CN100458605C - 为风力涡轮发电机系统提供远程访问的各种方法和设备 - Google Patents

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CN100458605C CNB2004100831514A CN200410083151A CN100458605C CN 100458605 C CN100458605 C CN 100458605C CN B2004100831514 A CNB2004100831514 A CN B2004100831514A CN 200410083151 A CN200410083151 A CN 200410083151A CN 100458605 C CN100458605 C CN 100458605C
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Abstract

描述了为风力涡轮发电机系统提供远程访问的各种方法和设备,其中一个具有过程控制软件的功率管理控制器(104)控制一组风力涡轮发电机(102)的输出功率特性。该功率管理控制器(104)还有一个网络接口,配置该网络接口以允许一个监视与控制网络(108)的一个用户通过建立在一个网络连接(112)上的一个安全连接来远程访问和改变该组风力涡轮发电机(102)的输出功率设置。

Description

为风力渴轮发电机系统提供远 程访问的各种方法和设备
技术领域
本发明的实施例通常涉及一种用于一个或多个风力涡轮发电机的 控制系统,更具体地,本发明实施例的一个方面涉及促进远程访问用 于一个或多个风力涡轮发电机的那个控制系统. 背景扶术
所使用的风力发电机系统的类型和功能可极大地影响包括电压和
无功伏安(VAR)波动的传输线质量.电力系统中超類的无功功率可能 引起在元件中造成过早损坏的过度加热.此外,不受控制的无功功率 导致超过设备規格的引起元件损坏的电压波动.最后,不受控制的无 功功率可能导致在功率传输方面极低的效率,因此增加了跨越电网传 输功率的成本.
传输和分布式系统、电力发电站和工厂的操作员已知道这个问題 相当长的时间了.为了补偿电压和VAR波动,操作员和公用电站安装 设备以补偿所迷系统的无功特性.传统上,电容器和电抗器都用于这 种补偿.电容器组保持或生产以VAR为单位測量的无功功率,而电抗 器组消耗VAR.依賴于在该系统上測量的VAR,搮作员启动这些设备之 一。电容器和电抗器的用途要么是使VAR流的总量最小化要么是获得 所期望的工作电压.目前,这些设备的制造商为这些设备装备基于徵 处理器的控制器,从而这些设备可自动循环.
通常风电站位于放射状的馈电线的末端.通常,在没有某种形式 的电压控制的情况下,风电场处的电压可能超出操作規范.这个问趙 通常通过在构造开始之前执行的负栽流量研究来处理,以致评估传输 系统的性能.为了补偿过度的电压摆动,公用电站在他们的电网上安 装通常为电容器或电抗器组形式的设备以控制流动的VAR量.
可安装一个控制器来运行程序,监控变化的电网情况,并将电容 器/电抗器组要么连接到电网上要么从电两断开.该控制器收集来自感 知各种电网情况的变頻器的数据.控制器将变頻器的读数和预编程命 令进行比较,并对他们做出响应.然而,这些设备的当前设计不允许
他们快速地响应变化的电网情况.此外,这些设备是不可调节的.例 如,当电容器组从传输系统断开时,电容器组需要放电并且五分钟内
不能再连接.而且,电容器和电抗器组可以将VAR流改变一个设定的 量,该设定的量可能导致过补偿或补偿不足. 一些制造商已设法通过 制造可快速调节的无功功率设备来解决这个问題.然而,由于其高昂 的花费,公用电站公司可能不愿安装这样的设备.
在许多风力涡轮机现场,公用电站公司发现有必要缩减或减慢生 产,因为电网或风电场内固有的电网问題.
在一些情况下,如果公用电站公司想要改变风电场控制单元中的 设置,公用电站公司不得不呼叫风电场现场操作与維护(0WO人员并 让他们开车去分站以促进该变化.依賴于风电场现场的布置,这可能 花费一个小时或更多时间才能到达适当的分站. 发明内容
描述了各种方法和设备,其中一个具有过程控制软件的功率管理 控制器控制一组风力涡轮发电机的输出功率特性.该功率管理控制器 还具有一个网络接口,以允许一个监視和控制网络的用户通过一个安 全的网络连接来远程访问和改变该组风力涡轮发电机的输出功率设置.
附图说明
附困涉及本发明的实施例,其中:
图1示出风电场的框困,该风电场有一个具有网A換口的功率管 理控制器,该网络接口允许远程位置处的用户改变影响该风电场中的 一风力涡轮发电机的输出功率特性的设置.
