風電場遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)的建設

張弼博

（國華能源投資有限公司河北分公司，河北 張家口 075000）

1 風電場遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)建設的意義

風電企業(yè)與時俱進，不斷擴大投資建設的風電場規(guī)模，地理區(qū)域相對分散，運營、維護和管理十分不便。風電生產(chǎn)企業(yè)正積極準備著手建設一個風電場遠程集中安全監(jiān)控管理中心，在提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性等安全因素的前提下，實現(xiàn)監(jiān)控風電場和風力升壓站“無人化、少工”。遠程集中監(jiān)控、科學調(diào)度管理、遠程維護、全網(wǎng)絡化信息交互，滿足風電場減員增效、利潤最大化的發(fā)展需求。同時，中央控制中心與各風電場之間的遠程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控信息通信，可集成相關控制方式、通信協(xié)議及相關技術要求。在集中控制中心匯總數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)應用，可分為實時數(shù)據(jù)應用和歷史數(shù)據(jù)應用。該層可分為數(shù)據(jù)庫平臺和應用支持平臺。

2 系統(tǒng)概述

風電場功能集約化質(zhì)量監(jiān)控處理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)實時采集數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為技術基礎建立數(shù)據(jù)采集平臺，SCADA 以監(jiān)控處理軟件系統(tǒng)為技術基礎采用監(jiān)控技術手段，通過自動數(shù)據(jù)采集處理裝置實時采集各類型風電場的實際風電質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和對各升壓站進行遠程控制。而部署在每個風電場的采集軟件系統(tǒng)包括遠程數(shù)據(jù)、電能計量數(shù)據(jù)、保護裝置、錯誤日志數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)。這樣，將不同風電場的各種異構(gòu)系統(tǒng)集成到中央控制中心的集成系統(tǒng)平臺中，真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)建設級和應用級的大規(guī)模集中控制系統(tǒng)集成，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。[1]基于集成的大型集中控制系統(tǒng)平臺，豐富、完整、全面的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，通過圖片展示，對信息資源進行深度挖掘和綜合利用，真實靈活地將數(shù)據(jù)進行橫向縱向?qū)Ρ?，完善報警功能。事故前輔助判斷（平均誤差報警）和事故后召回分析功能，方便中控操作人員直觀了解和控制各風電場生產(chǎn)現(xiàn)場情況，是可以穩(wěn)定、可靠地提供現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)的綜合管理信息實時監(jiān)控系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.1 總體概述

風電場集群監(jiān)控系統(tǒng)基于工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫和SCADA 系統(tǒng)平臺，按照強化、流程化、標準化、標準化的理念設計。系統(tǒng)同時實現(xiàn)了RTU 等綜合監(jiān)控設備、電力遠程綜合終端、風電遠程綜合設備通信系統(tǒng)管理設備終端、視頻錄像監(jiān)控管理設備等平臺提供的遠程信息實時采集，監(jiān)控、視頻錄像監(jiān)控等綜合監(jiān)控設備應用管理功能。

3.2 系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

硬件平臺設計包括各種應用網(wǎng)絡主機和其他網(wǎng)絡平臺的硬件選擇和系統(tǒng)集成，整個網(wǎng)絡平臺的硬件設計主要具有以下幾個特點：（1）穩(wěn)定性。管理系統(tǒng)內(nèi)部采用各種先進硬件保證系統(tǒng)冗余、電源等各種系統(tǒng)關鍵部件冗余，采用各種類型高性能、高可靠性的并行控制管理設備，保證整個并行監(jiān)控管理平臺的正常運行和穩(wěn)定，減少或最大限度消除單點故障，避免瞬時多點斷電故障。并行控制管理系統(tǒng)自動切換斷電時不會直接影響所有并行機房結(jié)構(gòu)成員的UPS，是不間斷自動切換電源并行控制管理系統(tǒng)。（2）可擴展性。系統(tǒng)采用各種模塊化的網(wǎng)絡基礎設備和高應用性能的可持續(xù)擴展網(wǎng)絡服務器，保證了整個服務平臺的系統(tǒng)可持續(xù)擴展性，方便后期系統(tǒng)的優(yōu)化升級和系統(tǒng)擴展。（3）安全性。服務平臺支持全網(wǎng)連接網(wǎng)絡基礎結(jié)構(gòu)，全部連接采用領先美國戴爾雙星公司全網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，專線接入，保障整個服務平臺安全。[2]（4）適用性。根據(jù)工業(yè)監(jiān)控平臺系統(tǒng)的實際應用要求，選擇性價比高的監(jiān)控設備，確保監(jiān)控平臺的適用性，增加投資回報。（5）先進性。平臺上選擇的設備大部分采用先進技術。

