孫樹敏 ，王尚斌 ，2，張華偉 ，2，趙 俊 ，2，程 艷

（1.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.山東魯能軟件技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

由于全球能源供應(yīng)緊張，環(huán)境問題日益突出。風(fēng)能作為一種清潔無污染和可再生特點(diǎn)的能源越來越受到世界各國和地區(qū)的廣泛關(guān)注。我國是世界上風(fēng)力資源較為豐富的國家之一，據(jù)有關(guān)專家估計(jì)，全國可開發(fā)利用的風(fēng)能約2.5億kW，具備大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電的條件。近年來我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，截至2011年底，我國風(fēng)電總裝機(jī)容量已經(jīng)超過6 270萬kW，并網(wǎng)容量突破4 500萬kW［1-2］。但隨著我國風(fēng)電的大規(guī)模建設(shè)，傳統(tǒng)的發(fā)電企業(yè)管理模式已經(jīng)不適應(yīng)風(fēng)電管理要求，嚴(yán)重影響了風(fēng)電企業(yè)的發(fā)展與運(yùn)營管理。

1 問題

隨著風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在風(fēng)電場生產(chǎn)運(yùn)行管理中潛在的問題也不斷出現(xiàn)。

運(yùn)行管理。風(fēng)電場的建設(shè)比較分散，同一發(fā)電集團(tuán)下的不同風(fēng)場可能位于不同的地區(qū)，當(dāng)管理人員需要各個(gè)風(fēng)電場的信息并對比分析時(shí)，各個(gè)風(fēng)電場的SCADA系統(tǒng)難以滿足這樣的需求，無法實(shí)現(xiàn)對風(fēng)場級數(shù)據(jù)的分析處理，產(chǎn)生信息孤島。

運(yùn)行維護(hù)。 由于風(fēng)電場之間的距離較遠(yuǎn)，且風(fēng)場風(fēng)機(jī)種類不同，各種設(shè)備的供應(yīng)商不盡相同，給運(yùn)行維護(hù)帶來困難。

人員管理。風(fēng)電場一般處于遠(yuǎn)離城市的山區(qū)或海邊，地理環(huán)境比較惡劣，工作人員很難長期生活。

并網(wǎng)管理。風(fēng)能的隨機(jī)性使得風(fēng)電接入電網(wǎng)受到影響，為了滿足的電網(wǎng)對風(fēng)電接入要求，風(fēng)電公司需要對風(fēng)功率進(jìn)行預(yù)測，提前采取措施，減少風(fēng)電對電網(wǎng)的影響。

根據(jù)風(fēng)電場運(yùn)營的特點(diǎn)，風(fēng)電企業(yè)實(shí)施風(fēng)電場群的集中遠(yuǎn)程管理，將是今后發(fā)展的趨勢，風(fēng)電場群的集中管理可以實(shí)現(xiàn)“集中控制，少人值守”風(fēng)電管理新模式［2］，有利于建設(shè)智能化、友好型新型風(fēng)電企業(yè)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖

2 風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要對分布在不同地區(qū)風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及場內(nèi)變電站的設(shè)備運(yùn)行情況及生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，使監(jiān)控中心能夠及時(shí)準(zhǔn)確地了解各風(fēng)電場的生產(chǎn)運(yùn)行狀況。

2.1 風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)層次

風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)按照部署的位置可以劃分三級：就地監(jiān)控、場級監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心［3-4］，圖1所示。

就地監(jiān)控。每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制柜對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)發(fā)往中央監(jiān)控中心。

場級監(jiān)控。風(fēng)電場集控監(jiān)控，主要用于控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和操作，接收風(fēng)機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，在界面顯示。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。一般位于公司總部，工作人員可以根據(jù)匯集的各個(gè)風(fēng)電場信息，對風(fēng)電場發(fā)電信息及風(fēng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.2 風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對風(fēng)電場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和集中管理，實(shí)現(xiàn)對各風(fēng)電場數(shù)據(jù)的整合管理，模塊劃分為運(yùn)行監(jiān)控模塊、并網(wǎng)優(yōu)化模塊、KPI管理模塊、資產(chǎn)管理模塊、安全生產(chǎn)模塊［5-6］，圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)

運(yùn)行監(jiān)控模塊。主要包含對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控和場內(nèi)變電站的監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)視風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)繪制風(fēng)速—功率曲線、風(fēng)速分布曲線、風(fēng)速趨勢曲線；實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控中心對風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)程開機(jī)、停機(jī)、左/右偏航、復(fù)位、功率設(shè)定與控制、風(fēng)電場有功功率變化率的設(shè)定與控制等功能。變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)完成從升壓站安全監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)視調(diào)度控制到單個(gè)點(diǎn)和多個(gè)點(diǎn)的操作處理。