图2示出了动态VAR控制系统的一个实施例的闭环困.
图3示出了针对该组风力涡轮发电机访问和建立一个调整点的通 信结构的一个实施例的框困.
虽然本发明可以进行各种修改并具有各种替代的形式,但其特定 的实施例已借助附困中的实例示出并将在此详细说明.应理解本发明 并不局限于所公开的特定形式,而是相反,本发明袭盖了所有的落在 本发明的精神和范围内的修改、等效、和替代方案. 具体实施方式
在以下说明中,阐明了大量特定的细节,诸如特定数据信号、指
定的元件、连接、服务審的类型等的实例,以提供对本发明的完整理 解。然而,对于本领域的普通技术人员来说明显的是,可以在没有这 些特定细节的情况下实践本发明.在其他情况下,众所周知的元件或 方法没有详细说明而是在框田中描迷以遊免不必要地模糊本发明.可 做出诸如第一位置的进一步的特定数字标记.然而该特定的数字标记 不应解释为文字顺序而应解幹为,笫一位置不同于笫二位置.因此所 阐述的特定细节仅仅是示例性的.该特定细节可不同于本发明但仍应 视为在本发明的精神和范围内.
总的来说,描述了各种方法和设备,其中一个具有诸如针对一个
动态无功伏安(DVAR)系统的可编程逻辑控制器的过程控制软件的功 率管理控制器控制一组风力涡轮发电机的输出功率特性,诸如风电场 电压、无功功率、功率因子、或其他类似的功率特性.该功率管理控 制器还有一个网络接口,配置该网络接口来允许诸如监視控制与数据 采集(SCADA)系统的一部分的监視与控制网络的用户通过一个诸如一 个髙带宽的5类(cat5)电统的安全网络连接来远程访问和改变该组 风力满轮发电机的输出功率设置.
图1示出了风电场的一个框困,该风电场有一个具有网络接口的 功率管理控制器,该网络接口允许一个在远程位里处的用户改变一个 影响该风电场中一组风力涡轮发电机的输出功率特性的设置. 一个动 态VAR控制系统100可包括:在每个风力涡轮发电机102上的一个固 态功率转換器101,诸如变流器114、变压器116、变頻器等的分站计 量器, 一个有过程控制软件和/或硬件和一个网络用户接口的功率管理 控制器104, 一个包括调制解调器118的分布式风电场通信系统106, 和一个监視与控制网络108.该功率管理控制器104可以是可编程逻辑 控制器和串联工作的个人计算机.
从风力涡轮发电机102产生的输出功率耦合到公用电网.每组风 力涡轮发电机102通常连接到单个互连点110上.该组风力涡轮发电 机102通过该单个互连点110传送功率给>^用电网.
功率管理控制器104经由分站计量器114、 118和分布式通信系统 106监控和控制在该互连点110的电气特性.功率管理控制器104监 控诸如电压、功率、无功功率等的电气特性.功率管理控制器104还 经由一个分布式通信系统与该组中的每个风力涡轮发电机102进行通
信。
功率管理控制器104有过程控制软件和/或硬件以控制该组风力涡 轮发电机102的输出功率特性诸如风电场电压、无功功率、功率困子、 或其他类似的功率特性.功率管理控制器104还有一个网络接口,配 置该网络接口来允许一个监視与控制网络108的用户通过一个建立在 网络连接112上的安全连接来远程访问和改变该组风力涡轮发电机 102的输出功率设置,该网络连接112具有支持至少为每秒一千兆字节 速率的数字传输的带宽,诸如5类电缆.
在一个实施例中,监視与控制网络108有一个诸如徵软的终端服 务TM、基于网络的安全协议或其他类似的安全软件的固有安全连接软 件,以允许安全客户远程访问该监視与控制网络108.
分布式通信系统106将消息和信号从功率管理控制器104中继到 风力涡轮发电机102.例如,功率管理控制器104发送一条表示所需要 的每个风力涡轮发电机102要生产的无功(VAR)和有功功率(瓦特) 的比率的消息.分布式通信系统106可由连接在分站与每个风力涡轮 发电机102之间的光纤线和调制解调器组成.分布式通信系统106以 可忽略的延迟(典型地小于20毫秒)传输来自功率管理控制器104的 消息和信号.
