劉　剛　篤　峻　金巖磊

（南瑞繼保電氣有限公司，南京　211111）

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風電場遠程監(jiān)控中心關鍵技術探討

劉剛篤峻金巖磊

（南瑞繼保電氣有限公司，南京211111）

針對目前傳統(tǒng)風電場就地監(jiān)控運營模式存在的問題，本文提出了建設風電場遠程監(jiān)控中心的技術方案。技術方案詳細闡述了遠程監(jiān)控中心的系統(tǒng)架構、計算機及網(wǎng)絡配置、應用功能等方面的內(nèi)容。結合遠程監(jiān)控中心自身的技術特點，本文還介紹了不同制造商風機數(shù)據(jù)集成、風機高頻海量數(shù)據(jù)存儲和訪問、風機數(shù)據(jù)挖掘等多項關鍵技術的應用。

風電場遠程監(jiān)控中心；風機監(jiān)控；IEC 61400-25；時序數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)挖掘

風力資源作為清潔、低碳、可持續(xù)的新型能源，在國家能源戰(zhàn)略中的地位不斷提升。風力發(fā)電因具有技術成熟、可靠性高、可較大規(guī)模利用等特點，日趨成為最具規(guī)模化開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源發(fā)電方式之一?！笆晃濉币?guī)劃以來，國內(nèi)風電發(fā)展迅速，裝機容量連年實現(xiàn)翻番，在內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、河北等風力資源豐富的地區(qū)，風電裝機容量更是超過了 100萬 kW，形成大規(guī)模風力發(fā)電基地［1］。

隨著風電在國家能源結構中的比例不斷增大，對風電場自動化運營水平也提出了越來越高的要求，風電場監(jiān)控成為風電大規(guī)模接入電網(wǎng)的關鍵技術問題［2］。傳統(tǒng)風電場就地監(jiān)控的運營模式已經(jīng)不能滿足用戶的運行和管理需求，本文將重點探討風電場遠程監(jiān)控中心的解決方案及相關的關鍵技術。

1　遠程監(jiān)控中心的必要性

隨著風電場的大規(guī)模建設，傳統(tǒng)就地監(jiān)控的運營模式已經(jīng)顯露出許多弊端。主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

1）風電場一般建設在偏遠地區(qū)，地理環(huán)境惡劣，運行維護困難，雖然當?shù)卦O有運行值班人員，但運營成本較高，風電場實現(xiàn)無人值班和遠程監(jiān)控應該是今后發(fā)展的大趨勢。

2）風電場一般分期建設，分批采購多家供應商的設備，尤其是風機，目前風機監(jiān)控系統(tǒng)尚無統(tǒng)一的接入標準，各風機制造商配套的風機監(jiān)控系統(tǒng)互不兼容，無法互聯(lián)互通，風電場必須安裝多套風機監(jiān)控系統(tǒng)，同時要求運行人員也必須熟練掌握多家的風機監(jiān)控產(chǎn)品，才能實現(xiàn)對不同廠家、不同類型的風機進行監(jiān)控，造成維護困難。用戶需要一套功能強大、性能穩(wěn)定、通信開放的一體化監(jiān)控系統(tǒng)。

3）傳統(tǒng)的風電場一般只向上級電網(wǎng)調(diào)度上送升壓站的電氣量數(shù)據(jù)并接收電網(wǎng)調(diào)度對電氣設備的控制，電網(wǎng)調(diào)度的管轄范圍相對較小。隨著風電場數(shù)目越來越多、裝機容量越來越大，電網(wǎng)調(diào)度必須將風機也納入其管轄范圍。而對于一個地調(diào)或者省調(diào)，直接管理成百上千臺風機顯然不現(xiàn)實，這就需要增加一級管理中心即遠程監(jiān)控中心，各風電場運行數(shù)據(jù)經(jīng)遠程監(jiān)控中心匯總處理后統(tǒng)一上送電網(wǎng)調(diào)度，遠程監(jiān)控中心同時接收電網(wǎng)調(diào)度的統(tǒng)一調(diào)度，接收諸如有功發(fā)電計劃等調(diào)度指令，分配轉(zhuǎn)發(fā)至各風電場執(zhí)行。

