基于IEC61400-25的风电场集成监控模型设计-硕士论文

学校代号： 学号：0 9 3 4 3 0 1 0 9 0 2 2 密级：公开 兰州理工大学工程硕士学位论文 基于I E C 6 1 4 0 0 2 5 的风电场 集成监控模型设计 W i n df a r mi n t e g r a t i o nm o n i t o rm o d e ld e s i g nb a s e do n I E C 614 0 0 2 5 b y Y a n gS h e n g y i B E ( H e F e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ) 2 0 0 5 At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e R e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g E l e c t r o n i c sA n dC o m m u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g i n t h e G r a d u a t eS c h o o l o f L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y S u p e r v i s o r P r o f e s s o rH eJ i a i S e p t e m b e r , 2 0 13 I I I I I I IIII I I I IIIIJM I I I I II II Y 2 5 6 7 19 8 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：扣盼义 吼川年嘲佣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 枷水虬 俪拖、 日期：力，弓年，2 月 7f 日 日期；莎彬年Iz 月，2 日 工程硕士学位论文 目录 摘要I A b s t r a c t I I 第1 章绪论1 1 1 选题的背景及意义1 1 1 1 选题的背景1 1 1 2 选题的意义2 1 2 国内外研究现状3 1 3 论文的主要工作和结构安排7 1 3 1 论文的主要工作7 1 3 2 论文的结构安排7 第2 章风电场远程监控系统及运行原理8 2 1 风电场远程监控系统8 2 1 1 监控系统主要任务1 0 2 2I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准1 1 2 2 1I E C 6 1 4 0 0 2 5 的文件构成1 1 2 2 2I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 技术分析1 2 2 3 本章小结1 3 第3 章风电场集成监控模型设计1 4 3 1 监控系统设计的目的1 4 3 2 监控系统设计原则1 4 3 3 基于I E C6 1 4 0 0 2 5 的风电场集成监控模型设计1 5 3 3 1 系统功能设计1 6 3 3 2 系统总体架构2 2 3 3 3 系统软件设计2 2 3 4 本章小结2 6 第4 章W e b 服务模型及安全通信模型2 7 4 1W e b 服务模型2 7 4 1 1W r e bS e r v i c e s 技术一3 0 4 2 安全通信模型3 1 4 2 1 不间断稳定运行3 2 4 2 2 双击冗余热备3 3 4 2 3 实时日志功能3 4 4 2 4 抗干扰性3 5 4 2 5S O A P 基础上的X M L 安全加密技术3 5 4 3 本章小结3 7 第5 章结论与展望3 9 参考文献4 0 致谢4 3 附录A ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 4 4 工程硕士学位论文 摘要 风电厂数据收集与监控系统是对风电机组进行远程、近距控制观察的计算机 体系，此系统监控风电机组工作情况的方法就是依靠对风电场的相关数据进行收 集分析。风电场的规模在逐年扩大，而为了使风电场的安全运行得到保障，还需 对风电场各方面的运行情况进行深入的研究。另外，对风电场进行集成监控可使 风电场得到良好的运行和发展。随着I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准的颁布及逐步改进，以 W e bS e r v i c e s 通讯技术为基础的风电场集成监控系统为风电场的高效运行提供了 保障，对今后风电场的运行、管理是有很大帮助的。 依靠对I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 标准的信息交换模型、信息模型以及W e bS e r v i c e s 等的 映射模式的剖析和研究，本文设计了一种在W e bS e r v i c e s 基础上的风电场集成控 制模型，并对服务器端与多个异构风电机组中间的关系进行了分析，对风电机组 标准服务接口的通信体系以及定义原则进行了阐述。