基于统一平台的风电场中央监控系统主站设计

田 英，徐丽杰，王 玮，陈 君

（1.北京交通大学电气工程学院，北京100044；2.龙源正合电力技术有限公司，北京100176）

随着风力发电自动化水平的提高，风电场监控技术已成为风电行业的一项重要技术[1]。但该技术没有现行可依据的规范标准，监控系统版本有很多，国外有GE 公司的VisuPro、Vestas 公司的VestasOnline 等，国内有金风数据采集与监视控制SCADA、华锐监控等。不同监控系统互不兼容的现象普遍存在，无法和我国电网调度系统接口[2]。

目前国内的风场管理大多停留在单机监控或单个风电场监控，而现代化风场管理的目标是要实现多个风电场的集中监控[3]，即中央监控，当风电场内拥有不同类型的风电机组时就必须配置多套监控系统，导致风电管理指标不统一，人员配备增多，监控系统运营维护成本增加[4]。为此结合江苏某风电场中央监控系统的开发实例，开发出基于统一平台的风电场中央监控系统。给出系统的设计方案，重点设计了系统主站部分。

1 系统需求分析与总体结构设计

针对国内现有风电场监控系统存在的问题，对基于统一平台的风电场中央监控系统需求做了深入分析，并由此设计出系统的总体结构。

1.1 系统功能需求

研制的风电场中央监控系统可将各种机组不同的控制系统有机互联，实现多个风电场的统一监控，其基本功能需求包括以下几个方面。

1.1.1 数据采集存储、报警和设备操作

获取实时数据有两种方法：一种是设备厂家SCADA 系统所提供的用于过程控制的对象连接与嵌入OPC（object linking and embedding for process control）接口；另一种是直接和风机控制器或监测计算机通讯。风机控制器或监测计算机所提供的标签量在350～1 200 之间，大多数是开关量，模拟量一般在50～60 个。风机厂家的SCADA 系统有的提供关系数据库接口，可以通过结构化查询语言SQL（structured query language）访问10 min 数据；有的提供OPC 接口，可以访问实时数据（可能不完整）。作为中央监控系统，必须要尽可能完整地访问实时数据并获得操作设备的权限，因此要综合采用这两种方法。

数据采集后要存入实时/历史数据库，风场数据的特点是数量非常巨大。单台数据库服务器应支持200 000 点数据，如按每台风机500 点算可以有400 台风机，基本满足要求。如果点数超过200 000 则采用服务器集群。此外为满足制作年度报表的要求，历史数据需存储18 个月以上。

风电场有大量的故障和报警信息，系统需要能及时反映当前的报警信息。此外，系统还应提供设备的启动、停止、复位和标定等操作，最大限度地简化风电场的维护工作。

1.1.2 数据处理

数据处理主要包括数据计算、预警、故障分析、性能评估等模块。其中，需要计算的数据有总发电量、上网电量、总发电时间、故障时间、维护时间等；预警是对多个同等运行工况下风机的各项运行指标进行对比，标识出其中异常者；故障分析是通过统计设备各类故障的发生频次及时间来分析现有故障；性能评估是对风机和风场统计可利用率、发电效率等，计算风功率曲线。

1.1.3 人机界面

该系统为用户提供一个Web 页面形式的人机监控界面，以图形、表格、曲线等方式显示实时、历史和统计数据，让用户直观、方便地了解各个风场和风机内部的运行状态。此外还提供操作指定设备和制作报表等功能。由于要适用于多种不同的风机，系统还需要提供组态的功能。

1.2 系统总体结构设计

系统原理结构如图1 所示。

图1 系统原理结构Fig.1 System principle structure

在系统网络结构设计之前，先给出系统的总体建设目标，主要内容如下。

（1）标准化，主要体现在数据采集、数据格式、数据分类、统计规则、标签命名等的标准化。

（2）开放性，是指系统预留有一定的数据通讯接口，并能提供与其他信息系统连接的能力，以适应风电场不断变化的生产需求，如扩大规模时添加风电机组的种类或数量。

（3）安全性，现场数据采集与监控中心之间的数据通讯采用高速串口隔离，防止公网计算机病毒和其它非法侵入对风电机组的安全构成威胁。

（4）可靠性，主要体现在：①系统硬件设备均选用技术成熟的高集成设备，确保质量，其中关键设备均采用冗余配置，提高可靠性；②系统应用软件采用容错性设计，保证用户输入的正确性和对系统非法及破坏性输入有很强的容错能力，避免系统死机或瘫痪，提高可靠性。

