基于統(tǒng)一平臺(tái)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

周少平 郝敏 熊濤

摘要：針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各機(jī)組廠家提供的SCADA系統(tǒng)協(xié)議不統(tǒng)一，風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行提出的新功能需求等問(wèn)題，提出基于統(tǒng)一平臺(tái)的風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)的整套解決方案，在此基礎(chǔ)上探討風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備的特殊功能。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)；SCADA系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2014年，全國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭，全年風(fēng)電新增裝機(jī)容量1981萬(wàn)千瓦，新增裝機(jī)容量創(chuàng)歷史新高，累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到9637萬(wàn)千瓦，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的7%，占全球風(fēng)電裝機(jī)的27%。隨著風(fēng)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化率不斷提高，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)方面國(guó)內(nèi)幾大風(fēng)電機(jī)組廠家也做了大量的國(guó)產(chǎn)化工作，但是由于國(guó)內(nèi)還沒(méi)有針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出臺(tái)相關(guān)的規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，能參照的只有IEC61400-25，國(guó)內(nèi)廠家實(shí)現(xiàn)的較少[1]，造成不同機(jī)組廠家監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備信息模型不統(tǒng)一，不同機(jī)組廠家提供的SCADA系統(tǒng)兼容性差，協(xié)調(diào)運(yùn)行困難。近幾年來(lái)，全國(guó)各地電網(wǎng)根據(jù)自身情況對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行控制提出了更高的要求，要求風(fēng)電場(chǎng)具備有功調(diào)、無(wú)功電壓調(diào)節(jié)，夜間無(wú)功輸出等功能，作為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)調(diào)度運(yùn)行控制中心的中央監(jiān)控系統(tǒng)成為風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度控制亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1、風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)主要基于升壓站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)機(jī)組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)建，各自完成各自對(duì)象的監(jiān)控，兩者獨(dú)立運(yùn)行，中間通過(guò)通信的方式完成信息的交互。其拓?fù)鋱D如下圖：

圖1 風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)框圖

風(fēng)機(jī)機(jī)組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)一般都機(jī)組廠

家成套提供，單獨(dú)組建系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集和控制，其由每臺(tái)機(jī)組現(xiàn)地控制單元、服務(wù)器、監(jiān)控后臺(tái)組成，每臺(tái)現(xiàn)地控制單元收集風(fēng)電機(jī)組各個(gè)部件的實(shí)時(shí)信息，如偏航、變漿、齒輪箱、變流器等[2]，通過(guò)組建光纖環(huán)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)送至控制室的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)機(jī)組廠家風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)內(nèi)部通信接口大多數(shù)基于OPC。

升壓站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱綜自系統(tǒng)）主要由保護(hù)裝置廠家提供，主要負(fù)責(zé)升壓站內(nèi)的一二次設(shè)備測(cè)量及控制，其控制邏輯上可劃分為控層設(shè)備和間隔層設(shè)備[3]，站控層主要由系統(tǒng)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)單元、遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備組成，以統(tǒng)一信息平臺(tái)管理間隔層的智能設(shè)備。間隔層設(shè)備面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)對(duì)電氣設(shè)備的智能化，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式將信息送至綜自系統(tǒng)。遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備負(fù)責(zé)將風(fēng)電場(chǎng)的信息上傳給調(diào)度部門。通信協(xié)議方面，綜自廠家內(nèi)部基本采用IEC60870-105-103。

綜自系統(tǒng)與機(jī)組SCADA系統(tǒng)由于由不同設(shè)備產(chǎn)商提供，各自都有獨(dú)立的平臺(tái)，獨(dú)立完成對(duì)設(shè)備的監(jiān)控。兩個(gè)平臺(tái)之間接口規(guī)范不統(tǒng)一，綜自系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)通信需要通過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，才能讀取風(fēng)電機(jī)組的控制及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，達(dá)到控制風(fēng)電機(jī)組的目的，而無(wú)法直接訪問(wèn)機(jī)組現(xiàn)地控制單元采集風(fēng)電機(jī)組信息，這種數(shù)據(jù)獲取方式不滿足調(diào)度自動(dòng)化信息直調(diào)直送，直采直送的要求。且風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)服務(wù)器基本上采用單套配置，通過(guò)單臺(tái)規(guī)約轉(zhuǎn)換器與綜自系統(tǒng)相連，冗余度差，可靠性無(wú)法保證。

如果一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)采用不同風(fēng)機(jī)廠家的機(jī)組，由于各個(gè)機(jī)組廠家協(xié)議不統(tǒng)一，將會(huì)配置多套機(jī)組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員必須學(xué)習(xí)使用不同廠家的監(jiān)控系統(tǒng)，給運(yùn)行維護(hù)增加難度，增加了維護(hù)成本[4]。

