新能源發(fā)電企業(yè)電力系統(tǒng)集控中心網絡規(guī)劃設計與研究

中電建新能源集團股份有限公司西南分公司 魏 威

某新能源發(fā)電企業(yè)是一家致力于綠色環(huán)保發(fā)展的技術型企業(yè)，現(xiàn)階段已經完成了一套完整的電力系統(tǒng)集控中心設計和網絡規(guī)劃的方案，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了堅實的基礎。隨著企業(yè)的發(fā)展，為了提升運營效率、增強運維管理能力，企業(yè)從多方面考慮，對電力系統(tǒng)集控中心進行了設計。

1 需求分析

提高風電場自動化水平。該企業(yè)傳統(tǒng)的風電場管理模式需要大量的人力投入，且存在運維人員在現(xiàn)場巡檢時存在安全隱患。通過集控中心的設計，可以實現(xiàn)無人值班或少人值守的管理模式，極大地減少了對人力資源的依賴，降低了管理成本。集控中心通過實時監(jiān)測和遠程控制風電場的設備，能夠及時發(fā)現(xiàn)設備故障或異常，并進行智能診斷和修復，提高了風電場的自動化水平和設備維修效率[1]。

提高風電場群的經濟效益。集控中心具備存儲各個風電場數據的能力，可以對數據進行集中分析和處理。通過數據挖掘技術進行橫向對比和綜合評定，可以制定更加合理有效的功率調控策略，提高風電場群的發(fā)電效率和經濟效益。同時，集控中心還可以對單個風電場的數據進行縱向對比和分析，幫助制定相應的措施方案，提高風能利用率，降低損失量，減少棄風棄能現(xiàn)象，從而增加風電集團的收益。

改善運維人員的工作特點。由于風電場多位于偏遠地區(qū)，傳統(tǒng)管理模式需要運維人員長時間駐扎在現(xiàn)場，存在較高的安全風險和人力物力投資消耗。通過集控中心的設計，可以實現(xiàn)對風電場的遠程監(jiān)測和控制，減少運維人員在現(xiàn)場的工作時間和頻率，改善運維人員的工作環(huán)境和條件，并大幅減少人力物力投資的消耗。

2 集控中心網絡設計

集控中心網絡設計所需要的硬件如下：數據庫服務器2臺、數據庫軟件1套、操作系統(tǒng)1套、操作站2臺、應用軟件1套、打印機1臺、數據處理裝置1套。

2.1 主集控網絡設計

風電場集控中心網絡的設計旨在確保數據的安全傳輸和集中管理。該網絡采用了主備雙網（A、B雙網）的雙網冗余架構。數據從風電場通過電力調度網接入到集控中心核心路由器，核心路由器作為網絡的核心節(jié)點，承擔著處理和轉發(fā)所有數據流量的任務。其具備高性能和可靠性，能夠快速、準確地將數據傳輸到目標設備。為了保障數據的機密性和完整性，集控中心網絡引入了數據加密裝置。數據加密裝置通過應用加密算法對數據進行處理，將其轉換為不可讀的密文，有效地防止數據被非法訪問和篡改。這種加密措施可以確保風電場數據在傳輸過程中的安全性。在核心路由器將數據傳輸到前置服務器之前，數據還需要經過前置交換機進行交換。

前置交換機起到橋梁的作用，連接核心路由器和前置服務器，并負責數據的分發(fā)和傳輸。其能夠根據數據的目標地址和協(xié)議類型，將數據正確地轉發(fā)給相應的前置服務器進行采集和處理。前置服務器是集控中心網絡的重要組成部分，負責采集、存儲和處理風電場的數據。這些數據包括IEC104報文數據，該協(xié)議是用于電力系統(tǒng)自動化與通信的一種標準協(xié)議。通過解析和處理IEC104報文，前置服務器能夠獲取風電場的狀態(tài)信息、設備運行數據等重要數據。為了提高網絡的容錯率和穩(wěn)定性，集控中心網絡采用了雙網冗余設計，即A網和B網作為主備網絡同時存在。

通過設置冗余網絡架構，當A網發(fā)生故障導致無法正常運行時，系統(tǒng)會自動切換到B網，并對故障的預計恢復時間進行測算[2]：RTO=FT-RTN，以確保集控中心的連續(xù)運行。其中：RTO為故障恢復時間，F(xiàn)T為故障發(fā)生的事件，RTN為系統(tǒng)恢復正常的時間，單位均為s。這種設計能夠有效地提高網絡的可用性和抗干擾能力，保證風電場數據的及時傳輸和集中管理。此外，在主集控網絡設計之后，要求其可用性進行測算：A=（OT/TT）×100%，其中：A代表可用性，用百分號（%）表示；OT為系統(tǒng)正常運行的時間，TT為總時間，二者的單位均為s。

