风电场SCADA系统结构分析

目前并网风电场的容量还比较少，在电力系统保护配置和整定计算时往往没有考虑风场的影响，而是简单地将风电场认为是一个负电荷，不考虑其提供短路电流。然而，当大规模的风电场接入电网系统时，如果系统保护配置和整定仍不考虑风场的影响，则是不合理的，实际运行时可能导致保护误动。在这种情况下，电力系统必须根据实时数据来计算或预测风场的影响，从而提高电网调度和控制的正确性。SCADA系统是电网调度自动化系统的重要组成部分，通过系统可以使电网调度中心及时获取场站的运行信息，同时调度中心通过系统将遥控、遥调命令传送到发电场和变电站，实现电网的安全、优质、经济运行。常规的系统是指独立完成远动信号的采集、处理、发送和接收的一套电气装置，包括遥测变送器、遥信转接柜、独立的远动终端装置以及点对点的传输通道等。进入21世纪后，随着场站自动化水平的提高，常规的系统将被融合计算机、保护、控制、网络、通信等技术于一体的网络化的系统所代替，并终将打破现行的专业分工，引起系统设计的一场革命。

风力发电是指在某一场地上几十甚至上百台风力发电机组并联在一起，通过电子计算机控制共同向电网供电的风能利用方式，如今它已经成为大规模开发利用风能的主要方式。现代风电技术的发展始于20世纪70年代，40年来从试验研究迅速发展为技术成熟、经济适用的现代风能利用技术，已经受到各国的高度重视。风电场是一种分布式能源系统，与其他电厂不同，它具有以下几个特点：

（1）单机容量较小，机组台数较多。一个风力发电场通常有数十至数百台容量为几十至几百千瓦级的风力发电组。

（2）各机组分布十分分散，距主控室较远，为合理利用风力资源，各台风力发电机之间必须保持一定的距离，以减少相互间的影响和干扰。

（3）各机组工作环境恶劣，情况变化十分频繁。由于风力资源本身的特性，各风力发电机的运行情况随着风速、风向的变化而时刻变化。风力发电机运行的外部自然环境随风电场位置的不同而有所不同，但大都较为恶劣。

因此，如何有效地对风力发电机的状态进行监视和控制，确保整个风电场能够安全、可靠、经济地运行已经变得至关重要。近些年已经在火电、水电等传统电力行业得到广泛应用的SCADA系统为解决对大规模风电场的监控和数据采集提供了基本的技术途径。SCADA系统在数据采集方面虽然发展得已经比较完善，但是由于风电场的运行、控制、维护、并网等具有诸多的特殊性，对其数据传输方面又提出了更高的要求。

由于风电场的选址由地理条件及气候条件所决定，所以风电场的分布非常分散，大多处于偏远地区，各风电场之间的距离可能非常遥远（特别是对于海上风电场的情况），监控中心与其所控制的风电场之间的距离有时甚至达到几百、上千千米。为此，必然要求风电场系统向远距离传输和严格的可靠性这两个方向发展。而Internet网络无所不在，无时不在的特性正好符合风电行业中SCADA系统发展的方向，因此可以利用现有的Internet网络来解决风电场之间的通信和监控问题。

随着风电场的扩建，多机型的现象在各个风电场已经出现。有的产品来自于我国内资企业，有的产品来自于合资企业，有的产品来自于外资企业。由于每个生产厂家的风电机都有自己特有的一套控制系统，并且配置的通信规约也是不同的，因此从不同机型的风电机组上采集到的数据很难在统一的SCADA系统中显示，这样就给风电场的运行维护带来了极大的不便，同时也给实现公司总部对各风电场风电机组的远程监管增加了难度。由此可见，将不同的通信规约转换成统一的协议格式是解决这个问题的最好途径，这样才能使得从不同风电机上采集到的数据在统一的屏幕上显示，保证对风电场统一的管理、运行及维护。综上所述不难看出，将现代通信网络技术和计算机技术应用到对风力发电机的远程监控中，并且通过对各个监控系统的整合及通信规约的统一，可以使得各投资方和管理机构能及时方便地在不同地点了解所属风电场的运行情况和发电情况，进而确保风力发电机能够安全高效地运行。

