風力發電場SCADA系統的設計

梁 濤，黃 玥

(1. 中國船舶集團第七〇九研究所，湖北 武漢 430074； 2. 中國人民解放軍空軍預警學院，湖北 武漢 430072)

中國“3060”碳排放目標提出后，以風電為代表的可再生能源爆發式增長的態勢已然近在咫尺。風能資源豐富的地區一般都比較偏遠，且環境惡劣，在風電場中的風電機組分布分散、監控參數多，這都會給風電系統控制帶來不利影響[1-4]。

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統，即數據采集與監視控制系統。SCADA系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，可以對現場的運行設備進行監視和控制。為充分有效利用風能發電，SCADA系統作為自動化控制的核心具有信息完整的優點，能提高效率，正確掌握系統運行狀態，對提高風電場運行的可靠性、安全性與經濟性具有不可替代的作用[2-4]。風電場中央監控系統有助于實現對風電能源運營情況的實時監控、運營數據的分析，逐步推動風電能源監控的自動化、集中化和智能化。同時，它在遠動系統中占重要地位，可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能，即所熟知的“四遙”功能[2,3,5]。

1 系統簡介

本文設計的SCADA系統可布置于風力發電場升壓站機房內，其工作站可布置于風場監控室內，由風機監控系統、風電場功率管理系統(能量管理系統)、第三方接口系統組成。其主要包括風機監控、數據采集、數據存儲、數據查詢、數據呈現、Web發布、風機管理、風場調度、安全審計等功能。

該SCADA系統支持跨平臺部署，可部署于Windows Sever 2016、Linux(CentOS 7)、Unix、中標麒麟等多種操作系統，采用B/S網絡架構，支持Chrome、Safari、Firefox、IE11瀏覽器，支持時鐘同步；系統具備12個功能模塊，分別是：風場概覽；風機監視；風機控制；歷史數據；能量管理；報警記錄；快照記錄；日志管理；報表管理；檔案管理；工程管理；系統設置。

2 硬件拓撲結構

該風力發電場SCADA系統硬件系統由柜體、數據采集服務器(主)、數據采集服務器(備)、I/O服務器、遠程監視服務器、操作員站、中心交換機、組網交換機、時鐘同步裝置、內網防火墻、外網防火墻、正向隔離裝置、縱向加密裝置、光電交換機、光纖熔接盒、UPS電源、KVM一體機等組成。系統的硬件拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 硬件拓撲結構圖

1)風電機組組成的各個信息環網通過光纖傳輸至升壓站，與光纖熔接盒相連；光纖熔接盒又通過光纖與光電交換機連接，光電交換機以工業以太網線形式實現與SCADA系統的數據交互。

2)系統具備2臺數據采集服務器，1臺為主，1臺備用。數據采集服務器具有數據采集、數據存儲、數據熱備份冗余、數據運算及處理、與IO機實時數據通訊、與發布機實施數據通訊等功能，數據采集服務器支持中控室Web訪問并接受中控室風機控制及設置。

3)I/O服務器分別通過內網防護墻與第三方設備相連，I/O服務器具備風功率預測、上級調度系統、業主自建監控中心、甲方數據中心、在線振動監測系統、視頻監控系統、自動消防系統、箱變監控系統、空氣密度儀和升壓站的第三方通訊數據接口，上傳風力發電機組相關信息并接收相關指令；并且所有的第三方通訊數據接口滿足國家關于電網二次側網絡安全的相關規定。

4)遠程監視服務器上設有外網接口，該外網接口通過外網防火墻與公網相連，用于連接互聯網為授權用戶提供監控服務。公網訪問發布機時僅可監測，無法控制風機。

5)操作員站布置于電場的監控室，電場工作人員通過B/S模式，對風電場以及各個機組的數據實時監控。

6)時間同步裝置支持SNTP、NTP協議，為中央監控系統中所有設備提供時鐘同步校時。

7)內網防火墻起到SCADA系統內部網絡中的I/O服務器與第三方通訊接口之間的保護作用；而外網防火墻起到SCADA系統內部網絡中的遠程監視服務器與外部公網之間的保護作用。

8)正向隔離裝置起到遠程監視服務器與SCADA系統內部網絡其他設備之間的保護作用。

9)縱向加密裝置實現SCADA系統與風機環網之間數據的加密保護。

10)中心交換機實現SCADA系統與之相連的設備之間數據交換、互通的作用。組網交換機實現中央監控系統與風機各環網的數據通訊。

11)KVM一體機通過VGA線纜分別與數據采集服務器、I/O服務器、遠程監視服務器相連，KVM一體機和鍵鼠托盤為現場操作人員提供便捷的人機交互。

12)UPS電源在正常供電情況下處于旁路模式，由市電為中央監控系統供電，同時也為其自身的電池包充電，在斷電情況下UPS電源自動切換到電池供電狀態，它可為中央監控系統提供續航電源。

3 軟件設計

該風電場SCADA系統軟件程序根據功能結構劃分為三層(見圖2)，采集層、服務層、前端網站，每部分均可根據服務器分布情況獨立安裝部署，程序之間均采用標準TCP協議。

