CN101539763A - 风场监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风场监控系统，涉及风力发电场中对处于风场中的风力发电机组进行监控的系统，目的是现有风力发电系统的风场中各单机的监控存在的不足，包括服务器和通过网络与服务器连接的数据采集设备、数据通信设备、控制设备，数据采集设备对于单台风机包括如下模块：运行模拟信息采集模块、状态信息采集模块、风场运行状况信息采集模块；控制设备包括远程启/停机模块、偏航解缆模块、冷却加热模块、液压润滑模块、变频器复位模块；数据通信设备将数据采集设备所采集的信息传输给服务器，并将历史数据冗余地存储于服务器；还包括与服务器连接的GPS时钟同步设备，以同步风场中各风机的时钟。

Description

风场监控系统

技术领域

本发明涉及风力发电场中对处于风场中的风力发电机组进行监控的系统。

背景技术

目前风力发电系统中，对于风场中网络化配置的风力发电机组的监控系统多是采用国外的网络监控系统，主要存在以下不足：

1)本地化差：虽然部分系统已经汉化，但是难以贴近中国市场中的某些行业规范；

2)价格昂贵：这些系统，动则上万美元，很难为国内一般应用所接受。

3)与电厂监控系统的结合性能差；

4)网络通讯不透明，不适合开发现代企业基于局域

5)或专线网的网状层次结构监控管理系统；

6)数据采集速度有待进一步提高；

7)系统事故追忆能力差；

8)缺乏高效能的控制任务控制分配算法的支持

9)网络通信技术不足的问题。网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术，然而，目前网络通信一般简单采用Socket技术，甚至FTP或Email等，这些技术无论在传输的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺，特别是对于现场多个端点的数据采集，会大大增加编程的复杂度，不能满足远程监控技术对网络通信的需求；

10)网络通信中多种结构并存的问题。目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布距离远，而且还存在着不同局域网，不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言也可能有不同的问题，这就要求集成网络中的不同平台，实现相互之间的通信，而这些问题采用传统方法是难以解决的。

发明内容

本发明的目的是现有风力发电系统的风场中各单机的监控存在的不足，提供一种风场监控系统，以对风场中的各单台风力发电机组进行数据采集和控制，满足正常运行的需要，提供可靠性更高的运行控制。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：

风场监控系统，包括服务器和通过网络与服务器连接的数据采集设备、数据通信设备、控制设备，所述数据采集设备对于单台风机包括如下模块：运行模拟信息采集模块、状态信息采集模块、风场运行状况信息采集模块；