由于系统不但要实现数据采集和监测监控功能，还要实现数据传输功能。数据传输的主要作用是实现各站点之间的信息互换。选择好的数据传输方式可以加强数据传输的实时性，并且还有助于系统的远距离数据传输，起到事半功倍的效果。现有的风电场监控系统结构如图9-11所示。

图9-11　风电场监控系统结构示意图

现有风电场系统主要由以下三部分组成：

（1）就地监控部分布置在每台风力发电机塔筒的控制柜内。每台风力发电机的就地控制能够对此台风力发电机的运行状态进行监控，并对其产生的数据进行采集。

（2）中央监控部分一般布置在风电场控制室内。工作人员能够根据画面的切换随时控制和了解风电场同一型号风力发电机的运行和操作。

（3）远程监控部分根据需要布置在不同地点。远程控制目前一般通过调制解调器或电流环等通信方式访问中控室主机进行控制。

下面介绍就地监控与中央监控之间的数据传输方式以及中央监控与远程监控之间的数据传输方式。

1.就地监控与中央监控之间的数据传输方式

就地监控与中央监控之间的数据传输主要是指下位机控制系统能将下位机的数据、状态和故障情况通过专用的数据传输装置和接口电路与中央监控室的上位计算机通信，同时上位机能传达对下位机的控制指令，由下位机的控制系统执行相应动作，从而实现远程监控功能。

根据风电场的实际情况，上、下位机之间的数据传输有如下特点：

（1）一台上位机能监控多台风力发电机的运行，属于一对多的通信方式。

（2）下位机能够独立运行，并能与上位机通信。

（3）上、下位机之间安装距离较远，一般有1000～5000m。

（4）下位机之间安装距离也较远，一般大于风轮直径的3～5倍。(www.xing528.com)

（5）上、下位机的通信软件必须协调一致，并应开发相应的工业控制专用功能。

为适应远距离数据传输的需要，就地监控与中央监控之间可以采用如下几种数据传输方式：

（1）异步串行通信。所谓串行通信，是用一条信号线传输一种数据。因此，上位机通过公共通信网络采用串行接口总线数据传输方式与各下位机进行数据传输，可节省大量通信电缆，用最少的信号线来完成远程数据采集与控制，并且RS422和RS485串口传输速率指标也是不错的，在1000m以内传输速率可达100kb/s。由于所用传输线较少，所以成本较低。同时，此种通信方式的通信协议比较简单，很适合风电场监控系统采用。

（2）以太网通信。大型风电场中分布的风力发电机的数目多，数据信息流大，对速率指标要求高，因此RS-422或者RS-485的实时性、传输速率会难以达到要求，此时应考虑使用以太网。以太网为总线式拓扑结构，可容纳1024个节点，距离可达2.5km。站级总线采用标准高速以太网，以太网总线结构提供了高速的人机交互手段，设备级采用标准10MB以太网，比传统的传输方式从传输速率上提高了几个数量级，且为直接接入广域网提供了便利手段。因此，将上位机和下位机通过交换机与风电场光纤以太网环路相连接，保证了风电场内部的集中监控和数据传输。

2.中央监控与远程监控之间的数据传输方式

由于通信条件的不同，因此，不同的风电场选择的数据传输方式也是不同的。比较有代表性的数据传输方式有如下几种。

（1）基于PSTN的数据传输。PSTN（Public Switch Telephone Network）意指传统的电话交换网络。此传输方式是利用现有的电话网络，在中央监控与远程监控计算机上各安装一套调制解调器设备，传输数据的计算机通过使用调制解调器连接公用交换电话网，由发送计算机主动拨号，接收计算机接到呼叫后应答，然后进行数据传输。PSTN点对点通信方式示意图如图9-12所示。

