智慧风电场监控系统设计

张锦陇，张立辉

(吉林建筑大学，吉林 长春 130119)

0 引言

随着工业化的推进，传统的不可再生能源日益枯竭；随着石油化工能源的使用，环境污染越来越严重，对于人们的发展和生存造成了严重的困扰，因此对于清洁型新能源的开发和利用已经变得异常重要[1]。风力发电是一种清洁且极易获得的新型能源。传统风电监控系统中的风电场信息化建设相对滞后，往往存在信息数据统计不准确、人工统计数据量大、信息数据时效性差等问题，这些无疑给业务办理、制定措施、协调职能、管理决策等方面的工作带来了不利的影响。

在风力发电场中，对于场内各发电机组的智能化监控显得尤为重要。随着我国风电快速发展，风机数量急剧增加，如何提高风机的利用率、降低设备故障发生率和故障时间，同时避免设备的突发故障，已经成为风电场日常运维的主要目标[2]。基于上述问题，本文设计了智慧风电场监控系统，借助于创新的基础架构，解决用户关心的风电场SCADA系统稳定性、易用性、数据质量等关键问题，可以为客户提供一站式监控平台，可输出满足各种用户所需的高质量、多维度的数据报表，进一步提升风场运维水平。

1 系统需求分析

1.1 系统需求定义

智慧风电场的SCADA系统最重要的功能就是能够把不同区域的发电设备机组的参数数据进行实时收集，然后对数据进行汇总、分析、展示，将数据进行实时存储，并根据数据反馈出来的信息，对发电机组进行相应的操作，如停止、重启、切流等[3]。在风力发电场SCADA监控系统智能化发展过程中，不仅能够对整个风力发电行业的发展起到推动作用，还能够让管理人员在远程控制室就可以及时且准确地获知各风电场的运行实时状态，以此达到高效管理。

1.2 报表管理需求分析

在智慧风电场监控系统中，风电场报表管理的功能主要就是为了对风电场的一些相关报表进行管理，这些数据分别包括风机名称、风机转速、发电机转速、机内温度、电压、电流、功率等，可以将査询的数据项通过表格的形式展现出来。与此同时，用户还可以通过产能报表导出功能将所查询的产能报表导出到电脑文件夹内，以Excel的文件格式存在。风电场群信息管理系统主要管理风电场群的一些信息，详细显示风电场的运行状态，可以在Excel文件中随时查看风电机组的实时状态。

1.3 数据库需求分析

在智慧风电场监控系统中，数据查询功能主要是可以对相关的风电数据进行一系列的查询，可以查询出风机的历史数据。数据查询模块中的风机运行参数列表管理和预警列表管理中主要就是对风机数据点进行设置。在数据库管理系统中，用户查询所得到的结果主要是以表格的形式展现给用户，而表格中的数据项主要包括风电机组电压电流、风机转速、风机温度等。

2 系统设计

2.1 硬件设计

智慧风电场监控系统包括现场风力发电机组的控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分，风电电力监控系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警、实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作，智慧风电场监控系统框架如图1所示。

图1 智慧风电场监控系统框架Fig.1 Hardware diagram of wind farm monitoring system

2.2 软件设计

风力发电机组的控制单元是整个系统的核心，通过与上位机LabVIEW监控程序的实时数据交互完成整个控制的实现。作为程序开发环境，本研究中采用LabVIEW作为上位机的监控界面，该软件特点在于使用简便、界面简单、操作方便。使用者可利用框图的方式进行编程开发，是开发监控界面、控制系统的理想选择。智慧风电场监控界面中包含了电压电流模块、转速模块、风速模块、功率模块、数据库模块、历史数据模块以及温度报警模块。LabVIEW风电机组监控界面如图2所示。

图2 LabVIEW风电机组监控界面Fig.2 LabVIEW WTG monitoring interface

2.3 组网结构设计

在智慧风电场的控制系统中，就地采集的信息不仅要可靠地传输到中央监控室，还要向离风电场十几公里以外的远程监控端进行数据传输，所以需要采用光纤组网技术将数据传输到远方监控系统，各类传感器把采集到的信息传给控制器，控制器之间的连接采用RS485总线，保证了控制器之间数据的通信，然后从控制器网口通过网线进入光纤交换机，通过以太网交换机将光缆组成自愈性环网，从而保证信息传输的可靠性。