3.3 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

（1）視頻業(yè)務監(jiān)控管理系統(tǒng)網(wǎng)絡作為國家風電場遠程業(yè)務監(jiān)控管理系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)組成的一部分，必須嚴格保證系統(tǒng)的網(wǎng)絡穩(wěn)定性、安全性和系統(tǒng)可持續(xù)擴展性，確保系統(tǒng)視頻源的及時、安全、準確傳輸。為保證穩(wěn)定性和系統(tǒng)經(jīng)濟性，錄像源的歷史記錄可以保存一個月。（2）視頻遠程在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能系統(tǒng)的主要軟件應用功能。視頻遠程在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能系統(tǒng)主要應用功能軟件包括遠程在線視頻、音頻遠程在線文件瀏覽、視頻在線播放、報警系統(tǒng)提示信息、用戶控制運行系統(tǒng)權(quán)限以及控制系統(tǒng)配置以及系統(tǒng)管理等。（3）視頻遠程監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸通道要求。集中控制中心視頻監(jiān)控系統(tǒng)控制的風電場視頻信息傳輸采用數(shù)據(jù)組網(wǎng)方式或2M、4M 專線傳輸方式。

4 系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)主頁包含系統(tǒng)名稱、系統(tǒng)菜單和已連接風電場的地理分布。系統(tǒng)菜單有五個菜單按鈕：風扇監(jiān)控系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、報告系統(tǒng)和系統(tǒng)管理。風電場域內(nèi)地理空間分布定位圖操作是風電系統(tǒng)管理主地圖界面的一部分，形象清晰地展示了一個屬于中央控制中心的大型風電場域內(nèi)地理空間分布和各類型風電場地的整體設施運行管理情況。

4.2 風機監(jiān)控

（1）風電場大型風機分組平面圖的分組計劃分布結(jié)構(gòu)圖。用于風電場分組計劃中的分類機組圖左側(cè)，以一個樹狀分組菜單的視圖形式直接顯示每個風電場的風機分組計劃狀態(tài)，右側(cè)在分組列表頁的頂部以視圖形式顯示每組具體的大型風力發(fā)電計劃機組。風力渦輪機及其主要參數(shù)顯示在每個風力渦輪機的平面圖上。（2）詳細的風扇監(jiān)控屏幕。風機實時監(jiān)控功能界面主要分為風機實時記錄數(shù)據(jù)和風機歷史記錄兩個功能標簽頁，實時記錄數(shù)據(jù)分類界面用戶可以通過實時數(shù)據(jù)分類出并顯示單個類型風機所有重要性能參數(shù)的歷史實時記錄值，根據(jù)實際需要可以繪制一些重要參數(shù)的數(shù)據(jù)圖表。實時歷史記錄顯示畫面可以包括10 分鐘的實時記錄、歷史顯示錯誤和實時報警等歷史數(shù)據(jù)。[3]（3）功率密度曲線。一般風機設備出廠時有風機額定功率密度曲線，系統(tǒng)每小時或每天可以實時自動計算額定功率與電機風速的對應功率關系，并將其數(shù)值置于風機額定功率密度曲線中即可作為功率比較點（它是散點圖和功率曲線對比圖相互的結(jié)合）。