2、統(tǒng)一平臺(tái)中央監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)

監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)設(shè)備布置情況確定。升壓站內(nèi)設(shè)備由于比較集中，可采用綜合自動(dòng)化設(shè)備的組網(wǎng)方式，綜合考慮可靠性，站控層采用雙網(wǎng)星型組網(wǎng)。

風(fēng)電機(jī)組由于比較分散，特別是南方山地風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機(jī)距離升壓站控制室可能有10多km，風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)需采用光纖傳輸，為了提高可靠性，一般采用光纖環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式，隨匯集的集電線路架設(shè)自承式光纜，每回集電線路組建一回光纖環(huán)網(wǎng)。為了解決風(fēng)電機(jī)側(cè)組網(wǎng)冗余度差的問(wèn)題，通過(guò)在中控室增加一臺(tái)接入交換機(jī)，改變中控室的交換機(jī)的連接方式，以實(shí)現(xiàn)冗余的目的，如圖2所示，兩臺(tái)中控室內(nèi)SCADA系統(tǒng)的接入交換機(jī)與每回集電線路的中控制環(huán)網(wǎng)交換機(jī)用網(wǎng)線相連，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)之間相連，但SCADA接入交換機(jī)之間不連，這樣就避免接入交換機(jī)與環(huán)網(wǎng)交換機(jī)之間形成環(huán)路，造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴[5]。考慮現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)機(jī)組主控的協(xié)議與站控層不一致，中間增加了規(guī)約轉(zhuǎn)換器作為過(guò)渡方案。

圖2 風(fēng)電機(jī)組組網(wǎng)圖

2.2 中央監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)?/p>

統(tǒng)一平臺(tái)中央監(jiān)控系統(tǒng)將機(jī)組SCADA與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)合并到一個(gè)平臺(tái)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要框架在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)上建立，如圖3所示，將風(fēng)機(jī)現(xiàn)地LCU、升壓站內(nèi)保護(hù)、測(cè)控裝置等作為間隔層設(shè)備。在風(fēng)機(jī)機(jī)艙現(xiàn)地設(shè)置LCU現(xiàn)地控制單元，完成風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)地測(cè)控單元的功能；升壓站內(nèi)的保護(hù)測(cè)控裝置根據(jù)面向?qū)ο笤O(shè)置，每個(gè)單元的保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)以太網(wǎng)與站控層主交換機(jī)相連。站控層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，雙機(jī)冗余配置，帶有歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，數(shù)據(jù)庫(kù)采用大型的數(shù)據(jù)庫(kù)SQL SERVER或者Oracle，完成風(fēng)電機(jī)組-箱變單元、升壓站內(nèi)保護(hù)測(cè)控裝置的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、處理，并儲(chǔ)存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；設(shè)置一臺(tái)應(yīng)用程序服務(wù)器，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)，AGC/AVC控制系統(tǒng)，五防系統(tǒng)的程序運(yùn)行。操作員工作站完成升壓站電氣設(shè)備、風(fēng)機(jī)及其部件的人機(jī)交互顯示、告警，以及操作命令的下發(fā)操作；報(bào)表生成等工作。

圖3 統(tǒng)一平臺(tái)中央監(jiān)控系統(tǒng)框圖

建立統(tǒng)一平臺(tái)的中央監(jiān)控系統(tǒng)，關(guān)鍵問(wèn)題主要為機(jī)組廠家的現(xiàn)地控制單元通信規(guī)約不統(tǒng)一及設(shè)備信息建模的不規(guī)范。解決通信規(guī)約不統(tǒng)一的問(wèn)題，可通過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備，將不同廠家的通信規(guī)約如MODBUS TCP、OPC等轉(zhuǎn)換為站控層統(tǒng)一的103標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議。設(shè)備信息的建模不規(guī)范主要是機(jī)組廠家有自己內(nèi)部的私有數(shù)據(jù)信息，如各個(gè)機(jī)組廠家有自內(nèi)私有的保護(hù)信息狀態(tài)碼，這需要機(jī)組廠家執(zhí)行IEC61400-25的通信規(guī)約建立風(fēng)機(jī)監(jiān)控信息模型[6]，在現(xiàn)階段機(jī)組廠家執(zhí)行61400-25通信協(xié)議不是很徹底的情況下，通過(guò)對(duì)機(jī)組廠家建立不同的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)作為過(guò)渡方案。

2.3二次安全防護(hù)要求

風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)除了中央監(jiān)控系統(tǒng)外，還專門配置了風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)行管理系統(tǒng)。

