论文部分内容阅读
摘要：针对风电场各机组厂家提供的SCADA系统协议不统一，风电场监控系统结构复杂，电网对风电场运行提出的新功能需求等问题，提出基于统一平台的风电场中央监控系统的整套解决方案，在此基础上探讨风电场中央监控系统应具备的特殊功能。
关键词：风电场；监控系统；SCADA系统；网络拓扑
2014年，全国风电产业继续保持强劲增长势头，全年风电新增装机容量1981万千瓦，新增装机容量创历史新高，累计并网装机容量达到9637万千瓦，占全部发电装机容量的7%，占全球风电装机的27%。随着风电行业的迅猛发展，风电机组国产化率不断提高，风机控制系统方面国内几大风电机组厂家也做了大量的国产化工作，但是由于国内还没有针对风电场出台相关的规约标准，能参照的只有IEC61400-25，国内厂家实现的较少[1]，造成不同机组厂家监控系统设备信息模型不统一，不同机组厂家提供的SCADA系统兼容性差，协调运行困难。近几年来，全国各地电网根据自身情况对风电场运行控制提出了更高的要求，要求风电场具备有功调、无功电压调节，夜间无功输出等功能，作为风电场内调度运行控制中心的中央监控系统成为风电场调度控制亟需解决的关键问题。
1、风电场监控系统现状分析
现阶段风电场内现有的监控系统主要基于升压站综合自动化系统、风机机组SCADA监控系统两个监控平台构建，各自完成各自对象的监控，两者独立运行，中间通过通信的方式完成信息的交互。其拓扑图如下图：
图1 风电场中央监控系统框图
风机机组SCADA监控系统一般都机组厂
家成套提供，单独组建系统，主要负责风力发电机组的数据采集和控制，其由每台机组现地控制单元、服务器、监控后台组成，每台现地控制单元收集风电机组各个部件的实时信息，如偏航、变浆、齿轮箱、变流器等[2]，通过组建光纤环网，将数据送至控制室的数据采集服务器。现阶段国内风机机组厂家风机SCADA系统内部通信接口大多数基于OPC。
升压站综合自动化系统（以下简称综自系统）主要由保护装置厂家提供，主要负责升压站内的一二次设备测量及控制，其控制逻辑上可划分为控层设备和间隔层设备[3]，站控层主要由系统服务器、网络单元、远动设备组成，以统一信息平台管理间隔层的智能设备。间隔层设备面向对象设计，负责对电气设备的智能化，通过网络的方式将信息送至综自系统。远动设备负责将风电场的信息上传给调度部门。通信协议方面，综自厂家内部基本采用IEC60870-105-103。
综自系统与机组SCADA系统由于由不同设备产商提供，各自都有独立的平台，独立完成对设备的监控。两个平台之间接口规范不统一，综自系统与风机SCADA系统通信需要通过规约转换进行规约转换，才能读取风电机组的控制及实时数据信息，达到控制风电机组的目的，而无法直接访问机组现地控制单元采集风电机组信息，这种数据获取方式不满足调度自动化信息直调直送，直采直送的要求。且风机SCADA系统服务器基本上采用单套配置，通过单台规约转换器与综自系统相连，冗余度差，可靠性无法保证。
如果一个风电场采用不同风机厂家的机组，由于各个机组厂家协议不统一，将会配置多套机组SCADA监控系统，导致风电场运行人员必须学习使用不同厂家的监控系统，给运行维护增加难度，增加了维护成本[4]。
2、统一平台中央监控系统的建设
2.1 监控系统组网
监控系统的组网方式根据风电场内设备布置情况确定。升压站内设备由于比较集中，可采用综合自动化设备的组网方式，综合考虑可靠性，站控层采用双网星型组网。
风电机组由于比较分散，特别是南方山地风电场，风机距离升压站控制室可能有10多km，风电机组监控系统需采用光纤传输，为了提高可靠性，一般采用光纤环网组网方式，随汇集的集电线路架设自承式光缆，每回集电线路组建一回光纤环网。为了解决风电机侧组网冗余度差的问题，通过在中控室增加一台接入交换机，改变中控室的交换机的连接方式，以实现冗余的目的，如图2所示，两台中控室内SCADA系统的接入交换机与每回集电线路的中控制环网交换机用网线相连，环网交换机之间相连，但SCADA接入交换机之间不连，这样就避免接入交换机与环网交换机之间形成环路，造成网络风暴[5]。考虑现阶段风机机组主控的协议与站控层不一致，中间增加了规约转换器作为过渡方案。
图2 风电机组组网图
2.2 中央监控系统拓扑
