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风电场监控系统现状和趋势综述
作者:www.lmlunwen.com
摘 要：本文分析了当前国内与国外风电场监控系统的发展现状，分析了研究的背景，风电场的SCADA 系统构架与组网方式，包括硬件与软件方面。进而介绍了国内外著名风电监控厂家的组网方式，并进行了比较，得出合适的方案。然后分析风电场监控的主要功能以及高级功能，结尾对风电场监控系统进行了展望。
关键词：风力发电；风电场监控；组网；高级功能；IEC614001 1引言
当前，全球能源供应紧张，环境问题日益突出[1]，风能具有储量巨大、分布广泛、清洁无污染和可再生的特点，符合人类可持续发展的要求，越来越受到世界各国和地区的广泛关注。世界风电产业近来迅速发展，风力发电已经成为解决世界能源短缺的重要途径之一。风力发电的快速发展，在全球范围内催生了一个庞大的风能产业。
由于风力发电的本身条件限制，风力发电机一般工作于恶劣的环境下，在无人值守的情况下长年运行，因而要保证对其进行实时、可靠的控制。在大型风力发电场，通常需要对几十台或上百台风力发电机进行集群控制，这就要求采用先进的控制技术和通信手段。微机控制以其高可靠性、高性能价格比为这一实现提供了现实依据。
在一个现代化的大型风电场中，如何有效地对各风力机状态进行监视和控制，使整个风电场安全,可靠,经济地运行变得至关重要 。近些年已经在火电、水电等传统电力行业得到广泛应用的监控与数据采集(SCADA)系统为解决大规模风电场的SCADA 提供了基本的技术途径[2-4]。 在电力系统中，监控与数据采集(SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition)系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。SCADA 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，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、参数调节以及事故报警等功能。在风力发电系统中应用SCADA，可以保证系统的信息完整，正确掌握风电系统的运行状态，帮助快速诊断系统故障，提高生产效率 。风电场SCADA 系统能对风电机功能进行现场或远程控制，并通过收集风电场的数据，分析和报告风电机的运行情况[5]。 随着风电在全世界范围的发展，国内国外有不少公司致力与SCADA 系统开发，这些公司的优秀产品包括，国外：丹麦瑞思国家实验室于2000 年到2003 年开发的Clever Farm 系统[6],英国Garrad Hassan 公司的GH SCADA 系统[7]，美国赛风公司的Second WIND-ADMS系统，还有Vestas Online 美国卓越通讯的SCADA 系统，国内的有：南瑞电控所NS2000W华锐风电，金风公司的监控和远方监测系统[8-10]。
2 风电场的SCADA 系统构架与组网 2.1 风电组网构成 一 硬件
一种典型的风电场SCADA 系统由变电站，气象站、风电机组、远程接口单元（RIU) 、现场通信网络、SCADA 现场服务器、现场工作站、远程客户端等组成[11][24][25]。
二 软件
各个公司的软件环境和平台,数据库的选取都不一样[12]。有的按照风电国际标准
IEC61400-25 监控通讯标准来设计组网，大部分都是在自己公司建立的标准上通讯[22]，并不统一。2006 年12 月,国际电工委员会(IEC)公布了由IECTC88 技术委员会起草制定的IEC61400-25 标准。该标准是IEC 61850 标准在风力发电领域内的延伸,专门面向风电厂的监控系统通信[26] .
2.2 风电组网的硬件构成
图1 中主体部分为风力机塔基内的控制柜，其中可编程逻辑控制器(PLC)主要负责该风力机运行状态的监控及根据程序发出相应控制信号给I/0 端口，同时负责各种数据和参数的实时获取。因塔基至短舱之间距离较远，PLC 通过光缆与风力机短舱相连，以保证数据及控制信号的安全快速传输。PLC 与外部的连接通过光纤以太网实现[13]。 风机现场通过光纤以太网连接所有硬件设备，实现数据共享。 风电场的监控中心的设计有2 种方案：
第一种方案：在风电场中设置一个监控站，监控站内计算机与光纤以太网连接，以监控和实时调度风电场总体运行及对各台风力机运行状况，此种模式适用于小规模的风电场。 另一种方案是以太网与Internet 连接，将该风电场的实时运行数据和各参数通过Internet送至远距离的监控中心，由监控中心对各风电场统一监控、维护、调度。此种模式适用于大规模的风电场。
2.3 风电网的软件构成 1.软件环境
操作站和服务器用的是软件环境一般使用的有LINUX ,微软的WIDOWS NT/XP 环境等。 2.支撑平台
SCADA 系统一般由数据库管理系统，网络管理系统，图形管理系统，报表管理系统，系统管理系统组成，各个系统完成各自的功能。
数据库管理系统一般具有以下功能：数据的快速存取,数据的组织,数据之间关系的建立,电网数据模型的建立，标准的访问接口。
网络管理系统要求网络通信以独立进程运行，以COM 接口方式与其它应用接口，它接收网络数据，送给数据需求方，其它应用把要求发送的数据提交给网络，由网络层负责发送。 图形管理系统提供功能丰富、操作方便的图形编辑器，通过图形制导录入数据的功能，可直观地通过图形上的设备，如风电机组、开关、变压器、母线等及其设备组，把相应的遥信、遥测及其它参数录入到数据库，还集成了地理信息系统和机组结构图监测的功能，系统管理系统主要包括安全管理、分布式网络管理、系统自诊断管理、定时任务管理等。
