CN103901828A - 一种用于风力发电场的监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电场的监控系统，包括风电场现场通讯网络、风电场环网交换机、风电场内网交换机、SCADA系统服务器；所述风电场现场通讯网络、所述风电场环网交换机、所述风电场内网交换机和所述SCADA系统服务器顺序连接。所述风电场现场通讯网络包括多个独立的运行回路；一台以上所处地理位置相临的风机单元相互网络连接形成所述运行回路。提高设备可靠性，保证数据采集监控系统良好运行，数据不丢失。通过监控系统监视和控制箱式变压器状态，从而保证风电场的良好运作。

Description

一种用于风力发电场的监控系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种用于大型并网型风力发电场，实现数据的实时可靠的传输与监控的风力发电场的监控系统。

背景技术

为应对全球气候变化以及能源短缺、能源供应安全严峻的形势，风能作为可再生能源以其清洁、安全、永续的特点，在各国能源战略中的地位不断提高，近年来风能发展很快并开始在能源供应中发挥重要作用。由于目前MW级风力发电设备仍以进口为主，制约了我国风电行业的发展，因此尽快掌握风力发电的核心技术并实现国产化至关重要。

为了对风力发电机组进行监控，使整个风场的风机安全、可靠、经济的运行，建立风电场的数据传输监控系统变的尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于大型并网型风力发电场，实现数据的实时可靠的传输与监控的风力发电场的监控系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于风力发电场的监控系统，包括风电场现场通讯网络、风电场环网交换机、风电场内网交换机、SCADA系统服务器；所述风电场现场通讯网络、所述风电场环网交换机、所述风电场内网交换机和所述SCADA系统服务器顺序连接。

优选的，所述风电场现场通讯网络包括多个独立的运行回路；一台以上所处地理位置相临的风机单元相互网络连接形成所述运行回路。

优选的，每个所述运行回路内的全部所述风机单元通过光纤冗余环网相互连接。

优选的，所述风机单元包括风力发电机组、箱式变压器和状态检测装置；所述箱式变压器与所述风力发电机组连接；所述状态检测装置是用于检测和传送所述风力发电机组状态信息和现场环境信息的状态检测装置；所述箱式变压器连接有远程复位开关。

优选的，所述风力发电机组状态信息包括发电机组的转速、发电量、温度、压力；所述现场环境信息包括所述发电机组所处环境的风速、风向、温度和湿度。

优选的，每个所述运行回路连接一个与之对应的所述风电场环网交换机，每一个所述风电场环网交换机均与所述风电场内网交换机连接；所述风电场内网交换机设置于风电场升压控制站内。

优选的，所述风电场环网交换机、所述风电场内网交换机均采用网管型多模环网交换机；每一个所述风电场环网交换机上均设置有两个用于组环的端口；一个以上所述风电场环网交换机通过屏蔽双绞线相互连接组成环形网络。

优选的，所述SCADA系统服务器包括主机和从机，所述主机和所述从机相互冗余。

优选的，还包括上位机人机接口平台，所述上位机人机接口平台与所述SCADA系统服务器连接；所述上位机人机接口平台包括：通讯接口、外网接口、风电场数据采集监控接口；所述通讯接口用于与第三方设备通讯，所述外网接口用于连接互联网为授权用户提供监控服务，所述风电场数据采集监控接口用于采集所述风力发电机组的状态信息和现场环境信息还用于对所述风力发电机组进行远程控制。

优选的，所述风电场数据采集监控接口包括：

实时监控模块，用于显示所述风力发电机组的状态信息和现场环境信息，还用于提供用于对所述风力发电机组进行远程控制的指令触发装置；

事件报警模块，用于当预设的报警条件被触发时，显示报警发生的时间、报警类型、以及与发生的报警相关的事件信息，同时将显示的报警事件保存到报警数据库里；还用于将报警事件以电子邮件的形式发送到预设的电子邮箱中或以短信的形式发送到预设的手机上；

数据报表模块，用于提供产能报表、事件报表、故障报表、功率曲线和实时报表；

图表显示模块，用于以图表形式显示所述风机的参数及所述参数的变化状态；

操作权限控制模块，用于根据当前操作用户的权限等级给予所述用户不同的控件操作权限；单风机显示模块，用于显示指定的单个所述风机的状态信息和参数信息，还用于对所述参数进行修改。

