風(fēng)力發(fā)電場SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

梁 濤，黃 玥

(1. 中國船舶集團(tuán)第七〇九研究所，湖北 武漢 430074； 2. 中國人民解放軍空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430072)

中國“3060”碳排放目標(biāo)提出后，以風(fēng)電為代表的可再生能源爆發(fā)式增長的態(tài)勢已然近在咫尺。風(fēng)能資源豐富的地區(qū)一般都比較偏遠(yuǎn)，且環(huán)境惡劣，在風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組分布分散、監(jiān)控參數(shù)多，這都會給風(fēng)電系統(tǒng)控制帶來不利影響[1-4]。

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。為充分有效利用風(fēng)能發(fā)電，SCADA系統(tǒng)作為自動化控制的核心具有信息完整的優(yōu)點(diǎn)，能提高效率，正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，對提高風(fēng)電場運(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)性具有不可替代的作用[2-4]。風(fēng)電場中央監(jiān)控系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電能源運(yùn)營情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)營數(shù)據(jù)的分析，逐步推動風(fēng)電能源監(jiān)控的自動化、集中化和智能化。同時(shí)，它在遠(yuǎn)動系統(tǒng)中占重要地位，可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警等各項(xiàng)功能，即所熟知的“四遙”功能[2,3,5]。

1 系統(tǒng)簡介

本文設(shè)計(jì)的SCADA系統(tǒng)可布置于風(fēng)力發(fā)電場升壓站機(jī)房內(nèi)，其工作站可布置于風(fēng)場監(jiān)控室內(nèi)，由風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)電場功率管理系統(tǒng)(能量管理系統(tǒng))、第三方接口系統(tǒng)組成。其主要包括風(fēng)機(jī)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、Web發(fā)布、風(fēng)機(jī)管理、風(fēng)場調(diào)度、安全審計(jì)等功能。

該SCADA系統(tǒng)支持跨平臺部署，可部署于Windows Sever 2016、Linux(CentOS 7)、Unix、中標(biāo)麒麟等多種操作系統(tǒng)，采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持Chrome、Safari、Firefox、IE11瀏覽器，支持時(shí)鐘同步；系統(tǒng)具備12個(gè)功能模塊，分別是：風(fēng)場概覽；風(fēng)機(jī)監(jiān)視；風(fēng)機(jī)控制；歷史數(shù)據(jù)；能量管理；報(bào)警記錄；快照記錄；日志管理；報(bào)表管理；檔案管理；工程管理；系統(tǒng)設(shè)置。

2 硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該風(fēng)力發(fā)電場SCADA系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由柜體、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器(主)、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器(備)、I/O服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器、操作員站、中心交換機(jī)、組網(wǎng)交換機(jī)、時(shí)鐘同步裝置、內(nèi)網(wǎng)防火墻、外網(wǎng)防火墻、正向隔離裝置、縱向加密裝置、光電交換機(jī)、光纖熔接盒、UPS電源、KVM一體機(jī)等組成。系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1)風(fēng)電機(jī)組組成的各個(gè)信息環(huán)網(wǎng)通過光纖傳輸至升壓站，與光纖熔接盒相連；光纖熔接盒又通過光纖與光電交換機(jī)連接，光電交換機(jī)以工業(yè)以太網(wǎng)線形式實(shí)現(xiàn)與SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

2)系統(tǒng)具備2臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，1臺為主，1臺備用。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)熱備份冗余、數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理、與IO機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊、與發(fā)布機(jī)實(shí)施數(shù)據(jù)通訊等功能，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器支持中控室Web訪問并接受中控室風(fēng)機(jī)控制及設(shè)置。

3)I/O服務(wù)器分別通過內(nèi)網(wǎng)防護(hù)墻與第三方設(shè)備相連，I/O服務(wù)器具備風(fēng)功率預(yù)測、上級調(diào)度系統(tǒng)、業(yè)主自建監(jiān)控中心、甲方數(shù)據(jù)中心、在線振動監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動消防系統(tǒng)、箱變監(jiān)控系統(tǒng)、空氣密度儀和升壓站的第三方通訊數(shù)據(jù)接口，上傳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)信息并接收相關(guān)指令；并且所有的第三方通訊數(shù)據(jù)接口滿足國家關(guān)于電網(wǎng)二次側(cè)網(wǎng)絡(luò)安全的相關(guān)規(guī)定。

4)遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器上設(shè)有外網(wǎng)接口，該外網(wǎng)接口通過外網(wǎng)防火墻與公網(wǎng)相連，用于連接互聯(lián)網(wǎng)為授權(quán)用戶提供監(jiān)控服務(wù)。公網(wǎng)訪問發(fā)布機(jī)時(shí)僅可監(jiān)測，無法控制風(fēng)機(jī)。

