新型數(shù)字化風電場海陸一體集控中心系統(tǒng)設計及應用

陳偉球，曾 東，陳天淼，劉澤健

（1.廣東粵電湛江風力發(fā)電有限公司，廣東 湛江 524000；2.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510000；3.深圳華工能源技術有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

截至2022年底，中國的風電累計裝機容量為3.7億千瓦[1]。在陸地風電和海洋風電裝機容量不斷增加的背后，如何管理風電場成為一個新的挑戰(zhàn)。在風電場運行初期，風電場運行、管理方面存在以下問題：一是機組場站運行系統(tǒng)繁多，由于使用不同廠家的設備系統(tǒng)，使現(xiàn)場人員在監(jiān)視設備時需要同時開啟多臺終端[2]；二是運維信息封閉，管理人員不能及時全面了解現(xiàn)場運行維護情況，無法對現(xiàn)場的日常檢修、設備管理等工作進行監(jiān)督和考核；三是數(shù)據(jù)流不暢通，現(xiàn)有的各個系統(tǒng)孤立，與現(xiàn)場管理造成斷流，無法形成閉環(huán)管理，導致頻繁發(fā)生數(shù)據(jù)閉塞和業(yè)務脫節(jié)問題[3,4]；四是技術知識分散，決策數(shù)據(jù)缺失，技術資源不能共享，使得數(shù)據(jù)資源和財富無法有效結合在一起[5]。

為解決運行和管理問題，需要采用數(shù)字化、一體化的集控中心，以提供“智慧管控”的運營新模式。

1 系統(tǒng)架構

功能系統(tǒng)采用“三側(cè)”架構，云服務側(cè)的服務包括運行監(jiān)控服務、運維管理服務、分析診斷服務、技術支持服務以及運營決策5類服務；智慧集中監(jiān)控側(cè)的功能包括實時監(jiān)視、集中控制、五防管理、實時告警以及安防監(jiān)控；場站采集側(cè)的功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)緩存等。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

網(wǎng)絡安全系統(tǒng)按照電網(wǎng)要求和電力二次防護要求設計，部分遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)不同公司和業(yè)主的實際情況進行調(diào)整。

2 功能設計

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺，采集和整理新能源電站生產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)實時監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程信息、實時報警、自動生成報表、控制風電場機組與升壓站等功能。系統(tǒng)可以進行統(tǒng)計分析，找出發(fā)電指標差距，定量分析維護、電網(wǎng)限電、設備故障或天氣等原因造成的電量損失情況，查找設備故障根源問題，提高設備利用率。同時，提供參考數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備的精細化管理、優(yōu)化控制以及規(guī)模化檢修維護。數(shù)據(jù)庫平臺的基本功能包括統(tǒng)一采集與處理數(shù)據(jù)、遠程監(jiān)視與控制設備、事故報警與統(tǒng)計報表、可視化數(shù)據(jù)與分區(qū)管理、遠程音視頻監(jiān)控與通話以及移動終端控制。

2.1 統(tǒng)一采集和數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集接口支持多種接口程序與規(guī)約，如表1所示。

表1 適配的通信規(guī)約

表1展示了統(tǒng)一接口支持的多種通信規(guī)約及其適用的領域，接口同時適配了Modbus、OPC、103規(guī)約和104規(guī)約等多種規(guī)約，由此可見，統(tǒng)一采集接口規(guī)約的適配范圍大，適用領域廣。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用統(tǒng)一定義的風電場設備監(jiān)測點命名規(guī)則和編碼規(guī)則，定義統(tǒng)一的風電機組、升壓站以及測風塔的通信協(xié)議，不同協(xié)議數(shù)據(jù)的統(tǒng)一類型轉(zhuǎn)化被自動處理，為監(jiān)測的實時性、統(tǒng)計分析的準確性提供基礎。

風機對象數(shù)據(jù)采集包括風機運行狀態(tài)信息、風機運行數(shù)據(jù)、風機部件數(shù)據(jù)、風機所有故障信息、事件代碼以及事件發(fā)生時間等；光伏發(fā)電組件對象數(shù)據(jù)采集包括支路電流、電壓、功率，逆變器輸入輸出側(cè)的總輸入開關、模塊運行狀態(tài)、運行告警等遙信信息；升壓站對象數(shù)據(jù)采集包括遙信數(shù)據(jù)、遙脈數(shù)據(jù)、故障錄波數(shù)據(jù)等。

