基于广域网的分散式风电信息采集与监测技术研究

胡晓光+吴军+付杰

摘要：根据分散式风电场SCADA系统的设计原则和技术要求构建系统框架，研究信息集成技术、数据传输技术、大容量数据存储技术。基于广域网的分散式信息采集与监测系统，通过重组广域网技术采集电场现场信息，给出分散式风电场运行状态，为电网运行与调度提供数据支持。

关键词：监测技术；信息采集；分散式風电；广域网

中图分类号：TP311；TM935 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）07-0033-03

1 分散式风电场SCADA系统研究背景

1.1 分散式风电在风电中的重要地位

我国是全球风力资源最丰富的国家，但风力资源和化石能源的分布基本重合，大的风电基地基本集中在西部和西北部经济欠发达地区，而非电力负荷中心。加之这些地区拥有丰富的煤炭资源，导致风电消纳成为难题，“弃风”现象频发。

目前，我国分散式风电大多分布在边远海岛、牧区等电网无法覆盖地区，大规模分散式风电利用尚未启动。从国外的相关经验来看，发展分散式风电的关键是政策和管理，而我国缺乏对大型风电设备和上网的扶持政策。早在20个世纪80年代，一些发达国家就在发展大型风电的过程中大力推广分散式风电，除免费赠送风机设备外，还以优惠价格收购风电上网。

风电开发形成的大规模风电站群可发挥风电资源优势，确定新风力发电发展方向。采用分散式风力发电与集中式风力发电并重的手段，可解决全国范围内风资源利用率低、风力发电初始费用大、部分区域供电量不足、远距离输电电能损耗大等问题，对风力发电技术发展具有深远影响。

1.2 开发分散式风电SACAD系统的意义

在分散式风电场中，风电机组分布面积广、数量多，且远离监控中心、工作环境恶劣。远程监视和控制风力发电机运行状态，对确保风电场安全、可靠、经济运行至关重要。在此情况下，研发功能完善、性能稳定、远程集中监控的分散式风电SCADA系统具有重要意义。

与其他SCADA系统相比，分散式风电场SCADA系统存在以下技术难点：

1） 风机监控系统信息集成问题。国内外的风机生产厂家多达几十家，各生产厂家的监控系统均独立运行，风电场监控技术和通信规约互不兼容，导致与远程SCADA系统通信困难。另外，不同厂商的监控系统数据格式不同，与远程SCADA系统进行信息共享、集成、交互困难。

2） 数据传输问题。在分散式风电场中，风电机组分布面积广、数量多，与本地SCADA系统的短程通信存在困难。系统对数据传输的实时性、可靠性及安全性要求较高，而现场通信设备落后，导致本地SCADA系统与远程SCADA系统通信困难。

3） 数据存储问题。每台风机信息点所保存的信息量非常大（主流风机提供的信息点数达上百甚至上千个），而远程监控中心需要管理4～6个风电场甚至更多，这使得监控中心接收和处理的数据量达万数量级。同时，分散式风电远程监控系统还要为上层的监控、统计、分析、管理等高级应用提供数据支撑，这使得大数据存取问题尤为突出。

2 分散式风电场SCADA系统研究设计依据

在电力系统中，SCADA监控系统应用广泛，技术也较成熟。监控系统用以对运行设备进行监视和控制，完成数据采集、设备控制、测量、参数调节、事故报警等工作。SCADA监控系统通过提供完整的信息，使工作人员及时了解风电系统运行状态，快速诊断系统故障，提高生产效率。目前，维斯塔斯、金风、华锐等风电机组供应商均为自产风电机组提供配套监控系统，但这些监控系统一般只适用于特定机型，通用性较差。为此，国内外的多家公司致力于第三方监控系统开发，如丹麦瑞思国家实验室于2003年开发的CleverFarm系统，英国GarradHassan公司的GHSCADA系统、Vestas Online系统，美国赛风公司的Second-WIND-ADMS系统，美国卓越通讯的监控系统，国电南瑞的NS2000W系统等。

