文 | 喬孟磊，韋永清

基于西門(mén)子WinCC_OA的風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

文 | 喬孟磊，韋永清

大型風(fēng)電機(jī)組常安裝于偏僻邊遠(yuǎn)的地區(qū)，如丘陵、草原、近海、戈壁灘和山區(qū)，當(dāng)?shù)赝鶜夂驉毫?，環(huán)境復(fù)雜，且風(fēng)電機(jī)組分布面積較大。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)電場(chǎng)一般擁有風(fēng)電機(jī)組幾十臺(tái)至幾百臺(tái)不等，并且每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，機(jī)組的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行發(fā)電過(guò)程涉及到材料、機(jī)械、電氣、空氣動(dòng)力、流體等學(xué)科，因此，如何來(lái)監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況顯得非常重要。風(fēng)電場(chǎng)SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)獨(dú)立控制、多機(jī)群控和遙控等遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)報(bào)警功能，完全可以做到無(wú)人值守，安全運(yùn)行，保護(hù)措施也更加完善。

本系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的需求，結(jié)合IEC（International Electrotechnical Commission）中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)要求，從結(jié)構(gòu)、功能和特點(diǎn)三個(gè)方面介紹了SCADA系統(tǒng)，并通過(guò)該系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用舉例，證明了該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、高效的特性，完全能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行、維護(hù)的需要。

風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

SCADA系統(tǒng)是以西門(mén)子WinCC_ OA為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以計(jì)算機(jī)為運(yùn)行環(huán)境的生產(chǎn)過(guò)程控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的監(jiān)控、報(bào)表、故障報(bào)警提醒和

一、服務(wù)器結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用類似冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)中的服務(wù)器分配不同的功能，從而保證了系統(tǒng)更高的可靠性。項(xiàng)目服務(wù)器的主要功能是實(shí)時(shí)采集風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)程序內(nèi)部的處理，在監(jiān)控畫(huà)面上直觀地顯示風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)和變量變化。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的主要功能是把項(xiàng)目風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)操作人員需要顯示趨勢(shì)圖時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器會(huì)把數(shù)據(jù)處理完成后顯示在監(jiān)控畫(huà)面上。轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的主要功能是作為中轉(zhuǎn)服務(wù)器，把風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)商好的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給第三方廠家或者設(shè)備。如圖1中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器獲取風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)。

二、客戶端結(jié)構(gòu)

客戶端主要包括兩個(gè)UI（User Interface）監(jiān)控畫(huà)面和一個(gè)手機(jī)客戶端畫(huà)面，三個(gè)畫(huà)面相互獨(dú)立，可以放置在風(fēng)電場(chǎng)的不同位置?？蛻舳伺c服務(wù)器之間建立一條數(shù)據(jù)交換的通道，從而使得客戶端可以向服務(wù)器發(fā)送指令，控制服務(wù)器完成特定的工作，客戶端只是負(fù)責(zé)發(fā)送指令和顯示SCADA系統(tǒng)界面，當(dāng)操作人員需要查看風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)和操作風(fēng)電機(jī)組時(shí)，只需要對(duì)客戶端進(jìn)行操作即可完成所需功能?？蛻舳私Y(jié)構(gòu)中還支持手機(jī)客戶趨勢(shì)等功能。

風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)容量越大，對(duì)該地區(qū)的電力系統(tǒng)的影響也越大，電力系統(tǒng)為了保證其電網(wǎng)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)久性，需要對(duì)其電網(wǎng)下的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視與控制。風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電量不僅需要能滿足電網(wǎng)對(duì)電量的要求，還要按照電網(wǎng)的要求進(jìn)行投產(chǎn)或者停產(chǎn)，故風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)應(yīng)具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

（一）遠(yuǎn)距離通信能力強(qiáng)。由于機(jī)組與機(jī)組、機(jī)組與主控中心的距離比較遠(yuǎn)，需要使用通信能力強(qiáng)的介質(zhì)來(lái)確保相互之間通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

