风电场中SCADA系统设计
作者：万海东 祁博宇 夏毅军
来源：《现代电子技术》2010年第01期
        摘 要:在大型的风电场中,如何有效地对各风力机状态进行监控,使整个风场风机安全、可靠、经济地运行变得至关重要。为此通过设计风电场的现场SCADA系统来建立一个风电场各项监控、监测数据的信息共享、交换、传输平台。详细介绍了风电场的现场SCADA系统中前置机设计,并针对风电场的特点设计了现场SCADA系统监控中心的软硬件平台。实现了风电场的前端数据采集、基础信息管理、地形图管理以及远程接入等功能,较好地满足了风电场的监控管理。
        关键词:风电场;SCADA;前置机;Modbus
        中图分类号:TP274+.2文献标识码:A
        文章编号:1004-373X(2010)01-201-03
        Design of SCADA System in Wind Farm
        WAN Haidong1,QI Boyu2,XIA Yijun1
        (1.Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing,210013,China;
        2.Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing,210044,China)
        Abstract:In the large wind farm,it is important to monitor the state of wind turbine,and then it can make the wind turbine running safely,reliably and economically.For this reason,a platform is built up by designing a local SCADA system,which can share,exchange and transmit information of monitoring data.In this paper,the design of front-end computer in local SCADA system of wind farm is introduced in detail,the software and hardware platform in monitoring center of local SCADA system are designed.The system has functions of data collection,basic information management,landform management and remote access,which satisfies the requirement of monitoring and management in wind farm.
        Keywords:wind farm;SCADA;front-end computer;Modbus
        0 引 言
        风能作为一种清洁的可再生能源,已经日益引起世界各国的注意,风力发电技术已基本趋于成熟。在大型的风电场中有几十台甚至上百台风力机,如何有效地对各风力机状态进行监控,使整个风场风机安全、可靠、经济地运行变得至关重要[1,2]。解决上述问题的途径可以通过建立风电场的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition,数据采集与监视控制)系统,实现风场全系统风机监控、信息共享和故障诊断及维护。
        SCADA系统的应用领域很广,它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等。风力发电场的SCADA系统包括了对风电场的风力状况和机组、风电场运行状况数据进行采集与集中处理,提供就地操作和远程监控人机界面,还可自动或根据管理人员反馈的指令对风电机组和风电场运行进行效率优化和安全保障控制。
        1 系统功能
        现场SCADA系统主要完成数据采集、网络构建、集中监控等功能。采集系统通过多种
通用接口,实现将各厂商的风机、变电站、测风塔、气象站等前端传感器中信息进行接入采集,并通过现场光纤网络,采用OPC技术实现数据接入中央监控系统[3]。通过组建光纤环网或者星型网络将风场各风机、测风塔等前端传感器与中央监控系统构建以太网络,并由中央监控系统完成整个网络的时间同步。现场SCADA系统监控中心可实现对现场装机容量、风机部件参数、风机控制器组件气象基础信息等信息进行监视,并对风机开关机进行远程控制,实现风场的风机网络拓朴图监控,系统提供Web访问界面,允许被授权用户访问系统[4]。具备报表处理功能,可实现风场地形图录入、转换,并实现逻辑风机与实际风机的实时联接,并由“现场SCADA系统安装盘”在指定服务器上实现“现场SCADA系统”安装,具备完善的日志管理功能,可实现数据备份/恢复,数据导入/导出,预留多种接口,可通过邮件、传真、GPRS、CDMA等模式将信息及时通知相关用户。
        2 前置机设计
        2.1 概述
        常规SCADA系统中通讯处理主要由前置机完成,现场情况下必须保证前置机长期、稳定、不间断的运行。本系统设计采用的前端数据处理机操作系统使用Linux操作系统,Linux具