并網(wǎng)優(yōu)化模塊。主要包含風(fēng)功率預(yù)測功能以及無功優(yōu)化和有功控制方案。風(fēng)場將風(fēng)功率預(yù)測結(jié)果實(shí)時(shí)傳送到調(diào)度，電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測的結(jié)果實(shí)時(shí)制定調(diào)度方案。該方案可以有效降低風(fēng)電隨機(jī)性對電網(wǎng)的影響。

KPI管理模塊。 統(tǒng)一管理風(fēng)電場群相關(guān)的KPI指標(biāo)，提供每個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)對應(yīng)的因素的評分方便找薄弱環(huán)節(jié)并建議改進(jìn)的方法，為用戶自定義相關(guān)KPI提供接口。風(fēng)電企業(yè)可以根據(jù)KPI制定相應(yīng)的績效考核方案。

資產(chǎn)管理模塊。管理風(fēng)電企業(yè)所轄風(fēng)場資產(chǎn)設(shè)備，記錄相關(guān)設(shè)備使用及運(yùn)行信息，完成對資產(chǎn)全面信息的收集，同時(shí)形成對同類型資產(chǎn)進(jìn)行維修、變更的施工步驟模版。

安全生產(chǎn)模塊。 建立安全監(jiān)控體系、制定故障突發(fā)應(yīng)急預(yù)案，具備靈活的記錄、發(fā)布、查詢等功能，結(jié)合遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電場運(yùn)行環(huán)境。

3 風(fēng)電場遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式

3.1 風(fēng)電場遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

目前，常用的軟件系統(tǒng)架構(gòu)形式分為C/S模式和B/S模式。C/S模式，即Client/Server（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的C/S模式分為兩層，第一層包含了軟件的應(yīng)用層和邏輯層，第二層是數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器組件。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，兩層C/S模式的發(fā)展已經(jīng)不能適應(yīng)新業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，多層C/S 模式和 B/S 模式應(yīng)運(yùn)而生［3，5，6］。

多層C/S模式一般是指將應(yīng)用層、邏輯層和數(shù)據(jù)層獨(dú)立劃分，將邏輯層和數(shù)據(jù)層部署在不同的服務(wù)器上。由于三層分別部署在不同的硬件系統(tǒng)上，所以具有很大的靈活性和可擴(kuò)充性。例如：如果需要追加新的業(yè)務(wù)邏輯，只需要增加或者修改相應(yīng)的邏輯服務(wù)器即可。南瑞的NS2000W遠(yuǎn)程風(fēng)電場群監(jiān)控系統(tǒng)就是這種架構(gòu)的典型應(yīng)用。

B/S模式，即 Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，是對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)?；贐/S的風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是以Web瀏覽器為統(tǒng)一的客戶端，將采集到運(yùn)行數(shù)據(jù)，統(tǒng)一上傳至實(shí)時(shí)（歷史）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，通過Web瀏覽器查看風(fēng)電場運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)。光耀電力的WOCS和魯能軟件的CMSW都是基于B/S模式的風(fēng)電場群監(jiān)控系統(tǒng)。

相對C/S模式，B/S模式具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：

1）客戶端不再負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的存取和復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算等任務(wù)，只需要其進(jìn)行顯示，充分發(fā)揮了服務(wù)器的強(qiáng)大作用，這樣就大大的降低了對客戶端的要求，降低了投資和使用成本。

2）易于維護(hù)、易于升級。

3）用戶操作使用簡便。

4）易于實(shí)現(xiàn)跨平臺的應(yīng)用，解決了不同系統(tǒng)下不兼容的情況。

C/S模式一般面向相對固定的用戶群，對信息安全的控制能力很強(qiáng)，一般高度機(jī)密的信息系統(tǒng)采用C/S模式適宜，可以通過B/S發(fā)布部分可公開信息。

3.2 風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信方式

3.2.1 電話網(wǎng)（PSTN）

PSTN （Public Switched Telephone Network）即我們常用的電話網(wǎng)［7］，此傳輸方式利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)控兩端安裝調(diào)制解調(diào)器，傳輸數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)之間通過使用調(diào)制解調(diào)器連接公用電話網(wǎng)，由監(jiān)控中心主動發(fā)起撥號，現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)接到呼叫后應(yīng)答，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種傳輸方式安全性較高，但由于風(fēng)電場分布在全國各地，費(fèi)用較高且PSTN連接方式速度受限，不能滿足風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，該方式主要用于風(fēng)電廠級監(jiān)控。