运用W e bS e r v i c e s 技术使风 电场不同系统之间完成无缝通信，并为相关数据以及监控命令的安全、完整传送 提供了保障。对服务器端与多个异构风电机组中间的关系进行了分析，对风电机 组标准服务接口的科学通讯体系以及定义原则进行了阐述。 本文对信息交换模型的不同种类进行了深入的研究，并设计出了一个基于 S O A P 消息编码以及解码的基础之上的可靠的安全通讯管理系统。在网络通信基 础上产生的W e bS e r v i c e s 可促使各程序之间进行信息交换。在C S 的模式里面， 依靠S O A P X M L ，W e bS e r v i c e s 能对风电场的信息进行交换。依据I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 标准、风电场监控标准以及通信模型的准则，制定出一种安全可靠的监控系统。 关键词：I E C 6 1 4 0 0 2 5 ；风电场监控；S C A D A 系统；W e bS e r v i c e s 工程硕士学位论文 A bs t r a c t T h ew i n dp o w e rp l a n td a t ac o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mi st h ec o n t r o l o fw i n dt u r b i n e sf o rt h er e m o t e ，c l o s eo b s e r v a t i o no ft h ec o m p u t e rs y s t e m ，t h es y s t e m m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo fw i n dt u r b i n e sw o r km e t h o di st or e l yo nt oc o l l e c ta n d a n a l y z er e l e v a n td a t ao fw i n df a r m T h es c a l eo fw i n df a r mi ne x p a n d e dy e a rb yy e a r , a n di no r d e rt om a k et h es a f eo p e r a t i o no fw i n df a r ms e c u r i t y , s t i l ln e e dt os t u d y d e e p l yo nt h eo p e r a t i o no ft h ev a r i o u sa s p e c t so fw i n df a r m s I na d d i t i o n , t h ew i n d f a r mi n t e g r a t i o nc o n t r o lC a nm a k et h ew i n dg e tg o o do p e r a t i o na n dd e v e l o p m e n t A s I E C 6 1 4 0 0 - 2 5s t a n d a r dp r o m u l g a t e da n di m p r o v e ds t e pb ys t e p ，o nt h eb a s i so ft h e W e bS e r v i c e sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fw i n df a r mi n t e g r a t i o nc o n t r o ls y s t e m p r o v i d e st h eg u a r a n t e ef o re f f i c i e n to p e r a t i o no fw i n df a r m ，t h eo p e r a t i o no ft h ew i n d f a r mi nt h ef u t u r e ，m a n a g e m e n t ，t h e r ei sab i gh e l p R e l yo nt h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eo fI E C 6 14 0 0 - 2 5s t a n d a r dm o d e l ，i n f o r m a t i o n m o d e la n dt h em a p p i n go fW e bS e r v i c e sa n dm o d eo fa n a l y s i sa n dr e s e a r c h , t h i sp a p e r c o n c e i v e daw i n df a r mi n t e g r a t i o nc o