本发明的有益效果是：

1.提高设备可靠性，保证数据采集监控系统良好运行，数据不丢失。通过监控系统监视和控制箱式变压器状态，从而保证风电场的良好运作。

2.为与多种厂家的设备进行通讯工作提供了方便。

3.为运维人员和风场值班人员的工作提供了方便，使其能时刻了解到风机的运行状况。

附图说明

图1是本发明的监控系统的硬件结构示意图；

图2是本发明的监控系统的应用示意图；

图3是本发明的监控系统的功能示意图。

其中：1、风电场环网交换机；2、风电场内网交换机；3、SCADA系统服务器；4、电场调度设备；5、VPN；6、监控站。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明公开了一种用于风力发电场的监控系统，包括风电场现场通讯网络、风电场环网交换机、风电场内网交换机、SCADA系统服务器；所述风电场现场通讯网络、所述风电场环网交换机、所述风电场内网交换机和所述SCADA系统服务器顺序连接。所述风电场现场通讯网络包括多个独立的运行回路；一台以上所处地理位置相临的风机单元相互网络连接形成所述运行回路。每个所述运行回路内的全部所述风机单元通过光纤冗余环网相互连接。所述风机单元包括风力发电机组、与所述风力发电机组连接的箱式变压器和用于检测和传送所述风力发电机组状态信息和现场环境信息的状态检测装置；所述箱式变压器连接有远程复位开关。所述风力发电机组状态信息包括发电机组的转速、发电量、温度、压力；所述现场环境信息包括所述发电机组所处环境的风速、风向、温度和湿度。每个所述运行回路连接一个与之对应的所述风电场环网交换机，每一个所述风电场环网交换机均与所述风电场内网交换机连接；所述风电场内网交换机设置于风电场升压控制站内。所述风电场环网交换机、所述风电场内网交换机均采用网管型多模环网交换机；每一个所述风电场环网交换机上均设置有两个用于组环的端口；一个以上所述风电场环网交换机通过屏蔽双绞线相互连接组成环形网络。所述SCADA系统服务器包括一主机和一从机，所述主机和所述从机相互冗余。还包括上位机人机接口平台，所述上位机人机接口平台与所述SCADA系统服务器连接；所述上位机人机接口平台包括：通讯接口、外网接口、风电场数据采集监控接口；所述通讯接口用于与第三方设备通讯，所述外网接口用于连接互联网为授权用户提供监控服务，所述风电场数据采集监控接口用于采集所述风力发电机组的状态信息和现场环境信息还用于对所述风力发电机组进行远程控制。所述风电场数据采集监控接口包括：实时监控模块，用于显示所述风力发电机组的状态信息和现场环境信息，还用于提供用于对所述风力发电机组进行远程控制的指令触发装置；事件报警模块，用于当预设的报警条件被触发时，显示报警发生的时间、报警类型、以及与发生的报警相关的事件信息，同时将显示的报警事件保存到报警数据库里；还用于将报警事件以电子邮件的形式发送到预设的电子邮箱中或以短信的形式发送到预设的手机上；数据报表模块，用于提供产能报表、事件报表、故障报表、功率曲线和实时报表；图表显示模块，用于以图表形式显示所述风机的参数及所述参数的变化状态；操作权限控制模块，用于根据当前操作用户的权限等级给予所述用户不同的控件操作权限；单风机显示模块，用于显示指定的单个所述风机的状态信息和参数信息，还用于对所述参数进行修改。

针对大型并网型风力发电场的风力发电机组，本发明的监控系统能够实时准确地采集风电场的风机数据，并对箱式变压器的参数进行采集；并能实现监控中心对风机数据和状态的有效监控；服务器设有双冗余结构，服务器与通信集中器间设置双向物理隔离设备，与风电场外网络出口处设置防火墙和VPN服务器，防止外网对风场内部设备的非法侵入，并设有安全分级，保证了系统的安全性；监控系统具有多种数据接口，能够满足不同组织单位的通讯需求。