4）發(fā)電公司在一個地區(qū)甚至全國擁有多家風電場，作為風電場的管理方，發(fā)電公司總部需要及時掌握所有風電場的運行數(shù)據(jù)，比較各風電場的發(fā)電量、可利用率、故障率等多項運行指標，從而為公司今后的運營決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。遠程監(jiān)控中心為發(fā)電公司提供了一個分析決策的數(shù)據(jù)平臺。

上述原因造成風電場傳統(tǒng)就地監(jiān)控的運營模式已經(jīng)不能滿足用戶運行和管理的需求，越來越多的用戶提出了建設風電場遠程監(jiān)控中心的愿望［3］。遠程監(jiān)控中心在傳統(tǒng)的輸配電領域已經(jīng)司空見慣，但在風電領域還屬于較新的技術應用。風電場遠程監(jiān)控中心相比傳統(tǒng)的電力集控中心在技術實現(xiàn)的細節(jié)上具有其自身特點。

1）電力集控中心一般只需接入變電站的綜自系統(tǒng)。而風電場遠程監(jiān)控中心需要接入的系統(tǒng)更多，如需接入風機監(jiān)控、能量管理、風功率預測、視頻監(jiān)控、氣象監(jiān)測等系統(tǒng)，數(shù)據(jù)類型更復雜，集成難度更大。

2）電力集控中心一般只接收變電站的電氣量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量有限，一般不會超過2000個點。而風電場遠程監(jiān)控中心需要接入風機數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)量更大。目前較小的風電場一般裝有20～30臺風機，對于大中型風電場，風機數(shù)量則多達上百臺，對于風電場遠程監(jiān)控中心，接入的風機數(shù)量更是達到上千臺。每臺風機包括IO、告警、事件、參數(shù)等多種類型的數(shù)據(jù)，信息點數(shù)一般達到200～300個，全面反映了風機的運行狀態(tài)。按照上述數(shù)據(jù)推算，一個風電場監(jiān)控中心要接收和處理的數(shù)據(jù)量將達到數(shù)十萬甚至數(shù)百萬的數(shù)量級［4］。

3）風電場遠程監(jiān)控中心具備風電領域特有的數(shù)據(jù)模型和高級應用。風電場遠程監(jiān)控中心一般要求按風機對象建模。針對風電領域需要開發(fā)如風功率預測、風玫瑰圖、風功率曲線等高級應用。面向電廠用戶需要開發(fā)如停機時間分析、可利用率計算、損失電量計算等高級應用［5］。

由于上述特殊性，風電場遠程監(jiān)控中心還需要解決一些關鍵技術。

2　遠程監(jiān)控中心的系統(tǒng)架構

風電場遠程監(jiān)控中心的系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1　風電場遠程監(jiān)控中心系統(tǒng)架構圖

在風電場側(cè)，可通過通信規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置接入升壓站監(jiān)控、風機監(jiān)控、風功率預測、能量管理、在線監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等子系統(tǒng)，并通過通信子站上送遠程監(jiān)控中心?？紤]到視頻數(shù)據(jù)流量較大，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)建議單獨組網(wǎng)，通過視頻硬盤錄像機（視頻DVR）接入各路攝像機的模擬信號，轉(zhuǎn)換壓縮成數(shù)字信號后上送至遠程監(jiān)控中心。風電場與遠程監(jiān)控中心之間的通道建議配置 8～10M帶寬，可分為4～5路2M通道使用，其中2路用于數(shù)據(jù)傳輸（可作主備通道），1路用于視頻傳輸，1路用于IP電話傳輸，1路留作備用。

