智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張錦隴，張立輝

(吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130119)

0 引言

隨著工業(yè)化的推進(jìn)，傳統(tǒng)的不可再生能源日益枯竭；隨著石油化工能源的使用，環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)于人們的發(fā)展和生存造成了嚴(yán)重的困擾，因此對(duì)于清潔型新能源的開發(fā)和利用已經(jīng)變得異常重要[1]。風(fēng)力發(fā)電是一種清潔且極易獲得的新型能源。傳統(tǒng)風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)中的風(fēng)電場(chǎng)信息化建設(shè)相對(duì)滯后，往往存在信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確、人工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量大、信息數(shù)據(jù)時(shí)效性差等問(wèn)題，這些無(wú)疑給業(yè)務(wù)辦理、制定措施、協(xié)調(diào)職能、管理決策等方面的工作帶來(lái)了不利的影響。

在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中，對(duì)于場(chǎng)內(nèi)各發(fā)電機(jī)組的智能化監(jiān)控顯得尤為重要。隨著我國(guó)風(fēng)電快速發(fā)展，風(fēng)機(jī)數(shù)量急劇增加，如何提高風(fēng)機(jī)的利用率、降低設(shè)備故障發(fā)生率和故障時(shí)間，同時(shí)避免設(shè)備的突發(fā)故障，已經(jīng)成為風(fēng)電場(chǎng)日常運(yùn)維的主要目標(biāo)[2]?；谏鲜鰡?wèn)題，本文設(shè)計(jì)了智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，借助于創(chuàng)新的基礎(chǔ)架構(gòu)，解決用戶關(guān)心的風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)穩(wěn)定性、易用性、數(shù)據(jù)質(zhì)量等關(guān)鍵問(wèn)題，可以為客戶提供一站式監(jiān)控平臺(tái)，可輸出滿足各種用戶所需的高質(zhì)量、多維度的數(shù)據(jù)報(bào)表，進(jìn)一步提升風(fēng)場(chǎng)運(yùn)維水平。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 系統(tǒng)需求定義

智慧風(fēng)電場(chǎng)的SCADA系統(tǒng)最重要的功能就是能夠把不同區(qū)域的發(fā)電設(shè)備機(jī)組的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、展示，將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并根據(jù)數(shù)據(jù)反饋出來(lái)的信息，對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行相應(yīng)的操作，如停止、重啟、切流等[3]。在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)智能化發(fā)展過(guò)程中，不僅能夠?qū)φ麄€(gè)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展起到推動(dòng)作用，還能夠讓管理人員在遠(yuǎn)程控制室就可以及時(shí)且準(zhǔn)確地獲知各風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)，以此達(dá)到高效管理。

1.2 報(bào)表管理需求分析

在智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，風(fēng)電場(chǎng)報(bào)表管理的功能主要就是為了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的一些相關(guān)報(bào)表進(jìn)行管理，這些數(shù)據(jù)分別包括風(fēng)機(jī)名稱、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)內(nèi)溫度、電壓、電流、功率等，可以將査詢的數(shù)據(jù)項(xiàng)通過(guò)表格的形式展現(xiàn)出來(lái)。與此同時(shí)，用戶還可以通過(guò)產(chǎn)能報(bào)表導(dǎo)出功能將所查詢的產(chǎn)能報(bào)表導(dǎo)出到電腦文件夾內(nèi)，以Excel的文件格式存在。風(fēng)電場(chǎng)群信息管理系統(tǒng)主要管理風(fēng)電場(chǎng)群的一些信息，詳細(xì)顯示風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，可以在Excel文件中隨時(shí)查看風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)需求分析

在智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)查詢功能主要是可以對(duì)相關(guān)的風(fēng)電數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的查詢，可以查詢出風(fēng)機(jī)的歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢模塊中的風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)列表管理和預(yù)警列表管理中主要就是對(duì)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中，用戶查詢所得到的結(jié)果主要是以表格的形式展現(xiàn)給用戶，而表格中的數(shù)據(jù)項(xiàng)主要包括風(fēng)電機(jī)組電壓電流、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)溫度等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制單元、高速環(huán)型冗余光纖以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程上位機(jī)操作員站等部分，風(fēng)電電力監(jiān)控系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元、高速環(huán)型冗余光纖以太網(wǎng)、遠(yuǎn)程上位機(jī)操作員站等部分?，F(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制單元是每臺(tái)風(fēng)機(jī)控制的核心，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的參數(shù)監(jiān)視、自動(dòng)發(fā)電控制和設(shè)備保護(hù)等功能；高速環(huán)型冗余光纖以太網(wǎng)是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高速公路，將機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送至上位機(jī)界面；上位機(jī)操作員站是風(fēng)電廠的運(yùn)行監(jiān)視核心，并具備完善的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)報(bào)警、實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)的記錄顯示等功能，操作員在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)所有機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)視及操作，智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)框架Fig.1 Hardware diagram of wind farm monitoring system

2.2 軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)與上位機(jī)LabVIEW監(jiān)控程序的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互完成整個(gè)控制的實(shí)現(xiàn)。作為程序開發(fā)環(huán)境，本研究中采用LabVIEW作為上位機(jī)的監(jiān)控界面，該軟件特點(diǎn)在于使用簡(jiǎn)便、界面簡(jiǎn)單、操作方便。使用者可利用框圖的方式進(jìn)行編程開發(fā)，是開發(fā)監(jiān)控界面、控制系統(tǒng)的理想選擇。智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控界面中包含了電壓電流模塊、轉(zhuǎn)速模塊、風(fēng)速模塊、功率模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊以及溫度報(bào)警模塊。LabVIEW風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 LabVIEW風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控界面Fig.2 LabVIEW WTG monitoring interface

