风电场分布式SCADA系统设计与研究

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风电场分布式SCADA 系统设计与研究
The Design and Research for the Wind Farm Distributed SCADA System
(湘电风能股份有限公司)
熊弦龙辛
XIONG Xian LONG Xin
摘要:面向湘电风能XE72风力发电机组,提出了一套风电场分布式SCADA 系统构建方案,实现了多个用户对风电场风机状态在线实时监测以及对风机设备的远程故障诊断和维护。

通过构建多个RTU 服务软件,实现对风机的分组监测与管理;通过系统时间同步,实现了风电场各个设备单元之间的时间统一,保证了监测数据的时间一致性。

经过实际应用,该方案完全满足风力发电场的现场监测与维护需求,适合于大型风电场的构建和运营。

关键词:风力发电;风电场;SCADA;体系结构;时间同步中图分类号:TM614文献标识码:A
Abstract:An open architecture of wind farm distribute SCADA system for the XE72-2000wind turbine is put forward in this paper.In this system,the state of wind turbine generator can be monitored real time for many users,also the engineers can diagnose and service all wind turbine generators online.Designing a number of RTU services,the wind turbine generators can be monitored and managed through different groups.The time system in distribute SCADA system realize time synchronization for all RTU,so the data acquired by RTU have the time consistency.Through the practical application,this open architecture can be able to meet demand of wind farm monitoring and maintenance,and is suitable for constructing the large-scale wind farm.Key words:Wind Power Generation;Wind Farm;SCADA;architecture;time synchronization
文章编号:1008-0570(2009)09-1-0083-03
1引言
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系统,既数据采集与监视控制系统,是以计算机为基础的过程控制与自动化调度系统,可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

风电场SCADA 系统是面向风电场而构建的实时状态监测系统,它是风电场各项监控、监测数据的信息共享、交换、传输平
台,以及针对运营商、
制造商以及技术研发单位提供远程分布终端综合监测的系统平台。

在能源危机和环境污染的双重背景下,风力发电作为一种清洁、可再生的新型能源,已经成为各国政府重点扶持和发展的领域。

同样,我国近几年在风力发电领域也加大了政策和资金支持,并要求相关企业在消化吸收国外先进技术的集成上,尽快掌握风力发电的核心技术并实现国产化。

论文面向湘电风能XE72风力发电机组,提出了一套分布式风电场SCADA 系统实现方案,对SCADA 系统的结构、功能等进行了设计,并对SCADA 系统中的关键技术进行了分析。

2风电场SCADA 系统的功能分析
风电场SCADA 系统需要实现对风电场的运行环境、风电机组的运行状态以及电能质量等的实时监测与分析。

面向湘电风能XE72风力发电机组的SCADA 系统主要监测对象包括风机PLC 参数、测风塔气象参数以及用户相关设备和参数,系统功能包括风电场数据采集、风电场数据传输、风电场数据存储、风电场数据监测、风电场数据分析、风电场设备控制以及远程
故障诊断等。

*风电场数据采集功能:采集风电场风机运行状态数据,包
括风机PLC 数据的提取、
测风塔气象数据、用户设备的开关量数据和模拟信号等。

*风电场数据传输功能:将采集的风电场数据实时传输到监控中心。

*风电场数据存储功能:对风电场数据进行存储,为了减少数据量,需要对历史数据进行压缩处理后再存储。

*风电场数据监测功能:提供系统终端所需要的监测界面与分析计算手段,以及故障报警机制,包括监控中心内部终端
HMI 、
远程网络终端HMI 以及监测报警HMI 等,实现对风电场状态实时监测。

*风电场数据分析功能:提供风电场数据的分析手段,包括
风电场数据统计、
报表、预测分析、性能评估等,需要提供气象参数监控和分析HMI 。

*风电场设备控制功能:提供远程启动设备、
停止设备、复位设备和标定设备的手段,最大限度简化风电场系统的维护工作。

*远程故障诊断功能:提供一种远程故障诊断的手段,实现风机厂家(湘电)通过网络对风机进行远程故障诊断,进而实现远程维修服务。

3风电场SCADA 系统的总体设计
结合风电场的功能需求和实际网络运行环境,论文采用分布式思想,对风电场SCADA 系统结构和功能进行设计。

3.1系统结构
风电场SCADA 系统结构上由现场设备、监控中心和远程监测终端。

现场设备主要是指RTU,监测中心包括应用服务器、工程师站、数据库服务器、监测维护终端以及报警监控终端等
熊弦:电气总设计师
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技
术创新
《微计算机信息》(测控自动化)2009年第25卷第9-1期
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《现场总线技术应用200例》
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组成,其中,远程监测终端又可分为远程监测终端、手机报警终端和远程故障诊断终端三类。

风电场SCADA 系统结构如图1所示。

(1)RTU:即远程终端单元,主要完成风机PLC 数据提取、
测风塔气象数据接入以及通过备用数字IO 和模拟IO 输出信号和接入信号,并接收监控中心的数据传输指令和管理配置指令,完成数据传输和控制任务。