n t r o lm o d e lo nt h eb a s i so fW e bS e r v i c e s ，a n do n t h es e r v e ra n dm u l t i p l eh e t e r o g e n e o u sa m o n gw i n dt u r b i n e sa r ea n a l y z e d ，a n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew i n dg e n e r a t o rf o rs t a n d a r ds e r v i c ei n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dd e f i n i n gp r i n c i p l e sa r ee x p o u n d e d U s i n gW e bS e r v i c e st e c h n o l o g yt o m a k ew i n df i n i s h e ds e a m l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts y s t e m s ，a n df o rt h e r e l e v a n td a t aa n dm o n i t o r i n gp r o v i d e sg u a r a n t e es a f e t y , c o m p l e t et r a n s m i s s i o no f c o m m a n d s O nt h es e r v e ra n dm u l t i p l eh e t e r o g e n e o u sa m o n gw i n dt u r b i n e sa r e a n a l y z e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew i n dg e n e r a t o rf o rs t a n d a r ds e r v i c e i n t e r f a c es y s t e mo fs c i e n t i f i cc o m m u n i c a t i o na n dd e f i n i n gp r i n c i p l e sa r ee x p o u n d e d D i f f e r e n tk i n d so fi n f o r m a t i o ne x c h a n g em o d e lW a ss t u d i e di nd e t a i l ，a n dd e s i g n e d aS O A Pb a s e dm e s s a g ee n c o d i n ga n dd e c o d i n go fr e l i a b l es a f e t yc o m m u n i c a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m W e bS e r v i c e sp r o d u c e d i nt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o nb e t w e e nt h ep r o g r a m I nt h em o d e lo ft h e C S ，W e bS e r v i c e s C a l le x c h a n g ei n f o r m a t i o no nw i n df a r mr e l i e do nt h e S O A P X M L A c c o r d i n g t ot h eI E C 6 1 4 0 0 2 5s t a n d a r d ，w i n df a r m m o n i t o r i n g a n dc o m m u n i c a t i o nm o d e ls t a n d a r d s ，t od e v e l o pas a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m K e yW o r d s ： I E C6 1 4 0 0 - 2 5 ；w i n df a r mm o n i t o r i n g ；S C A D As y s t e m ；W e bS e r v i c e s 基于I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 的风电场集成监控模型设计 1 1 选题的背景及意义 1 1 1 选题的背景 第1 章绪论 随着能源开采力度的不断加大，环境问题也愈加严重。风能因其可再生、 无污染、储量大的优点，受到了世界各国的重视，风力发电也得到了广泛的运 用。