基于廣域網(wǎng)的分散式風(fēng)電信息采集與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

胡曉光+吳軍+付杰

摘要：根據(jù)分散式風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和技術(shù)要求構(gòu)建系統(tǒng)框架，研究信息集成技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)?；趶V域網(wǎng)的分散式信息采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過重組廣域網(wǎng)技術(shù)采集電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)信息，給出分散式風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，為電網(wǎng)運(yùn)行與調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)技術(shù)；信息采集；分散式風(fēng)電；廣域網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP311；TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）07-0033-03

1 分散式風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)研究背景

1.1 分散式風(fēng)電在風(fēng)電中的重要地位

我國(guó)是全球風(fēng)力資源最豐富的國(guó)家，但風(fēng)力資源和化石能源的分布基本重合，大的風(fēng)電基地基本集中在西部和西北部經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，而非電力負(fù)荷中心。加之這些地區(qū)擁有豐富的煤炭資源，導(dǎo)致風(fēng)電消納成為難題，“棄風(fēng)”現(xiàn)象頻發(fā)。

目前，我國(guó)分散式風(fēng)電大多分布在邊遠(yuǎn)海島、牧區(qū)等電網(wǎng)無法覆蓋地區(qū)，大規(guī)模分散式風(fēng)電利用尚未啟動(dòng)。從國(guó)外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來看，發(fā)展分散式風(fēng)電的關(guān)鍵是政策和管理，而我國(guó)缺乏對(duì)大型風(fēng)電設(shè)備和上網(wǎng)的扶持政策。早在20個(gè)世紀(jì)80年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家就在發(fā)展大型風(fēng)電的過程中大力推廣分散式風(fēng)電，除免費(fèi)贈(zèng)送風(fēng)機(jī)設(shè)備外，還以優(yōu)惠價(jià)格收購風(fēng)電上網(wǎng)。

風(fēng)電開發(fā)形成的大規(guī)模風(fēng)電站群可發(fā)揮風(fēng)電資源優(yōu)勢(shì)，確定新風(fēng)力發(fā)電發(fā)展方向。采用分散式風(fēng)力發(fā)電與集中式風(fēng)力發(fā)電并重的手段，可解決全國(guó)范圍內(nèi)風(fēng)資源利用率低、風(fēng)力發(fā)電初始費(fèi)用大、部分區(qū)域供電量不足、遠(yuǎn)距離輸電電能損耗大等問題，對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。

1.2 開發(fā)分散式風(fēng)電SACAD系統(tǒng)的意義

在分散式風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)電機(jī)組分布面積廣、數(shù)量多，且遠(yuǎn)離監(jiān)控中心、工作環(huán)境惡劣。遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)確保風(fēng)電場(chǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。在此情況下，研發(fā)功能完善、性能穩(wěn)定、遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的分散式風(fēng)電SCADA系統(tǒng)具有重要意義。

與其他SCADA系統(tǒng)相比，分散式風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1） 風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)信息集成問題。國(guó)內(nèi)外的風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家多達(dá)幾十家，各生產(chǎn)廠家的監(jiān)控系統(tǒng)均獨(dú)立運(yùn)行，風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控技術(shù)和通信規(guī)約互不兼容，導(dǎo)致與遠(yuǎn)程SCADA系統(tǒng)通信困難。另外，不同廠商的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式不同，與遠(yuǎn)程SCADA系統(tǒng)進(jìn)行信息共享、集成、交互困難。

2） 數(shù)據(jù)傳輸問題。在分散式風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)電機(jī)組分布面積廣、數(shù)量多，與本地SCADA系統(tǒng)的短程通信存在困難。系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性及安全性要求較高，而現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備落后，導(dǎo)致本地SCADA系統(tǒng)與遠(yuǎn)程SCADA系統(tǒng)通信困難。

3） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題。每臺(tái)風(fēng)機(jī)信息點(diǎn)所保存的信息量非常大（主流風(fēng)機(jī)提供的信息點(diǎn)數(shù)達(dá)上百甚至上千個(gè)），而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心需要管理4～6個(gè)風(fēng)電場(chǎng)甚至更多，這使得監(jiān)控中心接收和處理的數(shù)據(jù)量達(dá)萬數(shù)量級(jí)。同時(shí)，分散式風(fēng)電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還要為上層的監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)、分析、管理等高級(jí)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，這使得大數(shù)據(jù)存取問題尤為突出。

2 分散式風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)依據(jù)

在電力系統(tǒng)中，SCADA監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，技術(shù)也較成熟。監(jiān)控系統(tǒng)用以對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，完成數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)、事故報(bào)警等工作。SCADA監(jiān)控系統(tǒng)通過提供完整的信息，使工作人員及時(shí)了解風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，快速診斷系統(tǒng)故障，提高生產(chǎn)效率。目前，維斯塔斯、金風(fēng)、華銳等風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商均為自產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組提供配套監(jiān)控系統(tǒng)，但這些監(jiān)控系統(tǒng)一般只適用于特定機(jī)型，通用性較差。為此，國(guó)內(nèi)外的多家公司致力于第三方監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)，如丹麥瑞思國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2003年開發(fā)的CleverFarm系統(tǒng)，英國(guó)GarradHassan公司的GHSCADA系統(tǒng)、Vestas Online系統(tǒng)，美國(guó)賽風(fēng)公司的Second-WIND-ADMS系統(tǒng)，美國(guó)卓越通訊的監(jiān)控系統(tǒng)，國(guó)電南瑞的NS2000W系統(tǒng)等。

