風(fēng)電場風(fēng)機操控系統(tǒng)優(yōu)化改造

國電甘肅新能源有限公司 裴 凱

某風(fēng)場機裝機容量20.1MW，選用國內(nèi)知名品牌風(fēng)機，單機容量1.5MW，共安裝134臺風(fēng)機?？刂葡到y(tǒng)選用2期風(fēng)機廠家自帶的操控系統(tǒng)，該系統(tǒng)自風(fēng)機投運以來性能相對穩(wěn)定，前期能夠基本滿足該風(fēng)場的風(fēng)機控制需求。但隨著時間推移及風(fēng)機數(shù)據(jù)量的增加、運行環(huán)境影響及設(shè)備老化的顯現(xiàn)，造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)、冗余數(shù)據(jù)過多而儲存空間過小，控制系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生崩潰使得風(fēng)機失聯(lián)無法控制，直接威脅到風(fēng)場風(fēng)機設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

目前風(fēng)機控制系統(tǒng)除監(jiān)控風(fēng)機運行以外，還需接入風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)。隨著電網(wǎng)“兩個細則”出臺，對風(fēng)功率可用功率偏差等要求的不斷提高和考核的加重，該風(fēng)場在2019年內(nèi)多次被調(diào)度“兩個細則”考核。經(jīng)排查分析具體原因是：風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)可用功率偏差太大，不滿足省調(diào)可用電量的日準確率應(yīng)不小于97%要求；風(fēng)機控制系統(tǒng)崩潰致使風(fēng)機運行數(shù)據(jù)無法及時轉(zhuǎn)發(fā)有直接關(guān)系。因此，經(jīng)與該風(fēng)場技術(shù)人員反復(fù)深入分析和研究，現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集考證，提出多種解決方案，并對方案可行性進行論證，最終確定本方案。

1 系統(tǒng)技改前的情況

“兩個細則”可用功率考核情況分析可知，1月、7月、10月該風(fēng)場可用功率考核明顯高于區(qū)域平均水平。經(jīng)查閱歷史記錄一期風(fēng)機控制系統(tǒng)于2019年1月數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)生第一次系統(tǒng)崩潰，二期風(fēng)機控制系統(tǒng)于2019年7月數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)生第一次系統(tǒng)崩潰，一期風(fēng)機控制系統(tǒng)于2019年10月數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)生第二次系統(tǒng)崩潰。究其原因，當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)生系統(tǒng)崩潰時使得風(fēng)機后臺服務(wù)器運行的控制風(fēng)機軟件無法運行，同時給預(yù)測服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的風(fēng)機開機容量、機頭風(fēng)速等信息均無法轉(zhuǎn)發(fā)，致使風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)不能及時更新風(fēng)機實時數(shù)據(jù)，使可用功率計算結(jié)果發(fā)生較大的偏差，使該風(fēng)場當(dāng)月在可用功率考核上蒙受巨大的經(jīng)濟損失。

當(dāng)一期風(fēng)機數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)生系統(tǒng)崩潰時，風(fēng)機數(shù)據(jù)服務(wù)器所屬的本期67臺風(fēng)機數(shù)據(jù)均無法生產(chǎn)、儲存、轉(zhuǎn)發(fā)，使風(fēng)機控制服務(wù)器的服務(wù)不能正常運行。當(dāng)風(fēng)機控制服務(wù)器發(fā)生系統(tǒng)崩潰時，風(fēng)機控制服務(wù)器所屬的本期67臺風(fēng)機均無法控制啟停風(fēng)機和采集風(fēng)機狀態(tài)、轉(zhuǎn)發(fā)風(fēng)機實時數(shù)據(jù)。當(dāng)風(fēng)機操作員站發(fā)生系統(tǒng)崩潰時，風(fēng)機操作員站所屬的本期67臺風(fēng)機均無法監(jiān)視、控制、轉(zhuǎn)發(fā)和歸檔風(fēng)機實時數(shù)據(jù)，直接威脅風(fēng)電場安全穩(wěn)定運行。

綜上，風(fēng)機操控系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定運行至關(guān)重要。該風(fēng)場有134臺風(fēng)機，配置2期風(fēng)機控制系統(tǒng)，上述設(shè)備共計6套，由于目前已運行6年有余，而隨著控制系統(tǒng)設(shè)備老化、冗余數(shù)據(jù)量極大，加之早期設(shè)備性能及其有限，系統(tǒng)可靠性較低。該風(fēng)場風(fēng)機操作控制系統(tǒng)目前經(jīng)常發(fā)生崩潰，以致影響到風(fēng)場的安全運行和風(fēng)場經(jīng)濟效益，改造該風(fēng)場風(fēng)機控制模式勢在必行。