3 分散式风电场SCADA系统设计规范和技术要求

按照“统一平台、统一标准、统一设计、统一开发”的原则，根据统一风电站集中监控中心主站系统的技术及功能标准，基于调度、生产、安监等专业统一操作平台，开发设计SACAD系统。

SACAD系统体层结构如图1所示。

4 分散式风电场SCADA系统总体框架

4.1 系统硬件框架

分散式风电场风的电机群分散、单机容量小，因此，开发管理多个风场综合监控系统时，对数据传输的实时性及安全性有严格要求。系统利用ZigBee无线网络和4G无线网络技术解决远程数据传输问题，即：利用ZigBee无线传感网络采集现场运行数据，并通过4G高速网络将数据实时上传到监控中心。监控系统的物理架构图如图2所示。

风电场监控系统分为3层：由VPN（虚拟专用网络）与远程监控系统组成系统顶层；由风电场场级中央监控系统与场级Zigbee和3G无线网络组成场级监控层；由风力发电机组、相关风电设备等组成数据采集获取基础层。

系统采用B/S（浏览器/服务器）架构，允许多用户访问，且用户可在任一台与局域网连接的用户端通过标准网络浏览器访问系统。远程用户登录VPN（虚拟专用网络）客户端后，可以WEB形式访问系统用户界面。通过在公共网络上搭建私有VPN（虚拟专用网络），确保风场私有数据的安全。各通讯节点配置防火墙。

风电场内的每台风电机均对应1个ZigBee节点。发电机组主控PLC和在线状态监测传感器均可采集风机信号。传感器的SPI接口与ZigBee终端节点相连，通过ZigBee协议将采集信号发送到协调器。协调器是整个ZigBee网络的管理员，负责管理ZigBee终端节点与3G无线模块的通讯。所有信号通过USB接口经3G网络上传到风电场中央监控系统，供工作人员分析和查询。endprint

4.2 系统软件架构

系统软件框架由4层组成：数据采集传输层、数据存储管理层、数据应用支撑层、SCADA系统综合应用层。数据采集层位于系统的最低层，由采集模块、采集管理模块、数据传输模块组成，负责采集发电机PLC数据、发电机机组在线状态传感器数据和测风塔数据。数据存储管理层由实时数据库、数据存储管理和基础数据数据库构成，通过统一数据访问接口与数据应用支撑层进行数据交换。数据应用支撑层由应用开发工具、报表/图表工具、多语言工具、风功率预测/无功率调节服务、故障报警服务、数据分写服务及数据管理服务构成。SCADA系统综合应用层包括实时监控、故障报警、风功率预测、无功率调节等功能模块。风电远程监控的数据流程见图3。

5 结语

采用电力专线通讯方式通信和IEC870-5-104协议，基于锦州智能电网调度技术支持系统D5000基础平台，利用风电场侧风机监控系统、升压站监控系统采集数据。地方调度D5000从SCADA（监视控制和数据采集）获得白石风电PCC（公共连接点）的电压、电流、有功、无功等数据。根据分散式风电场SCADA系统的设计原则及技术要求构建系统总体框架，利用SCADA系统设计软件架构，探讨信息集成技术、数据传输技术、大容量数据存储问题。基于广域网的分散式信息采集与监测系统，利用重组广域网技术采集分散式风电场现场信息，并对海量信息进行融合处理，给出分散式风电场运行状态，为电网运行与调度提供数据支持。

参考文献

[1] 王炳艳.基于AP技术风力发电机数据采集系统研究[J].科技经济市场，2015（11）：5.

[2] 李月芳，梁瑞宇.一种分布式风力機信息采集和状态监测系统的设计[J].电子器件，2016（05）：1 270-1 274.

[3] 朱曼莉.基于ZigBee的风电齿轮箱状态监测信息采集系统[D].兰州：兰州理工大学，2014.

[4] 毛冬.大数据下风电机组发电机故障预警方法的研究[D].北京：华北电力大学，2016.

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