光纤组网一般分为单环网组网方式和双环网组网方式，电缆双环网是电缆单环网的组合，这种接线具有很高的供电灵活性和可靠性，能最大限度地确保向用户连续供电。虽然电缆双环网具有接线完善、运行灵活、供电可靠性高等优点，但投资比单环网增加一倍，而单环网接线简单、运行方便。综合考虑，本文采用单环网的组网方式，实现数据的远程传输。组网结构图如图3所示。

图3 组网结构图Fig.3 Networking structure

2.4 数据库设计

在智慧风电场监控系统中，数据库的设计极为重要。风电场现场设备每时每刻都在采集大量的风机运行参数，将这些运行参数进行科学的存储和管理，将大大提高工作人员对现场设备状态的了解和评估，本文使用MYSQL数据库对风电参数进行储存管理，该数据库数据存储量大、数据运行速度快、数据安全性高，能够完成系统对数据的管理和操作。本文设计系统将控制器采集到的电机温度等参数存入MYSQL数据库进行管理，同时将LabVIEW和数据库进行连接，比如输入数据记录筛选指令：sql="select * from 数据表 where 字段名=字段值 order by 字段名[desc]"，便可以对数据库中的风机参数进行查询。LabVIEW数据库查询程序如图4所示。

图4 LabVIEW数据库查询程序Fig.4 LabVIEW database program

3 系统实现与测试

3.1 数据查询功能实现

在智慧风电场监控系统中，数据查询主要实现对风机数据的相关查询，可以查询风机的电压电流、电机转速、电机温度等历史数据，在智慧风电场监控系统数据库中的设备状态列表管理中主要实现了对历史数据的查询。通过LabVIEW和数据库的连接程序，可以在LabVIEW前面板中通过输入相关指令来对数据库中的历史数据进行相应操作。历史数据查询图如图5所示。

图5 历史数据查询图Fig.5 Historical data query chart

3.2 报表功能实现

在智慧风电场监控系统中，表格管理的一个重要作用是对风电场运行数据进行管理和保存。其主要功能是产能报表管理，分别是有功发电量总计、无功发电量总计、电机温度输出、风机风速输出等参数。智能风场监测系统中风场表管理的关键是详细管理和剖析每台风电机组的详细运行参数。将LabVIEW中实时显示的数据存入到相应的Excel文件中，可以在系统中查看风机的在线数据。表1显示了在Excel文件中风电场系统的即时关键参数。

3.3 温度报警功能实现

在LabVIEW上位机中搭建风电机组温度控制界面，当电机温度参数或转速等其他参数发生异常报警时，通过启停按钮将风电机组停机，确保风电机组的安全运行；通过现场控制器实时上传的温度传感器的数据，在软件界面显示风电机组的运行状态，对其运行进行不间断的监控；依赖LabVIEW强大的模拟仿真能力，搭建一个温度模拟采集器，使用随机数函数设置一个输出为8通道的模拟温度输出模块，温度的上下限随机在0℃～100℃波动，模拟风机在某一段时间内温度变化曲线，实时监测风电机组的运行温度状态，温度计模块可以更为直观地显示当前风电机组的温度状态；设置温度阈值为60℃，当电机温度超过该值，报警灯将闪烁报警，并提醒工作人员对电机进行启停操作。由仿真图可以看出当风机运行温度超过60℃时，报警灯闪烁。图6为风机温度模拟程序图。

表1 Excel文件中风电场即时参数Tab.1 Real time parameters of wind electric field in Excel file

图6 风机温度模拟程序图Fig.6 Fan temperature simulation operation diagram

4 结语

智慧风电场监控系统作为风电场正常运行的关键组成部分，对风电运维具有重要的参考价值。在传统风电场的基础上，从系统的需求定义、报表管理、数据查询等三方面对智慧风电场监控系统的功能进行设计，弥补了传统风电场在信息运维方面存在的不足。智慧风电场监控系统选用LabVIEW作为开发环境，使用MYSQL数据库对数据进行储存和操作，采用单环网组网方式实现数据的远程传输；智慧风电场监控系统实现了数据查询、风电场报表管理、温度预警等功能，可以实时查询风机的历史数据。本文以风电机组温度控制为例进行仿真实验，实现了对温度的监测控制。经实践证明：该监控系统稳定可靠、人机界面友好、操作方便，具有较高的实用价值。