2 風(fēng)機制造廠家提供的技改方案

隨著計算機技術(shù)不斷的高速發(fā)展，該風(fēng)場運行的原風(fēng)機廠家的風(fēng)機操作控制系統(tǒng)由于驅(qū)動缺少、軟件不兼容的問題已無法安裝在目前制造的服務(wù)器上。所以需要更換第三方公司開發(fā)的操作控制平臺與原系統(tǒng)有效兼容，實現(xiàn)操作控制系統(tǒng)的虛擬兼容。

所需物料：風(fēng)電機組，中控室設(shè)備分兩期監(jiān)控，共六套硬件及兩套軟件；軟件備份：統(tǒng)計現(xiàn)場操作控制軟件備份所有原有數(shù)據(jù)，其中著重備份風(fēng)機點表、第三方傳輸點表、備份數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)；根據(jù)業(yè)主需求，拆除舊設(shè)備，安裝新設(shè)備、系統(tǒng)及軟件、遷移歷史數(shù)據(jù)并調(diào)通設(shè)備。

所需服務(wù)器硬件配置。CPU：INTEL Xeon Silver 4114@2.20GHz；內(nèi)存：32GB DDR4；系統(tǒng)硬盤：2×512GB SSD；存儲硬盤：4×4TB 3.5寸SAS 12Gbps 7200RPM；操作員站配置尺寸：普通PC機；CPU：INTEL I5-7500@3.40GHz；主板：B250主板（LGA1151插槽類型）；內(nèi)存：8GB DDR4；硬盤：1TB 7200RPM。此項目不包含兩期的能量管理平臺。軟件平臺：某公司“1.5MW風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)”。方案存在問題分析如下。

2.1 費用昂貴

以1.5MW風(fēng)機25臺為例，1.5MW風(fēng)機監(jiān)控授權(quán)費用需要30萬左右，具體計算為：1.5MW風(fēng)機監(jiān)控授權(quán)為按點表授權(quán)，通過風(fēng)機需采集、控制的數(shù)據(jù)點位個數(shù)收取系統(tǒng)授權(quán)費用。單臺1.5MW風(fēng)機數(shù)據(jù)點位約1800余個為簡化計算記為1800個。1800×25=4.5萬個數(shù)據(jù)點。某公司提供3萬點、5萬點、10萬點3種規(guī)格的點表且單張點表最大風(fēng)機數(shù)不超過70臺，意味著單期風(fēng)機最多不超過70臺。

以1.5MW風(fēng)機67臺為例，單臺1.5MW風(fēng)機數(shù)據(jù)點位約1400余個，為簡化計算記為1400個，1400×67=9.3萬個數(shù)據(jù)點。該風(fēng)場兩期共計134臺風(fēng)機，按照上述要求需要某公司兩個10萬點的授權(quán)。光系統(tǒng)授權(quán)費用將近百萬。還有設(shè)備費材料費45萬，費用遠超該風(fēng)場項目預(yù)算40萬。且此項目不包含兩期的能量管理平臺，技改仍需另行收費。

2.2 設(shè)備配置較為基礎(chǔ)、拓展性不強

風(fēng)機廠家提供的設(shè)備配置一般。設(shè)備配置服務(wù)器核心為CPU：INTEL Xeon Silver 4114 2.2GHz，主頻一般；運行內(nèi)存32GB，系統(tǒng)硬盤512GB、數(shù)據(jù)硬盤4TB，空間一般；工作站主板配置B250，平臺相對落后；七代CPU：INTEL I5-7500，相對落后；8G內(nèi)存、1T硬盤，空間有限。隨著計算機行業(yè)的高速發(fā)展，以2019年計算機行業(yè)的平均配置水平來看，此供貨單所列設(shè)備屬中下水平，近幾年后仍存在設(shè)備性能不足的問題，以后該風(fēng)場的系統(tǒng)技改項目還需軟件升級，系統(tǒng)資源不足的情況更是雪上加霜。系統(tǒng)資源也不足，無法開展多級熱備等高級應(yīng)用，系統(tǒng)可靠性不能得到額外的提升。