3 分散式風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)要求

按照“統(tǒng)一平臺(tái)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一開發(fā)”的原則，根據(jù)統(tǒng)一風(fēng)電站集中監(jiān)控中心主站系統(tǒng)的技術(shù)及功能標(biāo)準(zhǔn)，基于調(diào)度、生產(chǎn)、安監(jiān)等專業(yè)統(tǒng)一操作平臺(tái)，開發(fā)設(shè)計(jì)SACAD系統(tǒng)。

SACAD系統(tǒng)體層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 分散式風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)總體框架

4.1 系統(tǒng)硬件框架

分散式風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)的電機(jī)群分散、單機(jī)容量小，因此，開發(fā)管理多個(gè)風(fēng)場(chǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性及安全性有嚴(yán)格要求。系統(tǒng)利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和4G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問題，即：利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過4G高速網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心。監(jiān)控系統(tǒng)的物理架構(gòu)圖如圖2所示。

風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)分為3層：由VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成系統(tǒng)頂層；由風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)級(jí)中央監(jiān)控系統(tǒng)與場(chǎng)級(jí)Zigbee和3G無線網(wǎng)絡(luò)組成場(chǎng)級(jí)監(jiān)控層；由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、相關(guān)風(fēng)電設(shè)備等組成數(shù)據(jù)采集獲取基礎(chǔ)層。

系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，允許多用戶訪問，且用戶可在任一臺(tái)與局域網(wǎng)連接的用戶端通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問系統(tǒng)。遠(yuǎn)程用戶登錄VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）客戶端后，可以WEB形式訪問系統(tǒng)用戶界面。通過在公共網(wǎng)絡(luò)上搭建私有VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)），確保風(fēng)場(chǎng)私有數(shù)據(jù)的安全。各通訊節(jié)點(diǎn)配置防火墻。

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的每臺(tái)風(fēng)電機(jī)均對(duì)應(yīng)1個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)。發(fā)電機(jī)組主控PLC和在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器均可采集風(fēng)機(jī)信號(hào)。傳感器的SPI接口與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)相連，通過ZigBee協(xié)議將采集信號(hào)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理員，負(fù)責(zé)管理ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與3G無線模塊的通訊。所有信號(hào)通過USB接口經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)上傳到風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控系統(tǒng)，供工作人員分析和查詢。endprint

4.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件框架由4層組成：數(shù)據(jù)采集傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理層、數(shù)據(jù)應(yīng)用支撐層、SCADA系統(tǒng)綜合應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集層位于系統(tǒng)的最低層，由采集模塊、采集管理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，負(fù)責(zé)采集發(fā)電機(jī)PLC數(shù)據(jù)、發(fā)電機(jī)機(jī)組在線狀態(tài)傳感器數(shù)據(jù)和測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理層由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口與數(shù)據(jù)應(yīng)用支撐層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)應(yīng)用支撐層由應(yīng)用開發(fā)工具、報(bào)表/圖表工具、多語言工具、風(fēng)功率預(yù)測(cè)/無功率調(diào)節(jié)服務(wù)、故障報(bào)警服務(wù)、數(shù)據(jù)分寫服務(wù)及數(shù)據(jù)管理服務(wù)構(gòu)成。SCADA系統(tǒng)綜合應(yīng)用層包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警、風(fēng)功率預(yù)測(cè)、無功率調(diào)節(jié)等功能模塊。風(fēng)電遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)流程見圖3。

5 結(jié)語

采用電力專線通訊方式通信和IEC870-5-104協(xié)議，基于錦州智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)D5000基礎(chǔ)平臺(tái)，利用風(fēng)電場(chǎng)側(cè)風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、升壓站監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。地方調(diào)度D5000從SCADA（監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集）獲得白石風(fēng)電PCC（公共連接點(diǎn)）的電壓、電流、有功、無功等數(shù)據(jù)。根據(jù)分散式風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及技術(shù)要求構(gòu)建系統(tǒng)總體框架，利用SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)，探討信息集成技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題?；趶V域網(wǎng)的分散式信息采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用重組廣域網(wǎng)技術(shù)采集分散式風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)信息，并對(duì)海量信息進(jìn)行融合處理，給出分散式風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，為電網(wǎng)運(yùn)行與調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。

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Abstract： System framework was built according to design principle and technical requirement of ACADA system in distributed wind powder plant， so as to study technology of information integration， data transmission technology and storage technology for large volume data. Distributed information collection and monitoring system based on WAN describes the operating state of distributed wind powder plant by recombing distributed wind powder information based on WAN， in order to provie reference for power grid operating and scheduling.

Key words： monitoring technology； information collection； distributed wind electricity； WANendprint