在一个实施例中, 一个感应发电机位于每个风力涡轮发电机102 中,该感应发电机辆合到一个功率电子组件101上.固态功率转换器 101调节该感应发电机的VAR输出.
风力涡轮发电机102依賴于从功率管理控制器104发送到闺态功 率转换器101的信号而要么生产要么消耗VAR,每个风力涡轮发电机 102生产或消耗的VAR经由风电场收集系统(未示出)流过互连点110. 互连点110处的监控设备检測场内的该组风力涡轮发电机102正在生 产或消耗的瓦特和VAR的总和.功率管理控制器104控制互连点110 处的参数、诸如风电场电压、无功功率、功率因子、或其他类似的功 率特性.这些参数中的每个都是可控的而且由功率管理控制器l(M中 或由功率管理控制器104可访问的一个调整点值来建立.
在一个实施例中,功率管理控制器104要么在分站120处要么在 操作与维护(04M)大楼处执行提供允许电站操作员控制这些参数的网 络用户接口的软件。在一个实施例中,功率管理控制器104有闺有的
安全连接软件以允许安全客户经由监視与控制网络108和网络连接 112远程访问一个与功率管理控制器104的IP地址相对应的网页,网 络用户接口可经由安全服务软件和集成到公司IP网络中的基于JAVA™ 的网页浏览器而提供.
功率管理控制器104的特点使场拥有者和公用电站能够很容易地 集成收集系统和传输系统操作.网络接口可以基于网络并且可通过徵 软因特网资源管理器访问.通过使用基于网络的技术,场的操作员和 远程公用电站搮作员可使用诸如W i ndowsTM 、 L i nuxT"和Mac i n t o s hT"等
的多个操作系统来近乎实时地控制电网参数.这给予现场搮作员和远 程公用电站操作员快速调节本地电网情况的能力.功率管理控制器104 中固有的软件/硬件可容易地与其他使用JAVAT"运行时间环境的平台和 操作系统集成.风电场现场操作员与远程公用电站操作员可坐在他们 的办公桌上和使用他们自己的PC来控制电网情况以改变适当的调整 点。
困2示出了一个动态VAR控制系统的一个实施例的闭环困.动态 VAR控制系统200使用高速数字变頻器以收集互连点210处的诸如电 压、电流、瓦特、VAR、功率因子和頻率的参数数据.仪表设备214连 接在公用电网与变頻器213之间.仪表设备214測量公用电网参数并 发送信息给变頻器213.然后变頻器213将測量结果转換成数字值并将 该值发送给功率管理控制器204.在一个实施例中,功率管理控制器 204使用过程控制软件,该过程控制软件接收由用户226经由用户接口 提供的调整点值222.然后功率管理控制器104分析从变頻器213接 收的数据,然后使用该调整点值222来计算风力涡轮发电机202要生 产的无功和有功功率的比率.
功率管理控制器204的网l^接口还为用户226显示该组风力涡轮 发电机202的输出功率特性的指示.在一个实施例中,功率管理控制 器204的网络接口还给用户提供至少三个可控的参数.可调节的调整 点参数222包括电压、VAR和功率因子,每个控制参数是三相的平均測 量结果.
电压调整点可将在互连210上感应到的输出电压限制在传输系统 上正或负IO个百分数的類定相间(phase-to-phase)值.例如,如果 额定电压是34. 5kV,那么电压调整点范闺是31. 050kV到37. 95kV.
无功功率调整点可相对于可得到的无功功率量来控制电压并且控 制系统阻抗.系统阻抗可为駔动力(伏特)与系统响应的比率,即"负
载"或"安培数". 一个电站可生产的VAR的幅值取决于所指定的功 率因子、在风电站中运行的风力涡轮发电机202的数量和每个风力涡 轮发电机202的当前生产水平.
功率因子调整点可设在-0.90到0.95的范躏之间.所指定的功率 因子被控制在互连点210处.对于每个风电场,由收集系统消耗的无 功功率可能不同.
当风力改变时,由收集系统和电网里的风力涡轮发电机202生产 的伏特、瓦特和VAR也发生变化.功率管理控制器204管理电压、VAR, 并使他们与所生产的功率 一致.
一个远程用户226可访问网^^口并改变调整点值222.在一个实 施例中,为了访问网络接口,监視与控制网络208从一个位于远离风 电场位置处的用户226、诸如从来自公用电站公司的负栽分配器处接收 关于ID和密码的日志.在一个实施例中,监視与控制网络208利用监 视与控制网络208中固有的安全服务软件与在因特网230(或其他联网 的环境)上远程位置处的用户226建立一个安全连接.
