周少平 郝敏 熊濤

摘要：針對風電場各機組廠家提供的SCADA系統(tǒng)協(xié)議不統(tǒng)一，風電場監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，電網(wǎng)對風電場運行提出的新功能需求等問題，提出基于統(tǒng)一平臺的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)的整套解決方案，在此基礎(chǔ)上探討風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)應具備的特殊功能。

關(guān)鍵詞：風電場；監(jiān)控系統(tǒng)；SCADA系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)拓撲

2014年，全國風電產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持強勁增長勢頭，全年風電新增裝機容量1981萬千瓦，新增裝機容量創(chuàng)歷史新高，累計并網(wǎng)裝機容量達到9637萬千瓦，占全部發(fā)電裝機容量的7%，占全球風電裝機的27%。隨著風電行業(yè)的迅猛發(fā)展，風電機組國產(chǎn)化率不斷提高，風機控制系統(tǒng)方面國內(nèi)幾大風電機組廠家也做了大量的國產(chǎn)化工作，但是由于國內(nèi)還沒有針對風電場出臺相關(guān)的規(guī)約標準，能參照的只有IEC61400-25，國內(nèi)廠家實現(xiàn)的較少[1]，造成不同機組廠家監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備信息模型不統(tǒng)一，不同機組廠家提供的SCADA系統(tǒng)兼容性差，協(xié)調(diào)運行困難。近幾年來，全國各地電網(wǎng)根據(jù)自身情況對風電場運行控制提出了更高的要求，要求風電場具備有功調(diào)、無功電壓調(diào)節(jié)，夜間無功輸出等功能，作為風電場內(nèi)調(diào)度運行控制中心的中央監(jiān)控系統(tǒng)成為風電場調(diào)度控制亟需解決的關(guān)鍵問題。

1、風電場監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段風電場內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)主要基于升壓站綜合自動化系統(tǒng)、風機機組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)兩個監(jiān)控平臺構(gòu)建，各自完成各自對象的監(jiān)控，兩者獨立運行，中間通過通信的方式完成信息的交互。其拓撲圖如下圖：

圖1 風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)框圖

風機機組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)一般都機組廠

家成套提供，單獨組建系統(tǒng)，主要負責風力發(fā)電機組的數(shù)據(jù)采集和控制，其由每臺機組現(xiàn)地控制單元、服務器、監(jiān)控后臺組成，每臺現(xiàn)地控制單元收集風電機組各個部件的實時信息，如偏航、變漿、齒輪箱、變流器等[2]，通過組建光纖環(huán)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)送至控制室的數(shù)據(jù)采集服務器?，F(xiàn)階段國內(nèi)風機機組廠家風機SCADA系統(tǒng)內(nèi)部通信接口大多數(shù)基于OPC。

升壓站綜合自動化系統(tǒng)（以下簡稱綜自系統(tǒng)）主要由保護裝置廠家提供，主要負責升壓站內(nèi)的一二次設(shè)備測量及控制，其控制邏輯上可劃分為控層設(shè)備和間隔層設(shè)備[3]，站控層主要由系統(tǒng)服務器、網(wǎng)絡(luò)單元、遠動設(shè)備組成，以統(tǒng)一信息平臺管理間隔層的智能設(shè)備。間隔層設(shè)備面向?qū)ο笤O(shè)計，負責對電氣設(shè)備的智能化，通過網(wǎng)絡(luò)的方式將信息送至綜自系統(tǒng)。遠動設(shè)備負責將風電場的信息上傳給調(diào)度部門。通信協(xié)議方面，綜自廠家內(nèi)部基本采用IEC60870-105-103。

綜自系統(tǒng)與機組SCADA系統(tǒng)由于由不同設(shè)備產(chǎn)商提供，各自都有獨立的平臺，獨立完成對設(shè)備的監(jiān)控。兩個平臺之間接口規(guī)范不統(tǒng)一，綜自系統(tǒng)與風機SCADA系統(tǒng)通信需要通過規(guī)約轉(zhuǎn)換進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，才能讀取風電機組的控制及實時數(shù)據(jù)信息，達到控制風電機組的目的，而無法直接訪問機組現(xiàn)地控制單元采集風電機組信息，這種數(shù)據(jù)獲取方式不滿足調(diào)度自動化信息直調(diào)直送，直采直送的要求。且風機SCADA系統(tǒng)服務器基本上采用單套配置，通過單臺規(guī)約轉(zhuǎn)換器與綜自系統(tǒng)相連，冗余度差，可靠性無法保證。