通讯标准由以前的各个厂家独立制定内部规约到统一的国际IEC 61400-25 的国标中来，实现风电场各个厂家的装置通讯更加方便[14-18]。
2.4 国内外著名风电企业综合监控系统组网 1. GH SCADAGH
GH SCADA 现场通讯网络基于MODBUS 工业标准协议，它可以在简单的网络上使用较快的TCP/IP 协议，运行在WIDOWS NT 上，软件系统使用标准开放接口（opc odbc 和网页技术）,所有的局域网和远程用户访问都通过用户访问和易远程访问的标准网络浏览器访问系统(IE Netscape Navigator)，每个风机和气象站，电网端都接有一个远程接口单元(RIU)，通过RIU 对本地设备进行处理和存储，然后通过光纤传输到远方监控机器上。
2.美国SECOND WIND 赛风公司
赛风公司通过有线，无线，光纤连接风机，气象站，变电站，和操作中心，赛风公司使用的是一个叫CTM(communicating turbine monitors)的监视器，放在风机里，气象站的操作建筑物里面，然后和变电站的数据采集器进行连接，它于灵敏RTU，数据记录，和高隔离通路为一身，完成当地的数据处理，并通过通讯协议上传至监控计算机上。
3. 南瑞NS2000W 风电场监控系统
NS2000W 风电场综合监控系统基于两层网络构成，包括站控层的计算机网络和间隔层交换机数据通信网络。站控层网络负责站控层各个工作站之间和来自间隔层的全部数据的传输和各种访问请求。其网络协议应符合国际标准化组织OSI 模型。硬件设备、数据链路用以太网构成，网络传送协议采用TCP/IP 网络协议，网络传输速率≥ 100Mb/s，站控层网络按双网配置[19]。 间隔层设备通过交换机与站控层以太网连接，其网络协议成熟可靠，符合网络标准。间隔层至站控层网络通讯介质采用光纤或双绞线连接，间隔层内采用屏蔽双绞线连接。
根据用户需求，主网可配置为双网结构，完成负荷平衡及热备用双重功能，在双网正常情况下，双网以负荷平衡工作，一旦其中一网络故障，另一网就完成接替全部通信负荷，保证实时系统的100%可靠性。
风电场通讯网络为光纤以太网，环网结构，根据风电场的规模和实际地理位置，综合考虑网络的可靠性和经济性，可将通讯网络划分为多个环网，每个环网包含10-20 台数量不等的风机。 监控系统通过防火墙与Internet 相连，操作员根据权限许可，从任意Internet 位置访问风电场监控系统，来自Internet 的远程监控和位于监控室的监控可具备相同的功能。根据需求系统也可提供Web 浏览服务功能，位于Internet 上的授权用户可以通过网页浏览风电场的实时和历史运行情况[20]。
风电场还具备GPS 系统，负责为风场内的各台风机以及各种测控保护设备提供统一的时钟校准服务。
4.总结
从 GH SCADA，美国SECOND WIND 赛风公司，南瑞NS2000W 风电场监控系统三个公司的组网可以看出，第一家和第三家使用的都是OSI 通讯模型，赛风公司使用的使自己的一套规约，没有兼容性。南瑞很好的集中了前两家的优点。能够很方便的通过Internet 远方访问风机信息，同时还可以直接通过RIU 访问风机的各种信息量。
3. 风电场监控的主要功能
根据 IEC61400-25 规约对风电场监控提出的要求 SCADA 的功能[21]分为几类： a. 测量类， b. 控制类，
c. 状态监视，故障监视，系统报警等，
d. 后台存储，绘制图，报表，计算处理和打印接口及权限设置等功能。 a. 测量类：
单个风电机组的信息，风电机组转子，传动链，发电机，变换器，变压器，舱室，偏航系统，塔架，气象站模拟量信息：
有功功率，无功功率，风速，风向，叶轮转速，电网频率，三相电压，三相电流，发电机绕组温度，环境温度，机舱温度，出力、风速等。 b. 控制类：
对风电机组所能进行起机、停机、测试、复位、偏航； 对变压器开关进行分与合，分接头进行升降停等操作。 c. 状态监视，故障监视，系统报警：
每台风机的当前状态（正常、风机故障、通讯故障），变压器分合状态。
系统报警：变位报警，越限报警，事故报警，通讯工况报警，系统本身告警，远程报警：手机邮件，等。
d. 后台存储，绘制图，报表，计算处理和打印接口及权限设置等功能： 后台储存：后台隔一定时间自动备份比传输到别处备份处。
绘制风电场风机分布图，功率分布曲线图，报表打印功能，后台通过采集的电流电压计算所需的量，还具备远程接口对每个风机和气象塔进行监视和维护，后台具备修改登陆系统权限等。 声音报警：当风机出现故障时，触发声音保警或语音保警，同时软件界面上有视觉警示标识．值班人员确认故障后，报警停止。
手机短信报警：当风机出现故障时，可以通过相应的网络，将故障信息发送到制定的手机上，目前需要CDMA 网络支持。
4. 风电场监控的高级功能
1．Shadow flicker风机的叶片会在一年的某个时候挡住居民家房子的阳光，影响他们的生活，故有一系统建模的shade-off 接口软件能够做出在某年的那个时候根据当局的时间限制和在低风速的时候将风机停机。
2. 计算风电场效益和发电量，它可以计算出你的设备应该发出的电量，让你与其实际真实的发电量做出比较（美国赛风）。
3. 监视航空障碍灯（在大多数现代的风机上）。 4. 状态监控(DAM clever farm SCADA)。
状态监控是对部件状态进行监控以及预测部件故障的先进技术。 实际操作中，有两种方式的状态监控:
一种方式是持续监控控制系统上的传感器，运行状态一旦变化，就进行报警。例如对齿轮箱的频率进行测量，并与原始频率相比较，频率发生变化就进行报警。故障在早期就可以被检测到。 另一种方式是周期性的对机器进行诊断，并与最近的测量结果相比较。利用这种方式可以发现故障的进程，但不如持续监控发现故障那样快。