圖2 軟件框架圖

采集層可根據實際組態形式，配置、添加協議包，對風機數據進行采集并建立實時數據庫。

服務層可實現數據處理、數據調用、數據存儲、數據轉發，并形成歷史數據庫，同時具備通訊中斷數據自動恢復的功能，即在光纖環網通訊中斷恢復后，機組主控程序滿足記錄要求的前提下，通過FTP或SFTP或FTPS協議自動從機組主控系統中將通訊中斷期間存儲的數據采集到監控系統中，并進行數據補錄，保證數據的完整性。

前端網站具備完整的網站服務、UI、網閘通訊、歷史數據記錄及查詢功能。

SCADA系統的軟件程序均在服務器上部署和執行：

1)數據采集服務器(主)和數據采集服務器(備)部署的程序包括操作系統、JAVA開發包、數據采集程序、發布機數據轉發程序、I/O機數據轉發程序、數據分析存儲程序、數據庫、Web站點API服務程序、Web呈現程序、雙機熱備程序等；

2)I/O服務器部署的程序包括操作系統、JAVA開發包、數據采集程序、數據顯示Demo，I/O服務器主要完成協議轉換功能，主要通訊協議均部署在該服務器，在實際應用中各技術協議以應用的方式呈現，根據系統程序框架自由添加協議；

3)遠程監視服務器部署的程序包括操作系統、JAVA開發包、數據采集程序、數據分析程序、數據庫、Web站點API服務程序、Web呈現程序。

4 功能介紹

根據上述SCADA的硬件、軟件設計方案，下面來逐一介紹其實現功能，功能結構見圖3。

圖3 功能結構圖

1)2臺數據采集服務器互為主備，均可實現數據采集、數據分析、數據存儲、數據熱備份冗余、數據運算及處理、與IO機實時數據通訊、與發布機實施數據通訊等功能，數據采集服務器支持中控室操作站計算機通過Web訪問并接受中控室風機控制及設置。

2)模擬量數據存儲采用秒級及分鐘級存儲，其中，故障前后5 min內的秒級數據要求永久保存，其余秒級存儲數據要求在數據庫中保留3個月，以便數據分析使用；布爾量數據采用逢變則存的方式。秒級存儲數據查詢及報表顯示最小顆粒度為1 s，可根據不同時間步長查詢顯示模擬量數據；分鐘級存儲的數據查詢及報表最小顆粒度為1 min，可根據不同時間步長查詢顯示模擬量數據；布爾量獨立查詢，不與模擬量一起混合查詢。

3)數據采集服務器具備獲取故障前后數據的功能，即在機組發生故障過后，機組主控系統會記錄故障前后一段時間的毫秒級數據，數據采集服務器通過FTP、SFTP、FTPS等方式，從主控系統獲取故障前后數據并進行原文件本地存儲、展示。

4)數據采集服務器具備容災能力及通訊中斷補錄功能。當SCADA系統與風機主控制器之間的通訊連接中斷時，數據采集服務器應在等待一段時間后，自動重新嘗試連接風機主控制器，并且具有從風機主控制器內獲取緩存數據的能力。當服務器與控制器的連接恢復后，如果風電機組控制器或塔基觸摸屏內緩存有最近一段時間的歷史及統計數據，數據采集服務器應能從控制器內最大限度的讀取所缺失的數據，并進行數據補錄，保證數據的完整性。

5)I/O服務器主要完成協議轉換及第三方通訊數據接口功能，上傳風力發電機組相關信息并接收相關指令，并且I/O服務器遵循電網調度101、102、104等相關電力規約，自動接收由電網中調或者風電場管理者發出的調度指令，并按照系統事先制定的控制策略，將功率調節指令合理地分配給風電場每臺風電機組，保證風場實際出力滿足電網調度的指令要求。

6)I/O服務器可實現能量管理功能，它自動接收由電網中調或者風電場管理者發出的調度指令，并按照系統事先制定的控制策略，將功率調節指令合理地分配給風電場每臺風電機組(或指定參與調節的一批機組)，保證風場實際運行滿足電網調度的指令要求，能量管理包含有功自動控制系統(AGC)和無功自動控制系統(AVC)兩部分。

7)主要通訊協議均部署在I/O服務器，在實際應用中，各技術協議是以應用的方式呈現的，可根據系統程序框架，自由添加協議，添加后可對每個協議進行添加、關閉和和配置。通訊程序包中包含協議棧Modbus TCP(主、從)、Modbus RTU(主)、101(從)、104(主、從)、OPC UA、FTP、SFTP、FTPS。

8)遠程監視服務器包含了完整的網站服務、UI、網閘通訊、歷史數據記錄及查詢功能，將風機數據發布至公網，可遠程訪問查看該風場狀態。遠程監視服務器可以實現異地遠程客戶可通過局域網或因特網，按照國能安全[2015]36號《國家能源局關于印發電力監控系統安全防護總體方案等安全防護方案和評估規范的通知》要求，實現異地遠程實時監視和數據查詢。

5 結 語

本文介紹了一種風力發電場SCADA系統的設計方案，詳細闡述了其硬件拓撲結構、軟件框架、實現功能。

目前，基于該設計方案的SCADA系統已在風力發電場成功投運，可實現不低于300臺機組的監控，且適用于不同機組混裝、不同組件混裝的情況。在滿足電力系統穩定等安全約束條件下，實現了風電場及升壓站“無人值班、少人值守”、遠程集中監視控制、科學調度和管理、遠程維護、全網絡化信息交換。