监视与控制网络208中的安全连接软件建立监視与控制网络208 越过局域网212到网,口的笫二安全连接.该网络接口可呈现为与 该组风力涡轮发电机相关的网页.
安全连接软件也是功率管理控制器104中所固有的.诸如终端服 务的安全连接软件通过允许个人计算机在基于服务器的计算环境中运 行来扩展分布式计算的型式.利用在基于Windows的服务器上运行的 终端服务,所有客户应用执行、数据处理和数据存镛出现在服务器上. 应用和用户桌面在网络上传输并经由终端仿真软件显示.安全连接软 件还可提供到多个位置的网络接口 ,该多个位置允许具有适当的访问 级别的远程用户改变影响该组风力涡轮发电机的输出功率特性的设置。
注意,该安全连接软件也可利用基于网络的安全套接字层(SSL) 协议、安全HTTP (S-HTTP)协议、或其他产生客户与服务器之间的安 全连接的软件来实现.
网络接口提供不同的访问鼓别以基于诸如用户标识和密码的用户
标记来观寮和改变该组风力涡轮发电机的麥数.网络接口还允许远程 用户基于用户标记除了监控和改变该组风力涡轮发电机的输出功率特 性之外还监控和改变含有该组风力涡轮发电机的风电场的参数、诸如 频率的能力.该网络接口还允许远程用户基于用户标记监控和改变监
视与控制网络108的参数的能力.
功率管理控制器204在从用户226向监視与控制网络208请求变 化的时候起,可在少于10秒的时间内改变该组风力涡轮发电机202的 输出功率设置.
功率管理控制器204在从在该组风力涡轮发电机202处产生该特 性的时候起,可在少于10秒的时间内将该组风力涡轮发电机202的输 出功率特性的指示提供给监視与控制网络208.
图3示出了针对该组风力涡轮发电机访问和建立一个调整点的通 信结构的一个实施例的框困.监視与控制网络308可包括几个诸如终 端仿真服务服务器334、主域控制服务器340和结构化查询语言(SQL) 服务器338的服务器.终端仿真服务服务器334可位于分站中.终端 仿真服务服务器334可为具有到监視与控制网络308的接入的终端 336、 342、 344、 346提供终端仿真服务.主域控制服务器340通过参 考用户名、密码和许可的数据库为其本地域提供安全.主域控制服务 器340利用数据库中的信息来相互参照(crossreference)访问网络 接口的用户336、 342、 344、 346. SQL服务器338可为一个用于存储 用户名、密码和许可的DOS、 OS/2、 NetWare和NT应用的相关数据库. 网络服务器348将网络接口的IP地址传达给连接到本地网络350上的 网络元件并提供网络服务.防火墙352给用户342、 336提供罔特网 330的安全访问和来自因特网330的安全访问以及将罔特网330从内 部涡轮网络350分离.防火墙352还可提供网络地址转换以允许一个 IP地址(示给外部世界的)涉及内部网络350上的网络元件的许多IP 地址,在内部网络350上,对于每个客户站352、 354、 304来说通常 存在一个IP地址.
功率管理控制器304可有在可编程逻辑控制器中闺有的终端服务 软件。诸如第三远程用户336的具有适当的访问級别的远程用户可访 问由因特网330上的终端服务经由监梘与控制网络308提供的两^# 口。诸如笫一远程用户344的具有适当的访问級別的远程用户还可访
问由普通老式电话系统356的一条或多条线上的终端UL务提供的网络接口。
远程公用电站用户现在可访问、监控和控制风电场中该组风力涡 轮发电机的输出功率特性.通过允许远程访问该现场,0WI人员和远程 公用电站用户可近乎实时地进行改变.而且远程监控允许近乎实时地 观察风电场正生产的东西.
公用电站公司可近乎实时地经由到功率管理控制器的TCP/IP连接 来改变风电场电气特性.这允许公用电站公司以积极方式改变电网. 而且这可帮助风电场现场拥有者,因为公用电站公司可能决定飨减其 他没有功率管理控制器系统的风电场现场,而不是具有可用于维护电 网稳定性的功率管理控制器的现场.然后这可理解成对于风电场现场 拥有者来说风力涡轮发电机运行更久并且生产更多.还可貫穿风电场 在虚拟地在内部网络350上的任意计算机终端304、 334、 348、 352、 354处访问网络接口.
