（1.特變電工(德陽)線纜有限公司；2.四川東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽 618000）

基于云桌面的風(fēng)電場遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

李建普1，王東升2

（1.特變電工(德陽)線纜有限公司；2.四川東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽 618000）

本文介紹了目前風(fēng)電場遠(yuǎn)程集中監(jiān)控中心的架構(gòu)方式及其優(yōu)劣勢，根據(jù)分析，利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制、信息安全提出一種基于云桌面的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控中心的新架構(gòu)，使目前各個風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度和管理，以此做為建設(shè)無人值守、智慧風(fēng)電場的基礎(chǔ)。

監(jiān)控系統(tǒng)；云桌面；安全

風(fēng)電作為清潔能源受到歡迎，人類應(yīng)用風(fēng)能的歷史由來已久。現(xiàn)在大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電是各大能源消耗國的能源戰(zhàn)略之一，我國的風(fēng)電發(fā)展近幾年取得了飛速的發(fā)展，裝機(jī)量及新增裝機(jī)量都排在世界前列。與此同時，一種智慧的風(fēng)電場概念的運(yùn)行監(jiān)控和管理平臺也已發(fā)展，力求達(dá)到風(fēng)電場“無人值班，少人值守”的運(yùn)營模式。但快速發(fā)展的同時，如何運(yùn)行現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決遠(yuǎn)程集中監(jiān)控中心的架構(gòu)問題也是個難題。主要表現(xiàn)在各子系統(tǒng)的通信協(xié)議及通信接口不統(tǒng)一，在采集上傳運(yùn)行數(shù)據(jù)時間需要經(jīng)過多次的信號轉(zhuǎn)換，造成了信息上傳延遲，通信轉(zhuǎn)換設(shè)備繁瑣。

1 風(fēng)電場集中監(jiān)控現(xiàn)狀

風(fēng)電場一般地處偏遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣，范圍較大，尤其在山區(qū)，如果一個山頭安裝一臺機(jī)組，整個風(fēng)電場的范圍常常是數(shù)百甚至上千平方公里。這給風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)及巡檢帶來了很大的困難，需要投入大量的人力物力，經(jīng)濟(jì)效益差。

為提高經(jīng)濟(jì)效益，需要對整個風(fēng)電場進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控、維護(hù)和調(diào)度，這就要求發(fā)電機(jī)組的設(shè)備層和發(fā)電企業(yè)的管理層軟件實現(xiàn)無縫連接。這樣，整個風(fēng)電場的運(yùn)行可以逐漸向無人值守方向發(fā)展，通過減少現(xiàn)場的巡查、例檢、維護(hù)的次數(shù)從而減少投入的人力物力，提高整個風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益。

一般來說企業(yè)管轄多個風(fēng)電場，而一個風(fēng)電場中往往存在多家風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，每種機(jī)型都有獨(dú)立的點表數(shù)據(jù)形式，通信接口和底層通信協(xié)議往往也不一樣，造成多種信息監(jiān)控系統(tǒng)并存、通信方式多種多樣。為提高整個風(fēng)電場的信息管理水平就需要對各個風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)、報警、維護(hù)等信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，打通各種發(fā)電機(jī)組的通信通道。

2 系統(tǒng)交互構(gòu)架

目前風(fēng)電場的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的系統(tǒng)交互構(gòu)架的前提是各個風(fēng)電場開放數(shù)據(jù)交換接口，遠(yuǎn)程集控中心與風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)通過規(guī)約協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成實時數(shù)據(jù)采集和控制指令下發(fā)，如圖1所示為風(fēng)電場集中監(jiān)控系統(tǒng)傳統(tǒng)系統(tǒng)交互網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

我國的《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》圖1中提出：生產(chǎn)控制層與管理信息層之間，必須設(shè)置安全隔離裝置。根據(jù)信息流向劃分，安全隔離裝置分為正向隔離裝置和反向隔離裝置，調(diào)度安全防護(hù)總體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 風(fēng)場遠(yuǎn)程及本地交互構(gòu)架

當(dāng)需從生產(chǎn)控制大區(qū)傳送數(shù)據(jù)至管理信息大區(qū)時（如采集風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)并發(fā)送至遠(yuǎn)程），需要通過正向隔離裝置，當(dāng)需從管理信息大區(qū)傳送數(shù)據(jù)至生產(chǎn)控制大區(qū)時（比如從遠(yuǎn)程下發(fā)命令對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制），則要通過反向隔離裝置。

圖2 調(diào)度安全防護(hù)總體結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)場前置數(shù)據(jù)采集機(jī)通過OPC/ModBus等協(xié)議從風(fēng)場SCADA等子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，定時通過正向隔離裝置后把數(shù)據(jù)傳送給風(fēng)場前置傳輸機(jī)。前置傳輸機(jī)把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理后，通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）把數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心再進(jìn)一步進(jìn)行處理，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用程序，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示同時把分析處理后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)存儲至關(guān)系數(shù)據(jù)庫以供查詢調(diào)用。