2.3 風(fēng)機廠家提供的技改清單，不包括能量管理平臺的改造

僅對服務(wù)器進行升級，原能量管理平臺設(shè)備性能無法保證，遠期存在諸多風(fēng)險，與電網(wǎng)的設(shè)備性能要求存在較大差距，無法滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場站精確化控制的要求，將面臨加重“兩個細則”考核的風(fēng)險。

3 技改方案

在對設(shè)備現(xiàn)狀深入探討及市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，經(jīng)大膽探索，依據(jù)計算機控制理論及發(fā)展，通過對本行業(yè)最新發(fā)展動態(tài)的導(dǎo)向理解，綜合各大設(shè)備廠商的技術(shù)能力，創(chuàng)新的提出基于虛化平臺+集中儲存的風(fēng)機控制系統(tǒng)解決方案。該方案在整個雙饋風(fēng)力發(fā)電機組各類容量的風(fēng)機平臺內(nèi)均未出現(xiàn)過，該風(fēng)場是中國第一家提出并實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機使用此方案的風(fēng)場。

3.1 虛擬化的應(yīng)用簡介

通過把現(xiàn)有的物理系統(tǒng)整合到虛擬構(gòu)架的數(shù)據(jù)中心上去，降低了的硬件投資和后期維護費用。將空閑的系統(tǒng)資源有機整合提升了系統(tǒng)的運作效率。

整合基礎(chǔ)服務(wù)器：運行基礎(chǔ)應(yīng)用的設(shè)備大多數(shù)是基于Intel構(gòu)架，基礎(chǔ)應(yīng)用有文件、打印、網(wǎng)頁、防火墻、NAT/DHCP應(yīng)用等。雖然大多數(shù)運行基礎(chǔ)應(yīng)用的設(shè)備的系統(tǒng)資源占用率通常為10～15%，但由于設(shè)備安全和兼容性方面的問題，導(dǎo)致必須指定不同的物理平臺來運行它們。設(shè)備管理、主機加固等保測評將花去大量的時間和費用。另外，為服務(wù)器服務(wù)的衍生設(shè)備將導(dǎo)致電力供應(yīng)和散熱方面的成本上升。因為較低的服務(wù)器資源利用率，基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)器首選作為虛擬化和相關(guān)整合的對象。虛擬化降低了企業(yè)的投資、運作成本。

在服務(wù)器管理方面也做出了重大改進，如：添加集中儲存池、集中控制套件、萬兆光網(wǎng)。移動全部系統(tǒng)磁盤到集中儲存池，配置雙機災(zāi)備，大大提升了系統(tǒng)可靠性。變更了原系統(tǒng)的組網(wǎng)方式，通過雙路光網(wǎng)有效降低了系統(tǒng)傳輸延時，為風(fēng)電機組在故障穿越時提供了更加可靠的通訊支撐，確保集控系統(tǒng)能夠在故障穿越時及時發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。預(yù)制了系統(tǒng)軟件及點表大大縮短了系統(tǒng)部署時間，僅半天即可完成系統(tǒng)遷移，有效降低了風(fēng)電場非停時間。完成部署后，制備了系統(tǒng)鏡像，如系統(tǒng)運行期間發(fā)生任何問題，重置過程僅需3分鐘，基于雙機災(zāi)備系統(tǒng)支撐，重置后當(dāng)天運行數(shù)據(jù)亦能得到保全。設(shè)備故障狀態(tài)下，減少了恢復(fù)時間、更少冗余設(shè)備的情況下，提升了可靠性。

有了虛擬化，系統(tǒng)管理員能在運行重要應(yīng)用的實體機和同等配置的虛擬機上創(chuàng)建集群。在待機狀態(tài)下，虛擬機并不消耗計算機資源，并且能以非常高的比例整合到一個或幾個實體平臺上去。企業(yè)無須在硬件投資、運維和加固上投入多倍的人力和物力，從而實現(xiàn)高可用性。冗余的方式將由2N變?yōu)镹+1。

圖1 虛擬化方案拓撲圖

主機與磁盤整列通過冗余萬兆光纖網(wǎng)絡(luò)連接，從而保證了傳輸速率和可靠性。而通過動態(tài)磁盤池技術(shù)會將raid的熱備空間打散到所有硬盤內(nèi)，這樣就可以保證在重建的時候所有硬盤可以同時參與重建，從而大大加快重建的速度。