RTU 面向风电场设备提供多种类型的数据和信号接口,包括传感器模拟/数字信号接口、执行器模拟/数字信号以及RJ45以太网数据接口等,需要支持Modbus-Tcp 协议,实现从风机PLC 中提取监测数据以及更新PLC 参数。

RTU 分为主和从两种,从RTU 定时报告状态给主RTU,主RTU 收集从RTU 的状态,从而实现对光纤链路的诊断和故障定位。

(2)应用服务器:是运行于风电场SCADA 系统监控中心的核心服务器,通过RTU 完成风电场数据提取、通过数据库服务器完成风电场数据存储,并通过网络向中心用户终端和远程用户终端提供风电场数据评估分析等服务,同时提供GSM 手机远程报警服务、OPC 数据发布服务和风电场设备远程故障诊断功能。

(3)工程师站:是运行于风电场SCADA 系统监控中心的远程协同诊断与维护服务器,主要实现厂家对风电场进行远程维护、远程诊断以及远程升级功能。

(4)数据库服务器:运行于风电场SCADA 系统监控中心,完成风电场实时数据的存储以及历史数据的压缩存储,并通过应用服务器完成数据查询统计等。

(5)监测维护终端:运行于风电场SCADA 系统监控中心,实现对监控中心设备和软件服务模式进行管理,以及对风电场设
备的远程维护与实时监测,包括风电场数据统计、
报表、预测分析、性能评估等,具有生成报告、计算电能产量、趋势预测、电力曲线、气象数据和实用性计算等功能,提供气象站界面单元进行独立风速测量和气象参数监控和分析,以优化风力发电厂的运行。

图1风电场SCADA 系统结构
(6)报警监控终端:运行于风电场SCADA 系统监控中心,实现全天24小时实时报警监测与报警信号广播,以声、光、电等多种方式显示发布报警信号。

(7)远程监测终端:可以通过互联网连接到风电场SCADA 监控中心,在合法授权下,可完成远程风电场数据监测与分析。

(8)手机报警终端:提供一种即时报警信号接收途径,实现工作人员不在监控中心或非工作时间内的风电场报警方式,便于相关人员及时发现报警故障,并及时进行处理和维护。

(9)远程故障诊断终端:提供一种整机生产商对风电场设备进行远程诊断和维护的一种途径,通过互联网,整机生产商(湘电)可以通过监测中心的工程师站在远程完成对风机设备的故
障协同诊断、
维护以及软件升级。

3.2系统功能
风电场SCADA 系统在功能上主要包括风电场数据采集、风电场数据传输、风电场数据存储、风电场数据监测、风电场数据发布、风电场数据分析、风电场设备控制、系统异常报警、系统安全日志功能、远程故障诊断以及系统配置管理等11大功能。

(1)风电场数据采集功能
此功能是风电场SCADA 系统的核心功能,主要由RTU 完成,它提供了风电场SCADA 系统运行状态监测所需的基本数据,包括提取风机PLC 数据、接入测风塔气象数据以及用户设备的开关量数据和模拟信号等。

(2)风电场数据传输功能
此功能是风电场SCADA 系统实现实时监测与远程控制的基础,主要由现场网络、光纤网络及其相关设备单元完成,提供了系统各个终端之间数据交换和共享所需的基本途径,包括RTU 与监控中心之间的数据传输,以及监控中心向各个终端的数据传输,不同传输阶段所采用的传输协议不同,所传输的数据内容亦有差异,并需要配置相应的软件模块。

(3)风电场数据存储功能
此功能用于完成风电场数据的实时存储以及历史数据的压缩存储,分为RTU 应急存储、数据库实时存储和数据文件压缩存储等三种方式:RTU 应急存储方式应用于监控中心断电等异常条件下存储风电场实时数据,并且在监控中心正常时自动上传存储的数据;数据库实时存储方式应用于SCADA 系统正常运行时存储风电场实时监测和分析数据,存储周期为0-6个月;数据文件压缩存储方式应用于存储6个月之前的历史数据,通过对数据进行压缩,以减小存储空间。

(4)风电场数据监测功能
此功能提供系统终端所需要的监测界面与分析计算手段,以及远程用户无线报警机制,包括面向各类终端用户使用的监控中心内部终端人机接口、远程网络终端人机接口以及监测报警人机接口等,实现对风电场状态实时监测。

(5)风电场数据发布功能
此功能提供面向远程用户的一种标准数据发布手段,它由监控中心的应用服务器实现,采用标准OPC 技术,远程用户通过Web 浏览器实现数据浏览和访问。

(6)风电场数据分析功能
此功能提供风电场数据的分析手段,包括风电场数据统计、报表、预测分析、性能评估等,如:生成报告、趋势预测、电力曲线、气象数据和实用性计算等功能,提供气象参数监控和分析HMI,进而对风电场进行运行优化。

(7)风电场设备控制功能
此功能提供远程启动设备、停止设备、复位设备和标定设备的手段,最大限度简化风电场系统的维护工作。

(8)系统异常报警功能
此功能完成报警条件设置、系统异常报警以及GSM 手机发布报警信号。

风电场SCADA 系统的报警信号分为风机异常报警、测风塔异常报警、用户设定IO 报警以及SCADA 系统自身异常报警(如网络异常报警、RTU 异常报警以及监控中心设备异常报警)等。