具体的：

本发明的用于风力发电场的监控系统，主要由风电场现场通讯网络、风电场环网交换机、风电场内网交换机、SCADA系统服务器、上位机人机接口平台、及其他辅助设备组成。它们之间的位置连接关系是：风场内的风力发电机组根据其所在地理位置等因素划分为几个独立的运行回路，各回路内的风机采用光纤冗余环网的方式进行连接，各环网经由与各回路分别对应的风电场环网交换机，均与位于风电场升压控制站的风电场内网交换机进行连接。数据最终到达风电场升压控制站的SCADA系统服务器上，并进行自动存储。风电场调度设备与之相连，采集所需数据，并完成调度职能。上位机人机接口平台分为以下几个部分：服务器SCADA部分，客户端SCADA部分，VPN外网接入后的远程登录界面，Internet登录Web发布客户端。

所述风电场现场通讯网络，是指光纤冗余环网的光纤通讯连接方式。光纤环网是为了防止光纤网络中任何一条连接线断掉，影响连接中的一个区域所带来的网络安全隐患。它能防止一处连接发生故障而影响整体网络，使网络处于冗余模式。也就是说当任意通路的网络发生故障时，仍能保证系统的数据传输。其中光纤的线路是沿着供电电缆的，风机连接的排序优化了每根光纤的最小长度。光纤传输速度满足监控系统SCADA系统所需的宽带10/100Mbps。现场光纤实际走线距离在5千米以内，因此选用多模光纤，此多模光纤为8芯光纤，实际使用4芯，另外4芯备用。

所述风电场环网交换机是指HIES-2042FX-MM网管型多模环网交换机，它可支持的最大距离为5千米，工作温度范围为-40～75℃，网络线为屏蔽双绞线。一般的以太网交换机不能作环形的网络，因此一但形成环形，会形成广播风暴。但是环网结构有自身的优点，比如有冗余性、可靠性等优点。环网上的某一路链路断开，不会影响网络上数据的转发。因此此处引入了环网交换机。这种环网交换机可以组建环形网络。每个交换机上有两个用于组环的端口，交换机之间通过手拉手形式构成了环形的网络拓扑。环网交换机采用了某些特殊技术，避免了广播风暴的产生，同时又实现了环形网络的可靠性。

所述风电场内网交换机是指升压控制站环网交换机，与风电场环网交换机同一型号，不同的是网络线为普通双绞线。

所述SCADA系统服务器，为高性能的戴尔OptiPlex 380MT，并且两台电脑相互冗余，同时接收风力发电机组处传输过来的数据。这两台电脑分为主机和从机，当主机当机从机正常时，系统将自动切换到从机为主的状态，并且不会对数据的存储造成影响。

所述上位机人机接口平台，还包括以下三个方面：与第三方进行通讯的多种通讯接口、实现远程监控的外网接入接口、风电场数据采集监控接口。

所述与第三方进行通讯的多种通讯接口，包括Modbus TCP、Modbus RTU、OPC标准通讯协议等。需要与第三方进行的通讯有：中调数据上传、风力发电功率预测数据传输、箱式变压器参数采集。中调数据上传的参数有风速、风向、有功功率、无功功率、风机启动标志位、风机停止标志位、风机复位标志位。风力发电功率预测数据基本和上述中调数据上传的参数相同。箱式变压器参数采集通讯的信号量有断路器合位，断路器分位，断路器故障跳闸，变压器高温报警，变压器压力释放，负荷开关分位，负荷开关合位，变压器油位低，变压器油位高，变压器高压室门合位，变压器高压室门分位。

所述远程监控的外网接入，指的是SCADA服务器通过光电交换机连接光纤网络与风力发电机组，服务器与通信集中器间可设置双向物理隔离设备，并与风电场外网络出口处设置防火墙和VPN服务器，防止外网对风场内部设备的非法侵入。通过VPN与外网相连，操作员根据权限许可，可从任意外网地址访问风电场监控系统，具有同样的监控功能。根据需求系统也可提供Web浏览服务功能，位于外网上的授权用户可以通过网页浏览风电场的实时和历史运行情况。

所述风电场数据采集监控接口，包括数据采集接口和数据监控接口。SCADA系统通过数据采集接口将PLC开放的数据采集到服务器上从而对数据进行显示、处理等操作。同样地，服务器上进行的控制操作也通过此数据采集接口传输到PLC，实现控制站对风机的远程控制。此数据采集接口还可对上位机和下位机之间的通讯状态进行监控。此数据采集接口通过设置服务器与PLC的网络地址进行连接，通过建立不同的链路和设备来区分不同的风力发电机组。

