风电场风机操控系统优化改造

国电甘肃新能源有限公司 裴 凯

某风场机装机容量20.1MW，选用国内知名品牌风机，单机容量1.5MW，共安装134台风机。控制系统选用2期风机厂家自带的操控系统，该系统自风机投运以来性能相对稳定，前期能够基本满足该风场的风机控制需求。但随着时间推移及风机数据量的增加、运行环境影响及设备老化的显现，造成系统数据、冗余数据过多而储存空间过小，控制系统经常发生崩溃使得风机失联无法控制，直接威胁到风场风机设备安全稳定运行。

目前风机控制系统除监控风机运行以外，还需接入风功率预测系统。随着电网“两个细则”出台，对风功率可用功率偏差等要求的不断提高和考核的加重，该风场在2019年内多次被调度“两个细则”考核。经排查分析具体原因是：风功率预测系统可用功率偏差太大，不满足省调可用电量的日准确率应不小于97%要求；风机控制系统崩溃致使风机运行数据无法及时转发有直接关系。因此，经与该风场技术人员反复深入分析和研究，现场数据收集考证，提出多种解决方案，并对方案可行性进行论证，最终确定本方案。

1 系统技改前的情况

“两个细则”可用功率考核情况分析可知，1月、7月、10月该风场可用功率考核明显高于区域平均水平。经查阅历史记录一期风机控制系统于2019年1月数据服务器发生第一次系统崩溃，二期风机控制系统于2019年7月数据服务器发生第一次系统崩溃，一期风机控制系统于2019年10月数据服务器发生第二次系统崩溃。究其原因，当数据服务器发生系统崩溃时使得风机后台服务器运行的控制风机软件无法运行，同时给预测服务器转发的风机开机容量、机头风速等信息均无法转发，致使风功率预测系统不能及时更新风机实时数据，使可用功率计算结果发生较大的偏差，使该风场当月在可用功率考核上蒙受巨大的经济损失。

当一期风机数据服务器发生系统崩溃时，风机数据服务器所属的本期67台风机数据均无法生产、储存、转发，使风机控制服务器的服务不能正常运行。当风机控制服务器发生系统崩溃时，风机控制服务器所属的本期67台风机均无法控制启停风机和采集风机状态、转发风机实时数据。当风机操作员站发生系统崩溃时，风机操作员站所属的本期67台风机均无法监视、控制、转发和归档风机实时数据，直接威胁风电场安全稳定运行。

综上，风机操控系统能否连续稳定运行至关重要。该风场有134台风机，配置2期风机控制系统，上述设备共计6套，由于目前已运行6年有余，而随着控制系统设备老化、冗余数据量极大，加之早期设备性能及其有限，系统可靠性较低。该风场风机操作控制系统目前经常发生崩溃，以致影响到风场的安全运行和风场经济效益，改造该风场风机控制模式势在必行。

2 风机制造厂家提供的技改方案

随着计算机技术不断的高速发展，该风场运行的原风机厂家的风机操作控制系统由于驱动缺少、软件不兼容的问题已无法安装在目前制造的服务器上。所以需要更换第三方公司开发的操作控制平台与原系统有效兼容，实现操作控制系统的虚拟兼容。

所需物料：风电机组，中控室设备分两期监控，共六套硬件及两套软件；软件备份：统计现场操作控制软件备份所有原有数据，其中着重备份风机点表、第三方传输点表、备份数据库和历史数据；根据业主需求，拆除旧设备，安装新设备、系统及软件、迁移历史数据并调通设备。

所需服务器硬件配置。CPU：INTEL Xeon Silver 4114@2.20GHz；内存：32GB DDR4；系统硬盘：2×512GB SSD；存储硬盘：4×4TB 3.5寸SAS 12Gbps 7200RPM；操作员站配置尺寸：普通PC机；CPU：INTEL I5-7500@3.40GHz；主板：B250主板（LGA1151插槽类型）；内存：8GB DDR4；硬盘：1TB 7200RPM。此项目不包含两期的能量管理平台。软件平台：某公司“1.5MW风机监控系统”。方案存在问题分析如下。

