風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

孫樹敏 ，王尚斌 ，2，張華偉 ，2，趙 俊 ，2，程 艷

（1.山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；2.山東魯能軟件技術(shù)有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

由于全球能源供應緊張，環(huán)境問題日益突出。風能作為一種清潔無污染和可再生特點的能源越來越受到世界各國和地區(qū)的廣泛關(guān)注。我國是世界上風力資源較為豐富的國家之一，據(jù)有關(guān)專家估計，全國可開發(fā)利用的風能約2.5億kW，具備大規(guī)模發(fā)展風電的條件。近年來我國風力發(fā)電事業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，截至2011年底，我國風電總裝機容量已經(jīng)超過6 270萬kW，并網(wǎng)容量突破4 500萬kW［1-2］。但隨著我國風電的大規(guī)模建設，傳統(tǒng)的發(fā)電企業(yè)管理模式已經(jīng)不適應風電管理要求，嚴重影響了風電企業(yè)的發(fā)展與運營管理。

1 問題

隨著風電場建設規(guī)模的不斷擴大，在風電場生產(chǎn)運行管理中潛在的問題也不斷出現(xiàn)。

運行管理。風電場的建設比較分散，同一發(fā)電集團下的不同風場可能位于不同的地區(qū)，當管理人員需要各個風電場的信息并對比分析時，各個風電場的SCADA系統(tǒng)難以滿足這樣的需求，無法實現(xiàn)對風場級數(shù)據(jù)的分析處理，產(chǎn)生信息孤島。

運行維護。 由于風電場之間的距離較遠，且風場風機種類不同，各種設備的供應商不盡相同，給運行維護帶來困難。

人員管理。風電場一般處于遠離城市的山區(qū)或海邊，地理環(huán)境比較惡劣，工作人員很難長期生活。

并網(wǎng)管理。風能的隨機性使得風電接入電網(wǎng)受到影響，為了滿足的電網(wǎng)對風電接入要求，風電公司需要對風功率進行預測，提前采取措施，減少風電對電網(wǎng)的影響。

根據(jù)風電場運營的特點，風電企業(yè)實施風電場群的集中遠程管理，將是今后發(fā)展的趨勢，風電場群的集中管理可以實現(xiàn)“集中控制，少人值守”風電管理新模式［2］，有利于建設智能化、友好型新型風電企業(yè)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖

2 風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要對分布在不同地區(qū)風電場的風力發(fā)電機組及場內(nèi)變電站的設備運行情況及生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行實時采集和監(jiān)控，使監(jiān)控中心能夠及時準確地了解各風電場的生產(chǎn)運行狀況。

2.1 風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)層次

風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)按照部署的位置可以劃分三級：就地監(jiān)控、場級監(jiān)控、遠程監(jiān)控中心［3-4］，圖1所示。

就地監(jiān)控。每臺風力發(fā)電機的控制柜對風機運行狀態(tài)進行監(jiān)控，同時進行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)發(fā)往中央監(jiān)控中心。

場級監(jiān)控。風電場集控監(jiān)控，主要用于控制風機的運行和操作，接收風機發(fā)送的數(shù)據(jù)，在界面顯示。

遠程監(jiān)控中心。一般位于公司總部，工作人員可以根據(jù)匯集的各個風電場信息，對風電場發(fā)電信息及風機狀態(tài)進行數(shù)據(jù)分析。

2.2 風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)對風電場進行遠程監(jiān)視和集中管理，實現(xiàn)對各風電場數(shù)據(jù)的整合管理，模塊劃分為運行監(jiān)控模塊、并網(wǎng)優(yōu)化模塊、KPI管理模塊、資產(chǎn)管理模塊、安全生產(chǎn)模塊［5-6］，圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)

運行監(jiān)控模塊。主要包含對風力發(fā)電機組的監(jiān)控和場內(nèi)變電站的監(jiān)控。實時監(jiān)視風電機組的運行狀態(tài)及運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)繪制風速—功率曲線、風速分布曲線、風速趨勢曲線；實現(xiàn)在監(jiān)控中心對風電機組的遠程開機、停機、左/右偏航、復位、功率設定與控制、風電場有功功率變化率的設定與控制等功能。變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)完成從升壓站安全監(jiān)測、遠程監(jiān)視調(diào)度控制到單個點和多個點的操作處理。

