２０１３年第３６卷第１期 Ｖｏ１．３６ ＮＯ．１ 广西电力 ＧＵＡＮＧＸＩ ＥＩ ＣＴＲＩＣ Ｐ０ＷＥＲ ８７ 风电场中央监控及远程监测系统的研究与设计 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｆａｒｍ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 刘 彬 ＵＵ Ｂｉｎ （广西电力工业勘察设计研究院，南宁５３００２３） （Ｇｕａｎｇｘｉ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００２３，Ｃｈｉｎａ） 摘要：研究国内风电场监控及远程监测系统的实际情况和存在问题，为风电场中央监控及远程监测系统的开发和建设提供 指导。采用风电场的ＩＥＣ６１４００—２５标准进行系统建模，利用ＶＳ．ＮＥＴ开发工具，进行风电场中央监控及远程监测系统设计开发。 从风电场的通信组网模式、风电场中央监控及远程监测系统的系统拓扑构到风电场监控系统的功能需求、数据分析统计功能， 提供了一套完整的解决方案。风电场中央监控及远程监测系统需要像电网监控系统一样系统化、规范化、行业化。 关键词：网络拓扑；风电场中央监控系统；风电场远程监测系统 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＥＣ６１４００—２５，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＶＳ．ＮＥＴ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｏｏｌｓ．Ａ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｓｅｔ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｍｏｄｅ．ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏｐｏｌｏｇｙ．ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ＆ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｎｅｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｙｓｔｅｍｌｉｚｅｄ，ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ，ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｉｌｉａｚｅｄ ｌｉｋｅ ｏｗｅｒ ｄ ｐｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ。ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｃｅｎｔｒｌ ｃｏｎｔａｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． 中图分类号：ＴＭ６１４；ＴＰ２７３文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７１—８３８０（２０１３）０１—００８７—０４ ２０１１年中国全年新增风电装机容量１７．６３ ＧＷ，我国风电市场在历经多年的快速增长后步人 本文根据ＩＥＣ６１４００—２５标准提出风电场中央 监控及远程监测系统的模型、组网方式，对风电场中 央监控及远程监测系统进行设计研究，为风电场中 央监控及远程监测系统的设计和建设提供解决方 案。 稳健发展期。全国累计装机容量６２．３６ ＧＷ，继续保 持全球风电装机容量第一的地位。国家发改委正在 酝酿的新计划中，提出了力争实现２０２０年风力供电 装机规模１００ ＧＷ的目标。随着风电并网规模越来 越大，风能的随机性和间歇性对电网的调度控制具 有挑战性，如何对风力发电进行有效监控成为了电 网调度亟待解决的一大难题。现有监控系统一般由 １风电场现状分析 当前风电场主要集中在甘肃、河北、宁夏、东北 以及东南沿海地区。西北地区的风机受风沙影响较 风机厂商配套，但各有自己的设计思路和通信规约， 致使风电场监控技术互不兼容，无法提供统一数据 大，对叶片的破坏较大；东南沿海的风电场由于常受 接口给电网调度和风电场的运行管理部门，致使电 网调度对风电场有关运行数据监控困难。现有风机 监控系统对风力发电机的功率最大变化率的控制也 较困难。 