由此设计出系统网络结构如图2 所示。

图2 系统网络结构Fig.2 System network structure

2 系统主站设计

风电场中央监控系统的主站设计是整个监控系统设计的重点，主要包括硬件设计和软件设计。

2.1 硬件设计

硬件设计主要包括以下几个方面。

（1）通讯接口机和通讯服务器。主要负责解析各种不同的规约，完成通讯接口数据处理和转发。包括前置计算机、串口池、防雷措施和网络接口。该系统采用两个前置计算机，通过RS232/485 和TCP/IP 接口实现对各厂商不同风机、气象站、测风塔等设备进行接入，并将多路RS232/485 信号转换为以太网标准接口。

（2）OPC 服务器。OPC 技术为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一标准，它大大减轻了软件开发负担[5]。只要硬件特征符合统一的OPC 接口程序标准，或硬件生产商提供OPC 服务器，则软件开发者不必再为每个硬件单独编写驱动程序。

（3）数据库服务器。主要用于保存、分析、计算和处理数据。

（4）工程师站和操作员站。前者主要负责系统的组态、画面制作和系统维护；后者是监控系统的主要用户，实现画面显示、画面浏览、报警等功能。

（5）Web 服务器。使用Web 服务器是目前风电场监控系统主站的一个流行趋势，只要用户装有浏览器软件，得到相应授权，就可访问他所关心的数据[6]。

2.2 软件设计

图3 系统软件结构Fig.3 System software structure

系统软件结构如图3 所示。通讯接口程序从各个系统获取现场数据后存入实时/历史数据库。操作员对设备的操作也通过实时/历史数据转发给通讯接口程序处理。非现场采集数据均由数据预处理模块取得，预警功能也由这个模块实现。为了提高效率，预处理模块可采用数据库插件的方式实现。对数据的进一步处理由分析计算模块完成，如统计分析、故障分析等，分析结果存入关系数据库中。此外，用户信息、风场信息等静态数据也存储在关系数据库中。人机界面可以完成系统监控和制作报表等功能。

2.2.1 通讯接口模块

研究国标对数据传输规约的相关要求，借鉴已获得的数据传输规约明细，分析工业以太网、分布式对象链接和控制器局域网总线的传输机理和各种传输介质的特性，确定传输数据的种类和传输方法，建立统一标准的数据传输规约，用C++编写各风机、综合自动化系统的通讯接口程序。风电场数据传输规约测试方案如图4 所示。

图4 数据传输规约测试方案Fig.4 Testing scheme of data transmission protocol

2.2.2 数据库层

实时/历史数据库可选用PI 数据库。PI 是一款功能强大的实时数据库软件，它采用独特的“旋转门”压缩技术和二次过滤技术，使进入PI 数据库的数据达到最有效的压缩，节省了硬盘空间。据计算，每秒l 万点数据存储1 a，仅需4G 空间，即一只普通硬盘也可存贮5～10 a 的数据[7]。SQL 关系数据库可很好兼容Windows 操作系统，并能和许多组态软件进行ODBC（open database connectivity）通信[8]。编写数据库接口程序实现数据导入PI 数据库并实时刷新，数据导入PI 后，主站的各个模块通过PI-API 接口从PI 数据库中取出数据进行各种性能计算及分析，并将运算后的数据保存回PI 数据库或SQL 数据库中，利用PI 数据库的ODBC 客户端连接关系数据库，并用SQL 语句对关系数据库中的数据进行存取。

2.2.3 人机界面

不论是从核心到外围，还是从底层到上层，基于统一平台的风电场中央监控系统都采用跨平台的应用程序开发框架Qt Creator，它是一款新的轻量级集成开发工具，利用它可以快速编写C++代码，并使用浏览器管理源代码，提供Web 发布功能。因此整个监控系统不受操作平台的限制，可以在Windows、Unix 或Linux 环境下运行。

