新能源发电企业电力系统集控中心网络规划设计与研究

中电建新能源集团股份有限公司西南分公司 魏 威

某新能源发电企业是一家致力于绿色环保发展的技术型企业，现阶段已经完成了一套完整的电力系统集控中心设计和网络规划的方案，为企业可持续发展提供了坚实的基础。随着企业的发展，为了提升运营效率、增强运维管理能力，企业从多方面考虑，对电力系统集控中心进行了设计。

1 需求分析

提高风电场自动化水平。该企业传统的风电场管理模式需要大量的人力投入，且存在运维人员在现场巡检时存在安全隐患。通过集控中心的设计，可以实现无人值班或少人值守的管理模式，极大地减少了对人力资源的依赖，降低了管理成本。集控中心通过实时监测和远程控制风电场的设备，能够及时发现设备故障或异常，并进行智能诊断和修复，提高了风电场的自动化水平和设备维修效率[1]。

提高风电场群的经济效益。集控中心具备存储各个风电场数据的能力，可以对数据进行集中分析和处理。通过数据挖掘技术进行横向对比和综合评定，可以制定更加合理有效的功率调控策略，提高风电场群的发电效率和经济效益。同时，集控中心还可以对单个风电场的数据进行纵向对比和分析，帮助制定相应的措施方案，提高风能利用率，降低损失量，减少弃风弃能现象，从而增加风电集团的收益。

改善运维人员的工作特点。由于风电场多位于偏远地区，传统管理模式需要运维人员长时间驻扎在现场，存在较高的安全风险和人力物力投资消耗。通过集控中心的设计，可以实现对风电场的远程监测和控制，减少运维人员在现场的工作时间和频率，改善运维人员的工作环境和条件，并大幅减少人力物力投资的消耗。

2 集控中心网络设计

集控中心网络设计所需要的硬件如下：数据库服务器2台、数据库软件1套、操作系统1套、操作站2台、应用软件1套、打印机1台、数据处理装置1套。

2.1 主集控网络设计

风电场集控中心网络的设计旨在确保数据的安全传输和集中管理。该网络采用了主备双网（A、B双网）的双网冗余架构。数据从风电场通过电力调度网接入到集控中心核心路由器，核心路由器作为网络的核心节点，承担着处理和转发所有数据流量的任务。其具备高性能和可靠性，能够快速、准确地将数据传输到目标设备。为了保障数据的机密性和完整性，集控中心网络引入了数据加密装置。数据加密装置通过应用加密算法对数据进行处理，将其转换为不可读的密文，有效地防止数据被非法访问和篡改。这种加密措施可以确保风电场数据在传输过程中的安全性。在核心路由器将数据传输到前置服务器之前，数据还需要经过前置交换机进行交换。

前置交换机起到桥梁的作用，连接核心路由器和前置服务器，并负责数据的分发和传输。其能够根据数据的目标地址和协议类型，将数据正确地转发给相应的前置服务器进行采集和处理。前置服务器是集控中心网络的重要组成部分，负责采集、存储和处理风电场的数据。这些数据包括IEC104报文数据，该协议是用于电力系统自动化与通信的一种标准协议。通过解析和处理IEC104报文，前置服务器能够获取风电场的状态信息、设备运行数据等重要数据。为了提高网络的容错率和稳定性，集控中心网络采用了双网冗余设计，即A网和B网作为主备网络同时存在。

通过设置冗余网络架构，当A网发生故障导致无法正常运行时，系统会自动切换到B网，并对故障的预计恢复时间进行测算[2]：RTO=FT-RTN，以确保集控中心的连续运行。其中：RTO为故障恢复时间，FT为故障发生的事件，RTN为系统恢复正常的时间，单位均为s。这种设计能够有效地提高网络的可用性和抗干扰能力，保证风电场数据的及时传输和集中管理。此外，在主集控网络设计之后，要求其可用性进行测算：A=（OT/TT）×100%，其中：A代表可用性，用百分号（%）表示；OT为系统正常运行的时间，TT为总时间，二者的单位均为s。