（二）可靠性高。系統(tǒng)所采集、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和下發(fā)的控制命令要具有高的可靠性，對(duì)保證機(jī)組正常運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。

（三）實(shí)時(shí)性強(qiáng)。由于風(fēng)電機(jī)組受自然條件影響較大，需要能迅速地按照電力調(diào)度的要求進(jìn)行投產(chǎn)和停產(chǎn)。

（四）經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)通過(guò)接受電網(wǎng)調(diào)度的指令，并合理地利用風(fēng)能資源從而提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量。系統(tǒng)的報(bào)警功能能在設(shè)備出現(xiàn)故障前及時(shí)提醒操作人員，減少了因設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

風(fēng)電場(chǎng)SCADA軟硬件系統(tǒng)分為項(xiàng)目客戶端、項(xiàng)目服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、遠(yuǎn)程遙控客戶端五個(gè)部分。端功能，當(dāng)操作人員通過(guò)手機(jī)用戶登錄并連接到服務(wù)器時(shí)就能操作服務(wù)器，方便操作，人員不在主控中心時(shí)也能監(jiān)視和操作風(fēng)電機(jī)組。

三、風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

風(fēng)電場(chǎng)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)一般包括下位機(jī)（塔底機(jī)組控制器）、通信線路、光纖交換機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、上位服務(wù)器和客戶端等部分，由于風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組和主控中心的距離都較遠(yuǎn)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，需選用傳輸距離較遠(yuǎn)的通信介質(zhì)光纖。服務(wù)器與客戶端之間屬于主控中心內(nèi)部局域網(wǎng)，選擇通信性較高的網(wǎng)線即可。

上位機(jī)與下位機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集通信機(jī)制是利用TCP/IP協(xié)議通過(guò)千兆局域網(wǎng)絡(luò)采集機(jī)組部件的實(shí)時(shí)模擬量和數(shù)字量等信息。下位機(jī)中的程序內(nèi)置轉(zhuǎn)發(fā)程序，把需要轉(zhuǎn)發(fā)的變量放置在一個(gè)DB塊中，并定義好相應(yīng)的地址，上位機(jī)通過(guò)相對(duì)應(yīng)的地址讀取變量。上位機(jī)與下位機(jī)的歷史數(shù)據(jù)采用文本文件機(jī)制，下位機(jī)把機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一定格式的文本文件中，上位機(jī)固定時(shí)間或者手動(dòng)操作來(lái)讀取下位機(jī)存儲(chǔ)的文本文件。然后把讀取到的文本文件解析出來(lái)并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖1　風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2　風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)客戶端運(yùn)行圖

風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)功能

風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)控，還要能實(shí)現(xiàn)對(duì)全場(chǎng)的運(yùn)行信息統(tǒng)計(jì)分析、記錄操作人員日志和顯示報(bào)警故障信息的功能。

一、全場(chǎng)運(yùn)行信息

該部分是對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，主要包括：平均風(fēng)速、全場(chǎng)總有功功率、運(yùn)行臺(tái)數(shù)、停機(jī)臺(tái)數(shù)、通信中斷臺(tái)數(shù)、日發(fā)電量、月發(fā)電量和年發(fā)電量等。

二、單臺(tái)運(yùn)行信息

單臺(tái)運(yùn)行信息不僅要滿足對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，還要滿足能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控可為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行或者待機(jī)時(shí)的參數(shù)和報(bào)警故障提醒。歷史數(shù)據(jù)主要包括：功率曲線、風(fēng)玫瑰圖、5分鐘運(yùn)行記錄、故障記錄、狀態(tài)記錄。

