基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電SCADA系統(tǒng)架構(gòu)研究

杜名欣，于林韜

(長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

作為可再生能源代表在我國迅速發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電，如今進入了整個行業(yè)發(fā)展的低谷。究其原因是由于風(fēng)電機組適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動的要求有限，電網(wǎng)傳輸消納能力不足。如何能有效的控制大規(guī)模風(fēng)電機組并網(wǎng)以適應(yīng)電網(wǎng)的要求，解決風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)難題?將風(fēng)電加入智能電網(wǎng)已經(jīng)被認可是解決并網(wǎng)難題的一種方法。智能電網(wǎng)擁有先進的傳感和測量、傳輸和控制方法，從而大大增強電網(wǎng)的可控性，實現(xiàn)風(fēng)電安全可靠且高效的并網(wǎng)。然而隨著風(fēng)電加入智能電網(wǎng)，作為風(fēng)力發(fā)電重要組成部分的SCADA系統(tǒng)必然存在一定的局限，不能滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的要求。本文考察了國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并參照相應(yīng)領(lǐng)域所采用的實用技術(shù)，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電SCADA系統(tǒng)，來滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展要求。

1 系統(tǒng)概念

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)IOT(Internet Of Things)功能特征是全面感知信息、可靠傳遞信息和智能處理信息，以實現(xiàn)對物體實施智能化的控制與管理［1］。物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)的相互滲透和深度融合是信息通信技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果。由于風(fēng)電場的出力具有隨機性，當大規(guī)模的風(fēng)電場接入電網(wǎng)系統(tǒng)時，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機組內(nèi)部布置傳感監(jiān)測點，了解機組運行情況，從而提高機組狀態(tài)監(jiān)測水平。

物聯(lián)網(wǎng)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用服務(wù)層三層基本架構(gòu)。感知層主要通過傳感器、射頻識別等技術(shù)手段實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)量的采集;網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的接入;應(yīng)用層主要采用智能計算、模式識別等技術(shù)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1.2 SCADA 系統(tǒng)

風(fēng)電SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)系統(tǒng)是由計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為支撐，通過對現(xiàn)場機組數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)風(fēng)電場全系統(tǒng)風(fēng)機監(jiān)控、報警、信息共享和故障診斷及維護。

面向智能電網(wǎng)的風(fēng)電SCADA系統(tǒng)除具有風(fēng)電SCADA系統(tǒng)本身具有的遠距離實時數(shù)據(jù)可靠傳輸外，還要求能夠非常準確的反映電網(wǎng)的真實運行狀況，非常敏銳的獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)，實現(xiàn)電網(wǎng)故障信息的匯總、分析和判斷功能，對影響到電網(wǎng)運行的信息有非常全面及時的獲取手段，對于電網(wǎng)的運行狀態(tài)的變化能及時做出正確的反映。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電SCADA系統(tǒng)構(gòu)架

本文依據(jù)目前運行比較成熟的基于Internet的風(fēng)電SCADA系統(tǒng)架構(gòu)，整個系統(tǒng)由遠程測控終端RTU(Remote Terminal Unit)、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心分別組成感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層(圖1)。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電SCADA系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.1 感知層

遠程測控終端RTU主要完成風(fēng)機PLC數(shù)據(jù)提取，將設(shè)置在風(fēng)機、變電站、測風(fēng)塔、氣象站等前端的各類智能傳感器中信息進行接入采集以及通過備用數(shù)字I/O和模擬I/O輸出信號和接入信號，并接收監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸指令和管理配置指令，完成數(shù)據(jù)傳輸和控制任務(wù)。此外，還需要對終端加設(shè)狀態(tài)監(jiān)測點。使用智能電子設(shè)備以及其他分析工具對關(guān)鍵設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)整合，對整個系統(tǒng)的狀態(tài)進行評估，如靈活的控制風(fēng)電場的有功、無功功率，保證電網(wǎng)及風(fēng)電的安全穩(wěn)定運行。