當(dāng)需進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時，用戶必須具備遠(yuǎn)程控制的權(quán)限，在進(jìn)行安全檢查后，控制指令由中心數(shù)據(jù)接收處理服務(wù)器傳遞給風(fēng)場前置數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器，然后通過反向隔離裝置以文本文件的形式轉(zhuǎn)送至數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，最后經(jīng)過解碼把指令下發(fā)給各受控系統(tǒng)。

3 基于云技術(shù)

3.1 IP-KVM構(gòu)架

遠(yuǎn)程IP-KVM構(gòu)架是一種比較常用的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接入方式。該模式帶有遠(yuǎn)程管理功能，通過K（KEYBOARD）、V（VIDEO）、M（MOUSE），控制多臺計算機(jī)。一般情況下，外圍設(shè)備到計算機(jī)的信號會有一定程度的衰減，所以模擬的KVM切換器與受控計算機(jī)直接的距離不能過長。IP-KVM是數(shù)字的KVM切換器，通過它可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控多臺計算機(jī)。IP-KVM切換器將它所控制的所有計算機(jī)信號通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給IP數(shù)據(jù)包，在控制端，IP數(shù)據(jù)包再次編譯為K（KEYBOARD）、V（VIDEO）、M（MOUSE）信號。為加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，IP-KVM架構(gòu)在發(fā)送和接收端進(jìn)行了加密。為確保遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)安全，密碼系統(tǒng)需要支持RADIUS認(rèn)證通信協(xié)議，還需要支持SSL12、RSA1024等多種算法。

遠(yuǎn)程IP-KVM構(gòu)架不受限于操作系統(tǒng)與硬件，可以實現(xiàn)跨平臺操作。這對于無法提供數(shù)據(jù)交換接口的監(jiān)控系統(tǒng)，能輕松解決。但此種構(gòu)架的缺點也是顯而易見的：用戶在遠(yuǎn)程IP-KVM時，相當(dāng)于遠(yuǎn)程操作現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，無法實現(xiàn)控制優(yōu)先級選擇和閉鎖保護(hù)，給設(shè)備遠(yuǎn)程控制帶來一定的安全隱患，并且對網(wǎng)絡(luò)帶寬有一定的要求。

3.2 云桌面構(gòu)架

在計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，云計算成為了熱門。風(fēng)電場遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所用的云桌面技術(shù)，其實就是通過云軟件讓用戶脫離計算機(jī)主機(jī)，只需要顯示終端就能登錄遠(yuǎn)程辦公，對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)等功能，這樣就能很大程度地減少設(shè)備的維護(hù)管理和辦公管理費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

云桌面架構(gòu)將風(fēng)電場的各個系統(tǒng)桌面融合為云桌面服務(wù)端，構(gòu)建成私有云桌面，遠(yuǎn)程控制臺按需進(jìn)行連接控制，為其提供功能和性能強(qiáng)大的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理綜合平臺。

如圖3所示為風(fēng)電場集中監(jiān)控系統(tǒng)云桌面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。從圖可知，總體上而言，數(shù)據(jù)由風(fēng)電場生產(chǎn)控制大區(qū)的接口機(jī)對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，之后透過正向隔離裝置將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤L(fēng)電場管理大區(qū)的上傳接口機(jī)，上傳接口機(jī)通過物理防火墻與3G無線路由器相連，最終通過3G 無線上網(wǎng)的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器將數(shù)據(jù)回送至數(shù)據(jù)總線，總線將數(shù)據(jù)存儲到Hadoop云存儲集群。云桌面服務(wù)器用于與各個系統(tǒng)的桌面應(yīng)用進(jìn)行交互，在集控中心增加中心集中控制臺，通過集中控制臺連接云桌面服務(wù)器進(jìn)行查看與控制。系統(tǒng)總體的硬件框架圖如圖3示。

云桌面架構(gòu)的優(yōu)勢是跨平臺的系統(tǒng)，其前端支持Windows系統(tǒng)、UNIX系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)；集中控制臺還支持手持與平板設(shè)備；能夠?qū)⒍鄠€風(fēng)電場的多種機(jī)型的監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一到一個平臺上，在一個平臺下對所有系統(tǒng)進(jìn)行控制。通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過不可逆的軟硬件加密，同時，具有權(quán)限認(rèn)證、閉鎖保護(hù)、操作日志保存等。此種模式部署快，同時這種方式通過控制用戶權(quán)限和優(yōu)選級選擇和保護(hù)閉鎖，可有效保證設(shè)備遠(yuǎn)程控制的安全性和可靠性，很好實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制。

4 系統(tǒng)安全

風(fēng)場和風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)要傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心必然會經(jīng)過公網(wǎng)，而一旦本地網(wǎng)絡(luò)中有設(shè)備接入公網(wǎng)，該設(shè)備就有可能受到來自公網(wǎng)的外部攻擊，從而影響與之相連設(shè)備的安全性。 如果想要保證不受外部攻擊，最好的方法是建設(shè)物理隔離的專用網(wǎng)絡(luò)，但成本高昂。在必須使用公網(wǎng)的情況下，一種增加安全性很好的方法是利用VPN技術(shù)，在各風(fēng)場與監(jiān)控中心之間建立通信網(wǎng)絡(luò)。VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）是在公網(wǎng)上搭建專用網(wǎng)絡(luò)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。VPN功能的實現(xiàn)方法有多種，可以通過軟件、硬件或者服務(wù)器實現(xiàn)，即通過對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和傳輸?shù)刂愤M(jìn)行加密和轉(zhuǎn)換實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，VPN有成本低廉、使用方便的特點。