监控中心人机界面主要包含实时数据、数据曲线、数据查询和数据报表模块，实时数据模块显示某个风场或某台风机的基本信息，数据曲线有功率曲线、风速曲线等，数据查询模块能在指定时间段内根据需求查询生产数据，数据报表分为历史数据报表和报警报表。利用PI Process Book 可组态的方式制作多种图形界面，并以PDI 文件格式上传到Web 服务器，在客户端安装Active View 控件就可使用浏览器浏览界面。当新数据存储到PI时，界面会进行自动更新。数据报表可通过Excel和PI Datalink 生成，以Excel 或PDF 格式导出。对PI 中任何一个工位号进行报警条件设置，如高和低限报警、偏差报警或数值大小变化率报警等，编写报警处理程序，判断数据超出范围或有异常时，给出报警信号，同时从PI 数据库读出实时报警量，生成报警查询和报警报表统计分析。图5 是江苏某风电场中央监控系统显示的某风电场在选中时间段内的状态报警查询，其中风场、报警类型可通过下拉菜单选择，时间段也可根据需要设置。

图5 某风电场报警报表Fig.5 Alarm reports of a wind farm

2.2.4 用户操作控制模块

监控系统用户根据操作权限可对风机进行启动、停止、调向、手/自动控制以及大/小发电机切换等。在每台风机塔筒内都安装有含微处理器的主控制器，主控制器本身就具备严密的安全控制策略，在没有外部操作命令的情况下，也可实现对风机的基本控制。当监控系统用户下发操作命令时，Web 服务器首先对操作命令进行用户身份验证，验证通过后将操作命令通过通讯接口程序传送到主控制器上，由主控制器控制执行相应操作。具体工作流程如图6 所示。

图6 控制模块工作流程Fig.6 Working process of control module

3 主要技术难点和问题分析

3.1 适用于风电场实际环境的系统结构

风电场环境一般呈现温差大、风力强、高灰尘和强电磁干扰等特点，这就要求在设备选型、布设、传输和容错方面进行相应考虑。例如可以把服务器、工控主机、电源等硬件设备集成在一个中央监控屏柜里，要求监控屏柜能有效防止来自空间辐射的电磁干扰，而且尽可能容纳所有的电路和电子器件，还应防止电源引入的干扰，应加入电源滤波环节，同时要求监控屏柜有良好的接地和中央监控室有良好的接地装置。

此外要充分考虑不同的地貌结构，在节省资源和资金的条件下使整个系统硬件和通讯链路稳定运行。例如可考虑使用高速串口和屏蔽电缆，保证系统不被外网侵入。

3.2 风电场可靠性管理和经济性评价指标的设定

由于风电与常规电源相比具有很强的随机波动性，所以常规发电厂的可靠性管理和经济性评价指标已不适用于风电场[9]，这就需要结合风电场运营特点，创新可靠性管理和经济性评价指标。系统在分析风电场可靠性影响因素的基础上设定了4 个基本指标：①风电场容量有效度：风电场在统计时间段内的实际发电量与该时间段的额定发电量之比；②风电场发电密集度：风电场等效的全额发电时间与统计时间之比；③风电场运行安全度：风电场的等效停运时间与统计时间之比；④风电场相对效益系数：在总成本相同的情况下，风电场寿命期限内的成本-效益与常规电源寿命期限内的成本-效益之比。这4 个指标分别体现了风电场发电的充裕性、连续性、安全性和经济性。利用本风电场中央监控系统，可统计多个风电场多年的历史数据，然后为这4 个指标的数值大小各设定一个界限，从而界定风电场的可靠等级，为风电场选址、风机选型、风电场并网方案、设备利用率、发电效率等提供科学指导。

4 结语

鉴于国内风电场监控多停留在单机或单一风电场监控且不同类型风机监控系统版本难以兼容的现状和现代化管理的需求，提出基于统一平台的风电场中央监控系统，采用跨平台的开发工具实现多个风电场、不同类型风机的统一监控，具有标准化、开放性、安全与可靠性等优点。目前该方案已用于江苏某风电场中央监控系统中，两年来运行平稳可靠，解决了国内现有风电场监控系统存在的问题。是实现大型风电场现代化集中管理的有效工具，有望在我国大型风电场得到推广。

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