3.2.2 無線傳輸

無線傳輸目前主要包含GPRS和CDMA兩種方式［8-9］。 GPRS-General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的廣域的無線IP連接。此傳輸方式是利用現(xiàn)有的移動無線通信網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和廠級中央監(jiān)控端各安裝一套GPRS設(shè)備。這種傳輸方式具有部署簡單、成本較低、實(shí)時(shí)在線等優(yōu)點(diǎn)。但是由于受無線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，傳輸速率較低，費(fèi)用按照傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量計(jì)費(fèi)。隨著3G網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)逐步覆蓋，將有效解決無線傳輸在視頻領(lǐng)域的限制。CDMA部署方式和GPRS相同，他們之間只是傳輸使用的協(xié)議不同。

3.2.3 基于Internet網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式

Internet最早來源于美國國防部高級研究計(jì)劃局 DARPA （Defense advanced Research Projects Agency）的前身 ARPA建立的 ARPAnet，該網(wǎng)于1969年投入使用。隨著ARPAnet的建設(shè)和開放，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和用戶數(shù)迅速增長。以美國為中心的Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)也迅速向全球發(fā)展，世界上的許多國家紛紛接入到Internet，最終形成了今天的互聯(lián)網(wǎng)。

基于Internet的數(shù)據(jù)傳輸是在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行的，而互聯(lián)網(wǎng)存在許多不安全性，一般都采取加密方式傳輸數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，一門新的技術(shù)開始在風(fēng)電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)廣泛使用，即VPN（Virtual Private Network）技術(shù)［10］。 由于 VPN 技術(shù)是在Internet建立虛擬的專用網(wǎng)絡(luò)，無需租用ISP專線，只需要購買VPN設(shè)備和支持一定的上網(wǎng)費(fèi)用即可，可有效降低實(shí)施的成本。 只要連接Internet的地方，就可以接入VPN，此外VPN采用隧道技術(shù)、加解密技術(shù)、密鑰管理技術(shù)和使用者與設(shè)備身份認(rèn)證技術(shù)有效解決互聯(lián)網(wǎng)上的安全問題。此傳輸方式利用現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心安裝VPN設(shè)備，在場級集控中心安裝相應(yīng)的VPN軟件即可。基于VPN技術(shù)的風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的靈活性和可擴(kuò)充性，適應(yīng)風(fēng)電企業(yè)長期發(fā)展的要求，VPN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

3.2.4 混合方式

由于風(fēng)電場位置一般都比較偏遠(yuǎn)，通信情況比較復(fù)雜，所以在實(shí)際的施工過程中，風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控考慮風(fēng)電場實(shí)際情況，采用多種方式接入。目前較為流行的是GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)互連方案。 該方案在不方便接入Internet的地方部署GPRS通信設(shè)備，接入電信運(yùn)行商的GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后由電信運(yùn)行商再接入Internet網(wǎng)絡(luò)。

圖3 VPN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 結(jié)語

在風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件方面，國內(nèi)外差距并沒有像風(fēng)機(jī)監(jiān)控那么明顯，其中一些產(chǎn)品實(shí)用化水平也相對較高，例如南瑞的NS2000W、光耀的WOCS、魯軟的CMSW、聯(lián)合動力的風(fēng)電場監(jiān)控都是這種產(chǎn)品的典型代表。同時(shí)國內(nèi)的產(chǎn)品也存在一些不足，尤其是在風(fēng)電場安全控制、無功電壓優(yōu)化控制、風(fēng)電場優(yōu)化運(yùn)行等高級控制功能方面還存在一定的差距。國外的典型產(chǎn)品有GH SCADA、Clever Farm等系統(tǒng)。

雖然風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不能替代場級的SCADA系統(tǒng)，但是風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以通過大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)能預(yù)測、設(shè)備故障分析及故障預(yù)警、風(fēng)能利用率提升、風(fēng)機(jī)電機(jī)組的負(fù)荷預(yù)測、入網(wǎng)等進(jìn)行技術(shù)研究。

隨著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展及集中監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，風(fēng)電場群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能一定會越來越成熟，成為推動風(fēng)電持續(xù)健康發(fā)展有效的技術(shù)保障。風(fēng)電場群遠(yuǎn)程綜合監(jiān)控將成為今后的發(fā)展方向。