圖3 云桌面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

VPN分為兩種，一種是由電信部門提供的專門的VPN網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)點是安全性高，通信穩(wěn)定，缺點是費(fèi)用也較高，銀行等金融部門多采用此方式；另一種是利用路由器自身提供的VPN功能來搭建網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)點是費(fèi)用低廉，缺點是安全性稍低，穩(wěn)定性也稍低。

4.1 風(fēng)場生產(chǎn)控制區(qū)

整個系統(tǒng)最重要的是風(fēng)場生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備的安全，因此生產(chǎn)控制區(qū)里面設(shè)備的安全性尤為重要。

當(dāng)沒有遠(yuǎn)程控制功能時，系統(tǒng)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，形成各類報表和展示數(shù)據(jù)。因為在風(fēng)場前置采集機(jī)與風(fēng)場前置傳輸機(jī)之間安裝了正向隔離裝置，數(shù)據(jù)是從生產(chǎn)控制區(qū)往外單向流動，外部數(shù)據(jù)無法進(jìn)入生產(chǎn)控制區(qū)，攻擊無從談起，此時，生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備是安全的。

當(dāng)需要遠(yuǎn)程控制時，管理信息區(qū)的數(shù)據(jù)要進(jìn)入生產(chǎn)控制區(qū)，必須經(jīng)過反向隔離裝置，數(shù)據(jù)以文本文件的形式單向流動，并不能通過TCP/IP協(xié)議直接傳遞至內(nèi)部應(yīng)用程序的相應(yīng)服務(wù)端口上，攻擊也就無從談起。

4.2 風(fēng)場管理信息區(qū)

前置傳輸機(jī)位于管理信息區(qū)內(nèi)，需要接入公網(wǎng)并與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器進(jìn)行通信。公網(wǎng)的接入可通過風(fēng)場現(xiàn)有辦公網(wǎng)絡(luò)使用的線路，直接連接公共路由器對外訪問。根據(jù)公共路由器的功能，與監(jiān)控中心VPN網(wǎng)絡(luò)的建立可采取路由器對路由器或者傳輸機(jī)VPN撥號兩種方式。為進(jìn)一步提高安全性，傳輸機(jī)所屬子網(wǎng)應(yīng)與辦公網(wǎng)絡(luò)相分隔（VLAN），還可以通過硬件或軟件防火墻對IP和端口進(jìn)行限制。如果還想獲得更高的安全性和通信穩(wěn)定性，可以考慮向電信部門再申請一條專用線路。

4.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心內(nèi)的主要設(shè)備包括路由器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及工作站等，最重要的設(shè)備是路由器和Web服務(wù)器。路由器需具備VPN功能，用于各個風(fēng)場與監(jiān)控中心建立VPN網(wǎng)絡(luò)的需要。路由器上還應(yīng)設(shè)置訪問規(guī)則，進(jìn)一步保護(hù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的安全。

Web服務(wù)器對外提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，在允許的情況下，還可對風(fēng)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，安全性極為重要。對于遠(yuǎn)程控制操作，可采用多重措施進(jìn)行保護(hù)。首先，網(wǎng)站的訪問者必須登錄并具備相應(yīng)權(quán)限，從帳號的角度進(jìn)行保護(hù)。第二，可限定只有監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)IP的設(shè)備才可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，防止帳號密碼泄漏帶來的安全隱患，如果有監(jiān)控中心以外遠(yuǎn)程控制的需求，可考慮通過VPN撥號的方式來接入監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)。第三，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的設(shè)備必須在具備加密狗或者授權(quán)碼的情況下才能下發(fā)控制指令，從授權(quán)設(shè)備的角度保證安全性。

5 結(jié)語

通過對風(fēng)電場遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的研究，給出了符合國內(nèi)情況切實可行的方案架構(gòu)，隨著云桌面架構(gòu)的推廣和應(yīng)用，基于云桌面的新能源遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)會越來越完善，為新能源的開發(fā)和管理提供了可靠的、方便的技術(shù)保障。通過云桌面技術(shù)可以優(yōu)化大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組的管理模式，最終實現(xiàn)風(fēng)電場“無人值班，少人值守”的運(yùn)營模式，為智慧風(fēng)電場打下了堅實的基礎(chǔ)。

[1]王松，姚興佳，李春影.風(fēng)電場遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā).

[2]孫楊，冉香坤，鐘聲.大型風(fēng)電場的計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng).

[3]王韜.遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用[J].華電技術(shù)，2011,33(11):74～79.

[4]陳丙文，肖立家，宋艷君.風(fēng)電場群遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計探討.

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1671-0711（2017）04（上）-0035-03