所述数据监控接口用来监视整个风电场的风力发电机组的运行状态并对其进行控制。具体包括：

1)实时监控模块

通过远程控制服务器显示风力发电机组的各种信息，显示的主要内容包括全部风力发电机组的运行状态、风速、发电机转速、发电量及设备的温度、压力等参数、各传感器的实际测量实时数据、报警信息。

能量管理窗口可对负荷进行限制，并设有安全密码。只需将风场总负荷的最大值输入，再输入安全密码，确定，即可将这些负荷值分配到正在运行中的风机上。其中安全密码是为了防止误操作的出现。具体的操作过程是通过编写脚本来控制变量实现的。

当省调需要对发电量进行限制时，此能量管理平台能够发挥比较满意的效果，使发电量得到有效限制；当不需要对发电量进行限制时，可以解除限制。

2)事件报警模块

当用户登录、退出、在界面上进行任何操作或数据输入指令时，所做操作会在事件窗口中显示出来，并列有事件发生的时间、数据改变前后的值、操作人员等信息，记录的事件会被保存到事件数据库里。

当风机的报警条件被触发时，报警信号会在画面上显示，报警窗口中会显示有报警发生的时间、报警类型、以及发生的报警等信息，显示的报警事件会被保存到报警数据库里。还可设置邮件转发功能，当报警发生时将此情况发送到设置的邮箱中。

保存到数据库里的事件和报警数据可通过运行编写的脚本程序进行调用，并显示在EXCEL表格里，并存储到指定的位置上。

3)数据报表模块

分为产能报表、事件报表、故障报表、功率曲线、实时报表。产能报表主要是对各风机的发电量、可利用小时、可利用率进行记录和比较，分为日报表、月报表、年报表。事件报表和故障报表将符合条件的事件或报警从数据库里筛选出来，其中时间范围和风机可以进行选择和设置。功率曲线是对风机的Pv曲线进行显示。实时报表主要显示一些基本数据，如发电机电压、电流、各个温度指标等，以便于各个风机的不同参数的对比。

4)图表显示模块

图表显示一方面是各个风机的某些参数指标的柱状图显示，这样使得风机的参数对比更为直观。另一方面总体曲线为整个风场某个参数的总体变化曲线，可以分析其总体变化趋势。

5)操作权限控制模块

具有操作权限等级管理功能，当输入正确操作口令才有权进行操作控制、参数修改，并将信息给予记录。并具有记录操作修改人、操作修改内容的功能。具体方案就是给画面上不同的控件设置不同的优先级，当用户的优先级高于此控件的优先级时才有权对此控件进行操作。

6)单风机显示模块

当点击单台风机时，可由风机主界面进入到单个风机的操作界面，分为开始界面、轮毂页、机舱页、变流器页、统计页、报警页、报警窗口页等几个界面，它们之间可以进行切换。各界面上显示有风力发电机组的参数，并可对可以写入的变量进行更改，以达到远程监控的目的。

本发明的监控系统在应用时，风机控制器PLC的数据和IOLogik的数据(即箱式变压器参数)通过环网光纤传输到SCADA系统服务器，SCADA系统服务器设有冗余机器。这两部分的通讯均采用的是Modbus通讯协议，它是一种应用广泛成熟的通讯协议。SCADA系统服务器通过TCP协议将数据传输到供风场值班人员监视的SCADA监控站上。其中遥测信号风速、风向、有功功率、无功功率通过ModbusRTU串口通讯方式传输到中调控制端，并设有变量来控制整个风场的能量负荷。风功率预测厂家的设备所需用来预测风力发电功率的数据也来自SCADA系统服务器，通讯方式为标准OPC通讯协议。如图2所示

概括的讲，由于风力发电具有随机性、不稳定性的特点，因此通过采集更多设备的具有代表性的参数更能提高风力发电系统的安全，本发明的监控系统除了采集风机处、测风塔处数据外，还对箱式变压器的参数进行采集，并显示到监控系统界面上。同时，为了加强其可靠性，在监控系统处设有冗余服务器，可以和服务器互为冗余，保证系统的运行和数据的保存。此外，服务器与通信集中器间可设置双向物理隔离设备，并与风电场外网络出口处设置防火墙和VPN服务器，防止外网对风场内部设备的非法侵入。