收稿日期：２０１３—０１—１５；修回日期：２０１３—０ｌ一２３ 台风的侵扰、盐雾的锈蚀，在抗风防腐方面有更严格 的要求，因此，风机的质量要求高是一个亟待解决的 问题。风机自身的稳定性、各主要部件，包括发电机、 变频器、变桨系统和主控系统的稳定性是风机的重 中之重，这些部件的质量欠佳造成风电年停机时间 广西电力 ＧＵＡＮＧＸＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ２０１３年２月 Ｖｏ１．３６ ＮＯ．１ 过长，无法保证长期有效发电；另一方面由于电网结 构的原因，造成弃风的现象也很严重。本文关注的风 电场中央监控及远程监测系统目前处于相对无序状 态，各风机厂商更多的是关注风机本身的研究开发， 忽视了风电场中央监控及远程监测系统的研究开 发。各厂商按照自己的机型编写程序实现监控，无法 形成一个行业规范，致使风电场监控系统处于一个 组态软件的状态，目前只实现了风机最基本的数据 监控，还有很多功能有待开发。国外的风电场监控系 统在数据挖掘方面比较有优势，但是由于种种原因 在我国用户使用较为困难。国内的风电场监控系统 生产起步较晚，国产化还有很长的一段路要走。 从ＩＥＣ６１８５０扩展出的ＩＥＣ６１４００—２５是风电场 监控系统建设的方向和标准，风电场监控系统的发 展应类似于火电厂自动化系统、水电站调度自动化 系统的发展历程，结合自身特点，才能发展为成熟的 行业自动化系统，为风电场的监控和并网接入服务。 ２风电场中央监控及远程监测系统建设 ２．１风电场通信组网 风电场的特性已经决定了风电场建设的地点位 置，风机之间的距离必须大于５００ ｍ，还需考虑风机 尾流的影响，所以风电场一般占地较大，分布范围较 广，而且位置的布置需要根据测风的结果和风资源 评价等因素决定。考虑到巡维一次所有风机可能需 要走几十公里路程，维护比较困难等，风电场通信的 组网方式要求可靠性高，一般考虑使用光纤环网模 式。电力电缆的集电线路可一个或组成多个环网，来 完成风电场的光纤通信，每台风机作为一个通信节 点。风电场的中央监控系统一般配置在风电场升压 站的监控室，也作为一个节点。本篇以２．５ Ｍｗ风机 为例，叙述单环风电场的典型通信拓扑结构，见图１。 光 图１ 风电场典型通信拓扑图 ２．２风电场中央监控及远程监测系统网络拓扑 ２．２．１ 风电场中央监控系统拓扑 参考变电站的调度自动化系统【ｌｌ，在保证高可靠 性的前提下，风电场中央监控系统囱最小配置可由２ 台计算机来完成，也可以根据职能划分由几台计算 机完成，设备包括数据采集服务器、数据库服务器、 监控工作站、报表工作站、打印机、交换机等。风电场 中央监控系统拓扑结构见图２。 图２中：数据采集服务器完成各风机、测风塔、 相关变电站数据的采集，同时完成监控系统对风机 控制命令的下发功能，一般使用通用的ＯＰＣ通信协 议通信；数据库服务器完成采集数据的分析、统计、 处理，并存储到关系数据库，数据库一般采用大型的 关系数据库ＳＱＬ ＳＥＲＶＥＲ或者ｏｒａｃｌｅ；监控工作站 完成风机及其部件的人机交互显示、风机运行事项 和告警信息的显示，以及操作命令的下发操作等；报 表工作站完成风电场报表的制作、发布等。 ２＿２＿２风电场远程监测系统拓扑 风电场远程监测系统是发电公司总部或是电网 公司对所辖风电场进行远程信息管理和风电场分析 的系统，通过采集风电场的数据，对各风电场的风资 源、风机运行情况、风机发电量等数据进行分析、挖 掘、统计，掌握各风电场的发电潜力、发电效率、风机 潜在安全隐患等，并作出相应的应对策略。另外根据 所取得的数据进行风功率预测分析，为风电场安全 发电和风电场并网、上网提供数据支撑。 风电场远程监测系统一般需要对多个风电场进 行数据分析，数据量非常大，需要配置档次较高的服 务器。系统一般由数据采集服务器、数据库服务器、 应用服务器、监测工作站和报表工作站组成，风电场 远程监测系统典型拓扑结构见图２。 ＪＩ ｝ ｌＩ器・ ｊ１ ｌ— ｌ ｌＩ¨ ・－ … ｔ ・ｌ ＿ 造崆 追 嚣ｌ嚣 ｉ Ｉ一Ｉ～一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一～一一一一一 图２风电场中央监控及远程监测系统拓扑图 ３风电场功能分析 ３．１ 系统建模 风机就地监控系统已经定义了风机的量测信 ２０１３年２月 Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１ 广西电力 ＧＵＡＮＧＸＩ ＥＬｆＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ 息、告警信息和事件信息，系统根据主控系统的ＩＯ 数据表对应的风机部件导人模型，１台风机的数据 模型就建立了。