1、行業背景
1.1、現狀
隨著人類越來越重視利用可再生能源，風能作為一種清潔的可再生能源越來越受到重視。風能蘊量巨大，全球的風能約為2.74X109兆瓦，其中可利用風能約為2X107兆瓦，比地球上可開發利用的水能總量大10倍。中國風能儲量很大，分布面廣，僅陸地上的風能儲量就約2.53億千瓦。
1.2、需求分析
風能資源豐富的地區一般都比較偏遠，而且環境惡劣。在風電站中，風電機組分布比較分散、監控參數多，這都會給風電系統的控制帶來不利影響。為充分有效地利用風力進行發電，SCADA監控與數據采集系統作為自動化控制的核心具有信息完整等優點，它能提高效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策，有助于快速診斷系統故障狀態，對提高風電場運行的可靠性、安全性與經濟效益具有不可替代的作用。
力控科技作為國產監控組態軟件的領軍者一直關注風電行業的發展，結合國外廠商倍福（BeckHoff）的嵌入式PC控制器CX1020，總結多年在風電行業的應用經驗，開發了力控風電版監控組態軟件FCWP。
2、系統網絡拓撲圖
整個監控網絡可以分為三個層次
1) 就地監控部分：布置在每臺風力發電機塔筒的控制柜內，每臺風力發電機的就地控制能夠監控此臺風力發電機的運行狀態，并采集產生的數據。
2) 中央監控部分：布置在風電場控制室內。工作人員根據切換畫面隨時控制和了解風電場同一型號風力發電機的運行和操作。
3) 遠程監控部分：根據需要布置在不同的地點，遠程控制目前一般通過光纖或無線網絡等通訊方式訪問控制中控室主機。
3.德國BeckHoff嵌入式PC CX1020
德國倍福高性能嵌入式PC CX1020配備有1 GHz的CPU，在超低內核電壓下運行，具有低熱功耗的特點，其TDP（熱設計功率）僅為7W。雖然設計非常緊湊，卻不需要使用風扇。因為它用CF卡作為啟動和存儲介質，所以控制器內無需使用旋轉介質，增加整個系統的平均無故障工作時間。精心的產品設計結構適合在惡劣的氣候環境下正常運行，高速Ether CAT現場總線結合力控科技開發的風電專用協議，使整個控制系統具有快速控制技術以及實時風場網絡監控等基本特征。
借助倍福嵌入式PC CX1020的強大功能和風電控制專用模塊實現了對風機各參數的采集與控制，包括：電網參數、氣象參數、機組狀態參數、變槳控制、發電機運行控制和管理（機艙）等。
4.力控風電設備SCADA監控組態軟件FCWP
力控風電設備SCADA監控組態軟件FCWP具備風電行業專用的設備負荷專用曲線及監測組件，適合風電場級監控和風電場運維中心的系統集成，采用核心數據庫系統，實現遠程監視和接收匯總全國相關各風電場的所有風電機組、繼電保護、風速、發電量、售電量等的運行情況，使各級部門都能及時了解風電機組運行狀態和發電狀況。
運維中心采用實時數據庫系統軟件。構建統一的實時生產數據監管平臺，整合不同設備廠家的監控系統，在管理層建設統一的管理數據平臺，實現以生產管理和安全管理為核心的自動報表功能、生產裝置的監控功能、工藝指標的考核功能和安全防范、生產監督以及計量功能。建立生產實時數據監視系統平臺，通過采集和整理風電場設備的數據，為專業管理人員提供龐大的信息數據庫，便于分析數據，以輔助決策。網絡結構采用C/S，通信效率高、易擴展、減少投資。運維中心采用雙網關通信，數據通道和用戶上網通道隔離，安全可靠。數據傳輸采用VPN方式，安全可靠，性價比高，系統軟件穩定、可靠、可組態，便于維護和二次開發，減少投資。
5.就地監控部分
就地監控部分由下位數據采集處理系統德國Beckhoff嵌入式PC CX1020和上位力控風電版監控組態軟件FCWP組成。
5.1、Beckhoff嵌入式PC CX1020控制實現
主控系統：主控系統是風機控制系統的主體，它實現自動啟動、自動調向、自動調速、自動并網、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口系統是監控系統、變槳控制系統、變頻系統（變頻器），它與監控系統接口完成交換風機實時數據及統計數據；與變槳控制系統接口完成控制葉片，實現最大風能捕獲以及恒速運行；與變頻系統（變頻器）接口實現自動調節有功功率和無功功率。