2.3 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在智慧風(fēng)電場(chǎng)的控制系統(tǒng)中，就地采集的信息不僅要可靠地傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控室，還要向離風(fēng)電場(chǎng)十幾公里以外的遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以需要采用光纖組網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)，各類傳感器把采集到的信息傳給控制器，控制器之間的連接采用RS485總線，保證了控制器之間數(shù)據(jù)的通信，然后從控制器網(wǎng)口通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)入光纖交換機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)將光纜組成自愈性環(huán)網(wǎng)，從而保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

光纖組網(wǎng)一般分為單環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式和雙環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式，電纜雙環(huán)網(wǎng)是電纜單環(huán)網(wǎng)的組合，這種接線具有很高的供電靈活性和可靠性，能最大限度地確保向用戶連續(xù)供電。雖然電纜雙環(huán)網(wǎng)具有接線完善、運(yùn)行靈活、供電可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但投資比單環(huán)網(wǎng)增加一倍，而單環(huán)網(wǎng)接線簡(jiǎn)單、運(yùn)行方便。綜合考慮，本文采用單環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Networking structure

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)極為重要。風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備每時(shí)每刻都在采集大量的風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，將這些運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的存儲(chǔ)和管理，將大大提高工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的了解和評(píng)估，本文使用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)風(fēng)電參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存管理，該數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、數(shù)據(jù)運(yùn)行速度快、數(shù)據(jù)安全性高，能夠完成系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的管理和操作。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)將控制器采集到的電機(jī)溫度等參數(shù)存入MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，同時(shí)將LabVIEW和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，比如輸入數(shù)據(jù)記錄篩選指令：sql="select * from 數(shù)據(jù)表 where 字段名=字段值 order by 字段名[desc]"，便可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行查詢。LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)查詢程序如圖4所示。

圖4 LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)查詢程序Fig.4 LabVIEW database program

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 數(shù)據(jù)查詢功能實(shí)現(xiàn)

在智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)查詢主要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)的相關(guān)查詢，可以查詢風(fēng)機(jī)的電壓電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度等歷史數(shù)據(jù)，在智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)備狀態(tài)列表管理中主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢。通過(guò)LabVIEW和數(shù)據(jù)庫(kù)的連接程序，可以在LabVIEW前面板中通過(guò)輸入相關(guān)指令來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)操作。歷史數(shù)據(jù)查詢圖如圖5所示。

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢圖Fig.5 Historical data query chart

3.2 報(bào)表功能實(shí)現(xiàn)

在智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，表格管理的一個(gè)重要作用是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和保存。其主要功能是產(chǎn)能報(bào)表管理，分別是有功發(fā)電量總計(jì)、無(wú)功發(fā)電量總計(jì)、電機(jī)溫度輸出、風(fēng)機(jī)風(fēng)速輸出等參數(shù)。智能風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中風(fēng)場(chǎng)表管理的關(guān)鍵是詳細(xì)管理和剖析每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)。將LabVIEW中實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)存入到相應(yīng)的Excel文件中，可以在系統(tǒng)中查看風(fēng)機(jī)的在線數(shù)據(jù)。表1顯示了在Excel文件中風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的即時(shí)關(guān)鍵參數(shù)。

3.3 溫度報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)

在LabVIEW上位機(jī)中搭建風(fēng)電機(jī)組溫度控制界面，當(dāng)電機(jī)溫度參數(shù)或轉(zhuǎn)速等其他參數(shù)發(fā)生異常報(bào)警時(shí)，通過(guò)啟停按鈕將風(fēng)電機(jī)組停機(jī)，確保風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器實(shí)時(shí)上傳的溫度傳感器的數(shù)據(jù)，在軟件界面顯示風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其運(yùn)行進(jìn)行不間斷的監(jiān)控；依賴LabVIEW強(qiáng)大的模擬仿真能力，搭建一個(gè)溫度模擬采集器，使用隨機(jī)數(shù)函數(shù)設(shè)置一個(gè)輸出為8通道的模擬溫度輸出模塊，溫度的上下限隨機(jī)在0℃～100℃波動(dòng)，模擬風(fēng)機(jī)在某一段時(shí)間內(nèi)溫度變化曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行溫度狀態(tài)，溫度計(jì)模塊可以更為直觀地顯示當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的溫度狀態(tài)；設(shè)置溫度閾值為60℃，當(dāng)電機(jī)溫度超過(guò)該值，報(bào)警燈將閃爍報(bào)警，并提醒工作人員對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟停操作。由仿真圖可以看出當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行溫度超過(guò)60℃時(shí)，報(bào)警燈閃爍。圖6為風(fēng)機(jī)溫度模擬程序圖。

表1 Excel文件中風(fēng)電場(chǎng)即時(shí)參數(shù)Tab.1 Real time parameters of wind electric field in Excel file

圖6 風(fēng)機(jī)溫度模擬程序圖Fig.6 Fan temperature simulation operation diagram

4 結(jié)語(yǔ)

智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)作為風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵組成部分，對(duì)風(fēng)電運(yùn)維具有重要的參考價(jià)值。在傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的需求定義、報(bào)表管理、數(shù)據(jù)查詢等三方面對(duì)智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)在信息運(yùn)維方面存在的不足。智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)選用LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境，使用MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和操作，采用單環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；智慧風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、風(fēng)電場(chǎng)報(bào)表管理、溫度預(yù)警等功能，可以實(shí)時(shí)查詢風(fēng)機(jī)的歷史數(shù)據(jù)。本文以風(fēng)電機(jī)組溫度控制為例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)控制。經(jīng)實(shí)踐證明：該監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好、操作方便，具有較高的實(shí)用價(jià)值。