一个风电场的多台风机模型导人便 组成风电场的数据模型，多个风电场的数据模型便 形成所属发电公司的数据模型。 ３．３风电场特有功能 １）风机功率曲线：包括风机设计功率曲线、风机 发电计划曲线、风机实时功率曲线，３条曲线在同一 界面显示，直观展示风机的发电效率、计划完成实 况，是风电场监控系统一个重要的监视界面。 系统遵循ＩＥＣ６１４００—２５标准并参考相关 ＳＣＡＤＡ系统建立模型。以风机的主要部件建立风机 模型，主要包括塔筒、机舱、发电机、变压器、变频器、 ２）风玫瑰图：以玫瑰图的形式展示风机所在位 置的风速、风向分布情况，可直观了解风机所在地区 的风资源分布。 ３）风机可利用率：风机正常运行时间除以２４ ｈ 轮毂、传动系统、偏航、转子、叶片；再建立风电场表、 风机参数表。由于不同供应商的风机就地监控系统 提供的参数不同，需要以整个输人、输出量测点建立 Ｔｉｏｐｏｉｎｔ点表。相关风机表根据外键关联，建立另外 系统的用户表、角色表和用户权限表进行用户权限 管理等。 ３＿２ 系统ＳＣＡＤＡ功能 风电场中央监控及远程监测系统是１套 ＳＣＡＤＡ系统，可完成风机的数据采集、计算、人机交 互、报表等功能。风电场中央监控系统主要用于采 集、监控数据，完成风电场的运行管理、风机维护维 修、发电量相关统计功能。风电场远程监测系统则用 于数据采集后的分析统计，为风资源分析、发电计划 和风功率预测服务。 １）数据采集：当前的风机就地监控系统主要采 用的是ＯＰＣ的通信模式，提供ＯＰＣ通信服务，风电 场中央监控及远程监测系统需要完成ＯＰＣ客户端 的开发、设置通信参数（ＩＰ地址，端口号），完成风机 到系统的数据通信。 ２）数据统计存储：系统对风机采集上传的数据 进行统计分析，完成５ ｍｉｎ、１０ ｍｉｎ、１ ｈ、日、月、年等 基本数据统计并存入历史关系数据库，以供查询。 ３）人机交互：风机上传的数据以图形界面的形 式展示，一般以动画的形式显示风机的各种运行状 态和主要运行数据，辅助以饼图、棒图、表格形式直 观展示。 ４）报表：系统的统计数据以日、月、年的格式或 以分部件、分类等以表格的方式展示。 ５）用户管理：将用户分成系统管理组、运维组、 浏览组等，对用户进行权限分配，不同级别的用户赋 予相应的权力，完成风机及系统的有序管理。 ６）控制操作：根据上级的调度命令或风机的实 况进行风机的启停管理，只有具备操作权限的用户 可以进行操作。控制操作主要包括风机的启动、停 止、复位、锁定以及偏航系统的调节、风机有功出力、 无功出力调节等操作。 可以得到风机最基本的可利用率，实际统计需要考 虑风机的停机时间、停机原因（风机故障、调度命令、 运维需求），不同的原因需要独立统计，可分别计算 出风机业主可利用率、风机运营商可利用率等。 ４）风机发电量统计：包括设计发电量、计划发电 量、风资源评估发电量和实际发电量，４个发电量可 根据日、月、年进行统计，给风机业主、风机供应商、 风场运维单位提供数据支撑。另外还包括损失发电 量的计算，统计各种停机、故障造成的发电量损失， 如限负荷、业主停机损失发电量、电网公司停机损失 发电量、高风速停机损失发电量等。特别是未故障停 机状况下缺失电量的计算。 ５）风机振动监测及统计：系统需实时采集风机 机舱、塔筒、叶片的振动情况，振动过大、过频产生相 应的告警，提示监控值班人员重点关注，并采取相应 的运维措施。 ３．４风电场分析功能 风电场远程监测系统注重风机、风电场的分析， 为风机、风电场的运行和发电提供战略性策略支持。 １）风速统计及其周期性变化趋势分析：通过周 期性预期风速与预期发电量的图形比较可找出发电 量减少的原因，如了解风资源周期性的变化，为发电 量计划和预算提供参考。 ２）功率曲线分析：分析风机发电量不达标的周 期，分析隐藏在其后的原因，找出解决特定风机隐性 缺陷办法，减少不必要的发电量损失；将同一风机不 同时期的功率曲线对比，找出变浆方向错误的风机， 及时维修出现故障的风机，避免持续的发电量损失； 将同一风机不同时期的功率曲线进行对比，寻找有 问题的测风仪，及时解决隐性故障，避免发电量损 失；将不同风机同一时期的功率曲线比较，找出功率 曲线未达标的风机，及时进行调整。 ３）停机时间分析：找出那些在大风期频繁停机 的风机，及时调整维修计划，提高风机可利用率。 ４）发电量损失分析：分析不同原因造成的发电 广西电力 ＧＵＡＮＧＸＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ２０１３年２月 Ｖｏ１．３６ ＮＯ．１ 量损失，解决造成不必要的发电量损失问题，提高发 电量。 