基于西門子WinCC_OA的風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

文 | 喬孟磊，韋永清

基于西門子WinCC_OA的風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

文 | 喬孟磊，韋永清

大型風(fēng)電機(jī)組常安裝于偏僻邊遠(yuǎn)的地區(qū)，如丘陵、草原、近海、戈壁灘和山區(qū)，當(dāng)?shù)赝鶜夂驉毫樱h(huán)境復(fù)雜，且風(fēng)電機(jī)組分布面積較大。一個標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)電場一般擁有風(fēng)電機(jī)組幾十臺至幾百臺不等，并且每臺風(fēng)電機(jī)組都有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，機(jī)組的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和運行發(fā)電過程涉及到材料、機(jī)械、電氣、空氣動力、流體等學(xué)科，因此，如何來監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組的運行情況顯得非常重要。風(fēng)電場SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)實現(xiàn)了對風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)獨立控制、多機(jī)群控和遙控等遠(yuǎn)程監(jiān)控和實時報警功能，完全可以做到無人值守，安全運行，保護(hù)措施也更加完善。

本系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)電場的需求，結(jié)合IEC（International Electrotechnical Commission）中對風(fēng)電場的設(shè)計要求，從結(jié)構(gòu)、功能和特點三個方面介紹了SCADA系統(tǒng)，并通過該系統(tǒng)在風(fēng)電場的實際應(yīng)用舉例，證明了該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、高效的特性，完全能夠滿足風(fēng)電場運行、維護(hù)的需要。

風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

SCADA系統(tǒng)是以西門子WinCC_ OA為開發(fā)環(huán)境，以計算機(jī)為運行環(huán)境的生產(chǎn)過程控制，可以實現(xiàn)對風(fēng)電場機(jī)組的監(jiān)控、報表、故障報警提醒和

一、服務(wù)器結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用類似冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)中的服務(wù)器分配不同的功能，從而保證了系統(tǒng)更高的可靠性。項目服務(wù)器的主要功能是實時采集風(fēng)電機(jī)組的運行數(shù)據(jù)，把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過程序內(nèi)部的處理，在監(jiān)控畫面上直觀地顯示風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)和變量變化。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的主要功能是把項目風(fēng)電機(jī)組的運行數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)操作人員需要顯示趨勢圖時，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器會把數(shù)據(jù)處理完成后顯示在監(jiān)控畫面上。轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的主要功能是作為中轉(zhuǎn)服務(wù)器，把風(fēng)電機(jī)組的運行數(shù)據(jù)通過協(xié)商好的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給第三方廠家或者設(shè)備。如圖1中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是通過轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器獲取風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)。

二、客戶端結(jié)構(gòu)

客戶端主要包括兩個UI（User Interface）監(jiān)控畫面和一個手機(jī)客戶端畫面，三個畫面相互獨立，可以放置在風(fēng)電場的不同位置。客戶端與服務(wù)器之間建立一條數(shù)據(jù)交換的通道，從而使得客戶端可以向服務(wù)器發(fā)送指令，控制服務(wù)器完成特定的工作，客戶端只是負(fù)責(zé)發(fā)送指令和顯示SCADA系統(tǒng)界面，當(dāng)操作人員需要查看風(fēng)電機(jī)組的運行數(shù)據(jù)和操作風(fēng)電機(jī)組時，只需要對客戶端進(jìn)行操作即可完成所需功能。客戶端結(jié)構(gòu)中還支持手機(jī)客戶趨勢等功能。

風(fēng)電場的裝機(jī)容量越大，對該地區(qū)的電力系統(tǒng)的影響也越大，電力系統(tǒng)為了保證其電網(wǎng)的穩(wěn)定性和長久性，需要對其電網(wǎng)下的風(fēng)電場進(jìn)行監(jiān)視與控制。風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電量不僅需要能滿足電網(wǎng)對電量的要求，還要按照電網(wǎng)的要求進(jìn)行投產(chǎn)或者停產(chǎn)，故風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)應(yīng)具備以下技術(shù)特點：