统一平台中央监控系统将机组SCADA与综合自动化系统合并到一个平台，其拓扑结构主要框架在综合自动化系统上建立，如图3所示，将风机现地LCU、升压站内保护、测控装置等作为间隔层设备。在风机机舱现地设置LCU现地控制单元，完成风电机组现地测控单元的功能；升壓站内的保护测控装置根据面向对象设置，每个单元的保护测控装置通过以太网与站控层主交换机相连。站控层设备的数据采集服务器，双机冗余配置，带有历史数据库管理、实时数据库管理功能，数据库采用大型的数据库SQL SERVER或者Oracle，完成风电机组-箱变单元、升压站内保护测控装置的数据分析、统计、处理，并储存到关系数据库；设置一台应用程序服务器，主要用于监控系统，AGC/AVC控制系统，五防系统的程序运行。操作员工作站完成升压站电气设备、风机及其部件的人机交互显示、告警，以及操作命令的下发操作；报表生成等工作。
图3 统一平台中央监控系统框图
建立统一平台的中央监控系统，关键问题主要为机组厂家的现地控制单元通信规约不统一及设备信息建模的不规范。解决通信规约不统一的问题，可通过规约转换设备，将不同厂家的通信规约如MODBUS TCP、OPC等转换为站控层统一的103标准接口协议。设备信息的建模不规范主要是机组厂家有自己内部的私有数据信息，如各个机组厂家有自内私有的保护信息状态码，这需要机组厂家执行IEC61400-25的通信规约建立风机监控信息模型[6]，在现阶段机组厂家执行61400-25通信协议不是很彻底的情况下，通过对机组厂家建立不同的数据库来作为过渡方案。 2.3二次安全防护要求
风电场监控系统除了中央监控系统外，还专门配置了风功率预测系统、风电机组在线监测系统、运行管理系统。
根据《电力监控系统安全防护总体方案》关于风电场监控系统安全分区表，中央监控系统为控制区（安全I区）；功率预测系统、风电机组状态在线监测系统在非控制区（安全II区），而功率预测的数字气象服务器在管理信息大区（安全III区）。根据边界安全防护要求，安全I区与II区之间应采用硬件防火墙隔离，实现逻辑隔离、报文过滤、访问控制等功能，如图3所示，中央监控系统与风功率预测系统、风电机组在线监测系统之间部署硬件防火墙；生产控制大区（安全I区与II区）与管理信息大区之间通信应当部署电力专用横向单向安全隔离装置，数值气象服务器与风功率预测系统之间部署了反向隔离装置。控制区与运行管理系统之间部署正向隔离装置。
3、中央监系统的特殊功能分析
1、与电网调度部门的信息交互：中央监控系统直接采集风机的所有监控信息，并通过远动通信装置上送至调度部门，取代传统的风机SCADA系统收集风机信息，后转给综自系统，然后上传调度部门的方式。减少了中间环节，提高信息上送调度的效率、可靠性。
2、有功控制功能：中央监控系统嵌入有功控制功能模块，手动/自动可自由切换，控制风电场的有功输出，使得风电场出力满足调度部门下达的负荷要求。
3、无功控制功能：能接收调度部门AVC主站系统下发的全厂控制目标（电厂高压母线电压、全厂总无功等），按照控制策略（电压曲线、恒母线电压、恒无功），通过合理分配给每台风力发电机组，并设定动态无功补偿装置的最优工作点，达到全厂目标控制值，实现全厂的电压无功自动控制。中央监控系统无功控制模块应能灵活配置风电机组、动态无功补偿装置作为无功输出的优先级：若风机提供有功、无功解耦控制功能，即满发时，风电机组仍有一定的无功输出能力，则以风机无功输出为主要调节手段，动态无功补偿装置为备用调节；若风机不提供有功、无功解耦功能，则以动态无功补偿装置无功输出为主要调节手段。
4大数据分析功能：风速统计及其周期性變化趋势分析，为运维工作时间安排提供依据；功率曲线分析，能对运行的风机进行横向比较，找出可能存在不易被发现的问题情况，如测风仪故障，及时解决隐性故障，避免发电量的持续损失；
5在线故障智能诊断、检修计划安排功能，通过采集风机振动监测系统信息、风机各温度传感器，综合判断机组的故障状态，提前告警，方便安排运行检修。
4、结论
从国内风电场中央监控系统的现状出发，提出了基于统一平台的风电场中央监控系统组网方式及拓扑结构，对现阶段存在的关键问题及难点给出了初步解决方案，并从电网调度部门、风电场运行维护方面考虑，提出了中央监控系统应具备的特殊功能，供监控系统厂家参考。
参考文献：
[1]何飞跃，刘纯，王伟胜.基于IEC61400-25的智能风电综合控制系统设计[J].水电能源科学，2012，30（11）：208-212.