測控終端RTU之間的相互通信，采用物聯(lián)網(wǎng)中技術(shù)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)，采用2.4 GHz免費通信頻段的ZigBee技術(shù)。Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，其通訊距離從標準的75 m到數(shù)百米，乃至數(shù)千米，并且支持無限擴展［2］。相對于其他通訊技術(shù)具有應(yīng)用簡單、可靠性高及可支持節(jié)點無限擴展，便于系統(tǒng)規(guī)模擴大組網(wǎng)能力強等特點，彌補了無線通信市場上低成本、低功耗設(shè)備領(lǐng)域的空缺。從而可以避免由于風(fēng)電地理位置的影響和投資成本的限制，造成的有線網(wǎng)絡(luò)測控鋪設(shè)難、造價高、維護困難、功耗大等問題。

ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、Zigbee路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器3部分組成樹型的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。終端傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度和大氣壓力等信息通過Zigbee無線通信方式上傳至路由節(jié)點，路由節(jié)點再將數(shù)據(jù)送至協(xié)調(diào)器匯總，協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)絡(luò)使得遠端中央監(jiān)控系統(tǒng)機能夠獲知現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

圖2 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)和遠程中心監(jiān)控系統(tǒng)的通信就是構(gòu)建于現(xiàn)有的Internet公眾網(wǎng)資源和VPN虛擬網(wǎng)絡(luò)。Internet擁有世界范圍的平臺，可以使所有風(fēng)電場的網(wǎng)絡(luò)通信具有同一標準;為了保證系統(tǒng)的安全性，采用VPN技術(shù)，VPN是在Internet上臨時建立的安全專用虛擬網(wǎng)絡(luò)，無需租用專線路，而是依靠Internet服務(wù)提供商在Internet公眾網(wǎng)中建立專用的數(shù)據(jù)傳輸通道，構(gòu)成一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)安全性方面，因VPN技術(shù)對所有的數(shù)據(jù)流量均經(jīng)過加密和壓縮后才在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這就給用戶信息提供了一定安全性保證［3］。

ZigBee技術(shù)接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中是通過內(nèi)部集成嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)的，可以通過配置實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的訪問，特殊長距離的，也可由以太網(wǎng)作為有線的骨干網(wǎng)，在合適位置接出ZigBee以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

2.3 應(yīng)用層

風(fēng)機中央監(jiān)控系統(tǒng)及遠程監(jiān)控系統(tǒng)是風(fēng)電SCADA系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著對SCADA系統(tǒng)進行管理、集中數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控和數(shù)據(jù)交換控制等功能［4］。采用先進的B/S結(jié)構(gòu)，即Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)主要是利用了不斷成熟的WWW瀏覽器技術(shù)，在用戶端不用再安裝任何軟件，只要能上Internet隨時可以查閱風(fēng)機實時的數(shù)據(jù)資料。

風(fēng)電場在運行管理過程中需要存儲和分析大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括:風(fēng)機運行、風(fēng)機故障、物資管理等大量數(shù)據(jù)。當前這些大量的風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)資源由于缺乏有效的分析處理方法和手段沒有得到充分的開發(fā)和利用，數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)存儲在滿足網(wǎng)絡(luò)功能要求的前提下，采用云存儲概念，用云終端簡化操作員站與管理員站的硬件設(shè)備，提高系統(tǒng)的安全性、可靠性，并可根據(jù)智能電網(wǎng)的要求進行功能擴展如經(jīng)濟評估功能，根據(jù)售電量、電網(wǎng)損失的電量、風(fēng)電場消耗的電量計算出風(fēng)電場的經(jīng)濟效益等。

3 結(jié)語

本文依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，對風(fēng)電SCADA系統(tǒng)進行新的架構(gòu)，給出了系統(tǒng)總結(jié)架構(gòu)方案，使之適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的Zigbee無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，節(jié)省復(fù)雜的布線，降低成本。隨著智能電網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的推進，該系統(tǒng)會在風(fēng)電行業(yè)中將會發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］ 彭國紅，李新國.SCADA系統(tǒng)如何過渡物聯(lián)網(wǎng)［J］.自動化博覽，2011(9):56-58.

［2］ 宋曉萍，廖明夫.基于Internet的風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)框架設(shè)計［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(17):89-93.

［3］ 丁巧林，于力強，張哲.基于 VPN技術(shù)的風(fēng)電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.機電信息，2011(3):30-31.

［4］ 項曉春，劉廣魁.SCADA系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2000，19(6):19-22.