上傳的各項數(shù)據(jù)含有時間序列節(jié)點，即時間戳。當通信意外中斷時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將會保存一星期內(nèi)的數(shù)據(jù)，以供數(shù)據(jù)恢復。此外，數(shù)據(jù)處理包括自動統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)自動加密傳輸以及數(shù)據(jù)計算與儲存。其中，數(shù)據(jù)計算即統(tǒng)計分析，具體內(nèi)容如下：一是電站設備分析，如發(fā)電量分析、設備效率分析、故障統(tǒng)計分析等，通過對電站設備的歷史運行數(shù)據(jù)進行定期的統(tǒng)計分析，為風機、逆變器、匯流箱等設備的檢修與維護提供可靠且準確的數(shù)據(jù)支持；二是功率分析，包括功率曲線分析、功率一致性分析、能耗指標分析等；三是環(huán)境資源分析，如提供不同時間尺度，進行不同區(qū)域的風資源、光照資源對比；四是輔助決策分析，如同一風電場不同機型對標、不同風電場同一機型對標、不同風電場間對標以及實際與計劃對標，用以輔助決策。

2.2 遠程監(jiān)控識別與控制設備

在監(jiān)控方面，集控中心能以傳感器、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)可視化等方式監(jiān)視電場內(nèi)的信息。傳感器用于采集光伏場站和風電場站的信息、升壓站的信息、電能計量數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡通信狀態(tài)；視頻監(jiān)控系統(tǒng)在功能上具備實時圖像監(jiān)視、遠程控制等功能，支持與電站集中監(jiān)控系統(tǒng)的告警聯(lián)動；數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)功率預測展示。

在設備的控制方面，系統(tǒng)可以實現(xiàn)單個風力發(fā)電機組的遠控操作、批量風力發(fā)電機組的遠方啟動、停機控制以及升壓站控制。用戶可通過風力發(fā)電機組細節(jié)圖實現(xiàn)對風力發(fā)電機組的本地控制功能。此外，系統(tǒng)還具備五防功能，可通過軟件五防系統(tǒng)滿足五防安全要求，五防邏輯判斷可保護操作設備對象。

2.3 事故報警與統(tǒng)計報表

事故報警條件包括保護裝置動作與電網(wǎng)故障斷路器跳閘[4]。可以自定義報警信號，對需要進行越限告警監(jiān)視的每一個數(shù)據(jù)設限，限值可人工設置，也可以設置選擇性處理。在發(fā)生報警后，可以通過相應操作掛起或撤消。同時，報警分級功能可以提高事故處理效率。

統(tǒng)計報表分為固定報表和自由報表。其中，固定報表主要包含運行和計劃數(shù)據(jù)、主要趨勢曲線、風場設備運行狀態(tài)、遠程集控系統(tǒng)設備運行狀態(tài)、各類數(shù)據(jù)庫中所需要的其他數(shù)據(jù)以及升壓站各電壓等級母線的電壓合格率等。日報和月報中需分別統(tǒng)計出合格點、不合格點的個數(shù)及電壓合格率，月報中應包括各關口、各條出線的月有功功率、功率因數(shù)以及當月最大負荷等。

對于風機，有單臺風機數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表、分組風機數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表、風電場運行統(tǒng)計報表等，可以通過報表系統(tǒng)，將風機的實時數(shù)據(jù)自動按設定轉(zhuǎn)存為平均數(shù)據(jù)或不同時間尺度等固定周期的歷史數(shù)據(jù)。自由報表是根據(jù)實際需求自由設定內(nèi)容的報表，系統(tǒng)中提供了制定報表的工具，用戶通過選擇風場、風機、時間等參數(shù)，自由設定報表。

2.4 可視化數(shù)據(jù)與分區(qū)管理

可視化數(shù)據(jù)功能通過大屏幕系統(tǒng)和生產(chǎn)管理區(qū)實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示。大屏幕系統(tǒng)用于實現(xiàn)對系統(tǒng)的集中展示，操作員可通過大屏幕上高亮度、高分辨率的監(jiān)控畫面了解整個風電場的運行狀態(tài)和設備狀態(tài)，并對所有參數(shù)進行控制和監(jiān)視。

分區(qū)管理基于安全三區(qū)的網(wǎng)絡結構和辦公網(wǎng)絡間的安全連接，在辦公網(wǎng)絡中建立Web訪問系統(tǒng)，用戶在辦公網(wǎng)絡中使用瀏覽器對各生產(chǎn)信息進行訪問，辦公網(wǎng)絡建立系統(tǒng)的原則和遠程集控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)保持一致。對數(shù)據(jù)的融合展示和數(shù)據(jù)訪問性能進行高效的優(yōu)化和改進，從而對各站的一次設備開關狀態(tài)、風機狀態(tài)、風速、功率、電量以及各時間周期的生產(chǎn)報表進行實時訪問。

2.5 遠程音視頻監(jiān)控與通話

集控中心與風電場值班員、電網(wǎng)調(diào)度部門之間用電話通信，并具有錄音功能。風電場側(cè)部署視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件，完成視頻流媒體轉(zhuǎn)發(fā)、原視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入等功能。通過集控中心實現(xiàn)對子站的負圖像監(jiān)視、圖像遠程控制、圖像切換、錄像的存儲、備份、檢索、回放以及電子地圖顯示、電站數(shù)據(jù)視頻疊加、告警聯(lián)動等功能。