监視与控制网络308中闺有的安全脈务软件还可用来提供终端仿 真服务以允许安全远程客户访问监視与控制系统中的控制和所监控的 数据。
监视与控制网络308和功芈管理控制器304这两者的安全连接软 件将在提供网络接口的网页上的访问限制为具有适当的访问级別的登 录用户(远程和非远程的).公用电站现在能直接控制风电场控制系 统和使用风电场来加强风电场区中的电网.
在一个实施例中,设立DVAR PLC来匹配GE监視与控制和数据采 集系统I. P.方案.DVAR PLC可从加利福尼亚的蒂哈查皮 (Tehachiapi)的GE风能LLC得到.GE监視与控制和数据采集系统 可从加利福尼亚的蒂哈奎皮的GE风能LLC得到.作为动态无功伏安 (DVAR)系统的功率管理控制器104的部分的可编程逻辑控制器,可 以是包含过程控制软件的Modicon可编程逻辑控制器.
虽然已示出本发明的一些特定的实施例,但是本发明不限于这些 实施例.本发明可理解为不限于在此说明的特定的实施例,而是只由 附加的权利要求的范闺来限制.

Claims (10)

1.一种方法,包含: 在一个监视与控制网络和第一位置之间经由一个联网的环境建立第一安全连接; 在所述监视与控制网络和与一组风力涡轮发电机有关的网络接口之间使用局域网建立第二安全连接;以及 从所述第一位置处改变设置,以利用所述网络接口引起该组风力涡轮发电机中一个或多个风力涡轮发电机的输出功率特性变化,其中所述第一位置远离该组风力涡轮发电机,并且 监控在单个互连点的电气特性,风力涡轮发电机通过所述单个互连点向电网传送功率。
2. 如权利要求l所述的方法,还包含:提供终端服务,其给包括所述第一位置的多个位置提供网络接口, 这允许用户去改变影响所述风力涡轮发电机組的运行的设置。
3. 如权利要求l所述的方法,其中所述网络接口被用来控制所述 风力涡轮发电机组的VAR。
4. 一种设备,包含:一个功率管理控制器,具有过程控制软件以控制一组风力涡轮发 电机的输出功率特性;以及一个网络接口,响应于所迷功率管理控制器,以允许一个监視与 控制网络的一个用户通过一个安全网络连接来远程访问和改变该组风 力涡轮发电机的输出功率设置,所述功率管理控制器被配置用于监控在单个互连点的电气特性, 风力涡轮发电机通过所述单个互连点向电网传送功率。
5. 如权利要求4所述的设备,还包含:与所迷风力涡轮发电机组定位在一起的一个服务器,以为具有到 所述监视与控制网络的接入的一个或多个终端提供终端仿真服务。
6. 如权利要求4所述的设备,还包含:一个服务器,以通过参考访问信息的数据库为一个本地域提供安 全,其中所述服务器利用数据库中的访问信息相互参照一个访问所述 网络接口的用户,以确定是否允许所述用户访问所述监视与控制网络。
7. —种设备,包含:用于在一个监视与控制网络和笫一位置之间经由一个联网的环境 建立第一安全连接的装置;用于在所述监视与控制网络和与一组风力涡轮发电机有关的网络 接口之间使用一个局域网建立第二安全连接的装置;以及用于从所述第一位置处改变设置,以使用所述网络接口引起该组 风力涡轮发电机中一个或多个风力涡轮发电机的输出功率特性变化的 装置,其中所述第一位置远离该组风力涡轮发电机,并且所述用于改变设置的装置被配置用于监控在单个互连点的电气特 性,风力涡轮发电机通过所述单个互连点向电网传送功率。
8. 如权利要求7所迷的设备,还包含:用于提供终端服务的装置,所述终端服务为包括所述第一位置的 多个位置提供网络接口,这允许所述用户改变影响该组风力涡轮发电 机的运行的设置。
9. 如权利要求7所迷的设备,还包含:基于用户标记来观察和改变该組风力涡轮发电机的参数,该用户 标记使用多个访问级别中的一个或多个;访问所述网络接口。
10. 如权利要求7所述的设备,还包含:用于从所述第一位置处经由所述网络接口除了改变所述风力涡轮 发电机组的输出功率特性之外,还改变一个包含所述风力涡轮发电机 组的风电场的参数的装置。
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