2.2 遠程通信網絡設計

遠程通信網絡設計是為了實現(xiàn)集控中心與各風電場之間的數據傳輸和命令下達而進行的，首先，集控中心與各風電場之間的數據上傳和命令下達采用電力調度數據專用網。該專用網采用MPLS VPN技術，通過虛擬專用網絡通道來實現(xiàn)數據的安全傳輸。MPLS VPN技術具有高效、可靠和靈活的特點，其可以提供100Gbps的帶寬，每秒傳輸10GB的數據，能夠保證數據的準確性和完整性。為了確保數據傳輸的穩(wěn)定性和可靠性，遠程通信網絡設計采用了獨立且統(tǒng)一的數字通道，每個通道的帶寬為1Gbps，平均延遲為5ms。這些通道連接集控中心和各風電場，主要放置在距離最近的升壓站。通過獨立的數字通道，可以有效隔離不同風電場之間的數據傳輸，避免互相干擾。

其次，除了數字通道，網絡運營商的VPN通道也是遠程通信網絡的重要部分。通過VPN通道，多個風電場的生產信息可以上傳到集控中心。VPN通道作為另一座橋梁，能夠保證數據的安全傳輸和連接的穩(wěn)定性。同時，VPN通道還具備高帶寬和低延遲的特點，能夠滿足大量數據傳輸的需求。最后，在整個遠程通信網絡中，關鍵的設備主要包括電力調度數據專用網的路由器、數字通道的接入接出口和網絡運營商的VPN通道。這些設備通過相互配合，實現(xiàn)了集控中心與各風電場之間的數據傳輸和命令下達。此外，在遠程通信網絡設計中還需考慮網絡的安全性。采用防火墻、加密技術和訪問控制等措施，確保數據的機密性和完整性。同時，定期進行安全漏洞掃描和更新設備的安全補丁，提高網絡的抗攻擊和抗干擾能力[3]。

2.3 風電場側網絡設計

風電場側網絡設計的目標是實現(xiàn)風電場內各設備數據的采集和與集控中心之間的信息交換。在設計方案中，首先根據不同設備的數據采集需求，選擇合適的數據采集工具。對于升壓站、AGC/AVC、電能計量、測風塔數據以及箱變設備等，筆者采用南瑞遠動裝置進行數據采集，并將數據轉換為IEC104協(xié)議。而對于風電場內的風機數據采集，則使用OPC服務器，并將其轉化為IEC104協(xié)議。這樣的設計方案有利于保持數據格式的統(tǒng)一性，便于后續(xù)數據的傳輸和處理。

其次通過將風場數據網關服務器和遠動裝置連接到風電場側的交換機上，形成一個內部局域網（Ⅰ區(qū)）。然后，利用風電場的Ⅰ（Ⅱ）區(qū)路由器將數據傳輸到電力調度網并進入集控中心側的核心路由器。這樣的設計確保了風電場內部數據能夠快速、可靠地傳輸到集控中心，保證數據的及時性和準確性。

最后，為了保障風電場與集控中心之間的信息連接，需要安裝接入設備和安全通訊設備。接入設備用于實現(xiàn)網絡的連接和數據交換，以確保風電場與集控中心之間的通信暢通無阻。同時，安全通訊設備能夠加密傳輸數據，以防止數據被非法獲取和篡改，保障信息的安全性[4]。

在細節(jié)設計方面，對于數據采集工具的選擇，需要考慮各設備的特點和要求。南瑞遠動裝置和OPC服務器是目前在風電行業(yè)廣泛使用的成熟解決方案，能夠滿足不同設備的數據采集需求并轉換為IEC104協(xié)議，確保數據的標準化和兼容性。并且，局域網的建立對于風電場內部數據的傳輸至關重要。通過連接風場數據網關服務器和遠動裝置到交換機上，形成一個內部局域網，可以提供高速、穩(wěn)定的數據傳輸環(huán)境。

而風電場的Ⅰ（Ⅱ）區(qū)路由器則承擔起將數據傳輸到集控中心側的核心路由器的任務，確保數據的迅速到達。另外，為了確保信息的安全性和可靠性，需要考慮接入設備和安全通訊設備的部署。接入設備能夠提供網絡連接和數據交換的功能，使風電場與集控中心之間的通信暢通無阻。安全通訊設備則通過加密傳輸數據，防止數據被非法獲取和篡改，有效保護信息的機密性和完整性。