如果一個風電場采用不同風機廠家的機組，由于各個機組廠家協(xié)議不統(tǒng)一，將會配置多套機組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，導致風電場運行人員必須學習使用不同廠家的監(jiān)控系統(tǒng)，給運行維護增加難度，增加了維護成本[4]。

2、統(tǒng)一平臺中央監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)

監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式根據(jù)風電場內(nèi)設(shè)備布置情況確定。升壓站內(nèi)設(shè)備由于比較集中，可采用綜合自動化設(shè)備的組網(wǎng)方式，綜合考慮可靠性，站控層采用雙網(wǎng)星型組網(wǎng)。

風電機組由于比較分散，特別是南方山地風電場，風機距離升壓站控制室可能有10多km，風電機組監(jiān)控系統(tǒng)需采用光纖傳輸，為了提高可靠性，一般采用光纖環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)方式，隨匯集的集電線路架設(shè)自承式光纜，每回集電線路組建一回光纖環(huán)網(wǎng)。為了解決風電機側(cè)組網(wǎng)冗余度差的問題，通過在中控室增加一臺接入交換機，改變中控室的交換機的連接方式，以實現(xiàn)冗余的目的，如圖2所示，兩臺中控室內(nèi)SCADA系統(tǒng)的接入交換機與每回集電線路的中控制環(huán)網(wǎng)交換機用網(wǎng)線相連，環(huán)網(wǎng)交換機之間相連，但SCADA接入交換機之間不連，這樣就避免接入交換機與環(huán)網(wǎng)交換機之間形成環(huán)路，造成網(wǎng)絡(luò)風暴[5]?？紤]現(xiàn)階段風機機組主控的協(xié)議與站控層不一致，中間增加了規(guī)約轉(zhuǎn)換器作為過渡方案。

圖2 風電機組組網(wǎng)圖

2.2 中央監(jiān)控系統(tǒng)拓撲

統(tǒng)一平臺中央監(jiān)控系統(tǒng)將機組SCADA與綜合自動化系統(tǒng)合并到一個平臺，其拓撲結(jié)構(gòu)主要框架在綜合自動化系統(tǒng)上建立，如圖3所示，將風機現(xiàn)地LCU、升壓站內(nèi)保護、測控裝置等作為間隔層設(shè)備。在風機機艙現(xiàn)地設(shè)置LCU現(xiàn)地控制單元，完成風電機組現(xiàn)地測控單元的功能；升壓站內(nèi)的保護測控裝置根據(jù)面向?qū)ο笤O(shè)置，每個單元的保護測控裝置通過以太網(wǎng)與站控層主交換機相連。站控層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集服務器，雙機冗余配置，帶有歷史數(shù)據(jù)庫管理、實時數(shù)據(jù)庫管理功能，數(shù)據(jù)庫采用大型的數(shù)據(jù)庫SQL SERVER或者Oracle，完成風電機組-箱變單元、升壓站內(nèi)保護測控裝置的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計、處理，并儲存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫；設(shè)置一臺應用程序服務器，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)，AGC/AVC控制系統(tǒng)，五防系統(tǒng)的程序運行。操作員工作站完成升壓站電氣設(shè)備、風機及其部件的人機交互顯示、告警，以及操作命令的下發(fā)操作；報表生成等工作。

圖3 統(tǒng)一平臺中央監(jiān)控系統(tǒng)框圖

建立統(tǒng)一平臺的中央監(jiān)控系統(tǒng)，關(guān)鍵問題主要為機組廠家的現(xiàn)地控制單元通信規(guī)約不統(tǒng)一及設(shè)備信息建模的不規(guī)范。解決通信規(guī)約不統(tǒng)一的問題，可通過規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備，將不同廠家的通信規(guī)約如MODBUS TCP、OPC等轉(zhuǎn)換為站控層統(tǒng)一的103標準接口協(xié)議。設(shè)備信息的建模不規(guī)范主要是機組廠家有自己內(nèi)部的私有數(shù)據(jù)信息，如各個機組廠家有自內(nèi)私有的保護信息狀態(tài)碼，這需要機組廠家執(zhí)行IEC61400-25的通信規(guī)約建立風機監(jiān)控信息模型[6]，在現(xiàn)階段機組廠家執(zhí)行61400-25通信協(xié)議不是很徹底的情況下，通過對機組廠家建立不同的數(shù)據(jù)庫來作為過渡方案。

2.3二次安全防護要求

風電場監(jiān)控系統(tǒng)除了中央監(jiān)控系統(tǒng)外，還專門配置了風功率預測系統(tǒng)、風電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)、運行管理系統(tǒng)。