2.6 移動終端應用

移動端具備實時數(shù)據(jù)展示和部分生產(chǎn)信息統(tǒng)計匯總的能力，對集控下屬所有風電場的生產(chǎn)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行及時發(fā)布，通過手機等手持終端進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)視。移動應用應包含移動實時監(jiān)視、指標查看及遠程支撐等功能，主界面如圖2所示。

圖2 移動端主界面

3 軟硬件配置

首先，系統(tǒng)軟件直接來自計算機制造廠，服務器采用底層漢化UNIX/Linux系統(tǒng)，提供開發(fā)工具（C語言等）、應用庫、編程工具、程序調(diào)試器以及各種開發(fā)者文檔等。其次，本架構引入采用中間件的應用平臺，使程序間能夠更高效地通信。再次，用戶前端將監(jiān)控畫面、數(shù)據(jù)庫、趨勢圖表以及報表系統(tǒng)全集成在圖模一體化平臺中。最后，數(shù)據(jù)庫管理軟件分為關系數(shù)據(jù)庫管理軟件和實時數(shù)據(jù)庫管理軟件，前者具有分布式處理、并行處理等優(yōu)勢；而后者有強大的實時數(shù)據(jù)處理能力和查詢優(yōu)化策略。

在硬件方面，選用符合國際標準的通用設備，具有較高的穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)容量設計的要求。穩(wěn)定運行的遠程集控系統(tǒng)滿足計算機、存儲設備等微電子設備以及工作人員對溫度、濕度、潔凈度、防漏、電源質(zhì)量、接地以及安全保衛(wèi)等要求。

4 系統(tǒng)安全

為確保電力監(jiān)控系統(tǒng)及電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的安全，應依據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》和《中低壓配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)安全防護補充規(guī)定（試行）》分別制定“安全分區(qū)”與“信道分類”2個方案。

在電力二次系統(tǒng)的結構中，其重點內(nèi)容可以劃分為3個核心安全區(qū)域。首先，安全區(qū)I被視為最重要和最核心的系統(tǒng)，包括風場側(cè)風機監(jiān)控系統(tǒng)、相位電壓測量系統(tǒng)、五防系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)以及綜自監(jiān)控系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)通信的實時性要求極高，通常需要保持在毫秒級或秒級的精準度。其次，安全區(qū)II的組成包括故障錄波信息管理系統(tǒng)、電能量計量系統(tǒng)、風功率預測系統(tǒng)以及保護信息終端等。這些系統(tǒng)在電力二次系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色，負責各類重要信息的管理和處理。最后，安全區(qū)III則包含了生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、氣象信息接入、火災報警系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)主要用于支持生產(chǎn)管理和提供安全防護，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

電力二次系統(tǒng)由以上3個安全區(qū)構成，每個安全區(qū)都負責不同的關鍵任務。其中，安全區(qū)I是最關鍵的系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)通信的實時性有著最高的要求，而安全區(qū)II和安全區(qū)III則承擔著各類重要的信息管理和安全防護功能。安全區(qū)邏輯邊界如圖3所示。

圖3 安全區(qū)邏輯邊界

在安全區(qū)Ⅰ和安全區(qū)II之間采用經(jīng)有關部門認定核準的硬件防火墻或相應設備進行邏輯隔離。安全區(qū)Ⅰ、安全區(qū)II不與安全區(qū)III直接聯(lián)系；安全區(qū)I、安全區(qū)II與安全區(qū)III之間采用經(jīng)過國家有關部門認證的電力專用安全隔離裝置。安全區(qū)進行有效隔離后，在任意節(jié)點安裝防病毒軟件，并研究應對高級持續(xù)性威脅（Advanced Persistent Threat，APT）的手段。

對不同生產(chǎn)區(qū)內(nèi)使用的通信手段加以分類和管理。例如，禁止生產(chǎn)控制大區(qū)內(nèi)部的電子郵件服務，禁止控制區(qū)內(nèi)通用的互聯(lián)網(wǎng)服務等。

5 結 論

新型數(shù)字化風電場海陸一體化系統(tǒng)實現(xiàn)了統(tǒng)一設備通信數(shù)據(jù)格式，集成監(jiān)視、控制、管理及數(shù)據(jù)分析功能，解決了電站系統(tǒng)繁多的問題。在平臺方面，系統(tǒng)采用“三側(cè)”架構，在云服務側(cè)解決技術信息分散等問題；在集中監(jiān)控側(cè)、場站采集側(cè)解決數(shù)據(jù)流閉塞的問題；提供5類服務，統(tǒng)一監(jiān)控設備，分析數(shù)據(jù)，得出報表結論，降低數(shù)據(jù)分析處理的難度。在軟硬件配置方面，均采用合規(guī)穩(wěn)定的系統(tǒng)和設備，保證系統(tǒng)整體架構的統(tǒng)一性、靈活性、兼容性、可維護性以及安全性。文章所設計的“安全分區(qū)”和“信道分類”方案能有效保障通信系統(tǒng)的安全性和合法性。