遠程監(jiān)控中心可分為以下若干子系統(tǒng)：

1）前置采集子系統(tǒng)。負責采集升壓站、風機、風功率預測、能量管理、在線監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等子系統(tǒng)上送的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)上層應用對風電場運行設備的控制命令。建議配置兩臺獨立的、冗余的前置通信服務器來實現(xiàn)。配置獨立的前置通信服務器具有如下優(yōu)點：可以集中優(yōu)勢的硬件資源，提升接入數(shù)據(jù)的處理效率，增強風電場的接入能力；使得系統(tǒng)架構更加清晰與合理，便于以后系統(tǒng)的擴容與升級，當接入的風電場增加到一定數(shù)量時，可以通過增加前置通信服務器方便地完成系統(tǒng)的擴容；前置通信服務器配置獨立的前置通信網(wǎng)絡，與監(jiān)控通信網(wǎng)絡分開，類似網(wǎng)關設備，起到了網(wǎng)絡隔離作用，使得對下通信不會影響上層應用。

2）運行監(jiān)控子系統(tǒng)。配置兩臺冗余的實時數(shù)據(jù)庫服務器負責實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理功能。配置兩臺冗余的歷史數(shù)據(jù)庫服務器及磁盤陣列負責實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲及統(tǒng)計功能。配置操作員工作站，作為遠程監(jiān)控中心監(jiān)控系統(tǒng)的主要人機界面，用于圖形及報表顯示，事件記錄及報警狀態(tài)顯示和查詢，設備狀態(tài)和參數(shù)的查詢，防誤操作指導，操作控制命令的解釋和下達等，運行人員可通過操作員工作站對風電場全部電氣設備進行運行監(jiān)測和操作控制。另外，配置維護工程師站，供系統(tǒng)管理人員進行系統(tǒng)維護，可進行系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫的定值修改、系統(tǒng)組態(tài)圖形的定義修改、報表的制作修改及網(wǎng)絡維護、系統(tǒng)診斷等。

3）高級應用子系統(tǒng)。配置若干臺服務器，運行遠程監(jiān)控中心的高級應用功能，如風功率預測、能量管理、在線監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等。目前每個風電場一般都會要求安裝風功率預測系統(tǒng)，并向上級電網(wǎng)調(diào)度上送短期及超短期功率預測的結果。遠程監(jiān)控中心的風功率預測應用需要考慮整合各風電場上送的功率預測結果并進行統(tǒng)一集中展示，使監(jiān)控中心的用戶能夠全面掌握各風電場未來的發(fā)電情況，便于制定發(fā)電及檢修計劃。能量管理應用可通過遠動機從上級電網(wǎng)調(diào)度接收發(fā)電計劃，并根據(jù)各風電場的風功率預測結果及各風電場的實際運行狀況，統(tǒng)一分配各風電場的發(fā)電份額，合理調(diào)節(jié)各風電場風機的投、退或限功率運行，以提高整個發(fā)電公司的運行效率及風電設備的使用周期。在線監(jiān)測應用可集中處理風機的電氣狀態(tài)、絕緣狀態(tài)、溫濕度、振動、擺動、竄動、噪聲等相關數(shù)據(jù)，并進行專業(yè)分析，給出風機健康狀態(tài)的評估報告及檢修建議，實現(xiàn)風機的狀態(tài)檢修。通過長期運行數(shù)據(jù)的積累，還能給出各制造商風機質(zhì)量的評估報告，為今后的設備采購提供參考依據(jù)。環(huán)境監(jiān)測應用實現(xiàn)氣象、消防、安防等輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入，除提供對各風電場的全面監(jiān)視和控制功能外，各輔助系統(tǒng)之間應能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的聯(lián)動。

4）Web發(fā)布子系統(tǒng)。配置2臺冗余的Web應用服務器，負責向辦公網(wǎng)用戶提供對風電場運行數(shù)據(jù)的瀏覽和查詢服務，用戶只需通過瀏覽器便可隨時了解和掌握各風電場的運行狀況。另外，可配置MIS應用服務器，可與業(yè)主的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)實現(xiàn)對接，如遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以直接讀取生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)中的設備臺帳數(shù)據(jù)，用于建立自己的設備數(shù)據(jù)庫，并可以向生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)傳輸設備的運行、缺陷、檢修等在線數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^多種技術方案來實現(xiàn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)之間的集成，如通過Web頁面框架的集成、通過商業(yè)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)同步、通過WebService分布式應用開發(fā)技術等。