根據(jù)《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護總體方案》關(guān)于風電場監(jiān)控系統(tǒng)安全分區(qū)表，中央監(jiān)控系統(tǒng)為控制區(qū)（安全I區(qū)）；功率預測系統(tǒng)、風電機組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)在非控制區(qū)（安全II區(qū)），而功率預測的數(shù)字氣象服務器在管理信息大區(qū)（安全III區(qū)）。根據(jù)邊界安全防護要求，安全I區(qū)與II區(qū)之間應采用硬件防火墻隔離，實現(xiàn)邏輯隔離、報文過濾、訪問控制等功能，如圖3所示，中央監(jiān)控系統(tǒng)與風功率預測系統(tǒng)、風電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)之間部署硬件防火墻；生產(chǎn)控制大區(qū)（安全I區(qū)與II區(qū)）與管理信息大區(qū)之間通信應當部署電力專用橫向單向安全隔離裝置，數(shù)值氣象服務器與風功率預測系統(tǒng)之間部署了反向隔離裝置。控制區(qū)與運行管理系統(tǒng)之間部署正向隔離裝置。

3、中央監(jiān)系統(tǒng)的特殊功能分析

1、與電網(wǎng)調(diào)度部門的信息交互：中央監(jiān)控系統(tǒng)直接采集風機的所有監(jiān)控信息，并通過遠動通信裝置上送至調(diào)度部門，取代傳統(tǒng)的風機SCADA系統(tǒng)收集風機信息，后轉(zhuǎn)給綜自系統(tǒng)，然后上傳調(diào)度部門的方式。減少了中間環(huán)節(jié)，提高信息上送調(diào)度的效率、可靠性。

2、有功控制功能：中央監(jiān)控系統(tǒng)嵌入有功控制功能模塊，手動/自動可自由切換，控制風電場的有功輸出，使得風電場出力滿足調(diào)度部門下達的負荷要求。

3、無功控制功能：能接收調(diào)度部門AVC主站系統(tǒng)下發(fā)的全廠控制目標（電廠高壓母線電壓、全廠總無功等），按照控制策略（電壓曲線、恒母線電壓、恒無功），通過合理分配給每臺風力發(fā)電機組，并設(shè)定動態(tài)無功補償裝置的最優(yōu)工作點，達到全廠目標控制值，實現(xiàn)全廠的電壓無功自動控制。中央監(jiān)控系統(tǒng)無功控制模塊應能靈活配置風電機組、動態(tài)無功補償裝置作為無功輸出的優(yōu)先級：若風機提供有功、無功解耦控制功能，即滿發(fā)時，風電機組仍有一定的無功輸出能力，則以風機無功輸出為主要調(diào)節(jié)手段，動態(tài)無功補償裝置為備用調(diào)節(jié)；若風機不提供有功、無功解耦功能，則以動態(tài)無功補償裝置無功輸出為主要調(diào)節(jié)手段。

4大數(shù)據(jù)分析功能：風速統(tǒng)計及其周期性變化趨勢分析，為運維工作時間安排提供依據(jù)；功率曲線分析，能對運行的風機進行橫向比較，找出可能存在不易被發(fā)現(xiàn)的問題情況，如測風儀故障，及時解決隱性故障，避免發(fā)電量的持續(xù)損失；

5在線故障智能診斷、檢修計劃安排功能，通過采集風機振動監(jiān)測系統(tǒng)信息、風機各溫度傳感器，綜合判斷機組的故障狀態(tài)，提前告警，方便安排運行檢修。

4、結(jié)論

從國內(nèi)風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀出發(fā)，提出了基于統(tǒng)一平臺的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式及拓撲結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)階段存在的關(guān)鍵問題及難點給出了初步解決方案，并從電網(wǎng)調(diào)度部門、風電場運行維護方面考慮，提出了中央監(jiān)控系統(tǒng)應具備的特殊功能，供監(jiān)控系統(tǒng)廠家參考。

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作者簡介；

周少平（1985.12-），男，四川成都人，碩士，工程師，單位：中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，研究方向：新能源發(fā)電，聯(lián)系地址：四川省成都市浣花北路1號，郵編：610000 電話：13408533737

郝敏（1974.2-），男，四川成都人，本科，高級工程師，單位：中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，研究方向：新能源發(fā)電。

熊濤（1977.10-）男，四川成都人，本科，高級工程師，單位：中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，研究方向：新能源發(fā)電。