[2]刘彬.风电场中央监控及远程监测系统的研究与设计[J].广西电力，2013，36（1）：87-90.
[3]杨文华.风电场监控系统现状和发展趋势综述[J].宁夏电力，2011，（4）：51-56.
[4]王奇.风电场数据采集与处理软件设计[D].北京：北京交通大学电气工程学院，2012
[5] 董定勇，贾志诚，白臣.一种提高风电场远程监控网络稳当性的改造方法[J].中国科技信息，2013，（10）：115-120.
[6]王文卓，秦世耀，曲春辉.基于面向对象建模的风电场监控系统的研究与开发[J].电网技术，2013，37（10）：2912-2919.
作者简介；
周少平（1985.12-），男，四川成都人，硕士，工程师，单位：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，研究方向：新能源发电，联系地址：四川省成都市浣花北路1号，邮编：610000 电话：13408533737
郝敏（1974.2-），男，四川成都人，本科，高级工程师，单位：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，研究方向：新能源发电。
熊涛（1977.10-）男，四川成都人，本科，高级工程师，单位：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，研究方向：新能源发电。
关键词：风电场；监控系统；SCADA系统；网络拓扑
2014年，全国风电产业继续保持强劲增长势头，全年风电新增装机容量1981万千瓦，新增装机容量创历史新高，累计并网装机容量达到9637万千瓦，占全部发电装机容量的7%，占全球风电装机的27%。随着风电行业的迅猛发展，风电机组国产化率不断提高，风机控制系统方面国内几大风电机组厂家也做了大量的国产化工作，但是由于国内还没有针对风电场出台相关的规约标准，能参照的只有IEC61400-25，国内厂家实现的较少[1]，造成不同机组厂家监控系统设备信息模型不统一，不同机组厂家提供的SCADA系统兼容性差，协调运行困难。近几年来，全国各地电网根据自身情况对风电场运行控制提出了更高的要求，要求风电场具备有功调、无功电压调节，夜间无功输出等功能，作为风电场内调度运行控制中心的中央监控系统成为风电场调度控制亟需解决的关键问题。
1、风电场监控系统现状分析
现阶段风电场内现有的监控系统主要基于升压站综合自动化系统、风机机组SCADA监控系统两个监控平台构建，各自完成各自对象的监控，两者独立运行，中间通过通信的方式完成信息的交互。其拓扑图如下图：
图1 风电场中央监控系统框图
风机机组SCADA监控系统一般都机组厂
家成套提供，单独组建系统，主要负责风力发电机组的数据采集和控制，其由每台机组现地控制单元、服务器、监控后台组成，每台现地控制单元收集风电机组各个部件的实时信息，如偏航、变浆、齿轮箱、变流器等[2]，通过组建光纤环网，将数据送至控制室的数据采集服务器。现阶段国内风机机组厂家风机SCADA系统内部通信接口大多数基于OPC。
升压站综合自动化系统（以下简称综自系统）主要由保护装置厂家提供，主要负责升压站内的一二次设备测量及控制，其控制逻辑上可划分为控层设备和间隔层设备[3]，站控层主要由系统服务器、网络单元、远动设备组成，以统一信息平台管理间隔层的智能设备。间隔层设备面向对象设计，负责对电气设备的智能化，通过网络的方式将信息送至综自系统。远动设备负责将风电场的信息上传给调度部门。通信协议方面，综自厂家内部基本采用IEC60870-105-103。