并網(wǎng)優(yōu)化模塊。主要包含風功率預測功能以及無功優(yōu)化和有功控制方案。風場將風功率預測結(jié)果實時傳送到調(diào)度，電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)風功率預測的結(jié)果實時制定調(diào)度方案。該方案可以有效降低風電隨機性對電網(wǎng)的影響。

KPI管理模塊。 統(tǒng)一管理風電場群相關(guān)的KPI指標，提供每個關(guān)鍵指標對應的因素的評分方便找薄弱環(huán)節(jié)并建議改進的方法，為用戶自定義相關(guān)KPI提供接口。風電企業(yè)可以根據(jù)KPI制定相應的績效考核方案。

資產(chǎn)管理模塊。管理風電企業(yè)所轄風場資產(chǎn)設備，記錄相關(guān)設備使用及運行信息，完成對資產(chǎn)全面信息的收集，同時形成對同類型資產(chǎn)進行維修、變更的施工步驟模版。

安全生產(chǎn)模塊。 建立安全監(jiān)控體系、制定故障突發(fā)應急預案，具備靈活的記錄、發(fā)布、查詢等功能，結(jié)合遠程圖像監(jiān)控實時監(jiān)控風電場運行環(huán)境。

3 風電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式

3.1 風電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

目前，常用的軟件系統(tǒng)架構(gòu)形式分為C/S模式和B/S模式。C/S模式，即Client/Server（客戶機/服務器）結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的C/S模式分為兩層，第一層包含了軟件的應用層和邏輯層，第二層是數(shù)據(jù)庫和服務器組件。 隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，兩層C/S模式的發(fā)展已經(jīng)不能適應新業(yè)務發(fā)展的需求，多層C/S 模式和 B/S 模式應運而生［3，5，6］。

多層C/S模式一般是指將應用層、邏輯層和數(shù)據(jù)層獨立劃分，將邏輯層和數(shù)據(jù)層部署在不同的服務器上。由于三層分別部署在不同的硬件系統(tǒng)上，所以具有很大的靈活性和可擴充性。例如：如果需要追加新的業(yè)務邏輯，只需要增加或者修改相應的邏輯服務器即可。南瑞的NS2000W遠程風電場群監(jiān)控系統(tǒng)就是這種架構(gòu)的典型應用。

B/S模式，即 Browser/Server（瀏覽器/服務器）結(jié)構(gòu)，是對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進的結(jié)構(gòu)。基于B/S的風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)是以Web瀏覽器為統(tǒng)一的客戶端，將采集到運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)一上傳至實時（歷史）數(shù)據(jù)庫服務器中，通過Web瀏覽器查看風電場運行的實時狀態(tài)。光耀電力的WOCS和魯能軟件的CMSW都是基于B/S模式的風電場群監(jiān)控系統(tǒng)。

相對C/S模式，B/S模式具有如下突出優(yōu)點：

1）客戶端不再負責數(shù)據(jù)庫的存取和復雜數(shù)據(jù)計算等任務，只需要其進行顯示，充分發(fā)揮了服務器的強大作用，這樣就大大的降低了對客戶端的要求，降低了投資和使用成本。

2）易于維護、易于升級。

3）用戶操作使用簡便。

4）易于實現(xiàn)跨平臺的應用，解決了不同系統(tǒng)下不兼容的情況。

C/S模式一般面向相對固定的用戶群，對信息安全的控制能力很強，一般高度機密的信息系統(tǒng)采用C/S模式適宜，可以通過B/S發(fā)布部分可公開信息。

3.2 風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)通信方式

3.2.1 電話網(wǎng)（PSTN）

PSTN （Public Switched Telephone Network）即我們常用的電話網(wǎng)［7］，此傳輸方式利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡，在監(jiān)控兩端安裝調(diào)制解調(diào)器，傳輸數(shù)據(jù)的計算機之間通過使用調(diào)制解調(diào)器連接公用電話網(wǎng)，由監(jiān)控中心主動發(fā)起撥號，現(xiàn)場節(jié)點接到呼叫后應答，進行數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸方式安全性較高，但由于風電場分布在全國各地，費用較高且PSTN連接方式速度受限，不能滿足風電場群遠程監(jiān)控的要求，該方式主要用于風電廠級監(jiān)控。