5）視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。配置視頻工作站、視頻解碼器、通道切換器、圖像拼接器、液晶大屏幕電視墻等設備，實現(xiàn)將各風電場上送的多路視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過解壓、拼接后在液晶大屏幕電視墻上顯示，并可向各風電場下達控制命令，直接控制各個前端的攝像機，實現(xiàn)攝像頭的定位、旋轉(zhuǎn)、對焦等。

遠程監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)采用冗余雙星型以太網(wǎng)結構?？紤]到電力系統(tǒng)二次安全分區(qū)的要求，監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)分為兩個網(wǎng)段：運行監(jiān)控網(wǎng)絡和運行管理網(wǎng)絡。運行監(jiān)控網(wǎng)絡配置運行監(jiān)控、高級應用等生產(chǎn)運行系統(tǒng)；運行管理網(wǎng)絡配置Web發(fā)布等生產(chǎn)管理系統(tǒng)。不同網(wǎng)段之間配置隔離裝置實現(xiàn)有效隔離。外部網(wǎng)絡通過防火墻與監(jiān)控中心運行管理網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)對外網(wǎng)用戶訪問Web服務的有效隔離，保證了監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)的安全性。另外，建議配置獨立的前置通信網(wǎng)絡，通過前置通信服務器實現(xiàn)與監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)的有效隔離，保證了對下通信網(wǎng)絡不會影響監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)。

3　遠程監(jiān)控中心的關鍵技術

風電場遠程監(jiān)控中心相比傳統(tǒng)的電力集控中心具有其自身的特點，還有一些關鍵技術有待解決。

1）不同制造商風機的數(shù)據(jù)集成。遠程監(jiān)控中心下屬多家風電場，不可避免地會安裝不同廠家、不同型號的風機。要實現(xiàn)對各廠家風機的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一維護和統(tǒng)一管理，必須要統(tǒng)一各家風機的模型和規(guī)約。目前，各風機廠家均通過提供與自己風機配套的專用的風機監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)監(jiān)控，而各家風機監(jiān)控系統(tǒng)之間互不兼容。要實現(xiàn)各家風機監(jiān)控系統(tǒng)之間的集成，必須通過規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置進行模型和規(guī)約的轉(zhuǎn)換，而這種轉(zhuǎn)換制約了通信的流量和速率，大大增加了工作量和維護成本。為解決這個問題，國際電工委員會（IEC）早在2006年就制定發(fā)布了IEC 61400-25標準［6］，該標準是IEC 61850標準在風電領域的延伸，專門面向風電場風機監(jiān)控系統(tǒng)的通信，旨在實現(xiàn)風電場中不同制造廠家設備之間的自由通信。通過對風電場信息進行抽象化、模型化、標準化，實現(xiàn)各設備之間的相互通信，使各設備之間具有互聯(lián)性、互操作性和可擴展性［7］。但從目前的工程實踐來看，國內(nèi)能夠真正按照IEC 61400-25標準建模和通信的風機幾乎沒有。這需要風機及監(jiān)控系統(tǒng)廠家的共同努力，基于IEC 61400-25標準盡快制定符合國內(nèi)技術條件現(xiàn)狀的風機應用模型和工程實施規(guī)范，并指導風電場監(jiān)控系統(tǒng)及風電場遠程監(jiān)控中心的建設［8］。