因此，风能产业也在全球范围内开始兴起。 风能是一种环保型的能源，随着人民群众对环保问题认识的加深，风力发 电技术在我国得到了飞速的发展。同时，全球也已经有不少的国家制定了可再 生能源的未来发展战略，风力发电因其具有技术成熟与利用效率高等特点，而 受到了各国普遍重视。为了使风力发电技术得到发展和提升，我国对风力发电 技术给予了政策上的支持和保护。随着我国风电行业的大力发展，风电场、风 机的数量日益增加。规模较大的风电场里面往往有大量的风机，而一个风力发 电公司往往有许多风电场。风电场常常建造在偏远地区，交通极其不便利，所 处的环境往往比较恶劣，风电场里面的设施也面临着安全和维护问题。风电场 的电网构造不够坚固，负荷量不高，出力也不具有稳定性，因此不易进行控制 管理。另外，电网的潮流分布因风电功率的进入而受到了变更，极大地影响到 了一部分区域电网的稳定性，有可能会出现系统瘫痪、设备损坏的情况。 作为一种可再生、无污染的新能源，风力发电和传统方式发电是很不一样 的。比如风力发电具有间歇性，风电机组在启动、关闭、出力时都具有一定程 度上的随机性。目前的风力发电通常都使用异步发电机，在其向系统送出有功 的同时还需要从系统里面吸收无功。在现阶段的技术水平下，风力发电功率预 测技术尚不成熟。所以，风力发电的负荷调度难度较大。 风电的上述特点将会对电力系统的安全性产生巨大的影响。在风电场容量 比较小的情况下，上述特性并不会对电力系统产生明显的影响。但伴随着风电 场容量在系统里面所占比例的增多，风力发电便对系统产生越来越明显的影响。 而系统中的频率和电压会因大风速扰动而发生变动，甚至出现系统失衡的情况。 工程硕士学位论文 另外，风电机组的运行会受到系统运行条件的限制，倘若系统的运行情况不好， 就会使风电机组在风速波动以及系统扰动的干扰下停止运转。这样在给系统带 来破坏的同时也给风电场造成了不必要的经济损失。同时，系统为了进一步减 小风电场的发电间歇性对系统的影响，便务必要增加旋转备用容量。也因为这 样，容易让系统可靠性以及经济性下降。 当前，风电运营商所面临的困扰就是如何使风电场的运行具有安全性、可 操作性，如何使风电场的维护费用降到最低。而远程控制系统的运用，则使大 规模风电机组群的并网管理得到了完善，使风力发电的科学并网、高效发展得 到了保障。 针对风电行业自身特点和需求，适用于风电行业的基于I E C 6 1 4 0 0 2 5 的风 电场集成监控系统主要运用网络信息技术、遥控技术、视频技术、通信技术等， 完成了对风电场、控制管理中心、升压站等地方的有效控制管理，使监控对象 的安全运行得到了保障，继而达到了使效率提升的目的。 在I E C 6 1 4 0 0 2 5 基础上建立的风电场集成监控系统依靠网络技术将升压站、 风电场以及设备机房统一纳入到了控制管理中心，可科学合理地实现对风电场 设备、环境的控制管理，使工作人员的工作量得到减少，同时又可推进整体系 统的安全、可靠运行，达到对风电场进行监控管理的目的。 1 1 2 选题的意义 随着时代的发展，环境问题以及能源利用问题受到了社会各界的关注。风 能因为具有可再生性以及高环保性的特点而得到了广泛的利用。 在I E C 6 1 4 0 0 2 5 基础之上建立的风电场集成监控系统具有网络通信功能， 对该系统进行分析研究是十分重要的。依靠风电场远程监控管理系统，可使所 控制范围内的风电场都汇集在严格的网络体系里面，成为一个具有安全性、可 操作性的系统，达成对所控制范围内和其他新型能源进行控制管理的目的。由 此可见，风电场集成监控自动化系统的建设和完善，可帮助风电场实现对设备 的监控管理，同时也能使企业的管理水准、工作人员的办事效率得到提升。 ( 1 ) 提高风电场自动化水平 风电场运行方式的发展目标就是实现无人值班，因此就需使风电场的设备 2 基于I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 的风电场集成监控模型设计 运行水平、工作人员专业技能等得到提升。另外，无人值守的实现也是证明风 电场具有优良设备、一流管理技术的标准。而实现无人值守的重要前提就是对 风电场远程监控系统进行完善，而这也可使风电场的风力发电技术得到大力提 升。 ( 2 ) 提高风电场群的经济效益 建立风电场远程监控系统需事先与该地区的气象部门进行交流和联系，依 据气象部门对天气情况的预测结果编制出下一时间段风电场的发电计划，并对 设备及人员进行合理的安排，使风电场的经济效益得到提升。 ( 3 ) 提高风电场群在电网中的竞争优势 在电网里面，风力发电所占的比例日渐增大。因此，就需依靠风电场远程 监控系统测算出每一个风电场的发电情况，继而报告给电网公司，旨在使电网 公司的电力计划制定工作更为方便快捷，让发电公司在激烈的竞争中处于优势 地位。 ( 4 ) 提高公司管理水平 一般来说，风电场多建设在偏僻地区，倘若要对每一个风电场进行全面的 控制管理，势必会投入大量的资金。而风电场远程监控系统可以有效地对人力、 物力进行配置，实现对每个风电场的集中检修管理、后勤管理、运行管理以及 经营管理，使风电场的资源得到最有效的利用，继而获得更多的经济效益。 ( 5 ) 提高抵御风险的能力 对风力发电的一系列特点进行分析可知，当地的气候情况严重影响着风电 的发电状况，恶劣的天气状况会阻碍风电场的高效安全运行，使风电场的设备 遭到损坏。而对风电场的远程监控系统进行建立和完善，可对未来的天气情况 进行预测，倘若遇到了恶劣的天气情况，就可提前做好预防准备，这些措施对 风电场的高效、安全运行是有极大帮助的。 1 2 国内外研究现状 风能作为一种可再生、无污染的绿色能源，具有极大的开采利用前景，在 现如今的所有可再生能源里面占有重要的地位。全球风能总量为2 7 4 1 0 9 M W ， 其中可进行开发利用的约有2 x 1 0 7 M W 。在1 8 9 0 年的时候，丹麦制造出了世界 上第一台风力发电机。近几年，我国的风力发电得到了很大的发展，全国各地 工程硕士学位论文 很多省份都利用风能进行发电。2 0 1 2 年全国风电发展迅速，截止到2 0 1 2 年1 2 月3 1 日，全国累计核准容量为1 0 6 7 0 万千瓦，累计并网容量为6 2 6 6 万千瓦， 全国上网电量1 0 0 8 亿千瓦时。 在许多大规模的风电场里面，怎样科学合理地对风力发电机的运行情况进 行监控管理对风电场的整体安全运行是非常重要的。 近几年来，S C A D A ( S u p e r v i s o r yC o n t r o lA n dD a t aA c q u i s i t i o n ) 系统在水电 以及火电等传统的电力行业得到了有效的运用，而此系统也为大型风电场解决 了许多问题和困难。S C A D A 系统具有科学的信息与数据，技术也相对成熟，可 对系统出现的问题进行快速准确的判断，也能对电力系统里面的数据资料进行 管理，因此受到了广泛的运用。依靠计算机技术，S C A D A 系统通过资料收集、 参数调节、设备管理等措施，对现场的设备运行情况进行控制管理。S C A D A 系 统的合理运用，使电网在运行上更具安全性、科学性以及可操作性。 随着风电在全世界范围的发展，大规模风电场不断接入电网，风电场运行 对电网的影响越来越大，世界各国学者纷纷进行了风电场监控系统的研究。按 照当前国内外的研究形势来看，大部分的研究者选用了数字仿真法，此法可将 风电场在并网以后对系统电能质量造成的影响模拟出来。H WZ a i n i n g e r 运用数 字仿真法，模拟出了风电并网系统，并对该系统可能出现的问题进行了研究， 继而发现了对系统产生影响的一系列因素，其中有：电压水平求、负荷水平、 系统的日运行计划等等。另外，针对中小型网络，M P a p a d o p o u l o s 等人使用数 字仿真法对电力系统进行了研究，进一步分析出了系统里面风电容量与系统负 荷量、网络构造之间的联系。与此同时，从另外一种角度出发，针对于较大的 风电接入孤立系统以及互联系统，J E C h r i s t e n s e n 等人进行了深入研究，研究出 了可能对风电的准入功率水平形成影响的因素，分别是：系统电能的发电方式、 配电方法、输电方法以及运用模式。 许多企业，例如G a m e s a 、华锐、维斯塔斯、金风、G E 等都热衷于S C A D A 系统的开发，这些风电机组供应商都将监控系统配置到了自己公司的风电机组 里面，但不是所有机型都适合这种监控系统。所以，许多公司就开始致力于开 发第三方的S C A D A 系统并取得了可喜的成果，例如：从2 0 0 0 年一直到2 0 0 3 年，丹麦的瑞思国家实验室开发出了C l e v e rF a r m 系统；英国的G a r r a dH a s s a n 公 司开发出了G HS C A D A 系统；S E C O N D W I N D A D M S 系统由美国的赛风公司 4 基于I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 的风电场集成监控模型设计 所研制。而在我国，南瑞电控所也开发出了N S 2 0 0 0 W 系统。 在国内外，优秀风电企业的综合监控系统组网分别有以下几种： ( 1 ) G HS C A D A 系统 依据M O D B U S 工业标准协议，G HS C A D A 现场通讯网络出现了，其能在 一般的网络上运用T C P I P 协议，并在W I N D O W SN T 上运行，其软件系统主 要采用O P C ( O L Ef o rP r o c e s sC o n t r 0 1 ) 、O D B C ( O p e nD a t a b a s eC o n n e c t i v i t y ) 以及网页技术，也就是标准开放接口。依靠远程访问以及用户访问的标准网络 浏览器，全体的远程用户和局域网用户都可对系统进行访问，每一个气象站和 风机的电网端都设置了一个R 1 U ，也就是远程接口单元，依靠R I U 控制储存本 地设备，之后使用光纤将其输到远方监控机器里面。 ( 2 ) 美国赛风公司的S E C O N D W D D 触1 M s 系统 依靠无线、有线、气象站、操作中心以及光纤连接风机等，赛风公司运用 一个名为C T M 的监视器，将此监视器放在风机里面，对相关的数据进行捕捉和 记录。 ( 3 ) 南瑞N S 2 0 0 0 W 风电场监控系统 两层网络组成了南瑞N S 2 0 0 0 W 风电场监控系统，主要包含了间隔层的交 换机数据通信网络以及站控层的计算机网络。间隔层设备具有科学性和稳定性， 达到了网络标准。主网可设置成为双网结构，倘若其中一个出现了问题，另外 一个网就能对全部的信息进行接收，使系统具有高度的可靠性。 对以上几家公司的风电场监控系统组网进行分析可以得出，G HS C A D A 公 司和南瑞N S 2 0 0 0 W 都运用到了O S I ( O p e nS y s t e mI n t e r c o n n e c t ) 通讯模型，赛风 公司运用的是另外一种模型，不具备兼容性。对于前面两家公司的优点，南瑞 进行了很好的吸收和综合。能依靠I n t c m e t 对风机信息进行远程访问，另外还能 依靠R I U 对风机的所有信息进行访问。 在2 0 0 6 年1 2 月的时候，国际电工委员会对I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准进行了规定。 I E C6 1 4 0 0 2 5 标准的作用是使系统和各种各样的制造商设备进行有效的联系和 通信，此标准是建立在I E C 6 1 8 5 0 标准之上的，对风电场的特定信息进行了科学 合理的描述，使S C A D A 系统能便捷地和厂家制造的风力发电机组进行交流、 通信。对于风电场的全部信息以及信息交换体系，I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 标准进行了合理 的定义，并对通讯协议进行了构建。对于信息交换模型，I E C 6 1 4 0 0 2 5 3 进行了 工程硕士学位论文 初步描述，显示了信息交换模型可运用到I E C 6 1 8 5 0 标准对其进行帮助；7 2 部 分指出在应用连接时需要对客户端进行身份认证。I E C 6 1 4 0 0 2 5 4 里面的一部分 是通信规范映射，可对I E C 6 0 8 7 0 5 1 0 4 标准中定义的A P D U ( A p p l i e a t i o nP r o t o c o l D a t a U n i t ) 报文进行运用。风电场监控系统之间进行交流就可运用到此标准，依 靠对风电场信息进行标准化、科学化的处理，可对不同厂家的设备进行统一管 理控制，将采集到的信息加工成I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准的信息。 I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准和I E C 6 18 5 0 在技术上有很多的共同点。中国电力行业将 I E C 6 1 8 5 0 标准选为行业标准，我国的专业检测部门还对I E C 6 1 8 5 0 一致性检测 实验室进行了建设，能支持I E C 6 1 8 5 0 标准的产品也被许多厂家制造出来了，此 标准在许多电力工程里面得到了广泛运用。而I E C 6 1 8 5 0 的有效使用与推广也为 I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准的运用开辟了道路。I E C 6 1 4 0 0 2 5 系列标准很好地解决了不同 厂家生产设备的协议、标记不同而造成通讯困难的问题。以下几种文件组成了 I E C 6 1 4 0 0 2 5 ：风电场监控系统通信标准一原则与模型概述( 匝C 6 1 4 0 0 2 5 1 ) 于2 0 0 6 年发布；风电场监控系统通信标准一信息模型) ) ( I E C 6 1 4 0 0 2 5 2 ) 于2 0 0 6 年发布；风电场监控系统通信标准一通信协议栈映射) ) ( I E C 6 1 4 0 0 2 5 3 ) 于2 0 0 6 年发布；风电场监控系统通信标准一通信协议栈映射) ) ( I E C 6 1 4 0 0 2 5 4 ) 于2 0 0 8 年发布；风电场监控系统通信标准一一致性测试( m C 6 1 4 0 0 2 5 5 ) 于2 0 0 6 年发布。 目前，国内对风电问题的研究仍主要集中在风力发电可靠性、功率预测、 安全并网等方面，对风电场中不同类型风电机组的统一监控与管理则缺乏有效 研究。目前应用在风电场的监控系统及其通讯协议多是由整机制造厂商自行规 定，对各风机运行的情况进行监测和控制只能通过对风机厂家自带的软件来实 现，在风电场与监控系统之间形成了“信息孤岛”，影响整个风电场的协调统一。 为了满足各种类型风机的运行、控制、维护、并网等特殊性的要求，解决“信 息孤岛”问题，从2 0 0 6 年1 2 月起，国际电工委员会( I E C ) 相继公布了由I E CT C 8 8 技术委员会起草制定的I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准。