變槳控制系統：與主控系統配合，通過控制葉片節距角，實現最大風能捕獲以及恒速運行，提高靈活運行風力發電機組。目前，變槳控制系統的葉片驅動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術路線及傳統。
變頻系統（變頻器）器：與主控制系統接口，和發電機、電網連接，直接承擔著保證供電品質、提高功率因素，滿足電網兼容性標準等重要作用。
5.2、力控風電版SCADA就地監控功能的實現
1) 顯示機組的運行數據，如機組的瞬時發電功率、累計發電量、發電小時數、風輪及電機的轉速和風速、風向等，用風玫瑰圖、曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。
電網參數：電網三相電壓、三相電流、電網頻率、功率因數等。
電壓故障檢測：電網電壓閃變、過電壓、低電壓、電壓跌落、相序故障、三相不對稱等。
氣象參數：風速、風向、環境溫度等。
機組狀態參數：風輪轉速、發電機轉速、發電機線圈溫度、發電機前后軸承溫度、齒輪箱油溫度、齒輪箱前后軸承溫度、液壓系統油溫、油壓、油位、機艙振動、電纜扭轉、機艙溫度等。
2) 顯示風電機組的運行狀態，如開機、停車、調向、手/自動控制以及大/小發電機工作等情況。
a. 主控系統檢測電網參數、氣象參數、機組運行參數，當條件滿足時，啟動偏航系統執行自動解纜、對風控制，釋放機組的剎車盤，調節槳距角度，風車開始自由轉動，進入待機狀態。
b. 當外部氣象系統監測的風速大于某一定值時，主控系統啟動變流器系統開啟轉子勵磁，待發電機定子輸出電能與電網同頻、同相、同幅時，合閘出口斷路器實現并網發電。
c. 風力機組功率、轉速調節根據風力機特性，當機組處于最佳葉尖速比λ運行時，風機機組將捕獲得最大的能量，雖理論上機組轉速可在任意轉速下運行，但受實際機組轉速限制、系統功率限制，不得不將該階段分為以下幾個運行區域：變速運行區域、恒速運行區域和恒功率運行區域。額定功率內的運行狀態包括：變速運行區（最佳的λ）和恒速運行區。
3) 顯示各機組運行過程中發生的故障。在顯示故障時，顯示故障類型及發生時間，以便運行人員及時處理并消除故障，保證風電機組安全持續地運行。
5.3力控風電版SCADA就地監控系統的優點
力控風電版監控組態軟件FCWP是力控科技總結多年風電行業的應用經驗，精心打造的一款符合國內風電行業應用的風電監控軟件。
1) 全中文的操作界面，符合中國人的操作習慣。
2) 對風電場場址的風況特征和風能資源應作出分析和評價。
力控風電版監控組態軟件具有強大的繪圖功能，可繪制風速頻率曲線和風向頻率玫瑰圖、編制月平均風速變化和年平均風速日(0——24小時)變化曲線，并根據每臺機組的輸出功率曲線，結合年度檢修計劃，編制出年、月（季）和日預報發電計劃以及次日的風速和發電預報，報送電網管理部門和調度部門審批。
a. 與風場測風塔同期的相關長期測站風速年變化直方圖
b. 相關長期測站連續20——30年的風速年際變化直方圖
c. 風電場測站全年的風速和風功率密度日變化曲線圖
d. 風電場測站全年的風速和風功率密度年變化曲線圖
e. 風電場測站全年的風速和風能頻率分布直方圖
f. 風電場測站全年的風向玫瑰圖
g. 風電場測站全年的風能玫瑰圖
h. 風電場測站各月的風向玫瑰圖
i. 風電場測站各月的風能玫瑰圖
j. 風電場測站各月的風速和風功率密度日變化曲線
通過直觀的圖表、曲線和實時數據為風電場的建設與維護提供了有效的依據。
3) 高效、快速、穩定的數據采集處理能力
力控與Beckhoff 控制器的通訊方式具有如下幾種：
◆OPC通訊方式
Beckhoff的TwinCAT系統軟件可以連接一臺或多臺PLC，同時提供OPCServer。力控作為OPCClient 與之連接。通訊效率一般，不支持冗余，適用于小規模的通訊任務。
◆調用動態庫 DLL實現通訊