2.2 远程通信网络设计

远程通信网络设计是为了实现集控中心与各风电场之间的数据传输和命令下达而进行的，首先，集控中心与各风电场之间的数据上传和命令下达采用电力调度数据专用网。该专用网采用MPLS VPN技术，通过虚拟专用网络通道来实现数据的安全传输。MPLS VPN技术具有高效、可靠和灵活的特点，其可以提供100Gbps的带宽，每秒传输10GB的数据，能够保证数据的准确性和完整性。为了确保数据传输的稳定性和可靠性，远程通信网络设计采用了独立且统一的数字通道，每个通道的带宽为1Gbps，平均延迟为5ms。这些通道连接集控中心和各风电场，主要放置在距离最近的升压站。通过独立的数字通道，可以有效隔离不同风电场之间的数据传输，避免互相干扰。

其次，除了数字通道，网络运营商的VPN通道也是远程通信网络的重要部分。通过VPN通道，多个风电场的生产信息可以上传到集控中心。VPN通道作为另一座桥梁，能够保证数据的安全传输和连接的稳定性。同时，VPN通道还具备高带宽和低延迟的特点，能够满足大量数据传输的需求。最后，在整个远程通信网络中，关键的设备主要包括电力调度数据专用网的路由器、数字通道的接入接出口和网络运营商的VPN通道。这些设备通过相互配合，实现了集控中心与各风电场之间的数据传输和命令下达。此外，在远程通信网络设计中还需考虑网络的安全性。采用防火墙、加密技术和访问控制等措施，确保数据的机密性和完整性。同时，定期进行安全漏洞扫描和更新设备的安全补丁，提高网络的抗攻击和抗干扰能力[3]。

2.3 风电场侧网络设计

风电场侧网络设计的目标是实现风电场内各设备数据的采集和与集控中心之间的信息交换。在设计方案中，首先根据不同设备的数据采集需求，选择合适的数据采集工具。对于升压站、AGC/AVC、电能计量、测风塔数据以及箱变设备等，笔者采用南瑞远动装置进行数据采集，并将数据转换为IEC104协议。而对于风电场内的风机数据采集，则使用OPC服务器，并将其转化为IEC104协议。这样的设计方案有利于保持数据格式的统一性，便于后续数据的传输和处理。

其次通过将风场数据网关服务器和远动装置连接到风电场侧的交换机上，形成一个内部局域网（Ⅰ区）。然后，利用风电场的Ⅰ（Ⅱ）区路由器将数据传输到电力调度网并进入集控中心侧的核心路由器。这样的设计确保了风电场内部数据能够快速、可靠地传输到集控中心，保证数据的及时性和准确性。

最后，为了保障风电场与集控中心之间的信息连接，需要安装接入设备和安全通讯设备。接入设备用于实现网络的连接和数据交换，以确保风电场与集控中心之间的通信畅通无阻。同时，安全通讯设备能够加密传输数据，以防止数据被非法获取和篡改，保障信息的安全性[4]。

在细节设计方面，对于数据采集工具的选择，需要考虑各设备的特点和要求。南瑞远动装置和OPC服务器是目前在风电行业广泛使用的成熟解决方案，能够满足不同设备的数据采集需求并转换为IEC104协议，确保数据的标准化和兼容性。并且，局域网的建立对于风电场内部数据的传输至关重要。通过连接风场数据网关服务器和远动装置到交换机上，形成一个内部局域网，可以提供高速、稳定的数据传输环境。

而风电场的Ⅰ（Ⅱ）区路由器则承担起将数据传输到集控中心侧的核心路由器的任务，确保数据的迅速到达。另外，为了确保信息的安全性和可靠性，需要考虑接入设备和安全通讯设备的部署。接入设备能够提供网络连接和数据交换的功能，使风电场与集控中心之间的通信畅通无阻。安全通讯设备则通过加密传输数据，防止数据被非法获取和篡改，有效保护信息的机密性和完整性。