3.2 硬件配置

服務(wù)器：采用Intel C622芯片組，2×Intel Xeon Silver 4215R 8C 130W 3.2GHz的雙處理器，64GB TruDDR4 2666 MHz，2×600GB 10K 12Gbps SAS 2.5"G4HS，RAID 530-8i PCIe Adapter，1GbE RJ45 4網(wǎng)絡(luò)端口，1×Emulex 16Gb FC Dual-port HBA，2×ThinkSystem 750W(230/115V)電源，支持ASHARE A4標準。

磁盤整列：冗余雙控制器架構(gòu)，控制器為雙活工作模式。實配雙控制器，控制器內(nèi)配置ASIC架構(gòu)專用RAID計算芯片，可支持FC、iSCSI、SAS協(xié)議，16G緩存，7×1.2TB 10K HDD，4×16Gb FC含模塊。

工控機：采用IPC-610L/AIMB-786/I7 9700/8G/1T×2/DVD/KM+2口網(wǎng)卡。以2019年計算機行業(yè)的平均配置水平來看，此供貨單所列設(shè)備屬上游水平，數(shù)年內(nèi)不存在設(shè)備性能不足的問題。在實際設(shè)備運行結(jié)果表明，基礎(chǔ)應(yīng)用所占算力僅為總算力的1%。以后該風(fēng)場的技改項目，如數(shù)據(jù)直采、快頻改造項目需要升級控制軟件，由于本系統(tǒng)資源充足，均不需要升級配置。

3.3 系統(tǒng)HA集群

多臺設(shè)備組成的集合就稱為集群，集群的目的就是將單臺設(shè)備的負擔(dān)分配到多臺設(shè)備上從而提升算力，或是當(dāng)運行某一個服務(wù)的物理設(shè)備出現(xiàn)故障時，讓另一臺或多臺設(shè)備繼續(xù)接手這些服務(wù)。如：VMware vSphere中，將多臺物理服務(wù)器組成一個集群，在這個集群中某臺物理服務(wù)器出現(xiàn)故障時，這臺服務(wù)器上運行的虛擬機可自動遷移到其他可用的物理服務(wù)器上，保障業(yè)務(wù)的不間斷運行。集群中所有的虛擬機均可在儲存池所掛任意主機上自由遷移，并且集群可做到快速擴容和HA故障冗余；所以集群是服務(wù)器虛擬化通往數(shù)據(jù)中心的必備功能。

該風(fēng)場系統(tǒng)使用了的HA集群。因為該種集群設(shè)計專用于意外故障切換，當(dāng)監(jiān)控到集群中有主機意外故障時，會自動在其他主機上運行故障主機在故障之前所運行的全部業(yè)務(wù)，切換過程可以做到無縫銜接。該風(fēng)場的服務(wù)器配置的形式為N+2，即單一臺物理機故障可用的繼承主機還有兩臺，相當(dāng)于三級熱備，大大提升了可靠性。

3.4 技改總結(jié)

該項改造費用約48余萬元，由于虛化系統(tǒng)兼容性極佳，可繼續(xù)使用風(fēng)場現(xiàn)役的已購買的風(fēng)機控制系統(tǒng)，不需對風(fēng)機控制系統(tǒng)點表重新授權(quán)，節(jié)約了近百萬元的授權(quán)費用。且本次改造硬件性能較高，使得本方案極具性價比，開創(chuàng)了聯(lián)合動力早期投運風(fēng)機控制系統(tǒng)的平價技改先河，而且由于相同算力下與純物理系統(tǒng)相比所需的硬件及其附件設(shè)備數(shù)量更少，投資更低、更易維護。

本次技改所需的集群系統(tǒng)為主流的服務(wù)器級的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核，安全系數(shù)更高、主機加固效果更好、更易通過等保測評，運維成本大大降低。主機及其附屬設(shè)備更少、更加節(jié)能，有效的降低了系統(tǒng)運行成本。后續(xù)的技改工作亦可在本系統(tǒng)上進行，大大提升系統(tǒng)的拓展性，且單一設(shè)備升級、維護、退備其他設(shè)備仍可繼續(xù)運行其業(yè)務(wù)，大大提升了系統(tǒng)的可靠性。

該項目于2020年6月完成調(diào)試驗收，經(jīng)該風(fēng)場運行4個多月，整體表現(xiàn)良好，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，徹底解決數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)生系統(tǒng)崩潰問題，各項數(shù)據(jù)傳輸正常，達到了立項目的。