Beckhoff的TwinCAT系統軟件可以連接一臺或多臺PLC，同時提供DLL供外部系統調用。力控提供了對應的驅動程序。通訊效率較好，支持冗余，適用于中等規模的通訊任務。
◆批量打包傳送
這是一種定制化的驅動。使用方法是在Beckhoff 的控制器中編制程序，將數據打包，通過以太網批量傳送。力控監控組態軟件運行對應的驅動程序進行接收。通訊效率高，支持冗余，適用于大規模的通訊任務。例如一套SCADA系統同時管理50個以上的控制器。這種方案解決了以上兩種方案容易產生的一個非常重要的問題：數據采集統計滯后，造成生產量統計值要比實際值小，在客戶看來屬于嚴重虧損，不能讓他們接受。新方案比舊方案獲取得到的數據實時性更強，數據偏差更小。
6.中央監控中心
6.1中央監控中心功能簡介
在中央控制室設立了一對互為熱備的實時數據庫服務器，采集和保存所有的現場數據，同時作為報警服務器和事件服務器；根據需要設立一定數目的客戶端節點，作為操作員站；設立一臺工程師站作為組態和維護。風場中央監控中心布置在風電場控制室內，工作人員根據切換畫面隨時控制和了解風電場同一型號風力發電機的運行和操作。風場監控中心通過風電場光纖以太網環路與就地控制室的系統進行通訊。
SCADA實時/歷史數據庫服務器采用力控科技自主開發的分布式實時數據庫pSpace，負責處理、存儲、管理從控制系統傳送來的實時數據，同時又為網絡中的其它服務器和工作站提供實時和歷史數據。SCADA實時歷史數據庫服務器是控制網絡中的報警、趨勢、報表等的數據服務器，也是本系統的數據處理中心，它將擔負整個系統實時數據的存儲和處理，并為遠程監控中心提供實時數據，是整個系統的數據集散地，因此具有十分重要的地位。
實時數據歷史數據庫服務器通過冗余的通訊網絡從控制層采集實時數據，然后以變化保存或定時保存算法進行數據壓縮、處理和保存。數據保存時間可以達到10年以上。服務器可以實現通訊冗余功能，即自動實現對冗余A網和B網的通訊切換。
6.2 力控企業級實時歷史數據庫pSpace及產品功能
力控企業級實時歷史數據庫pSpace是一款高性能、高吞吐、穩定可靠、支持跨平臺的時序數據庫系統，提供工廠模型，生產運營管理、設備運行管理、歷史追憶、生產報表等多種管理模塊，將生產過程產生的海量數據轉化為滿足業務需求的信息，輔助管理者對安全生產、降低能耗、優化生產流程做出準確決策。支持與生產智能管控平臺、生產信息化及可視化等各類管控APP平臺結合，共同構建強大的生產執行制造與調度指揮系統，挖掘工業生產過程數據并使其發揮價值，助力企業的數字化轉型。
1) 多平臺支持能力
多平臺支持能力，支持Windows和Linux 操作系統（Ubuntu、CentOS、銀河麒麟、統信UOS等）。
2) 高效的壓縮模式
高效的壓縮模式，數據采用二次壓縮技術，保證壓縮效率。
3) 完整的冗余技術
完整的冗余技術，支持Windows故障轉移群集、RoseHA等。
4) 協議數據發送
支持OPC DA、OPC UA協議的數據發送，在保證數據完整的前提下，支持超過10萬點的秒級更新。
5) 豐富的數據處理功能集
豐富的數據處理功能集，支持數據預處理，提供多種數據統計方式。
6) 優越的數據庫性能
優越的數據庫性能，單機容量可達千萬點級，讀寫數據峰值超過百萬條數據量每秒。
7) 靈活的分布式軟件架構
靈活的分布式軟件架構，支持在線組態和遠程配置與管理。
8) 內置“看門狗”設計
內置“看門狗”設計，系統各進程具備自診斷與自恢復功能。
9) 計算引擎實現數據的自定義計算
計算引擎實現數據的自定義計算，強化數據邊緣側計算的能力。
10) 多種二次開發接口
具備C API/.NET API/Java API/Python API/Web API/ODBC/JDBC /OLEDB多種二次開發接口。
pSpace數據采集技術優勢
全面豐富的數據采集接口（各種大中型DCS、PLC、OPC接口、手動錄入、ODBC接口、網絡隔離接口）1500多種。
強大的接口開發能力，力控科技擁有一支專業的接口開發隊伍，隨時為你定制新采集接口。