4.3 升壓站監(jiān)控

（1）主接線圖。主接線圖顯示升壓站主電源變壓器供電高低和升壓側(cè)供電接線圖，主接線圖可以實時清晰顯示主電源變壓器供電高低和升壓側(cè)供電線路的高壓遙測、遙控電信號和高壓遙脈動緩沖值，控制升壓線路以及斷路器等各種關鍵設備。（2）子線圖。每條線路由集電器線路、反向變壓器線路、風電場PT 線路組成，控制斷路器等重要設備。（3）保護相關信號。風電保護相關信號顯示模塊系統(tǒng)可以自動顯示各類型風電場所的保護訊號信息和各變電站自動接入的各種風電保護相關信號，并根據(jù)供電線路、設備等使用條件自動查詢是否保護相關信號。（4）實時電站歷史遙測曲線。實時電站歷史遙測曲線查詢模塊，是可以實時自動顯示各個大型風電場所對升壓站進行監(jiān)測時得到的電站遙測歷史值數(shù)，并形成實時歷史曲線，也就是可以直接進行實時歷史曲線查詢，顯示各個電站遙測的實時歷史查詢曲線。[4]（5）歷史數(shù)據(jù)報告。歷史數(shù)據(jù)報表模塊可以根據(jù)選擇的時間間隔查詢歷史遙測數(shù)據(jù)。

4.4 故障報警

（1）實時監(jiān)測報警。實時監(jiān)測報警模塊包括用于風電電力機組故障監(jiān)測和風電升壓站故障監(jiān)測的所有實時報警模塊信息，實時監(jiān)測報警系統(tǒng)模塊信息可以根據(jù)實時自動顯示各種實時報警模塊信息，運行管理人員甚至可以直接根據(jù)實時報警模塊信息及時了解整個風電場的日常運行管理情況，根據(jù)風電故障監(jiān)測報警模塊信息，準備進行相應的故障維護等準備操作。（2）歷史報警。歷史報警模塊可以按固定時間間隔（日、月、年）查詢歷史錯誤和報警，按用戶指定的時間間隔查詢歷史錯誤和報警列表，根據(jù)報警類型或報警查詢歷史報警信息。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

5.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)構(gòu)建了一個基于數(shù)萬點實時數(shù)據(jù)庫的綜合數(shù)據(jù)平臺。所有數(shù)據(jù)均基于標準協(xié)議實時采集，自定義接口軟件如Modbus、DISA、IEC103、IEC104，并通過專用網(wǎng)線連接到遠程中央監(jiān)控中心。將各風電場的各種異構(gòu)系統(tǒng)集成到中控中心的綜合系統(tǒng)平臺中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)建設級和應用級一體化的大規(guī)模集中控制系統(tǒng)。視頻信號通過放置在視頻服務器上的專業(yè)視頻軟件實現(xiàn)攝像機的視頻數(shù)據(jù)采集和存儲。

5.2 集中監(jiān)控

1.基礎信息維護?；A信息包括：公司轄風電廠、風電廠地理位置、風機地理位置、風機編號、風機狀態(tài)等信息，以及按風扇參數(shù)劃分的標準曲線圖、按風扇類型劃分的錯誤代碼表進行對比分析。變電站包含：主變壓器、斷路器等設備的基本信息。

2.監(jiān)控畫面。監(jiān)測屏動態(tài)顯示水平和垂直多角度數(shù)據(jù)，并結(jié)合風場地理分布圖、風場三維圖、風場矩陣圖、風電機組監(jiān)測圖。主要電氣接線圖和支線圖輔以曲線、儀表盤、條形圖和表格等不同的顯示方式，便于中控操作人員直觀了解各風電場生產(chǎn)現(xiàn)場情況，讓操作人員實時全面掌握現(xiàn)場生產(chǎn)情況。

3.控制與調(diào)節(jié)。系統(tǒng)嚴格按照五項防范規(guī)則和嚴格的安全設置要求，確保控制的安全性和準確性。在保證控制和調(diào)節(jié)安全的前提下，操作人員可以從中央監(jiān)控中心同時對多臺風電場進行監(jiān)控，也可以從中央控制中心執(zhí)行相應的遠程控制命令。