所述控制设备包括远程启/停机模块、偏航解缆模块、冷却加热模块、液压润滑模块、变频器复位模块；

所述数据通信设备将数据采集设备所采集的信息传输给服务器，并将历史数据冗余地存储于服务器；

所述系统还包括与服务器连接的GPS时钟同步设备，以同步风场中各风机的时钟。

所述风场运行状况信息采集模块采集单台风机的温度、压力、冷却加热设备状态、电网数据、转速、发电功率信息。

所述系统还包括报警模块，所述报警模块包括可组合显示的如下子模块：

齿轮箱报警子模块、发电机报警子模块、湿度报警子模块、刹车报警子模块，上述各子模块可按类别组合显示；

自动复位报警子模块、手动复位报警子模块、停机报警子模块，上述各子模块可按级别组合显示。

所述系统还包括数据备份模块，该模块包括两个备份硬盘，分别通过盘对盘复制方式备份。

所述系统还包括打印模块。

所述系统包括下述能够从三个不同层面与第三方产品链接的接口模块：

链接企业管理层的接口模块；

链接风场监控层的接口模块，支持通过网络协议与SCADA平台、MES产品BATCH处理平台接口；

链接装置控制层的接口模块，支持链接PLC、RTU以及标准的现场总线仪表和执行机构。

所述系统还包括硬件防火墙。

所述系统还包括加密模块，以对传输和存储的数据进行加密。

所述数据采集设备、数据通信设备、控制设备形成一个单元配置在每台风机上，每个单元通过现场总线网络分布式连接于服务器。

本发明采用上述结构，通过数据采集设备中的各模块采集单台风机(或风力发电机组)的运行模拟信息、状态信息、风况信息、温度、压力、冷却加热设备状态、电网数据、转速、发电功率等各种信息，并通过数据通信设备传递给服务器，由服务器根据上述信息的情况，向控制设备发出控制命令，实现对风力发电机组的远程控制及自动启停，在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于被控对象，控制和调节各风力发电机组启停及发电功率，以及风机单机远程控制功能，通过单机远程维护界面可实现远程启动、停机、偏航解缆、启/停加热器和风扇、启动液压泵和润滑泵、复位变频器、设置手动相位角和力矩、手动刹车与手动变桨，并可根据采集的信息分级别组合显示报警信息，而且本发明的网络结构采用分布式和冗余备份结构，可大大提高监控的可靠性，并根据历史数据进行运行状态和事故反演，为进一步的监控改进提供基础数据。

可见，采用上述结构的本发明，具有更高的数据实时性、监控可靠性，可低成本满足风场的监控需求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1，风场监控系统通过分层分布式的模块化结构、层次化结构，以服务器和客户端的硬件形式构成，主要包括服务器和通过网络与服务器连接的数据采集设备、数据通信设备、控制设备，所述数据采集设备对于单台风机包括如下模块：运行模拟信息采集模块、状态信息采集模块、风场运行状况信息采集模块。

上述各模块分别如下：

所述控制设备包括远程启/停机模块、偏航解缆模块、冷却加热模块、液压润滑模块、变频器复位模块；

所述数据通信设备将数据采集设备所采集的信息传输给服务器，并将历史数据冗余地存储于服务器；

所述系统还包括与服务器连接的GPS时钟同步设备，以同步风场中各风机的时钟。

所述风场运行状况信息采集模块采集单台风机的温度、压力、冷却加热设备状态、电网数据、转速、发电功率信息。

上述风场监控系统还包括报警模块，所述报警模块包括可组合显示的如下子模块：

齿轮箱报警子模块、发电机报警子模块、湿度报警子模块、刹车报警子模块，上述各子模块可按类别组合显示；

自动复位报警子模块、手动复位报警子模块、停机报警子模块，上述各子模块可按级别组合显示。

所述系统还包括数据备份模块，该模块包括两个备份硬盘，分别通过盘对盘复制方式备份；以及打印模块。

上述风场监控系统包括下述能够从三个不同层面与第三方产品链接的接口模块：

链接企业管理层的接口模块；

链接风场监控层的接口模块，支持通过网络协议与SCADA平台、MES产品BATCH处理平台接口；

链接装置控制层的接口模块，支持链接PLC、RTU以及标准的现场总线仪表和执行机构。

上述风场监控系统还包括硬件防火墙，以及加密模块，以对传输和存储的数据进行安全防护。

所述数据采集设备、数据通信设备、控制设备形成一个单元配置在每台风机上，每个单元通过现场总线网络分布式连接于服务器。

上述结构的风场监控系统具有的功能如下：

1)数据采集、分析、显示功能

单台风机运行模拟信息、状态信息、风场运行状况数据采集

单台风机的风况信息数据、温度、压力、冷却加热设备状态、电网数据、转速、发电功率运行状态等

2)数据处理

单台风机的运行小时数、越限数据处理、事故判定等

3)控制和调节

控制功能主要是实现对风力发电机组的远程控制及自动启停，在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于被控对象。

控制和调节各风力发电机组启停及发电功率

风机单机远程控制功能，通过单机远程维护界面可实现远程启动、停机、偏航解缆、启/停加热器和风扇、启动液压泵和润滑泵、复位变频器、设置手动相位角和力矩、手动刹车与手动变桨。

4)报警处理

可处理多点同时报警、可自定义报警项及产生条件，并可灵活配置。报警信息可按类别组合显示、也可按安全级别显示、更可结合机组组合选定制定时间显示报警信息。

如按类别可分为齿轮箱报警、发电机报警、温度报警、刹车报警等

按级别可分为可自动复位报警、手动复位报警、停机报警

与机组组合报警如发电机组1按类别显示报警

5)时钟同步

利用GPS对时确保风场内所有机组与系统设备时钟同步

时钟同步也叫“对钟”。要把分布在风场被风机的时钟对准(同步起来)，最直观的方法就是搬钟，用一个标准钟作搬钟，使各地的钟均与标准钟对准。或者使搬钟首先与GPS标准时钟对准，然后使系统中的其他时针与搬钟比对，实现系统其他时钟与系统统一标准时钟同步。当某个时钟积累钟差较大时才作跳步或闰秒处理。因为要在比对时刻把两钟“钟面时间对齐，一则需要有精密的相位微步调节器会调节时钟用动源的相位，另外，各种驱动源的漂移规律也各不相同，即使在两种比对时刻时钟完全对齐，比对后也会产生误差，仍需要观测被比对时钟驱动源相对标准钟的漂移规律，故一般不这样做

