风力发电场SCADA系统的设计
梁 涛，黄 玥
(1. 中国船舶集团第七〇九研究所，湖北 武汉 430074；
2. 中国人民解放军空军预警学院，湖北 武汉 430072)
中国“3060”碳排放目标提出后，以风电为代表的可再生能源爆发式增长的态势已然近在咫尺。风能资源丰富的地区一般都比较偏远，且环境恶劣，在风电场中的风电机组分布分散、监控参数多，这都会给风电系统控制带来不利影响[1-4]。
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，可以对现场的运行设备进行监视和控制。为充分有效利用风能发电，SCADA系统作为自动化控制的核心具有信息完整的优点，能提高效率，正确掌握系统运行状态，对提高风电场运行的可靠性、安全性与经济性具有不可替代的作用[2-4]。风电场中央监控系统有助于实现对风电能源运营情况的实时监控、运营数据的分析，逐步推动风电能源监控的自动化、集中化和智能化。同时，它在远动系统中占重要地位，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能，即所熟知的“四遥”功能[2,3,5]。
本文设计的SCADA系统可布置于风力发电场升压站机房内，其工作站可布置于风场监控室内，由风机监控系统、风电场功率管理系统(能量管理系统)、第三方接口系统组成。其主要包括风机监控、数据采集、数据存储、数据查询、数据呈现、Web发布、风机管理、风场调度、安全审计等功能。
该SCADA系统支持跨平台部署，可部署于Windows Sever 2016、Linux(CentOS 7)、Unix、中标麒麟等多种操作系统，采用B/S网络架构，支持Chrome、Safari、Firefox、IE11浏览器，支持时钟同步；
系统具备12个功能模块，分别是：风场概览；
风机监视；
风机控制；
历史数据；
能量管理；
报警记录；
快照记录；
日志管理；
报表管理；
档案管理；
工程管理；
系统设置。
该风力发电场SCADA系统硬件系统由柜体、数据采集服务器(主)、数据采集服务器(备)、I/O服务器、远程监视服务器、操作员站、中心交换机、组网交换机、时钟同步装置、内网防火墙、外网防火墙、正向隔离装置、纵向加密装置、光电交换机、光纤熔接盒、UPS电源、KVM一体机等组成。系统的硬件拓扑结构图如图1所示。
图1 硬件拓扑结构图
1)风电机组组成的各个信息环网通过光纤传输至升压站，与光纤熔接盒相连；
光纤熔接盒又通过光纤与光电交换机连接，光电交换机以工业以太网线形式实现与SCADA系统的数据交互。
2)系统具备2台数据采集服务器，1台为主，1台备用。数据采集服务器具有数据采集、数据存储、数据热备份冗余、数据运算及处理、与IO机实时数据通讯、与发布机实施数据通讯等功能，数据采集服务器支持中控室Web访问并接受中控室风机控制及设置。
3)I/O服务器分别通过内网防护墙与第三方设备相连，I/O服务器具备风功率预测、上级调度系统、业主自建监控中心、甲方数据中心、在线振动监测系统、视频监控系统、自动消防系统、箱变监控系统、空气密度仪和升压站的第三方通讯数据接口，上传风力发电机组相关信息并接收相关指令；
并且所有的第三方通讯数据接口满足国家关于电网二次侧网络安全的相关规定。
4)远程监视服务器上设有外网接口，该外网接口通过外网防火墙与公网相连，用于连接互联网为授权用户提供监控服务。公网访问发布机时仅可监测，无法控制风机。
5)操作员站布置于电场的监控室，电场工作人员通过B/S模式，对风电场以及各个机组的数据实时监控。
6)时间同步装置支持SNTP、NTP协议，为中央监控系统中所有设备提供时钟同步校时。
7)内网防火墙起到SCADA系统内部网络中的I/O服务器与第三方通讯接口之间的保护作用；
而外网防火墙起到SCADA系统内部网络中的远程监视服务器与外部公网之间的保护作用。
8)正向隔离装置起到远程监视服务器与SCADA系统内部网络其他设备之间的保护作用。
9)纵向加密装置实现SCADA系统与风机环网之间数据的加密保护。
10)中心交换机实现SCADA系统与之相连的设备之间数据交换、互通的作用。组网交换机实现中央监控系统与风机各环网的数据通讯。
11)KVM一体机通过VGA线缆分别与数据采集服务器、I/O服务器、远程监视服务器相连，KVM一体机和键鼠托盘为现场操作人员提供便捷的人机交互。
12)UPS电源在正常供电情况下处于旁路模式，由市电为中央监控系统供电，同时也为其自身的电池包充电，在断电情况下UPS电源自动切换到电池供电状态，它可为中央监控系统提供续航电源。
该风电场SCADA系统软件程序根据功能结构划分为三层(见图2)，采集层、服务层、前端网站，每部分均可根据服务器分布情况独立安装部署，程序之间均采用标准TCP协议。
图2 软件框架图
采集层可根据实际组态形式，配置、添加协议包，对风机数据进行采集并建立实时数据库。