4.告警系統(tǒng)。它將風電場內(nèi)所有設備的故障告警集成到一個集成的故障告警平臺中，針對不同的告警類別和級別提供不同的告警，形成完整的故障告警數(shù)據(jù)?？蓪崿F(xiàn)實時、歷史告警信息的顯示、存儲和查詢，并以多種方式通知操作人員，以便用戶及時發(fā)現(xiàn)錯誤。此外，還提供了通訊故障提示/查詢功能，方便用戶對系統(tǒng)采集到的通訊中出現(xiàn)的異常情況進行分析和判斷。

5.事件順序記錄（SOE）。SOE 記錄包括日期、時間和事件內(nèi)容，事件記錄存儲在歷史數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)SOE 信息按各種條件分類查詢、顯示和打印。

6.事故追憶（PDR）。PDR 回放實現(xiàn)了事故過程中SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)圖形和模型的重構(gòu)，將事故前后的實時數(shù)據(jù)變化過程進行逆向再現(xiàn)“事故現(xiàn)場”，為事故分析提供重要數(shù)據(jù)。根據(jù)內(nèi)置的綜合數(shù)據(jù)平臺，可以隨時方便地查看事故前后的數(shù)據(jù)。PDR 數(shù)據(jù)可以以各種形式再現(xiàn)，例如曲線和圖表。

7.預測與規(guī)劃。運營管理人員通過識別每臺風機一定時間段內(nèi)的風向發(fā)生率或風向平均風速，對風場場址的風速特性和風能資源進行分析評估，從而提高發(fā)電效率。[5]

8.計算和統(tǒng)計。計算與完成統(tǒng)計分析使用強大的企業(yè)數(shù)據(jù)綜合計算分析引擎，從各個不同角度對企業(yè)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息進行分析計算并完成統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析。計算關鍵數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值、累計值，利用圖形平臺動態(tài)展示各種格式的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，如對關鍵數(shù)據(jù)進行趨勢統(tǒng)計分析等。

9.負荷優(yōu)化。負載優(yōu)化可以選擇最優(yōu)的控制策略，配合負載預測系統(tǒng)實現(xiàn)有效的功率控制。隨著系統(tǒng)的持續(xù)運行，數(shù)據(jù)的不斷增加和內(nèi)置模型的不斷豐富，將有效指導風電場的優(yōu)化運行。

6 智能分析

智能分析是對利用人工智能獲得的信息進行分析和研究，分析包括相關風資源數(shù)據(jù)、風機實際運行數(shù)據(jù)和總發(fā)電量。運營商建立專業(yè)知識數(shù)據(jù)庫，將獲得的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫，計算機對風電場進行評估并據(jù)此提出建議，使風力發(fā)電能夠正常高效地運行。

風資源指標代表一組需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)，如平均風速、有效風速、風能利用系數(shù)等。監(jiān)控這些數(shù)據(jù)有兩個作用：一是找出停電等情況的根本原因；二是作為企業(yè)制定停電或維護計劃的依據(jù)。

核心運維指標是指反映風機在實際運行中性能的數(shù)據(jù)。例如可用性、電力損失量、機器的等效使用小時數(shù)和現(xiàn)場電力消耗率。這些數(shù)據(jù)可以進一步描述風扇的性能，我們也可以對這些數(shù)據(jù)進行計算，以確保能夠準確地使用風扇。

電能的來源有單機、風電場和現(xiàn)場三種，因此智能分析計算的總功率為單機發(fā)電量之和。然后可以根據(jù)系統(tǒng)的組織級信息數(shù)據(jù)庫清楚地顯示每天、每月和每年的總發(fā)電量。

7 結(jié)語

隨著發(fā)達國家對利用清潔能源的需求不斷增長，風電在國家電網(wǎng)建設中的使用比重必須逐步提高。為了解決我國風電場分布式過程管理，實現(xiàn)我國風電場無人化，提升我國風電生產(chǎn)企業(yè)競爭優(yōu)勢，構(gòu)建遠程集中電力監(jiān)控與風電生產(chǎn)過程管理綜合一體化監(jiān)控系統(tǒng)無疑是必然選擇。