3 不足与建议

3.1 监测和故障诊断的能力仍较弱

在集控中心网络系统试运行阶段，发现监测和诊断的过程存在滞后性，即延迟较大，可以用式L=RT-ST计算。其中：L代表网络延迟，RT代表接收数据的时间，ST代表发送数据的时间，三者单位均为s。当网络延迟过大时，如果问题需要立刻解决，则现状系统难以对其进行处理。为了解决这一问题，可以引入网络管理系统来监测网络设备的状态和性能。网络管理系统是一种用于管理、优化和监测网络的软件工具，其可以收集和分析关于网络设备的信息，并提供实时监测和故障诊断功能。

具体来说，在对网络管理系统进行设计时：网络管理系统应能够实时监测网络设备的状态，包括硬件健康状况、连接状态和资源利用率等。通过收集和分析这些数据，可以及时发现设备的故障或异常情况，从而采取相应的措施进行修复或替换；网络管理系统应具备性能监测和优化功能，可以收集和分析网络流量、延迟、丢包率等性能指标。这样可以帮助识别性能瓶颈，并针对性地进行网络优化，提升网络的传输效率和响应速度；网络管理系统应具备故障诊断的能力，可以根据收集的设备状态和性能信息，自动识别和定位故障的原因和位置。

3.2 安全性措施有待进一步加强

虽然该系统采取了防火墙、加密技术、访问控制等措施，但是，如果缺乏动态性监控的配合，则集控中心网络整体的安全性仍需要加强。为此，为了综合提升网络的安全性，建议采用多层次的安全机制。入侵检测系统（IDS）可以监测和检测网络中的异常活动和攻击行为。IDS可以及时发现潜在的威胁，并发送警报通知管理员采取相应的措施；其次，入侵防御系统（IPS）可以根据检测到的攻击行为自动阻止恶意流量，防止攻击者获取未授权的访问权限。此外，还应定期进行数据备份，并建立完善的数据恢复机制，以确保在发生安全事件时能够快速恢复正常运行。

3.3 系统整体缺乏灵活性

当前，设计方案缺少灵活性和扩展性，可能导致难以应对未来网络规模扩大和新需求的变化。由于选用了传统的分层架构，当需要增加更多的设备或用户时，可能需要进行大规模的更改和重建，这将带来高昂的成本和复杂的操作。并且，可能导致资源分配不平衡的问题。例如，某些区域或应用程序可能需要更多的带宽或存储资源，但由于网络设计的限制，无法实现灵活的资源分配。为此，可以采用软件定义网络（SDN）：SDN可以将网络控制平面与数据转发平面分离，通过集中式的控制器进行网络管理和配置。这种架构可以实现灵活的网络编程和资源调度，提高网络的可扩展性。

通过SDN，管理员可以根据需求对网络进行动态调整，快速提供新的服务。同时，采用虚拟化技术可以将物理资源抽象为虚拟资源，实现资源的弹性分配和共享。例如，使用虚拟局域网（VLAN）可以在现有网络基础设施上创建逻辑隔离的网络，以满足不同部门或应用程序的需求。另外，可以将一部分计算和存储任务从集控中心转移到云端或边缘设备上，可以提高网络的灵活性和可扩展性。同时，这还能够减轻集控中心的负载压力，并降低网络延迟。

通过本研究，实施新能源发电企业电力系统集控中心网络规划能够有效提升风电场的自动化水平、经济效益和运维人员的工作特点。主集控网络、远程通信网络和风电场侧网络的设计将有助于改善系统的监测和故障诊断能力，加强安全性措施，并提高系统的灵活性。这将进一步提高新能源发电企业电力系统的运行效率和经济效益，促进新能源发电产业的可持续发展。然而，需要注意的是，监测和故障诊断能力仍较弱、安全性措施有待加强以及整体缺乏灵活性等问题，应予以关注和改进。