2.1 费用昂贵

以1.5MW风机25台为例，1.5MW风机监控授权费用需要30万左右，具体计算为：1.5MW风机监控授权为按点表授权，通过风机需采集、控制的数据点位个数收取系统授权费用。单台1.5MW风机数据点位约1800余个为简化计算记为1800个。1800×25=4.5万个数据点。某公司提供3万点、5万点、10万点3种规格的点表且单张点表最大风机数不超过70台，意味着单期风机最多不超过70台。

以1.5MW风机67台为例，单台1.5MW风机数据点位约1400余个，为简化计算记为1400个，1400×67=9.3万个数据点。该风场两期共计134台风机，按照上述要求需要某公司两个10万点的授权。光系统授权费用将近百万。还有设备费材料费45万，费用远超该风场项目预算40万。且此项目不包含两期的能量管理平台，技改仍需另行收费。

2.2 设备配置较为基础、拓展性不强

风机厂家提供的设备配置一般。设备配置服务器核心为CPU：INTEL Xeon Silver 4114 2.2GHz，主频一般；运行内存32GB，系统硬盘512GB、数据硬盘4TB，空间一般；工作站主板配置B250，平台相对落后；七代CPU：INTEL I5-7500，相对落后；8G内存、1T硬盘，空间有限。随着计算机行业的高速发展，以2019年计算机行业的平均配置水平来看，此供货单所列设备属中下水平，近几年后仍存在设备性能不足的问题，以后该风场的系统技改项目还需软件升级，系统资源不足的情况更是雪上加霜。系统资源也不足，无法开展多级热备等高级应用，系统可靠性不能得到额外的提升。

2.3 风机厂家提供的技改清单，不包括能量管理平台的改造

仅对服务器进行升级，原能量管理平台设备性能无法保证，远期存在诸多风险，与电网的设备性能要求存在较大差距，无法满足电网对风电场站精确化控制的要求，将面临加重“两个细则”考核的风险。

3 技改方案

在对设备现状深入探讨及市场调研的基础上，经大胆探索，依据计算机控制理论及发展，通过对本行业最新发展动态的导向理解，综合各大设备厂商的技术能力，创新的提出基于虚化平台+集中储存的风机控制系统解决方案。该方案在整个双馈风力发电机组各类容量的风机平台内均未出现过，该风场是中国第一家提出并实现双馈风力发电机使用此方案的风场。

3.1 虚拟化的应用简介

通过把现有的物理系统整合到虚拟构架的数据中心上去，降低了的硬件投资和后期维护费用。将空闲的系统资源有机整合提升了系统的运作效率。

整合基础服务器：运行基础应用的设备大多数是基于Intel构架，基础应用有文件、打印、网页、防火墙、NAT/DHCP应用等。虽然大多数运行基础应用的设备的系统资源占用率通常为10～15%，但由于设备安全和兼容性方面的问题，导致必须指定不同的物理平台来运行它们。设备管理、主机加固等保测评将花去大量的时间和费用。另外，为服务器服务的衍生设备将导致电力供应和散热方面的成本上升。因为较低的服务器资源利用率，基础应用服务器首选作为虚拟化和相关整合的对象。虚拟化降低了企业的投资、运作成本。

在服务器管理方面也做出了重大改进，如：添加集中储存池、集中控制套件、万兆光网。移动全部系统磁盘到集中储存池，配置双机灾备，大大提升了系统可靠性。变更了原系统的组网方式，通过双路光网有效降低了系统传输延时，为风电机组在故障穿越时提供了更加可靠的通讯支撑，确保集控系统能够在故障穿越时及时发挥调节作用。预制了系统软件及点表大大缩短了系统部署时间，仅半天即可完成系统迁移，有效降低了风电场非停时间。完成部署后，制备了系统镜像，如系统运行期间发生任何问题，重置过程仅需3分钟，基于双机灾备系统支撑，重置后当天运行数据亦能得到保全。设备故障状态下，减少了恢复时间、更少冗余设备的情况下，提升了可靠性。