还有很长的路要走，可喜的是当前国内一些电力二 次监控系统厂家也加人了这方面的研究开发。随着 风电场中央监控及远程监测系统的开发成熟、风功 率预测系统的不断完善，风电场监控将和水电、火电 监控一样，进人一个成熟的行业。 参考文献 ５）各风机、风场，各类信号横向、纵向比较：发现 潜在的运营故障，进行预防性维修，主动维修以降低 运行维护成本。 ４结语 从国内风电场监控系统现状出发，提出了风电 【１］南瑞继保．ＲＣＳ一９７００变电站综合自动化系统【Ｚ】．南京：南 京南瑞继保工程技术有限公司，２００６． 场的通信组织结构、风电场中央监控及远程监测系 统的拓扑结构，对风电场中央监控及远程监测系统 提出了系统建模方案，对系统的ＳＣＡＤＡ功能、风场 风电行业特有的功能及分析功能做了详细的论述， 是一套完整的风电场中央监控及远程监测系统的解 决方案，为系统的立项、开发、应用提供参考。 风电场中央监控及远程监测系统是风电场建设 【２】卓张华，周玲，徐强．风电场监控系统现状及趋势综述 【ＥＢ／ＯＬ】．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐａｐｅｒ．ｅｄｕ．ｃｎ／ｒｅｌｅａｓｅｐａｐｅｒ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ ２０１００４—６６５，（２０１０—０４—１９）［２０１３一Ｏ１—０４］． 【３ ｓ３］ｉｅｍｅｎｓ．ＳＣＡＤＡ Ｓｙｓｔｅｍ ＳＩＭＡＴＩＣ ＷｉｎＣＣ Ｖ７．０［ＥＢ／ＯＬ］， ｈＵｐ：／／ｗｗｗ．ｒｋｅｏｎｔｒｏｌｓ．ｃｏｍ／ＷｉｎＣＣＳＣＡＤＡ．ｓｈｔｍｌ，（２００９）． 【２０１３－０１－０４】． 『４１ Ｇ．Ｓｍｉｔｈ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｇｅｎｅｒｉｃ ｗｉｎｄ ｆａｒｍ ｓｃａｄａ ｓｙｓｔｅｍ ［ＥＢ／ＯＬ］，ｈｔｔｐ：／／ｗｅｂａｒｃｈｉｖｅ．ｎａｔｉｏｎａｌａｒｃｈｉｖｅｓ．ｇｏｖ．ｕｋ／＋／ｈｔ￣： 的一个重要组成部分，当前风电场监控面临的一个 难题是风功率预测系统的精度尚不达标，因为它涉 及环境、气象、风机、地理、统计学、神经网络各方面 的因素，机理较为复杂，到目前为止国内外的风功率 预测系统的准确率在７０％一８０％徘徊，有的甚至更 低，因此，风电场监控、监测及预测系统的完善、成熟 ／／ｗｗｗ．ｂｅｒｒ．ｇｏｖ．ｕｋ／ｉｆｌｅｓ／ｉｆｌｅ１７８５４．ｐｄｆ，（２００１）［２０１３－０１－０４］． 作者简介：刘彬（１９７８一），男，大学本科学历，工程师，主要从 事调度自动化、配网自动化、风电监控系统的开发研究以及 电网相关自动化设计工作。 （上接第４９页） ４．５切实有效地控制燃料价格 生能源发电规划和广西能源发展规划，能充分利用 广西生物质资源，对调整区域能源结构，落实国家可 再生能源战略，建设资源节约型社会，服务“三农”建 设，加快推进“富民强桂”新跨越的目标，具有重要的 战略意义。 参考文献 目前，广西已投产的生物质电厂面临燃料价格 不断上涨，运营成本增大等问题，在一定程度上影响 了企业自身的生存与发展。为切实有效地控制燃料 价格，建议企业可采取以下３个方面的措施： １）从技术手段上，确保电厂的燃烧设备、燃料处 理和输送设备能够适应多种燃料。如果出现某种燃 料价格异常上涨的情况，可及时地用其它燃料替代， 保证燃料价格处于合理水平。 ２）当由于季节变换或其它人为因素造成燃料价 格异常上涨时，可通过适当扩大燃料的收集半径，从 收购区域外的县市适量收购燃料进行补充。 ３）充分利用常年收购站及厂内燃料棚。在主要 【ｌ】方振华．广西发展生物质发电的前景、问题与建议【ＪＪ．广 西电力，２００９，３２（１）：１－４． 【２】袁正光，龙源，韩忠阁．广西生物质发电的现状及建议［Ｊ】． 广西水利水电，２０１１，（４）：８１—８３． ［３】马龙海，邓字昆．我国生物质直燃发电现状分析及研究 ［Ｊ】．电力勘测设计，２０１２，（３）：７０—７４． 『４］陈柳钦．中国生物质发电问题探讨［Ｊ】．决策咨询通讯， ２０１２，（１）：ｌ８—２４． 燃料供应充足的季节，可以以较低的价格大量收购 秸秆，存储在常年收购站及厂内燃料棚内；在农忙季 节劳动力短缺、季节性燃料供应断档期，燃料收购量 减少时，通过调用储备燃料来满足电厂运行的需要， 同时缓解燃料价格上涨的压力。 ［５ 于永合．５】生物质能电厂开发、建设及运营【Ｍ】．武汉：武汉 大学出版社，２０１２． 作者简介：谭振云（１９８ｏ－＿），男，大学本科学历，工程师，主要 从事火力发电厂设计及技术管理工作。 ５结语 发展和建设生物质直燃发电项目符合国家可再