pSpace高級應用功能技術優勢
pSpace為企業用戶提供功能豐富的應用模塊，如：質量管理、過程管理、性能分析、狀態監測、工序調度、批次管理、班組考核等。通過這些應用模塊并結合用戶的經驗，可以極大地提升生產過程的作業效率和作業性能。
pSpace安全控制技術優勢
通訊加密機制，保證數據在網絡中安全傳輸而不會被截獲。
數據庫安全認證訪問機制，杜絕非法用戶訪問和惡意用戶攻擊。
數據單向傳輸服務，結合網絡隔離設備，保證底層系統安全可靠。
pSpace系統集成技術優勢
多平臺支持，模塊化結構設計，完全根據系統需求選擇功能和平臺。
方便與第三方冗余軟件無縫結合，構建冗余系統。
提供第三方組件開發模板，方便用戶開發功能與pSpace系統整合。
強大的二次計算能力，將需要用戶開發完成的功能轉移到數據庫來實現。
靈活的WEB發布選擇，便于與用戶的信息系統整合。
6.3、力控風電版監控組態軟件FCWP與實時歷史數據庫pSpace的無縫結合
在中央監控中心設立數臺客戶端，客戶可采用C/S或B/S方式訪問服務器，力控風電版監控組態軟件FCWP與力控企業級實時歷史數據庫進行數據交互，操作人員可通過客戶端監控風場中各風機的參數、運行情況。
1) 系統的監控畫面顯示風場所有風機、電網線路、以及其他設備的運行情況，重要的運行工況畫面通過一次擊鍵調出，調出時間小于0.5S；調出任何一幅畫面擊鍵不超過三次，每幅畫面能顯示過程變量的實時數據和設備狀態，這些數據和狀態每秒更新一次，顯示的顏色或圖形隨過程工況而變化。系統提供的畫面數量、每幅畫面的圖素及實時更新和被控的過程點幾乎不受限制。系統提供標準的顯示畫面，如風場總覽顯示、風機列表顯示、趨勢顯示、成組顯示、棒狀圖顯示等標準畫面。
2) 綜合監控每臺風機的運行情況、報警信息。
3) 定時打印和人工即時打印以及故障自動記錄的功能，以便隨時查看風電場運行狀況的歷史記錄。
4) 力控風電版監控組態軟件FCWP內置各種部頒標準和國際標準規約，如IEC870-5-101\102\103\104規約、CDT規約、DNP3.0規約、SC1801規約、威盛電度表規約、DLT/645規約、LONWorks規約、CANBus規約等，無需配置即可直接使用。
5) 系統提供數據轉發通道、內置CDT轉發、IEC870-5-101\104轉發、DNP3.0轉發、Modbus轉發等常用轉發規約，并支持用戶自定義轉發規約。系統具有轉發模擬屏接口，支持常用的模擬屏規約。通過轉發協議實現廠站遠動，數據遠程管理，轉發遙控、轉發遙調等功能，滿足電力系統對遠動功能的要求，為遠程監控中心提供有效的分析數據、曲線和圖表。
7.遠程監控中心
遠程監控中心與風場控制中心通過Internet網絡VPN技術進行通訊。VPN使用了三方面技術，保證了基于Internet網絡數據傳輸的安全性:隧道協議、身份驗證和數據加密。因此,基于Internet網絡VPN技術的數據傳輸具有費用低、傳輸速率快、安全性高的優勢，保證快速安全傳輸數據。
在遠程監控管理中心建立集中的統一數據中心，將各個風廠的相關數據采集到該中心。采集的數據分為實時數據和歷史數據，實時數據保留6個月以上，實時數據同時要轉存成10分鐘平均數據，進行歷史存儲，其中開關量、故障等重要節點的數據特殊處理。系統對采集的數據進行統計分析，提供針對不同用戶的經營性報表以及技術分析功能，同時要針對大屏幕的顯示方式設置專門的顯示方式以及故障的聲光報警等，并且要提供運維記錄管理以及對電廠的產能進行預測。
實現如下目標：
a. 向管理層提供各電廠經營報表，為決策提供數據支持。
b. 向合作伙伴提供其投資電廠的運行數據。
c. 向技術部門提供風機運行以及變電站的各類指標，通過技術圖表對風機及變電站運行情況進行分析。
d. 向運行維護部門提供有關風機及變電站的各類故障報警信息、歷次維修記錄，并提供有關風廠的各種運行維護類統計報表。
e. 通過集團監控室大屏幕向來訪投資者展示集團電廠運行的各種主要信息。
京公網安備11010802042889號