该标准延续了I E C 6 1 8 5 0 标准，为风 电场监控提供了统一的通信基础，定义了风电场的特定信息，便于S C A D A 系统 与多个厂商提供的风力发电机组通信。I E C 6 1 4 0 0 2 5 3 部分定义了信息交换模 型，指出信息交换模型可以采用I E C 6 1 8 5 0 标准中7 2 部分的服务；7 2 部分指 出在应用连接时需要对客户端进行身份认证。I E C 6 1 4 0 0 2 5 4 部分是通信规范 6 基于I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 的风电场集成监控模型设计 映射，指出可以采用I E C 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 4 标准中定义的A P D U 报文。该标准专门面 向风电场的监控系统之间的通信，通过对风电场信息进行抽象化、模型化、标 准化，实现不同厂商设备的互联和集中监控管理，将风电场组件的原始信息处 理成符合I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 标准的信息。 1 3 论文的主要工作和结构安排 1 3 1 论文的主要工作 依靠对I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准的信息交换模型、信息模型以及W e bS e r v i c e s 等 的映射模式的剖析和研究，构建一个风电场集成监控模型。运用W e bS e r v i c e s 技术使风电场不同系统之间完成无缝通信，并为相关数据以及监控命令的安全、 完整传送提供了保障。对服务器端与多个异构风电机组中间的关系进行了分析， 对风电机组标准服务接口的科学通讯体系以及定义原则进行了阐述。 1 3 2 论文的结构安排 第l 章绪论。对课题的研究背景及研究意义进行了阐述。对国内外该课题 的研究现状进行了分析，确立了本文研究的中心与难点。奠定了全文对 I E C 61 4 0 0 2 5 集成监控模型设计进行研究的基础。 第2 章风电场远方监控系统及运行原理。通过介绍制定I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 标准 的目的，对I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 标准及风电场集成监控系统进行了细致的阐述。 第3 章风电场集成监控模型设计。介绍了系统设计的目的及原则，并进一 步对基于I E C61 4 0 0 2 5 的风电场集成监控模型进行设计。 第4 章W e b 服务模型及安全通信模型。对信息交换模型的不同种类进行了 深入的研究，依据I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准，在网络通信基础上产生的W e bS e r v i c e s 可促使各程序之间进行信息交换，并设计出一个可靠的安全通讯管理系统。 第5 章结论与展望。对该论文进行总结，在研究结论的基础之上提出了对 基于I E C6 1 4 0 0 2 5 的风电场集成监控模型进行设计的完善和展望。 工程硕士学位论文 第2 章风电场远程监控系统及运行原理 2 1 风电场远程监控系统 一般来说，风速变化是没有规律的，而风电机组运行的环境又十分恶劣， 常常遭受日晒雨淋，当前风电机组的寿命一般是2 0 年左右，代表机组的安全使 用率需超过9 5 ，而且需在无人值班的情况下运行。由此可见，对风力发电机 组以及变电站设备进行控制管理是必不可少的。依靠监控仪器，可对各个风机 的转速、压力、气温、电能、风速等数据进行观察，还能看到相关的报警信息、 历史与当前的趋势图以及升压站的运行情况。另外，依靠风电场的监控系统， 还能对风电机组的各种运行情况进行管理控制。 为了使风电场能安全、高效、科学地运行，就必须具备一个优良的集中监 控系统。远程监控使风电机组的安全运行得到了保障，各级管理部门通过远程监 控系统，可以清楚、准确地了解风电机组的运行状态和发电状况。监控系统， 即数据采集与监视控制系统，英文名称是：S C A D A ，是S u p e r v i s o r yC o n t r o lA n d D a t a A c q u i s i t i o n 的缩写。S C A D A 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度 自动化系统。它可以对风力发电机的待测参数实现采集、量程变换、调节、计 算、报警、优化、控制等功能，对整个风电场的运行情况进行监控。S C A D A 系 统是风电场里面的一种监控系统，也可称为四遥系统，分别为遥调、遥测、遥 控以及遥信四系统。利用和糅合了控制技术、通信技术、传感技术以及计算机 技术以后，S C A D A 系统才得以建立起来。 风电场的远程监控系统由三层构成，运用了分层分布的结构：第一层为就 地控制层，第二层为中央控制层，第三层为远程控制层。