有了虚拟化，系统管理员能在运行重要应用的实体机和同等配置的虚拟机上创建集群。在待机状态下，虚拟机并不消耗计算机资源，并且能以非常高的比例整合到一个或几个实体平台上去。企业无须在硬件投资、运维和加固上投入多倍的人力和物力，从而实现高可用性。冗余的方式将由2N变为N+1。

图1 虚拟化方案拓扑图

主机与磁盘整列通过冗余万兆光纤网络连接，从而保证了传输速率和可靠性。而通过动态磁盘池技术会将raid的热备空间打散到所有硬盘内，这样就可以保证在重建的时候所有硬盘可以同时参与重建，从而大大加快重建的速度。

3.2 硬件配置

服务器：采用Intel C622芯片组，2×Intel Xeon Silver 4215R 8C 130W 3.2GHz的双处理器，64GB TruDDR4 2666 MHz，2×600GB 10K 12Gbps SAS 2.5"G4HS，RAID 530-8i PCIe Adapter，1GbE RJ45 4网络端口，1×Emulex 16Gb FC Dual-port HBA，2×ThinkSystem 750W(230/115V)电源，支持ASHARE A4标准。

磁盘整列：冗余双控制器架构，控制器为双活工作模式。实配双控制器，控制器内配置ASIC架构专用RAID计算芯片，可支持FC、iSCSI、SAS协议，16G缓存，7×1.2TB 10K HDD，4×16Gb FC含模块。

工控机：采用IPC-610L/AIMB-786/I7 9700/8G/1T×2/DVD/KM+2口网卡。以2019年计算机行业的平均配置水平来看，此供货单所列设备属上游水平，数年内不存在设备性能不足的问题。在实际设备运行结果表明，基础应用所占算力仅为总算力的1%。以后该风场的技改项目，如数据直采、快频改造项目需要升级控制软件，由于本系统资源充足，均不需要升级配置。

3.3 系统HA集群

多台设备组成的集合就称为集群，集群的目的就是将单台设备的负担分配到多台设备上从而提升算力，或是当运行某一个服务的物理设备出现故障时，让另一台或多台设备继续接手这些服务。如：VMware vSphere中，将多台物理服务器组成一个集群，在这个集群中某台物理服务器出现故障时，这台服务器上运行的虚拟机可自动迁移到其他可用的物理服务器上，保障业务的不间断运行。集群中所有的虚拟机均可在储存池所挂任意主机上自由迁移，并且集群可做到快速扩容和HA故障冗余；所以集群是服务器虚拟化通往数据中心的必备功能。

该风场系统使用了的HA集群。因为该种集群设计专用于意外故障切换，当监控到集群中有主机意外故障时，会自动在其他主机上运行故障主机在故障之前所运行的全部业务，切换过程可以做到无缝衔接。该风场的服务器配置的形式为N+2，即单一台物理机故障可用的继承主机还有两台，相当于三级热备，大大提升了可靠性。

3.4 技改总结

该项改造费用约48余万元，由于虚化系统兼容性极佳，可继续使用风场现役的已购买的风机控制系统，不需对风机控制系统点表重新授权，节约了近百万元的授权费用。且本次改造硬件性能较高，使得本方案极具性价比，开创了联合动力早期投运风机控制系统的平价技改先河，而且由于相同算力下与纯物理系统相比所需的硬件及其附件设备数量更少，投资更低、更易维护。

本次技改所需的集群系统为主流的服务器级的应用系统。系统基于Linux内核，安全系数更高、主机加固效果更好、更易通过等保测评，运维成本大大降低。主机及其附属设备更少、更加节能，有效的降低了系统运行成本。后续的技改工作亦可在本系统上进行，大大提升系统的拓展性，且单一设备升级、维护、退备其他设备仍可继续运行其业务，大大提升了系统的可靠性。

该项目于2020年6月完成调试验收，经该风场运行4个多月，整体表现良好，设备运转正常，彻底解决数据服务器发生系统崩溃问题，各项数据传输正常，达到了立项目的。