3 不足與建議

3.1 監(jiān)測和故障診斷的能力仍較弱

在集控中心網絡系統(tǒng)試運行階段，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測和診斷的過程存在滯后性，即延遲較大，可以用式L=RT-ST計算。其中：L代表網絡延遲，RT代表接收數據的時間，ST代表發(fā)送數據的時間，三者單位均為s。當網絡延遲過大時，如果問題需要立刻解決，則現(xiàn)狀系統(tǒng)難以對其進行處理。為了解決這一問題，可以引入網絡管理系統(tǒng)來監(jiān)測網絡設備的狀態(tài)和性能。網絡管理系統(tǒng)是一種用于管理、優(yōu)化和監(jiān)測網絡的軟件工具，其可以收集和分析關于網絡設備的信息，并提供實時監(jiān)測和故障診斷功能。

具體來說，在對網絡管理系統(tǒng)進行設計時：網絡管理系統(tǒng)應能夠實時監(jiān)測網絡設備的狀態(tài)，包括硬件健康狀況、連接狀態(tài)和資源利用率等。通過收集和分析這些數據，可以及時發(fā)現(xiàn)設備的故障或異常情況，從而采取相應的措施進行修復或替換；網絡管理系統(tǒng)應具備性能監(jiān)測和優(yōu)化功能，可以收集和分析網絡流量、延遲、丟包率等性能指標。這樣可以幫助識別性能瓶頸，并針對性地進行網絡優(yōu)化，提升網絡的傳輸效率和響應速度；網絡管理系統(tǒng)應具備故障診斷的能力，可以根據收集的設備狀態(tài)和性能信息，自動識別和定位故障的原因和位置。

3.2 安全性措施有待進一步加強

雖然該系統(tǒng)采取了防火墻、加密技術、訪問控制等措施，但是，如果缺乏動態(tài)性監(jiān)控的配合，則集控中心網絡整體的安全性仍需要加強。為此，為了綜合提升網絡的安全性，建議采用多層次的安全機制。入侵檢測系統(tǒng)（IDS）可以監(jiān)測和檢測網絡中的異?；顒雍凸粜袨?。IDS可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的威脅，并發(fā)送警報通知管理員采取相應的措施；其次，入侵防御系統(tǒng)（IPS）可以根據檢測到的攻擊行為自動阻止惡意流量，防止攻擊者獲取未授權的訪問權限。此外，還應定期進行數據備份，并建立完善的數據恢復機制，以確保在發(fā)生安全事件時能夠快速恢復正常運行。

3.3 系統(tǒng)整體缺乏靈活性

當前，設計方案缺少靈活性和擴展性，可能導致難以應對未來網絡規(guī)模擴大和新需求的變化。由于選用了傳統(tǒng)的分層架構，當需要增加更多的設備或用戶時，可能需要進行大規(guī)模的更改和重建，這將帶來高昂的成本和復雜的操作。并且，可能導致資源分配不平衡的問題。例如，某些區(qū)域或應用程序可能需要更多的帶寬或存儲資源，但由于網絡設計的限制，無法實現(xiàn)靈活的資源分配。為此，可以采用軟件定義網絡（SDN）：SDN可以將網絡控制平面與數據轉發(fā)平面分離，通過集中式的控制器進行網絡管理和配置。這種架構可以實現(xiàn)靈活的網絡編程和資源調度，提高網絡的可擴展性。

通過SDN，管理員可以根據需求對網絡進行動態(tài)調整，快速提供新的服務。同時，采用虛擬化技術可以將物理資源抽象為虛擬資源，實現(xiàn)資源的彈性分配和共享。例如，使用虛擬局域網（VLAN）可以在現(xiàn)有網絡基礎設施上創(chuàng)建邏輯隔離的網絡，以滿足不同部門或應用程序的需求。另外，可以將一部分計算和存儲任務從集控中心轉移到云端或邊緣設備上，可以提高網絡的靈活性和可擴展性。同時，這還能夠減輕集控中心的負載壓力，并降低網絡延遲。

通過本研究，實施新能源發(fā)電企業(yè)電力系統(tǒng)集控中心網絡規(guī)劃能夠有效提升風電場的自動化水平、經濟效益和運維人員的工作特點。主集控網絡、遠程通信網絡和風電場側網絡的設計將有助于改善系統(tǒng)的監(jiān)測和故障診斷能力，加強安全性措施，并提高系統(tǒng)的靈活性。這將進一步提高新能源發(fā)電企業(yè)電力系統(tǒng)的運行效率和經濟效益，促進新能源發(fā)電產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。然而，需要注意的是，監(jiān)測和故障診斷能力仍較弱、安全性措施有待加強以及整體缺乏靈活性等問題，應予以關注和改進。