6)人机界面功能

操作界面可进行实时数据浏览。历史数据查询、各种统计数据查询、曲线浏览及手动维护操作功能

7)安全管理

风力发电场规模越来越大，风力发电维护也根据实际情况划分了具体的职责和范围，本系统不但可以将风力发电场按风机划分为若干个区域，还可将风机内操作按齿轮箱维护、发电机维护、偏航维护、变桨维护等分类别划分

管理权限分区分级划分后，不同维护人员登录则只能看到各自职责范围内的信息及操作。避免了报警信息量大，误操作等。大大提高机组的安全运行与风机内人员维护安全指数。

系统的安全性及使用者级别和权限的控制

管控一体化形成后，企业的安全性成为重要的问题，同时难度将增大。日益成熟的防火墙技术将成为控制系统安全性的另一层保障。但也因为管理的高度集中，使全企业的人员可以划分为不同级别和权限的使用群体，对操作进行必要的跟踪

系统可根据实际监控过程的需要及监控进程的情况，对运行状态的信息进行分析，给出故障类型、出错位置和出错原因，并以图、文、声等多种形式及时作出报警

8)系统的可维护性

系统采取模块化设计、结构化设计、使用良好的高级程序设计语言，很有助提高系统的可理解性。配备有详细的设计文档。编制的有用户文档和系统文档

9)分布式控制功能

以分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。结合现代计算机和通讯网络技术的高速发展，本系统向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不同型号的DCS可以互连，进行数据交换，并可通过以太网将DCS系统和厂站管理网相连，实现实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流。

10)二次开发功能

系统提供语言及接口，客户可根据需要进行简单方便的二次开发。

如简单的逻辑运算、简单临时统计、简单数据统计、临时报表编制，临时汇总曲线集成等。

11)提供与第三方系统集成

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统

可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：在企业管理层支持各种管理软件平台连接；在风场监控层支持第三方先进控制产品SCADA平台、MES产品、BATCH处理软件，同时支持多种网络协议(以以太网为主)；在装置控制层可以支持多种DCS单元(系统)、PLC、RTU、各种智能控制单元等，以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。

与其它系统的广泛集成，如变电所综合自动化，将变电所的控制、信号、测量、等信息纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低升压变的占地面积和设备投资、提高二次系统的可靠性

12)快速恢复

为了保证备份数据的安全可靠，系统对备份硬盘再做一个备份。也是通过GHOST软件，采用盘对盘对拷的方式，做好备份硬盘的备份。这样，我们事实上拥有两个型号、容量、内容完全一样的两个备份硬盘

13)显示打印

报表的产生与打印-能把数据转换成报表的格式，并能够打印出来。

本发明的风场监控系统具有如下优点：

本系统信息完整、提高效率、正确掌握风场运行状态、加快决策、帮助快速诊断出风机、风场故障状态等。对提高风场并网运行的可靠性、安全性与经济效益、减轻风场维护人员的工作负担，实现风场管理自动化、现代化，提高风场管理的效率和水平，奠定了良好的技术基础。

a)信息统一采集分配

准确的数据量测是数据采集的基础，采集的方法有接触式和非接触式

数据采集通用性较强，不仅可采集风机上信息量，亦可采集风场内电气量与非电气量，实现了风场内的实时信息的统一采集及按需分配。

b)实时性和可靠性

以太网极高的数据传输速率、数据交换技术和PLC软件的扫描频率，保证了系统的实时性；TCP/IP以太网通讯协议以及多方面的抗干扰措施。信号隔离和屏蔽等给数据的保护提供了强大的安全性和可靠性。