2）風機高頻海量數(shù)據(jù)的存儲和訪問。一個風電場監(jiān)控中心要接收和處理的數(shù)據(jù)量將達到數(shù)十萬甚至數(shù)百萬數(shù)量級，數(shù)據(jù)采樣周期最快的達到秒級甚至毫秒級［9］。如此高頻、海量的數(shù)據(jù)對存儲空間和存取速度都提出了極高的要求。目前可采用時序數(shù)據(jù)庫技術來解決。時序數(shù)據(jù)庫采用數(shù)據(jù)壓縮和過濾技術，數(shù)據(jù)經(jīng)過有效壓縮，可極大地節(jié)省存儲空間，如按每秒1萬點數(shù)據(jù)存儲1年來計算，一般僅需要4GB左右的磁盤空間，即一只普通硬盤也可存儲五到十年的數(shù)據(jù)。另外，時序數(shù)據(jù)庫單節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲能力可達到10～15萬點/s，數(shù)據(jù)訪問能力可達到100萬點/s，并可以在秒級時間內(nèi)取到1000個點2～3年的歷史數(shù)據(jù)。如果采用高端服務器或者服務器集群，甚至能夠達到1000萬/s的數(shù)據(jù)處理能力。可見，時序數(shù)據(jù)庫可以很好地滿足高頻、海量數(shù)據(jù)對存儲空間和存取速度的要求［3］。

3）風機數(shù)據(jù)的挖掘和分析。上述對風機數(shù)據(jù)的采集和處理僅僅是第一步，對于用戶來說，更重要的是將海量數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選、整理、分析、統(tǒng)計后給出有助于風電場運行和管理的各類指標數(shù)據(jù)，如自然特性指標：平均風速、平均溫度、平均空氣密度、平均風功率密度、有效風速小時數(shù)等；可靠性指標：風機可利用率、風電場可用系數(shù)等；電能指標：發(fā)電量、上網(wǎng)電量、購網(wǎng)電量、等效滿負荷發(fā)電小時數(shù)、容量系數(shù)、設備平均利用小時等；耗損指標：場用電量、綜合場用電量、場用電率、綜合場用電率、場損率；運維能力指標：風能利用提高率等。以上指標的計算需要基于豐富的風電場運營和管理知識及經(jīng)驗，并熟悉各廠家風機的物理特性和數(shù)據(jù)模型。以用戶最為看重的風機可利用率指標為例，就需要考慮到風電場各個利益相關者的需求，對于風電場業(yè)主，風電場開發(fā)商、風機供應商、風電場投資方可能需要計算不同的可利用率，計算時需要考慮電網(wǎng)限電停機、風速越限停機、風機故障停機、風機檢修停機等多種情況［10］。目前國外有一些專業(yè)的風電軟件產(chǎn)品可以實現(xiàn)上述復雜的數(shù)據(jù)挖掘和分析功能，但受其昂貴的價格以及無法二次開發(fā)與定制的限制，不能滿足國內(nèi)用戶的需求。國內(nèi)的一些專業(yè)廠家也已經(jīng)開始這方面產(chǎn)品的研制工作，但要達到國外產(chǎn)品的成熟水平，還有待時日。

4　結論

綜上所述，風電場遠程監(jiān)控中心應該是未來風力發(fā)電運營管理模式的發(fā)展趨勢。風電場遠程監(jiān)控中心在系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)優(yōu)化、管理績效、運營成本等方面都具有較大的優(yōu)勢，很好地滿足了未來用戶在風電場運行和管理上的需求。隨著上述關鍵技術的不斷發(fā)展，風電場遠程監(jiān)控中心必將在風電監(jiān)控領域得到越來越廣泛的應用。

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Research on the Remote Monitoring Center of Wind Power Plant

Liu Gang Du Jun Jin Yanlei
（NARI-Relays Electric Co. Ltd.，Nanjing211111）

Aiming at the problems of local monitoring operating mode in traditional wind power plant，this paper proposes the solution for remote monitoring center. The solution describes in detail system architecture，computer and network configuration and advanced application for remote monitoring center. Combined with the technology characteristics of remote monitoring center，this paper also describes a number of critical technologies，such as product data integration from different manufacturers，high-frequency and massive data storage and access，data mining and analysis.

remote monitoring center of wind power plant； wind power monitoring； IEC 61400-25；time sequence database； data mining

劉剛（1978-），男，江蘇贛榆人，本科，工程師，從事電力系統(tǒng)保護控制系統(tǒng)的研究和設計工作。