3.2.2 無線傳輸

無線傳輸目前主要包含GPRS和CDMA兩種方式［8-9］。 GPRS-General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的廣域的無線IP連接。此傳輸方式是利用現(xiàn)有的移動無線通信網(wǎng)絡，在遠程監(jiān)控中心和廠級中央監(jiān)控端各安裝一套GPRS設備。這種傳輸方式具有部署簡單、成本較低、實時在線等優(yōu)點。但是由于受無線通信網(wǎng)絡帶寬的限制，傳輸速率較低，費用按照傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量計費。隨著3G網(wǎng)絡在國內(nèi)逐步覆蓋，將有效解決無線傳輸在視頻領(lǐng)域的限制。CDMA部署方式和GPRS相同，他們之間只是傳輸使用的協(xié)議不同。

3.2.3 基于Internet網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式

Internet最早來源于美國國防部高級研究計劃局 DARPA （Defense advanced Research Projects Agency）的前身 ARPA建立的 ARPAnet，該網(wǎng)于1969年投入使用。隨著ARPAnet的建設和開放，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)和用戶數(shù)迅速增長。以美國為中心的Internet網(wǎng)絡互聯(lián)也迅速向全球發(fā)展，世界上的許多國家紛紛接入到Internet，最終形成了今天的互聯(lián)網(wǎng)。

基于Internet的數(shù)據(jù)傳輸是在互聯(lián)網(wǎng)上進行的，而互聯(lián)網(wǎng)存在許多不安全性，一般都采取加密方式傳輸數(shù)據(jù)。隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，一門新的技術(shù)開始在風電遠程監(jiān)控系統(tǒng)廣泛使用，即VPN（Virtual Private Network）技術(shù)［10］。 由于 VPN 技術(shù)是在Internet建立虛擬的專用網(wǎng)絡，無需租用ISP專線，只需要購買VPN設備和支持一定的上網(wǎng)費用即可，可有效降低實施的成本。 只要連接Internet的地方，就可以接入VPN，此外VPN采用隧道技術(shù)、加解密技術(shù)、密鑰管理技術(shù)和使用者與設備身份認證技術(shù)有效解決互聯(lián)網(wǎng)上的安全問題。此傳輸方式利用現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡，在遠程監(jiān)控中心安裝VPN設備，在場級集控中心安裝相應的VPN軟件即可。基于VPN技術(shù)的風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的靈活性和可擴充性，適應風電企業(yè)長期發(fā)展的要求，VPN網(wǎng)絡拓撲圖如圖3所示。

3.2.4 混合方式

由于風電場位置一般都比較偏遠，通信情況比較復雜，所以在實際的施工過程中，風電場群遠程監(jiān)控考慮風電場實際情況，采用多種方式接入。目前較為流行的是GPRS網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡互連方案。 該方案在不方便接入Internet的地方部署GPRS通信設備，接入電信運行商的GPRS網(wǎng)絡，然后由電信運行商再接入Internet網(wǎng)絡。

圖3 VPN網(wǎng)絡拓撲圖

4 結(jié)語

在風電場群遠程監(jiān)控軟件方面，國內(nèi)外差距并沒有像風機監(jiān)控那么明顯，其中一些產(chǎn)品實用化水平也相對較高，例如南瑞的NS2000W、光耀的WOCS、魯軟的CMSW、聯(lián)合動力的風電場監(jiān)控都是這種產(chǎn)品的典型代表。同時國內(nèi)的產(chǎn)品也存在一些不足，尤其是在風電場安全控制、無功電壓優(yōu)化控制、風電場優(yōu)化運行等高級控制功能方面還存在一定的差距。國外的典型產(chǎn)品有GH SCADA、Clever Farm等系統(tǒng)。

雖然風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)不能替代場級的SCADA系統(tǒng)，但是風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以通過大量的歷史數(shù)據(jù)進行風能預測、設備故障分析及故障預警、風能利用率提升、風機電機組的負荷預測、入網(wǎng)等進行技術(shù)研究。

隨著風力發(fā)電的發(fā)展及集中監(jiān)控系統(tǒng)的應用，風電場群遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計及功能一定會越來越成熟，成為推動風電持續(xù)健康發(fā)展有效的技術(shù)保障。風電場群遠程綜合監(jiān)控將成為今后的發(fā)展方向。