综自系统与机组SCADA系统由于由不同设备产商提供，各自都有独立的平台，独立完成对设备的监控。两个平台之间接口规范不统一，综自系统与风机SCADA系统通信需要通过规约转换进行规约转换，才能读取风电机组的控制及实时数据信息，达到控制风电机组的目的，而无法直接访问机组现地控制单元采集风电机组信息，这种数据获取方式不满足调度自动化信息直调直送，直采直送的要求。且风机SCADA系统服务器基本上采用单套配置，通过单台规约转换器与综自系统相连，冗余度差，可靠性无法保证。
如果一个风电场采用不同风机厂家的机组，由于各个机组厂家协议不统一，将会配置多套机组SCADA监控系统，导致风电场运行人员必须学习使用不同厂家的监控系统，给运行维护增加难度，增加了维护成本[4]。
2、统一平台中央监控系统的建设
2.1 监控系统组网
监控系统的组网方式根据风电场内设备布置情况确定。升压站内设备由于比较集中，可采用综合自动化设备的组网方式，综合考虑可靠性，站控层采用双网星型组网。
风电机组由于比较分散，特别是南方山地风电场，风机距离升压站控制室可能有10多km，风电机组监控系统需采用光纤传输，为了提高可靠性，一般采用光纤环网组网方式，随汇集的集电线路架设自承式光缆，每回集电线路组建一回光纤环网。为了解决风电机侧组网冗余度差的问题，通过在中控室增加一台接入交换机，改变中控室的交换机的连接方式，以实现冗余的目的，如图2所示，两台中控室内SCADA系统的接入交换机与每回集电线路的中控制环网交换机用网线相连，环网交换机之间相连，但SCADA接入交换机之间不连，这样就避免接入交换机与环网交换机之间形成环路，造成网络风暴[5]。考虑现阶段风机机组主控的协议与站控层不一致，中间增加了规约转换器作为过渡方案。
图2 风电机组组网图
2.2 中央监控系统拓扑
统一平台中央监控系统将机组SCADA与综合自动化系统合并到一个平台，其拓扑结构主要框架在综合自动化系统上建立，如图3所示，将风机现地LCU、升压站内保护、测控装置等作为间隔层设备。在风机机舱现地设置LCU现地控制单元，完成风电机组现地测控单元的功能；升壓站内的保护测控装置根据面向对象设置，每个单元的保护测控装置通过以太网与站控层主交换机相连。站控层设备的数据采集服务器，双机冗余配置，带有历史数据库管理、实时数据库管理功能，数据库采用大型的数据库SQL SERVER或者Oracle，完成风电机组-箱变单元、升压站内保护测控装置的数据分析、统计、处理，并储存到关系数据库；设置一台应用程序服务器，主要用于监控系统，AGC/AVC控制系统，五防系统的程序运行。操作员工作站完成升压站电气设备、风机及其部件的人机交互显示、告警，以及操作命令的下发操作；报表生成等工作。
图3 统一平台中央监控系统框图
建立统一平台的中央监控系统，关键问题主要为机组厂家的现地控制单元通信规约不统一及设备信息建模的不规范。解决通信规约不统一的问题，可通过规约转换设备，将不同厂家的通信规约如MODBUS TCP、OPC等转换为站控层统一的103标准接口协议。设备信息的建模不规范主要是机组厂家有自己内部的私有数据信息，如各个机组厂家有自内私有的保护信息状态码，这需要机组厂家执行IEC61400-25的通信规约建立风机监控信息模型[6]，在现阶段机组厂家执行61400-25通信协议不是很彻底的情况下，通过对机组厂家建立不同的数据库来作为过渡方案。 2.3二次安全防护要求
风电场监控系统除了中央监控系统外，还专门配置了风功率预测系统、风电机组在线监测系统、运行管理系统。
根据《电力监控系统安全防护总体方案》关于风电场监控系统安全分区表，中央监控系统为控制区（安全I区）；功率预测系统、风电机组状态在线监测系统在非控制区（安全II区），而功率预测的数字气象服务器在管理信息大区（安全III区）。根据边界安全防护要求，安全I区与II区之间应采用硬件防火墙隔离，实现逻辑隔离、报文过滤、访问控制等功能，如图3所示，中央监控系统与风功率预测系统、风电机组在线监测系统之间部署硬件防火墙；生产控制大区（安全I区与II区）与管理信息大区之间通信应当部署电力专用横向单向安全隔离装置，数值气象服务器与风功率预测系统之间部署了反向隔离装置。控制区与运行管理系统之间部署正向隔离装置。