有Unix的优点:稳定、可靠、安全,有强大的网络功能。支持多用户、多任务,是目前嵌入式产品操作系统的首选。
        前置机由通讯处理及后台监控系统两部分组成。前置机基于嵌入式硬件平台并采用客户服务器模式、分布式处理、分散式数据库备份等技术实现。
        作为数据采集的前端控制计算机具有多种标准工业接口。通过RS 232,RS 485和TCP/IP接口可实现对各厂商不同风机、气象站、测风塔等设备进行接入,并可将多路RS 232/485信号转换为以太网标准接口。通过支持多种工业通讯协议实现在应用层上对多种不同协议设备的接入,并转换成标准的Modbus TCP/IP协议[5,6]。具备实时对风机等前端设备进行数据采集,并将采集到的参数进行存储。接收中央监控系统的查询指令,并将采集到的参数数据上报中央监控系统。接收风场监控中心的控制指令,对风机等设备进行开机、关机、复位等控制操作。
        2.2 硬件平台
        前置机包括采集接口单元、中央处理单元、Modbus TCP/IP总线接口单元。采集接口单元包括了RS 232接口处理单元、RS 485接口处理单元、TCP/IP接口处理单元。
        2.3 软件设计
        前置机整体框架包含了协议处理模块、数据处理模块、日志管理模块、Web服务模块、时钟同步模块、看门狗模块以及物理层RS 232,RS 485和TCP/IP RJ45接口,如图1所示。
        图1 前置机软件框图
        前置机软件完成协议处理、数据处理、OPC服务、日志管理、Web服务和时钟同步功能。
        协议处理完成Modbus协议的接收处理。当在Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。
        数据处理为前置机核心处理部分。数据处理模块完成OPC服务器中数据处理功能,对各种采集来数据经过协议处理器解析后取出相应数据实时存入现场数据库,并提供日志查询功能。能实时处理经由风场监控中心发出控制指令,并将控制指令传递给协议处理模块,由其完成对应风机设备PLC协议封装。
        日志记录各风机节点对应时段的状态如发电机转速、风轮转速、浆距角、发电机机舱角度等参数,各风机实时的开关机状态和故障状态[7],可供远程日志调用。日志信息量大小可保留10~30天单个风机数据。
        嵌入式的Web诊断网页,可以实现远程的诊断和控制;客户化的网页空间,可以帮助用户创建自己的、基于标准HTML的HMI应用;内置的基于Java小应用程序的图形库,可以帮助用户建立动态的对话页面。
        前置机采用网络时间协议NTP来实现时钟同步,本系统采用客户/服务器方式。风场监控中心确立时间服务器,各前置机作为客户端,时间服务器与需要时间同步的客户机相互交换NTP数据包。
        3 现场SCADA系统监控中心设计
        现场SCADA系统监控中心是现场SCADA系统的核心,承担着对SCADA系统进行管理、集中数据处理、监控和数据交换控制等功能[8]。现场SCADA系统监控中心对整个风场系统实行全面统一的调度管理,监视系统中风机等设备的运行参数和状态,如风机部件信息、风机
控制组件信息、风机电力信息等相关参数;监视所有风机设备的开、关和故障状态,报警,通信状态等。监控中心将数据实时的送到远程风场监控中心,并接受远程风场监控中心的远程控制指令[9]。
        3.1 主要功能
        数据采集 对前置机进行实时数据采集,采用OPC技术采集前置机OPC服务器中已记录当前特征量信息;
        风场基础信息管理 风场基础信息管理包括了前置机节点信息、风机节点信息、风机显示屏信息、变电站节点信息、测风塔节点信息;
        风场地形图管理 根据风场各风机节点、变电站节点和测风塔节点的风场布局生成相关的风场地形布局图,并转换成矢量图,与各节点生成对应联接关系;
        现场实时报警信息管理 具备对各前置机、风机、变电站、测风塔故障信息报警功能,实现声音报警、图示报警、打印报警等方式。具备故障等级显示,由故障级别进行相应级别的故障警示;
linux系统地址
        人机交互 具备友好人机交互界面,可操作性强,显示直观明晰。显示内容包括实时采集、计算、系统估计和人工置入的各种风场动态及静态运行参数,具有风场地形图无级缩放、画面导航、漫游和热点选择功能,提供包括接线图、表格、曲线及其它所需画面的编辑和修改工具;
        远程接入 提供与远端风场监控中心软硬件接口,可实现现场风机状态信息上报、现场电网基础信息上报、故障报警信息上报等数据上报,接受远程中心对现场风机遥控、远程故障定位排除等控制指令。
        3.2 硬件平台
        现场SCADA系统监控中心包含系统管理服务器、操作员工作站、数据库服务器、网络交换设备、网络安全设备。
        3.3 软件设计
        3.3.1 软件总体规划
        现场SCADA系统监控中心软件主要分为三大部分:现场SCADA系统监控管理服务器软件、现场SCADA系统监控管理客户端软件、实时数据库软件。
        监控管理服务器软件包括多个软件模块,作为监控中心的系统管理服务器起到前端数据接入采集、数据库操作、风场地形图管理、日志管理、报表生成、故障监测报警、远程受控等功能,如图2所示。

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