SCADA系统服务器，即用于数据采集与监视控制的系统服务器。风电场SCADA系统服务器是基于风力发电的实时监控系统服务器，用于实现风机运行状态的监控、远程操作，是数据共享、交换和传输的平台。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

1.提高设备可靠性，保证数据采集监控系统良好运行，数据不丢失。通过监控系统监视和控制箱式变压器状态，从而保证风电场的良好运作。

2.为与多种厂家的设备进行通讯工作提供了方便。

3.为运维人员和风场值班人员的工作提供了方便，使其能时刻了解到风机的运行状况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于风力发电场的监控系统，其特征在于，包括风电场现场通讯网络、风电场环网交换机、风电场内网交换机、SCADA系统服务器；所述风电场现场通讯网络、所述风电场环网交换机、所述风电场内网交换机和所述SCADA系统服务器顺序连接。

2.根据权利要求1所述的用于风力发电场的监控系统，其特征在于，所述风电场现场通讯网络包括多个独立的运行回路；一台以上所处地理位置相临的风机单元相互网络连接形成所述运行回路。

3.根据权利要求2所述的用于风力发电场的监控系统，其特征在于，每个所述运行回路内的全部所述风机单元通过光纤冗余环网相互连接。

4.根据权利要求2所述的用于风力发电场的监控系统，其特征在于，所述风机单元包括风力发电机组、箱式变压器和状态检测装置；所述箱式变压器与所述风力发电机组连接；所述状态检测装置是用于检测和传送所述风力发电机组状态信息和现场环境信息的状态检测装置；所述箱式变压器连接有远程复位开关。

5.根据权利要求4所述的用于风力发电场的监控系统，其特征在于，所述风力发电机组状态信息包括发电机组的转速、发电量、温度、压力；所述现场环境信息包括所述发电机组所处环境的风速、风向、温度和湿度。

6.根据权利要求2所述的用于风力发电场的监控系统，其特征在于，每个所述运行回路连接一个与之对应的所述风电场环网交换机，每一个所述风电场环网交换机均与所述风电场内网交换机连接；所述风电场内网交换机设置于风电场升压控制站内。

7.根据权利要求1所述的用于风力发电场的监控系统，其特征在于，所述风电场环网交换机、所述风电场内网交换机均采用网管型多模环网交换机；每一个所述风电场环网交换机上均设置有两个用于组环的端口；一个以上所述风电场环网交换机通过屏蔽双绞线相互连接组成环形网络。

8.根据权利要求1所述的用于风力发电场的监控系统，其特征在于，所述SCADA系统服务器包括主机和从机，所述主机和所述从机相互冗余。

9.根据权利要求1所述的用于风力发电场的监控系统，其特征在于，还包括上位机人机接口平台，所述上位机人机接口平台与所述SCADA系统服务器连接；所述上位机人机接口平台包括：通讯接口、外网接口、风电场数据采集监控接口；所述通讯接口用于与第三方设备通讯，所述外网接口用于连接互联网为授权用户提供监控服务，所述风电场数据采集监控接口用于采集所述风力发电机组的状态信息和现场环境信息还用于对所述风力发电机组进行远程控制。

10.根据权利要求9所述的用于风力发电场的监控系统，其特征在于，所述风电场数据采集监控接口包括：

实时监控模块，用于显示所述风力发电机组的状态信息和现场环境信息，还用于提供用于对所述风力发电机组进行远程控制的指令触发装置；

事件报警模块，用于当预设的报警条件被触发时，显示报警发生的时间、报警类型、以及与发生的报警相关的事件信息，同时将显示的报警事件保存到报警数据库里；还用于将报警事件以电子邮件的形式发送到预设的电子邮箱中或以短信的形式发送到预设的手机上；

数据报表模块，用于提供产能报表、事件报表、故障报表、功率曲线和实时报表；

图表显示模块，用于以图表形式显示所述风机的参数及所述参数的变化状态；

操作权限控制模块，用于根据当前操作用户的权限等级给予所述用户不同的控件操作权限；

单风机显示模块，用于显示指定的单个所述风机的状态信息和参数信息，还用于对所述参数进行修改。

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