（一）功率曲線。按照IEC61400－12標(biāo)準(zhǔn)的定義，在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組的性能進(jìn)行評(píng)估和對(duì)功率曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，這樣得到的功率曲線為理論功率曲線或設(shè)計(jì)功率曲線。測(cè)試功率曲線為機(jī)組的動(dòng)態(tài)功率曲線，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的功率曲線進(jìn)行測(cè)試是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行長(zhǎng)期的觀察和記錄。記錄的數(shù)據(jù)包括連續(xù)10mins平均風(fēng)速計(jì)平均功率、大氣壓力、空氣密度以及環(huán)境溫度、地形等，然后換算成標(biāo)準(zhǔn)條件下的環(huán)境值，對(duì)測(cè)試得到的功率值進(jìn)行修正，并把風(fēng)速換算成輪轂高度處的值，再對(duì)修正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，最后繪制出功率曲線。

（二）風(fēng)玫瑰圖。根據(jù)塔底控制器對(duì)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在極坐標(biāo)底圖上點(diǎn)繪出的某一地區(qū)在某一時(shí)間段內(nèi)各個(gè)風(fēng)向出現(xiàn)的頻率或者各風(fēng)向的平均風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)圖，圖形類似玫瑰花朵，故叫風(fēng)玫瑰圖。把360°的極坐標(biāo)底圖按每30°分為12個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間顯示這個(gè)區(qū)間內(nèi)的風(fēng)向頻率、平均風(fēng)速、平均功率和機(jī)艙位置。

（三）5分鐘運(yùn)行記錄。需要能記錄影響機(jī)組運(yùn)行和發(fā)電量變量的5分鐘平均值、5分鐘最大值、5分鐘最小值和5分鐘標(biāo)準(zhǔn)差。并在曲線上繪制出圖形。方便對(duì)機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

（四）故障記錄。故障代碼是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障產(chǎn)生的故障信息，故障記錄能記錄風(fēng)電機(jī)組發(fā)生過(guò)的故障代碼名稱、激活故障時(shí)間、復(fù)位故障時(shí)間、故障持續(xù)時(shí)間以及故障發(fā)生的次數(shù)。

（五）狀態(tài)記錄。詳細(xì)記錄風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)變化，例如偏航的啟動(dòng)時(shí)間和結(jié)束時(shí)間、風(fēng)電機(jī)組的開(kāi)始發(fā)電時(shí)間和開(kāi)始等風(fēng)時(shí)間等。能夠一目了然地掌握風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)變化過(guò)程。

（六）操作記錄。能記錄下風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行期間人為的操作，包括操作的名稱、操作時(shí)間。操作有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、啟機(jī)、停機(jī)、復(fù)位、安全褲復(fù)位和服務(wù)模式的激活等。

（七）報(bào)表。報(bào)表中變量包括：發(fā)電量、有功耗電量、運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電時(shí)間、故障時(shí)間和服務(wù)時(shí)間等，其中一種報(bào)表為SCADA系統(tǒng)自動(dòng)生成，系統(tǒng)能夠每日、每月、每年自動(dòng)生成全場(chǎng)及單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的日、月和年報(bào)表。另外一種為手動(dòng)生成報(bào)表，操作人員可以手動(dòng)選擇時(shí)間段生成該時(shí)間段的運(yùn)行報(bào)表。

圖3　風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)功率曲線模擬圖

圖4　風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)風(fēng)玫瑰模擬圖

圖5　風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)5分鐘記錄模擬圖

結(jié)語(yǔ)

目前傳統(tǒng)的發(fā)電行業(yè)帶來(lái)發(fā)電量的同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境污染，而風(fēng)電作為新能源行業(yè)，帶來(lái)發(fā)電量時(shí)無(wú)污染，國(guó)家正大力發(fā)展風(fēng)電行業(yè)，而風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)是風(fēng)電行業(yè)中一項(xiàng)重要的技術(shù)，它幫助用戶管理、控制、監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以保證風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的全部風(fēng)電機(jī)組安全、高效的運(yùn)行，給風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也帶了來(lái)社會(huì)效益。

（作者單位：沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司）