就地控制层主要设置 在风电场现场，对风电场的管理和运行进行科学合理的监控；在区域风电场的 中央控制室就地设置了中央控制层，主要对风电场的运行情况进行管理、监控， 将相关数据提供给远程控制层；而公司的风力发电监控中心就是远程控制层了， 其能对风电场的整体运作情况进行管理，对资源进行合理配置。 监控系统的具体控制流程如下图2 1 所示： 基于I E C 6 1 4 0 0 2 5 的风电场集成监控模型设计 图2 1 监控系统控制流程结构图 ( 1 ) 就地监控部分：主要设置在风力发电机塔筒的控制柜里面，对此台风 力发电机的工作情况和就地控制进行有效的控制管理，并对相关资料、数据进 行收集。就地监控部分由以下几方面构成：数据收集系统、S C A D A 监控软件、 嵌入式P C 监控设备等。 ( 2 ) 中央监控部分：通常设置在风电场控制室内。 ( 3 ) 远程监控部分：通过通信技术以及互联网技术等对风电机进行控制管 理。系统网络拓扑图如下图2 2 所示： 申央黧控中o 图2 2 系统网络拓扑图 工程硕士学位论文 2 1 1 监控系统主要任务 ( 1 ) 建立发电预测及运营系统 对气象部门发布的天气情况进行分析，并参考风机在不同天气情况下的运 行状态，可预测出风电场今后一段时间的发电情况，并在此基础上将数据报给 电力调度系统。然后对控制管理系统进行建立完善，使该系统具有科学可靠的 预测功能以及决策功能，可对相关数据、信息进行全面的管理，并对已有的数 据进行分析、加工处理，旨在为管理工作提供安全而精确的信息，促进管理工 作的高效发展。 ( 2 ) 建立和完善风电场发电调度及控制系统 依照电力调度部门出台的相关发电方案，可制定出风电场的发电计划。另 外，为了促进风电场管理工作的顺利、有效进行，就需积极对各种信息进行分 析，这其中包括升压站设备信息、风机运行信息以及安全事故信息等等。之后， 还需对收集到的各种信息进行深入分析研究，依据相关标准以及风电场的实际 情况对信息进行处理，进而对风电场的设备进行有效的控制和管理，确保风电 场里面所有设备的安全可靠运行。 ( 3 ) 建立远程数据通信系统 主要是帮助风电场监控系统与风电场视频监控系统以及计算机监控系统之 间实现数据资料的交流、传输。 ( 4 ) 设立程控汇接交换机 主要是让此交换机能与总公司的程控交换机以及风电场程控交换机实现中 继，并进入到总公司的程控交换系统里面。 ( 5 ) 整合风电场现有子系统 风电场运行涉及的设备众多，存在多个子系统，各子系统独立运行，增加 了运行维护的难度。风电场监控系统采用先进的控制与通讯技术，将现有的主 控、箱变、升压站、视频监控等系统进行整合，为用户提供功能完备、操作简 便的“单一系统“ ，降低运行维护的难度，提高自动化及管理水平。 风电场远程监控系统主要对分布在不同地区风电场的风力发电机组和场内 变电站的设备运行情况及生产运行数据进行实时采集和监控，使监控中心能够 基于I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 的风电场集成监控模型设计 及时准确地了解各风电场的生产运行状况。通过风电场监控系统还可以对风电 场的风电机组进行远程控制，如远程开机、停机、偏航、复位等。 不同生产厂家的通讯工具是不一样的，进行统一管理十分困难。而随着时 代的发展，计算机技术也得到了巨大的革新和突破，面向风电场监控系统通信 的I E C 6 1 4 0 0 2 5 的标准也就随之产生了，每一个厂家在对监控系统进行制造的 时候都严格按照了I E C 614 0 0 - 2 5 标准，厂家使产品对该标准进行执行，继而对 信息进行传输。由此可见，虽然在这个过程中会遇到很多困难，但经过努力和 创新，风电监控系统将会变得越来越好，为各国的风电行业添入活力和生机。 2 2I E C 6 1 4 0 0 - 2 5 标准 I E C 6 1 4 0 0 2 5 系列标准是I E CT C 8 8 技术委员会联合T C 5 7 ，以I E C 6 1 8 5 0 标 准为基础制定的专门面向风电场监控系统通信的标准，可在服务器或客户端模 式下的通讯环境中运行，为风电场监控系统创造出一个具有安全性的网络通信 标准，让不同厂家生产的设备之间互相通信成为可能。正C 6 1 4 0 0 2 5 系列标准的 根本目的是为风电场监控系统提供一个网络通信标准，结束现在的混乱局面， 实现不同厂家设备相互操作。采用统一的风电场监控系统标准，可使分工进一 步优化，不同厂商专注做最擅长的部分，监控系统与风机可由不同厂家提供。 可使业主对设备有更多选择空间，而不必担心系统集成问题。 有了I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准，风电场监控系统也就有了一个科学合理的通信基 础。依靠服务器通信模式以及客户端通信模式，I E C 6 1 4 0 0 2 5 从风电场信息交换 模型、通信协议映射等方面对风电场监控系统进行了明确的阐述。 I E C6 1 4 0 0 2 5 标准无法对风电场机组内部通信进行管理。在服务器模式以 及客户端模式的通信环境里面正C 6 1 4 0 0 2 5 标准才可得到运用。I E C 6 1 4 0 0 2 5 基于客户端朋艮务器( C s ) 模