根據(jù)《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)安全分區(qū)表，中央監(jiān)控系統(tǒng)為控制區(qū)（安全I(xiàn)區(qū)）；功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在非控制區(qū)（安全I(xiàn)I區(qū)），而功率預(yù)測(cè)的數(shù)字氣象服務(wù)器在管理信息大區(qū)（安全I(xiàn)II區(qū)）。根據(jù)邊界安全防護(hù)要求，安全I(xiàn)區(qū)與II區(qū)之間應(yīng)采用硬件防火墻隔離，實(shí)現(xiàn)邏輯隔離、報(bào)文過(guò)濾、訪問(wèn)控制等功能，如圖3所示，中央監(jiān)控系統(tǒng)與風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間部署硬件防火墻；生產(chǎn)控制大區(qū)（安全I(xiàn)區(qū)與II區(qū)）與管理信息大區(qū)之間通信應(yīng)當(dāng)部署電力專用橫向單向安全隔離裝置，數(shù)值氣象服務(wù)器與風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)之間部署了反向隔離裝置?？刂茀^(qū)與運(yùn)行管理系統(tǒng)之間部署正向隔離裝置。

3、中央監(jiān)系統(tǒng)的特殊功能分析

1、與電網(wǎng)調(diào)度部門的信息交互：中央監(jiān)控系統(tǒng)直接采集風(fēng)機(jī)的所有監(jiān)控信息，并通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置上送至調(diào)度部門，取代傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)收集風(fēng)機(jī)信息，后轉(zhuǎn)給綜自系統(tǒng)，然后上傳調(diào)度部門的方式。減少了中間環(huán)節(jié)，提高信息上送調(diào)度的效率、可靠性。

2、有功控制功能：中央監(jiān)控系統(tǒng)嵌入有功控制功能模塊，手動(dòng)/自動(dòng)可自由切換，控制風(fēng)電場(chǎng)的有功輸出，使得風(fēng)電場(chǎng)出力滿足調(diào)度部門下達(dá)的負(fù)荷要求。

3、無(wú)功控制功能：能接收調(diào)度部門AVC主站系統(tǒng)下發(fā)的全廠控制目標(biāo)（電廠高壓母線電壓、全廠總無(wú)功等），按照控制策略（電壓曲線、恒母線電壓、恒無(wú)功），通過(guò)合理分配給每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并設(shè)定動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的最優(yōu)工作點(diǎn)，達(dá)到全廠目標(biāo)控制值，實(shí)現(xiàn)全廠的電壓無(wú)功自動(dòng)控制。中央監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)功控制模塊應(yīng)能靈活配置風(fēng)電機(jī)組、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置作為無(wú)功輸出的優(yōu)先級(jí)：若風(fēng)機(jī)提供有功、無(wú)功解耦控制功能，即滿發(fā)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組仍有一定的無(wú)功輸出能力，則以風(fēng)機(jī)無(wú)功輸出為主要調(diào)節(jié)手段，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置為備用調(diào)節(jié)；若風(fēng)機(jī)不提供有功、無(wú)功解耦功能，則以動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功輸出為主要調(diào)節(jié)手段。

4大數(shù)據(jù)分析功能：風(fēng)速統(tǒng)計(jì)及其周期性變化趨勢(shì)分析，為運(yùn)維工作時(shí)間安排提供依據(jù)；功率曲線分析，能對(duì)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)進(jìn)行橫向比較，找出可能存在不易被發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題情況，如測(cè)風(fēng)儀故障，及時(shí)解決隱性故障，避免發(fā)電量的持續(xù)損失；

5在線故障智能診斷、檢修計(jì)劃安排功能，通過(guò)采集風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息、風(fēng)機(jī)各溫度傳感器，綜合判斷機(jī)組的故障狀態(tài)，提前告警，方便安排運(yùn)行檢修。

4、結(jié)論

從國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀出發(fā)，提出了基于統(tǒng)一平臺(tái)的風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)階段存在的關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)給出了初步解決方案，并從電網(wǎng)調(diào)度部門、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)方面考慮，提出了中央監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備的特殊功能，供監(jiān)控系統(tǒng)廠家參考。

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作者簡(jiǎn)介；

周少平（1985.12-），男，四川成都人，碩士，工程師，單位：中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，研究方向：新能源發(fā)電，聯(lián)系地址：四川省成都市浣花北路1號(hào)，郵編：610000 電話：13408533737

郝敏（1974.2-），男，四川成都人，本科，高級(jí)工程師，單位：中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，研究方向：新能源發(fā)電。

熊濤（1977.10-）男，四川成都人，本科，高級(jí)工程師，單位：中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，研究方向：新能源發(fā)電。