（一）遠(yuǎn)距離通信能力強(qiáng)。由于機(jī)組與機(jī)組、機(jī)組與主控中心的距離比較遠(yuǎn)，需要使用通信能力強(qiáng)的介質(zhì)來確保相互之間通信的穩(wěn)定性和實時性。

（二）可靠性高。系統(tǒng)所采集、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和下發(fā)的控制命令要具有高的可靠性，對保證機(jī)組正常運行具有至關(guān)重要的作用。

（三）實時性強(qiáng)。由于風(fēng)電機(jī)組受自然條件影響較大，需要能迅速地按照電力調(diào)度的要求進(jìn)行投產(chǎn)和停產(chǎn)。

（四）經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)通過接受電網(wǎng)調(diào)度的指令，并合理地利用風(fēng)能資源從而提高風(fēng)電場的發(fā)電量。系統(tǒng)的報警功能能在設(shè)備出現(xiàn)故障前及時提醒操作人員，減少了因設(shè)備出現(xiàn)問題而帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

風(fēng)電場SCADA軟硬件系統(tǒng)分為項目客戶端、項目服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、遠(yuǎn)程遙控客戶端五個部分。端功能，當(dāng)操作人員通過手機(jī)用戶登錄并連接到服務(wù)器時就能操作服務(wù)器，方便操作，人員不在主控中心時也能監(jiān)視和操作風(fēng)電機(jī)組。

三、風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

風(fēng)電場SCADA監(jiān)控系統(tǒng)一般包括下位機(jī)（塔底機(jī)組控制器）、通信線路、光纖交換機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、上位服務(wù)器和客戶端等部分，由于風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組和主控中心的距離都較遠(yuǎn)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，需選用傳輸距離較遠(yuǎn)的通信介質(zhì)光纖。服務(wù)器與客戶端之間屬于主控中心內(nèi)部局域網(wǎng)，選擇通信性較高的網(wǎng)線即可。

上位機(jī)與下位機(jī)之間的實時數(shù)據(jù)采集通信機(jī)制是利用TCP/IP協(xié)議通過千兆局域網(wǎng)絡(luò)采集機(jī)組部件的實時模擬量和數(shù)字量等信息。下位機(jī)中的程序內(nèi)置轉(zhuǎn)發(fā)程序，把需要轉(zhuǎn)發(fā)的變量放置在一個DB塊中，并定義好相應(yīng)的地址，上位機(jī)通過相對應(yīng)的地址讀取變量。上位機(jī)與下位機(jī)的歷史數(shù)據(jù)采用文本文件機(jī)制，下位機(jī)把機(jī)組運行數(shù)據(jù)存儲在一定格式的文本文件中，上位機(jī)固定時間或者手動操作來讀取下位機(jī)存儲的文本文件。然后把讀取到的文本文件解析出來并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

圖1　風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2　風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)客戶端運行圖

風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)功能

風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)對單個風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)控，還要能實現(xiàn)對全場的運行信息統(tǒng)計分析、記錄操作人員日志和顯示報警故障信息的功能。

一、全場運行信息

該部分是對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，主要包括：平均風(fēng)速、全場總有功功率、運行臺數(shù)、停機(jī)臺數(shù)、通信中斷臺數(shù)、日發(fā)電量、月發(fā)電量和年發(fā)電量等。

二、單臺運行信息

單臺運行信息不僅要滿足對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，還要滿足能對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。實時數(shù)據(jù)監(jiān)控可為風(fēng)電機(jī)組運行或者待機(jī)時的參數(shù)和報警故障提醒。歷史數(shù)據(jù)主要包括：功率曲線、風(fēng)玫瑰圖、5分鐘運行記錄、故障記錄、狀態(tài)記錄。