图9-12　PSTN点对点通信方式示意图

总的来说，基于PSTN的传输有以下优点：

1）传输使用的现成的电话线资源可以实现资源增值。

2）PSTN的网络发展历史相对较长，网络结构比较完善，实现起来比较方便。

但PSTN也具有以下不足：

1）由于是通过电话线连接网络，而电话线路的信号之间有时存在相互串扰现象，从而影响线路质量。

2）传输速率低，交换成本高，管理维护困难。由于拨号需要占用时间和等待，因此对实时性要求严格的场合不太适用。

（2）基于GPRS无线网络的数据传输。GPRS意指通用分组无线业务，是在全球移动通信系统网络上发展起来，为用户提供高速分组数据业务的一种网络。此传输方式是利用现有的移动无线通信网络，在中央监控与远程监控计算机上各安装一套设备，两端设备通过无线通信网络拨叫对方建立连接。这种传输方式可以使计算机在联网的同时，依然保持高度的移动性、方便性。GPRS无线通信示意图如图9-13所示。

随着GPRS技术的迅速成熟，GPRS网络正以它独特的优点进入越来越多的应用领域，特别是移动性要求很高的军事领域。并且其成本低、部署简单、随时连接等优点也得到IT界的欢迎。但GPRS网络的带宽方面还有很多问题需要解决。并且它必须是在无线通信网络能够覆盖的范围内实现，空间应用范围受地区距离的限制，不适合大范围远距离的数据传输。

图9-13　GPRS无线通信示意图

（3）基于Internet网络的数据传输。此通信方式是利用现有的电话网络，在中央与远程监控计算机上各安装一套ADSL或调制解调器设备，将两端同时连接到Internet网络上。实现基于Internet的传输主要是依靠TCP/IP协议。当数据从本地系统向远程系统传送时，数据在本地系统的各层协议间沿着TCP/IP协议栈从上向下传递。数据从应用层通过协议栈向物理网络层传递时，栈中每一层都要添加控制信息，以确保信息的正确传输。当一个计算机系统从网络上接收信息时，数据传输的过程恰好相反，其路径是从网络物理层向上传输给应用层。但由于基于Internet的数据传输是通过互联网进行的，而互联网上存在许多不安全因素，因此保证数据传输的安全性就很重要，一般都采用数据加密的方式。在数据传输到网络上之前用数据加密算法把明文变成密文进行传输，等传输到目的地以后再恢复为明文。

而随着计算机网络技术的迅速发展近阶段有一门网络新技术崛起，即VPN（Virtual Private Network）：虚拟专用网络。它是一种通过公用的Internet网络设施对企业内部专用网络进行远程访问的连接方式。通过VPN技术，用户不再需要拥有实际的长途数据线路，而是依靠Internet服务提供商（ISP）和其他网络服务提供商（NSP），在Internet公众网中建立专用的数据传输通道，构成一个逻辑网络，它不是真的专用网络，但却能够实现专用网络的功能。在数据安全性方面，VPN使用了三方面的技术，保证了基于Internet的网络数据传输的安全性：隧道协议、身份验证和数据加密。VPN最大的优点是节约费用，如果企业放弃租用专线而采用VPN，其整个网络的成本可节约21%～45%，至于那些以电话拨号方式联网存取数据的公司，VPN的采用则可以节约通信成本的50%～80%。目前的VPN主要是通过电信等公共设施进入Internet网络实现传输，其代价比较大，建议有条件的风电场采用这种连接方式，Internet/VPN通信方式示意图如图9-14所示。

上述三种方案中，利用电话线拨号方式，在现阶段比较常用，现有的风电场远程监控系统一般也采用这种方式。由于采用电话线拨号方式进行连接，是点对点的通信，数据安全性高。不过在项目实施后，为了实现实时监控，需要24h连通，而且长途费用较高。通过GPRS无线网络连接，减少了风电场对通信系统可靠性的要求，并且只有在无线通信网络能够覆盖的范围内才能实现，因此，对监控系统来说就产生了地域限制。同时，基于GPRS的数据传输速率较低，并不适合实时性要求严格的系统。利用Internet网络方式连接，数据是通过网络传输的，费用较低。不过由于数据是通过Internet传输，数据的安全性较低，可通过数据加密、压缩和安装防火墙等方式，来提高数据和系统的安全性。因此，选用基于Internet的数据传输不但可以突破地域范围的限制，扩大数据传输的距离，而且可以增强数据传输的实时性，提高传输数据的准确性。并且符合风电行业内SCADA系统的发展方向。

图9-14　Internet/VPN通信方式示意图