服务层可实现数据处理、数据调用、数据存储、数据转发，并形成历史数据库，同时具备通讯中断数据自动恢复的功能，即在光纤环网通讯中断恢复后，机组主控程序满足记录要求的前提下，通过FTP或SFTP或FTPS协议自动从机组主控系统中将通讯中断期间存储的数据采集到监控系统中，并进行数据补录，保证数据的完整性。
前端网站具备完整的网站服务、UI、网闸通讯、历史数据记录及查询功能。
SCADA系统的软件程序均在服务器上部署和执行：
1)数据采集服务器(主)和数据采集服务器(备)部署的程序包括操作系统、JAVA开发包、数据采集程序、发布机数据转发程序、I/O机数据转发程序、数据分析存储程序、数据库、Web站点API服务程序、Web呈现程序、双机热备程序等；
2)I/O服务器部署的程序包括操作系统、JAVA开发包、数据采集程序、数据显示Demo，I/O服务器主要完成协议转换功能，主要通讯协议均部署在该服务器，在实际应用中各技术协议以应用的方式呈现，根据系统程序框架自由添加协议；
3)远程监视服务器部署的程序包括操作系统、JAVA开发包、数据采集程序、数据分析程序、数据库、Web站点API服务程序、Web呈现程序。
根据上述SCADA的硬件、软件设计方案，下面来逐一介绍其实现功能，功能结构见图3。
图3 功能结构图
1)2台数据采集服务器互为主备，均可实现数据采集、数据分析、数据存储、数据热备份冗余、数据运算及处理、与IO机实时数据通讯、与发布机实施数据通讯等功能，数据采集服务器支持中控室操作站计算机通过Web访问并接受中控室风机控制及设置。
2)模拟量数据存储采用秒级及分钟级存储，其中，故障前后5 min内的秒级数据要求永久保存，其余秒级存储数据要求在数据库中保留3个月，以便数据分析使用；
布尔量数据采用逢变则存的方式。秒级存储数据查询及报表显示最小颗粒度为1 s，可根据不同时间步长查询显示模拟量数据；
分钟级存储的数据查询及报表最小颗粒度为1 min，可根据不同时间步长查询显示模拟量数据；
布尔量独立查询，不与模拟量一起混合查询。
3)数据采集服务器具备获取故障前后数据的功能，即在机组发生故障过后，机组主控系统会记录故障前后一段时间的毫秒级数据，数据采集服务器通过FTP、SFTP、FTPS等方式，从主控系统获取故障前后数据并进行原文件本地存储、展示。
4)数据采集服务器具备容灾能力及通讯中断补录功能。当SCADA系统与风机主控制器之间的通讯连接中断时，数据采集服务器应在等待一段时间后，自动重新尝试连接风机主控制器，并且具有从风机主控制器内获取缓存数据的能力。当服务器与控制器的连接恢复后，如果风电机组控制器或塔基触摸屏内缓存有最近一段时间的历史及统计数据，数据采集服务器应能从控制器内最大限度的读取所缺失的数据，并进行数据补录，保证数据的完整性。
5)I/O服务器主要完成协议转换及第三方通讯数据接口功能，上传风力发电机组相关信息并接收相关指令，并且I/O服务器遵循电网调度101、102、104等相关电力规约，自动接收由电网中调或者风电场管理者发出的调度指令，并按照系统事先制定的控制策略，将功率调节指令合理地分配给风电场每台风电机组，保证风场实际出力满足电网调度的指令要求。
6)I/O服务器可实现能量管理功能，它自动接收由电网中调或者风电场管理者发出的调度指令，并按照系统事先制定的控制策略，将功率调节指令合理地分配给风电场每台风电机组(或指定参与调节的一批机组)，保证风场实际运行满足电网调度的指令要求，能量管理包含有功自动控制系统(AGC)和无功自动控制系统(AVC)两部分。
7)主要通讯协议均部署在I/O服务器，在实际应用中，各技术协议是以应用的方式呈现的，可根据系统程序框架，自由添加协议，添加后可对每个协议进行添加、关闭和和配置。通讯程序包中包含协议栈Modbus TCP(主、从)、Modbus RTU(主)、101(从)、104(主、从)、OPC UA、FTP、SFTP、FTPS。
8)远程监视服务器包含了完整的网站服务、UI、网闸通讯、历史数据记录及查询功能，将风机数据发布至公网，可远程访问查看该风场状态。远程监视服务器可以实现异地远程客户可通过局域网或因特网，按照国能安全[2015]36号《国家能源局关于印发电力监控系统安全防护总体方案等安全防护方案和评估规范的通知》要求，实现异地远程实时监视和数据查询。
本文介绍了一种风力发电场SCADA系统的设计方案，详细阐述了其硬件拓扑结构、软件框架、实现功能。
目前，基于该设计方案的SCADA系统已在风力发电场成功投运，可实现不低于300台机组的监控，且适用于不同机组混装、不同组件混装的情况。在满足电力系统稳定等安全约束条件下，实现了风电场及升压站“无人值班、少人值守”、远程集中监视控制、科学调度和管理、远程维护、全网络化信息交换。
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