5)操作員站布置于電場的監(jiān)控室，電場工作人員通過B/S模式，對風(fēng)電場以及各個(gè)機(jī)組的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

6)時(shí)間同步裝置支持SNTP、NTP協(xié)議，為中央監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備提供時(shí)鐘同步校時(shí)。

7)內(nèi)網(wǎng)防火墻起到SCADA系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的I/O服務(wù)器與第三方通訊接口之間的保護(hù)作用；而外網(wǎng)防火墻起到SCADA系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器與外部公網(wǎng)之間的保護(hù)作用。

8)正向隔離裝置起到遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器與SCADA系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備之間的保護(hù)作用。

9)縱向加密裝置實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)環(huán)網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的加密保護(hù)。

10)中心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)與之相連的設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換、互通的作用。組網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)中央監(jiān)控系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)各環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊。

11)KVM一體機(jī)通過VGA線纜分別與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、I/O服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器相連，KVM一體機(jī)和鍵鼠托盤為現(xiàn)場操作人員提供便捷的人機(jī)交互。

12)UPS電源在正常供電情況下處于旁路模式，由市電為中央監(jiān)控系統(tǒng)供電，同時(shí)也為其自身的電池包充電，在斷電情況下UPS電源自動切換到電池供電狀態(tài)，它可為中央監(jiān)控系統(tǒng)提供續(xù)航電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

該風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)軟件程序根據(jù)功能結(jié)構(gòu)劃分為三層(見圖2)，采集層、服務(wù)層、前端網(wǎng)站，每部分均可根據(jù)服務(wù)器分布情況獨(dú)立安裝部署，程序之間均采用標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議。

圖2 軟件框架圖

采集層可根據(jù)實(shí)際組態(tài)形式，配置、添加協(xié)議包，對風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

服務(wù)層可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)調(diào)用、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并形成歷史數(shù)據(jù)庫，同時(shí)具備通訊中斷數(shù)據(jù)自動恢復(fù)的功能，即在光纖環(huán)網(wǎng)通訊中斷恢復(fù)后，機(jī)組主控程序滿足記錄要求的前提下，通過FTP或SFTP或FTPS協(xié)議自動從機(jī)組主控系統(tǒng)中將通訊中斷期間存儲的數(shù)據(jù)采集到監(jiān)控系統(tǒng)中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)錄，保證數(shù)據(jù)的完整性。

前端網(wǎng)站具備完整的網(wǎng)站服務(wù)、UI、網(wǎng)閘通訊、歷史數(shù)據(jù)記錄及查詢功能。

SCADA系統(tǒng)的軟件程序均在服務(wù)器上部署和執(zhí)行：

1)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器(主)和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器(備)部署的程序包括操作系統(tǒng)、JAVA開發(fā)包、數(shù)據(jù)采集程序、發(fā)布機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序、I/O機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序、數(shù)據(jù)分析存儲程序、數(shù)據(jù)庫、Web站點(diǎn)API服務(wù)程序、Web呈現(xiàn)程序、雙機(jī)熱備程序等；

2)I/O服務(wù)器部署的程序包括操作系統(tǒng)、JAVA開發(fā)包、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)顯示Demo，I/O服務(wù)器主要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，主要通訊協(xié)議均部署在該服務(wù)器，在實(shí)際應(yīng)用中各技術(shù)協(xié)議以應(yīng)用的方式呈現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)程序框架自由添加協(xié)議；

3)遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器部署的程序包括操作系統(tǒng)、JAVA開發(fā)包、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)分析程序、數(shù)據(jù)庫、Web站點(diǎn)API服務(wù)程序、Web呈現(xiàn)程序。

4 功能介紹

根據(jù)上述SCADA的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案，下面來逐一介紹其實(shí)現(xiàn)功能，功能結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 功能結(jié)構(gòu)圖

1)2臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器互為主備，均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)熱備份冗余、數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理、與IO機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊、與發(fā)布機(jī)實(shí)施數(shù)據(jù)通訊等功能，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器支持中控室操作站計(jì)算機(jī)通過Web訪問并接受中控室風(fēng)機(jī)控制及設(shè)置。

2)模擬量數(shù)據(jù)存儲采用秒級及分鐘級存儲，其中，故障前后5 min內(nèi)的秒級數(shù)據(jù)要求永久保存，其余秒級存儲數(shù)據(jù)要求在數(shù)據(jù)庫中保留3個(gè)月，以便數(shù)據(jù)分析使用；布爾量數(shù)據(jù)采用逢變則存的方式。秒級存儲數(shù)據(jù)查詢及報(bào)表顯示最小顆粒度為1 s，可根據(jù)不同時(shí)間步長查詢顯示模擬量數(shù)據(jù)；分鐘級存儲的數(shù)據(jù)查詢及報(bào)表最小顆粒度為1 min，可根據(jù)不同時(shí)間步長查詢顯示模擬量數(shù)據(jù)；布爾量獨(dú)立查詢，不與模擬量一起混合查詢。