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邮局订阅号：82-946360元/年技术创新
控制系统
《PLC 技术应用200例》
您的论文得到两院院士关注(9)系统安全日志功能
此功能实现系统运行操作日志机制。

根据系统日志参数设置,任何用户的任何操作都将被记录,并对于重要的运行操作日志信息将通过网络、GSM 等方式通知到相应的监测终端。

(10)远程故障诊断功能
此功能提供一种远程故障诊断的手段,实现风机厂家(湘电)通过网络对风机设备进行远程协同故障诊断,进而实现远程维修与服务。

(11)系统配置管理功能
此功能提供SCADA 系统运行所需的相关配置与管理手段,包括系统参数配置、终端管理、权限设置、数据加密、数据发布管理等。

4分布式SCADA 系统关键技术分析
4.1服务器软件构建技术
风电场SCADA 系统中,服务器软件是运行于风电场监测中心服务器中一套服务软件程序,它是整个系统的核心软件程序。

为了满足系统的功能指标以及稳定性与可靠性要求,服务器软件程序的功能与性能直接影响着整个SCADA 系统的功能和性能,因此,服务器软件构建技术是风电场SCADA 系统的关键核心技术之一。

如图2所示,风电场SCADA 系统的服务器软件分为应用服务软件、逻辑处理服务软件、RTU 服务软件和中心数据库软件等四部分。

图2SCADA 系统的服务器软件结构
(1)应用服务软件:是一个面向远程客户端提供数据库访问和控制指令交换的程序。

风电场SCADA 系统的所有监测终端都通过应用服务软件进行身份验证、系统登陆、维护管理以及远程监测以及远程控制等。

(2)逻辑处理软件:是一个系统数据处理程序,主要完成风场检测数据的打包压缩以及自动生成数据报表并发送Email,同时监测报警事件,并通过手机短信发布报警信息。

(3)RTU 服务软件:是一个面向RTU 提供数据传输和管理控制服务的程序。

一个风电场可以同时设置多个RTU 服务软件,实现对RTU 的分组管理与控制,即实现对风机的分组监测与维护。

(4)中心数据库软件:是整个系统风机监测数据存储和管理中心。

风电场SCADA 系统采用了MS SQL Server 数据库系统作为中心数据库软件,实现对整个风电场数据的存储管理。

4.2系统时间同步技术
时间同步技术是分布式SCADA 系统中的关键技术之一,它是实现系统各个设备单元时间统一以及保证PLC 监测数据一致性的基础,同时为了实现对系统故障的诊断和定位,也需要SCADA 系统具备时间同步功能。

分布式SCADA 系统的时间同步过程由时间源、时间传递链路、
时间再生单元以及时间传递协议与算法等组成。

时间源提供整个系统的唯一时间基准,它通常同步于UTC 时间;时间传递链路提供基准时间信息的传递路径;时间再生单元工作于各个设备单元中,它根据时间传递链路传递的标准时间实现再生同步于时间源的同步时间信号,以用于对监测数据和系统事件标记统一的时间信息;时间传递协议与算法是实现整个系统内标准时间信息有效传递的一套传输协议和时间信息处理流程。

分布式SCADA 系统中,各个RTU 设备单元、PLC 模块以及运行于服务器中的各个服务程序都需要实现时间同步,因此,时间同步技术是实现SCADA 系统正常运行的关键技术。

5结论
本文面向湘电风能XE72型风力发电机组的监测与管理需求,分析了风电场SCADA 系统的功能指标要求,并结合风电场实际网络运行情况,提出并设计了一套分布式风电场SCADA
系统实现方案,阐述了分布式SCADA 系统结构与功能,同时,对风电场SCADA 系统的关键技术进行了简要分析。

目前,基于本文方案湘电风能公司已经开发完成了的风电场SCADA 系统,并已经通过实际风电场测试运行。

测试表明,所构建风电场SCADA 系统完全能够满足风力发电场的现场监测与维护需求,而且适合于大型风电场的构建和运营,在风力发电行业具有广泛应用前景和推广价值。

本文作者创新点:提出了一套风电场分布式SCADA 系统构建方案,实现了多个用户对风电场风机状态在线实时监测以及对风机设备的远程故障诊断和维护。

参考文献
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[8]童宝润.时间统一系统[M].北京:国防工业出版社,2003
作者简介:熊弦,男,1973年3月出生,汉族,本科,电力系统自动化专业,湘电风能有限公司电气总设计师。

Biography:XIONG Xian,Man,Mar.1973,the Han nationality,undergraduate,Research area is Automation of Electric Systems,Hara XEMC Windpower Co.,Ltd.,Electric Chief Architect.(411101湖南湘潭湘电风能股份有限公司)熊弦龙辛
(HaraXEMC Windpower Co.,Ltd,XiangTan,411101,China)XIONG Xian LONG Xin
通讯地址:(411102湖南省湘潭市吉安路68号湘电风能有限公司)熊弦
(收稿日期:2009.06.11)(修稿日期:2009.08.05)
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