3、中央监系统的特殊功能分析
1、与电网调度部门的信息交互：中央监控系统直接采集风机的所有监控信息，并通过远动通信装置上送至调度部门，取代传统的风机SCADA系统收集风机信息，后转给综自系统，然后上传调度部门的方式。减少了中间环节，提高信息上送调度的效率、可靠性。
2、有功控制功能：中央监控系统嵌入有功控制功能模块，手动/自动可自由切换，控制风电场的有功输出，使得风电场出力满足调度部门下达的负荷要求。
3、无功控制功能：能接收调度部门AVC主站系统下发的全厂控制目标（电厂高压母线电压、全厂总无功等），按照控制策略（电压曲线、恒母线电压、恒无功），通过合理分配给每台风力发电机组，并设定动态无功补偿装置的最优工作点，达到全厂目标控制值，实现全厂的电压无功自动控制。中央监控系统无功控制模块应能灵活配置风电机组、动态无功补偿装置作为无功输出的优先级：若风机提供有功、无功解耦控制功能，即满发时，风电机组仍有一定的无功输出能力，则以风机无功输出为主要调节手段，动态无功补偿装置为备用调节；若风机不提供有功、无功解耦功能，则以动态无功补偿装置无功输出为主要调节手段。
4大数据分析功能：风速统计及其周期性變化趋势分析，为运维工作时间安排提供依据；功率曲线分析，能对运行的风机进行横向比较，找出可能存在不易被发现的问题情况，如测风仪故障，及时解决隐性故障，避免发电量的持续损失；
5在线故障智能诊断、检修计划安排功能，通过采集风机振动监测系统信息、风机各温度传感器，综合判断机组的故障状态，提前告警，方便安排运行检修。
4、结论
从国内风电场中央监控系统的现状出发，提出了基于统一平台的风电场中央监控系统组网方式及拓扑结构，对现阶段存在的关键问题及难点给出了初步解决方案，并从电网调度部门、风电场运行维护方面考虑，提出了中央监控系统应具备的特殊功能，供监控系统厂家参考。
参考文献：
[1]何飞跃，刘纯，王伟胜.基于IEC61400-25的智能风电综合控制系统设计[J].水电能源科学，2012，30（11）：208-212.
[2]刘彬.风电场中央监控及远程监测系统的研究与设计[J].广西电力，2013，36（1）：87-90.
[3]杨文华.风电场监控系统现状和发展趋势综述[J].宁夏电力，2011，（4）：51-56.
[4]王奇.风电场数据采集与处理软件设计[D].北京：北京交通大学电气工程学院，2012
[5] 董定勇，贾志诚，白臣.一种提高风电场远程监控网络稳当性的改造方法[J].中国科技信息，2013，（10）：115-120.
[6]王文卓，秦世耀，曲春辉.基于面向对象建模的风电场监控系统的研究与开发[J].电网技术，2013，37（10）：2912-2919.
作者简介；
周少平（1985.12-），男，四川成都人，硕士，工程师，单位：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，研究方向：新能源发电，联系地址：四川省成都市浣花北路1号，邮编：610000 电话：13408533737
郝敏（1974.2-），男，四川成都人，本科，高级工程师，单位：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，研究方向：新能源发电。
熊涛（1977.10-）男，四川成都人，本科，高级工程师，单位：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，研究方向：新能源发电。