本系统是由分散的智能控制组成多层次模块化结构，采用现场控制技术，信息直接从控制器获得，接近控制点，所有分布式控制器在同一分层总线上自主工作，当一台控制器发生故障，或一台网络设备发生故障，不会殃及整个系统，充分体现了集中管理、分布控制的设计思想，减少风险，增加可靠性。

高保密性，系统的数据传输采用了加密，能确保传输的信息在网络中不会被篡改而被破译，重要的数据存放也采用了加密。

c)数据一致性

即可保存原始接收数据又可保存处理后数据确保运行反演多方信息的真实性。

数据共享性是分布存储系统的一个重要特征，在同一系统中必须允许有多个访问和更新存在且可以并发执行，数据一致性维护正是要协调并发更新之间的冲突.通过分析发现，

d)实现无人职守

通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的。

更增强了现场管理与自动化，强大细化的权限管理，金字塔式的权限管理方式，能将权限逐级下放，逐级约束，管理可从部门细化到个人，从单个风机细化到一个控制点，均能实现。有效的解决了权限的问题。每个用户持有独立的信息，可以通过软件系统建立或取消其使用权，增加或减少其使用权。

系统还可以实现对人员权限的明确限定，无论是内部人员或外部人员，都可以通过权限的设置，清楚地分配风场管理的范围。

e)信息分级显示

报警信息、可根据管理权限分级别显示、也可根据时间或信息类别、选择的风力发电机组而显示

f)统计数据管理

历史数据统计，历史数据统计保存再调用。并形成有效的各种统计曲线且将统计数据二次保存。

记录实时过程的历史数据，用于过程存档、历史数据查询、事故分析、系统建模等

g)事故反演&运行状态反演

本系统可将记录规定时间内的所有生产设备的运转情况和预测系统可能发生的事故。在发生事故时能快速地找到事故的原因，并找到恢复生产的最佳方法。从这个意义出发，实时历史数据的保留和系统操作情况记录变得非常重要。

h)无缝链接

系统与电力信息按一体化原则设计、实现第三方系统的无缝链接。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1、风场监控系统，包括服务器和通过网络与服务器连接的数据采集设备、数据通信设备、控制设备，其特征在于

所述数据采集设备对于单台风机包括如下模块：运行模拟信息采集模块、状态信息采集模块、风场运行状况信息采集模块；

所述控制设备包括远程启/停机模块、偏航解缆模块、冷却加热模块、液压润滑模块、变频器复位模块；

所述数据通信设备将数据采集设备所采集的信息传输给服务器，并将历史数据冗余地存储于服务器；

所述系统还包括与服务器连接的GPS时钟同步设备，以同步风场中各风机的时钟。

2、如权利要求1所述风场监控系统，其特征在于，所述风场运行状况信息采集模块采集单台风机的温度、压力、冷却加热设备状态、电网数据、转速、发电功率信息。

3、如权利要求1所述风场监控系统，其特征在于，所述系统还包括报警模块，所述报警模块包括可组合显示的如下子模块：

齿轮箱报警子模块、发电机报警子模块、湿度报警子模块、刹车报警子模块，上述各子模块可按类别组合显示；

自动复位报警子模块、手动复位报警子模块、停机报警子模块，上述各子模块可按级别组合显示。

4、如权利要求1所述风场监控系统，其特征在于，所述系统还包括数据备份模块，该模块包括两个备份硬盘，分别通过盘对盘复制方式备份。

5、如权利要求1所述风场监控系统，其特征在于，所述系统还包括打印模块。

6、如权利要求1所述风场监控系统，其特征在于，所述系统包括下述能够从三个不同层面与第三方产品链接的接口模块：

链接企业管理层的接口模块；

链接风场监控层的接口模块，支持通过网络协议与SCADA平台、MES产品BATCH处理平台接口；

链接装置控制层的接口模块，支持链接PLC、RTU以及标准的现场总线仪表和执行机构。

7、如权利要求1所述风场监控系统，其特征在于，所述系统还包括硬件防火墙。

8、如权利要求1所述风场监控系统，其特征在于，所述系统还包括加密模块，以对传输和存储的数据进行加密。

9、如权利要求1所述风场监控系统，其特征在于，所述数据采集设备、数据通信设备、控制设备形成一个单元配置在每台风机上，每个单元通过现场总线网络分布式连接于服务器。

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