大型风电场中央监控系统的研究

摘 要：本文介绍了某大型风力发电场中的一个中央监控系统，包括监控系统网络结构、监控系统原理、软件模块组成和实际运行效果。

关键词：风力发电 中央监控 网络拓扑 人机交互界面

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0008-02

1 概述

本文介绍了某大型风力发电场中的中央监控系统，考虑到风电场运行管理要求，使用友好的中/英文人机界面，通过与风机前置适配器的结合获得风机的各个实时数据并选择存入数据库中，通过分析处理、显示、统计等一系列的过程来完成对风电场各个风机的自动化监控，并以图形或列表界面形式显示风机运行的主要信息。它采用C/S结构设计，以各个风机主轮询方式实现风机数据的实时显示，以各个风机单独查询方式实现选定风机的实时详细状态显示，以控制命令下达方式实现对选定风机的远程控制。

2 中央监控系统网络结构

风场一般建在开阔地带，气候环境比较恶劣，容易遭到强雷击侵扰，风电设备本身工作时的机械振动和电磁辐射较大，因此，对监控系统通信设备的可靠性要求很高，所以实时、可靠和抗恶劣环境的工业以太网成为电力工业联网和控制通讯的首选。中央监控系统运行在位于中央控制室（升压站中控室）的上位机（服务器）之上，通过与分散在风电场上的每台风力机的下位机（风机控制器）进行以太网通信，实现对全场风力机的集群监控。

风场网络采用100 M的光纤环网，风机通过塔底的工业以太网交换机连接到风场的环网上。如果风机较多（大于30台），可以将风机分成多个网段，每个网段都是一个环网，这样增加了网络的冗余度和可靠性。通过中控室的工业以太网交换机将各网段组成一个风场局域网。

工业以太网通讯解决方案在每个风机的塔底控制柜内和中控室各放一台光纤自愈环工业以太网交换机。工业级以太网交换机的型号与每台风电机组所有的交换机相同。交换机采用2个光口，4个电口。中央监控系统采用闭环的双网络连接所有的风电机组。光纤闭环网络支持两种安装方法：一种是风电机组按照成排得方法来安装，为8芯单模直埋铠装光缆。另外一种为直接闭环网络安装，为6芯单模直埋铠装光缆。

在中央控制室内部和风电机组与控制器之间采用双绞线以太网。

3 监控系统原理

中央监控系统采用两层结构，即中央控制室结构和风电机组塔基柜监控系统网络两部分。

3.1 塔底柜监控系统部分

塔基柜监控系统部分主要为一台监控系统工业交换机。所有的塔底柜工业交换机通过光口连接成为一个闭环网络。

工业以太网交换机必须具备自愈环网功能，可以在环网内的通信光纤或交换机因各种原因发生故障时，实现快速的环网自愈倒换，可靠通信，环网自愈时间应小于100 ms。所有的切换过程不要人工干预，而且不会丢失任何通讯数据。

通讯协议可采用BACHMANN公司的Mjvis/OPC/Modebus协议，该协议是基于以太网TCP的高层协议。

3.2 中控室部分

中央控制室标准安装1台服务器和1台监控终端计算机。服务器除了“监控风电机组运行的人机界面”功能不运行外，实现其他所有的软件功能。为了提高系统的性能，可以把历史数据库、远程数据监控系统通讯网关放置在单独的服务器上。

监控终端计算机数量可以按照用户的要求配置为更多数量，每台终端的功能完全相同，并且不会冲突。

4 系统软件描述

4.1 概述

监控系统主要包含5个程序模块。

风电机组控制器数据通讯模块。

实时数据库模块。

历史数据库模块。

监控系统中央控制室人机界面模块。

监控系统软件对外扩展通讯接口。

4.2 数据采集模块说明

数据采集模块用来获取整个风场所有风电机组的数据。支持同时采集并发连接100台以内的风电机组，数据刷新率高。

4.3 实时数据处理模块

实时数据处理模块保存风电场的所有实时数据。

4.4 历史数据处理模块

监控系统具有专门用于工业现场的大型历史数据库，可以保存风电场几万亿条的历史数据记录，同时不会因为历史数据记录的增加而增加历史数据记录的查询时间。

4.5 中央监控系统人机界面模块

本监控系统的人机界面友好，操作显示简洁明了；能够显示各台机组的运行数据；能够显示各风电机组的运行状态；能够及时显示各风电机组运行过程中发生的故障；能够对风电机组实现开机，停机等控制；具有实时趋势和历史趋势查看功能； 能够显示并导出历史报表。

本监控系统人机界面主要包括以下画面。

系统主画面。该画面显示整个风电场所有风电机组的分布情况及各风电机组运行状态和实时风速，功率。通过各风机图标可以查看该风机更详细的信息（见图1）。

风机运行状态画面。用以显示各台风电机组详细运行状态及参数。可以看到单台风电机组各部件或各部位的运行数据实时显示。

图标画面。可查看全场风电机组或某台风电机组功率曲线、历史趋势图、风频图、关系对比图和风玫瑰图。

报警画面。显示详细的报警信息，包括风机编号，报警时间，报警类型，报警信息等。

风机状态日志画面。显示详细的风机状态信息，包括风机编号，状态时间，状态信息等。

风机历时瞬态数据查询。查询单台风机秒级统计的运行数据，用于风机性能分析。

运行报表画面。可生成历史报表并导出报表。

风机控制窗口。执行风电机组启动，停止控制，偏航控制，风机报警复位。

5 结论

风电场中央监控室是风电场建设的一个重要组成部分，风电场中央监控需要像电网监控系统一样系统化、规范化、行业化。随着风电场中央监控系统的开发成熟，风电场监控将和水电、火电监控一样，进入一个成熟的阶段。

参考文献

[1] 赵斌，温冰，等.大型风电场的监控系统[J].新能源，1998（20）：1-3.

[2] 王承熙，张源.风力发电[m].中国电力出版社，2003.