVIEW上位機中搭建風電機組溫度控制界面，當電機溫度參數或轉速等其他參數發生異常報警時，通過啟停按鈕將風電機組停機，確保風電機組的安全運行；通過現場控制器實時上傳的溫度傳感器的數據，在軟件界面顯示風電機組的運行狀態，對其運行進行不間斷的監控；依賴LabVIEW強大的模擬仿真能力，搭建一個溫度模擬采集器，使用隨機數函數設置一個輸出為8通道的模擬溫度輸出模塊，溫度的上下限隨機在0℃～100℃波動，模擬風機在某一段時間內溫度變化曲線，實時監測風電機組的運行溫度狀態，溫度計模塊可以更為直觀地顯示當前風電機組的溫度狀態；設置溫度閾值為60℃，當電機溫度超過該值，報警燈將閃爍報警，并提醒工作人員對電機進行啟停操作。由仿真圖可以看出當風機運行溫度超過60℃時，報警燈閃爍。圖6為風機溫度模擬程序圖。

表1 Excel文件中風電場即時參數Tab.1 Real time parameters of wind electric field in Excel file

圖6 風機溫度模擬程序圖Fig.6 Fan temperature simulation operation diagram

4 結語

智慧風電場監控系統作為風電場正常運行的關鍵組成部分，對風電運維具有重要的參考價值。在傳統風電場的基礎上，從系統的需求定義、報表管理、數據查詢等三方面對智慧風電場監控系統的功能進行設計，彌補了傳統風電場在信息運維方面存在的不足。智慧風電場監控系統選用LabVIEW作為開發環境，使用MYSQL數據庫對數據進行儲存和操作，采用單環網組網方式實現數據的遠程傳輸；智慧風電場監控系統實現了數據查詢、風電場報表管理、溫度預警等功能，可以實時查詢風機的歷史數據。本文以風電機組溫度控制為例進行仿真實驗，實現了對溫度的監測控制。經實踐證明：該監控系統穩定可靠、人機界面友好、操作方便，具有較高的實用價值。