3)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器具備獲取故障前后數(shù)據(jù)的功能，即在機(jī)組發(fā)生故障過后，機(jī)組主控系統(tǒng)會記錄故障前后一段時(shí)間的毫秒級數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過FTP、SFTP、FTPS等方式，從主控系統(tǒng)獲取故障前后數(shù)據(jù)并進(jìn)行原文件本地存儲、展示。

4)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器具備容災(zāi)能力及通訊中斷補(bǔ)錄功能。當(dāng)SCADA系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)主控制器之間的通訊連接中斷時(shí)，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器應(yīng)在等待一段時(shí)間后，自動重新嘗試連接風(fēng)機(jī)主控制器，并且具有從風(fēng)機(jī)主控制器內(nèi)獲取緩存數(shù)據(jù)的能力。當(dāng)服務(wù)器與控制器的連接恢復(fù)后，如果風(fēng)電機(jī)組控制器或塔基觸摸屏內(nèi)緩存有最近一段時(shí)間的歷史及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器應(yīng)能從控制器內(nèi)最大限度的讀取所缺失的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)錄，保證數(shù)據(jù)的完整性。

5)I/O服務(wù)器主要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換及第三方通訊數(shù)據(jù)接口功能，上傳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)信息并接收相關(guān)指令，并且I/O服務(wù)器遵循電網(wǎng)調(diào)度101、102、104等相關(guān)電力規(guī)約，自動接收由電網(wǎng)中調(diào)或者風(fēng)電場管理者發(fā)出的調(diào)度指令，并按照系統(tǒng)事先制定的控制策略，將功率調(diào)節(jié)指令合理地分配給風(fēng)電場每臺風(fēng)電機(jī)組，保證風(fēng)場實(shí)際出力滿足電網(wǎng)調(diào)度的指令要求。

6)I/O服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)能量管理功能，它自動接收由電網(wǎng)中調(diào)或者風(fēng)電場管理者發(fā)出的調(diào)度指令，并按照系統(tǒng)事先制定的控制策略，將功率調(diào)節(jié)指令合理地分配給風(fēng)電場每臺風(fēng)電機(jī)組(或指定參與調(diào)節(jié)的一批機(jī)組)，保證風(fēng)場實(shí)際運(yùn)行滿足電網(wǎng)調(diào)度的指令要求，能量管理包含有功自動控制系統(tǒng)(AGC)和無功自動控制系統(tǒng)(AVC)兩部分。

7)主要通訊協(xié)議均部署在I/O服務(wù)器，在實(shí)際應(yīng)用中，各技術(shù)協(xié)議是以應(yīng)用的方式呈現(xiàn)的，可根據(jù)系統(tǒng)程序框架，自由添加協(xié)議，添加后可對每個(gè)協(xié)議進(jìn)行添加、關(guān)閉和和配置。通訊程序包中包含協(xié)議棧Modbus TCP(主、從)、Modbus RTU(主)、101(從)、104(主、從)、OPC UA、FTP、SFTP、FTPS。

8)遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器包含了完整的網(wǎng)站服務(wù)、UI、網(wǎng)閘通訊、歷史數(shù)據(jù)記錄及查詢功能，將風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)布至公網(wǎng)，可遠(yuǎn)程訪問查看該風(fēng)場狀態(tài)。遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程客戶可通過局域網(wǎng)或因特網(wǎng)，按照國能安全[2015]36號《國家能源局關(guān)于印發(fā)電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案等安全防護(hù)方案和評估規(guī)范的通知》要求，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視和數(shù)據(jù)查詢。

5 結(jié) 語

本文介紹了一種風(fēng)力發(fā)電場SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了其硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、軟件框架、實(shí)現(xiàn)功能。

目前，基于該設(shè)計(jì)方案的SCADA系統(tǒng)已在風(fēng)力發(fā)電場成功投運(yùn)，可實(shí)現(xiàn)不低于300臺機(jī)組的監(jiān)控，且適用于不同機(jī)組混裝、不同組件混裝的情況。在滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定等安全約束條件下，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場及升壓站“無人值班、少人值守”、遠(yuǎn)程集中監(jiān)視控制、科學(xué)調(diào)度和管理、遠(yuǎn)程維護(hù)、全網(wǎng)絡(luò)化信息交換。