（一）功率曲線。按照IEC61400－12標(biāo)準(zhǔn)的定義，在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計過程中，需要對風(fēng)電機(jī)組的性能進(jìn)行評估和對功率曲線進(jìn)行設(shè)計仿真，這樣得到的功率曲線為理論功率曲線或設(shè)計功率曲線。測試功率曲線為機(jī)組的動態(tài)功率曲線，對風(fēng)電機(jī)組的功率曲線進(jìn)行測試是一個比較復(fù)雜的過程，需要對機(jī)組進(jìn)行長期的觀察和記錄。記錄的數(shù)據(jù)包括連續(xù)10mins平均風(fēng)速計平均功率、大氣壓力、空氣密度以及環(huán)境溫度、地形等，然后換算成標(biāo)準(zhǔn)條件下的環(huán)境值，對測試得到的功率值進(jìn)行修正，并把風(fēng)速換算成輪轂高度處的值，再對修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和處理，最后繪制出功率曲線。

（二）風(fēng)玫瑰圖。根據(jù)塔底控制器對風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在極坐標(biāo)底圖上點繪出的某一地區(qū)在某一時間段內(nèi)各個風(fēng)向出現(xiàn)的頻率或者各風(fēng)向的平均風(fēng)速的統(tǒng)計圖，圖形類似玫瑰花朵，故叫風(fēng)玫瑰圖。把360°的極坐標(biāo)底圖按每30°分為12個區(qū)間，每個區(qū)間顯示這個區(qū)間內(nèi)的風(fēng)向頻率、平均風(fēng)速、平均功率和機(jī)艙位置。

（三）5分鐘運行記錄。需要能記錄影響機(jī)組運行和發(fā)電量變量的5分鐘平均值、5分鐘最大值、5分鐘最小值和5分鐘標(biāo)準(zhǔn)差。并在曲線上繪制出圖形。方便對機(jī)組的運行情況進(jìn)行分析。

（四）故障記錄。故障代碼是風(fēng)電機(jī)組運行時發(fā)生故障產(chǎn)生的故障信息，故障記錄能記錄風(fēng)電機(jī)組發(fā)生過的故障代碼名稱、激活故障時間、復(fù)位故障時間、故障持續(xù)時間以及故障發(fā)生的次數(shù)。

（五）狀態(tài)記錄。詳細(xì)記錄風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)變化，例如偏航的啟動時間和結(jié)束時間、風(fēng)電機(jī)組的開始發(fā)電時間和開始等風(fēng)時間等。能夠一目了然地掌握風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)變化過程。

（六）操作記錄。能記錄下風(fēng)電機(jī)組在運行期間人為的操作，包括操作的名稱、操作時間。操作有實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、啟機(jī)、停機(jī)、復(fù)位、安全褲復(fù)位和服務(wù)模式的激活等。

（七）報表。報表中變量包括：發(fā)電量、有功耗電量、運行時間、發(fā)電時間、故障時間和服務(wù)時間等，其中一種報表為SCADA系統(tǒng)自動生成，系統(tǒng)能夠每日、每月、每年自動生成全場及單臺風(fēng)電機(jī)組的日、月和年報表。另外一種為手動生成報表，操作人員可以手動選擇時間段生成該時間段的運行報表。

圖3　風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)功率曲線模擬圖

圖4　風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)風(fēng)玫瑰模擬圖

圖5　風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)5分鐘記錄模擬圖

結(jié)語

目前傳統(tǒng)的發(fā)電行業(yè)帶來發(fā)電量的同時也帶來了環(huán)境污染，而風(fēng)電作為新能源行業(yè)，帶來發(fā)電量時無污染，國家正大力發(fā)展風(fēng)電行業(yè)，而風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)是風(fēng)電行業(yè)中一項重要的技術(shù)，它幫助用戶管理、控制、監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組的運行數(shù)據(jù)，可以保證風(fēng)電場內(nèi)的全部風(fēng)電機(jī)組安全、高效的運行，給風(fēng)電場帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時也帶了來社會效益。

（作者單位：沈陽華創(chuàng)風(fēng)能有限公司）