基于OPC技术的风电场监控系统研究-电气工程硕士论文

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 基于OPC技术的风电场监控系统研究 姓名：牛硕丰 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：任惠；程颖 201203 华北电力大学硕= l j 学位论文 摘要 在全球能源危机的情况下，世界各国都在丌发利用新能源，水能、风能、太阳能、 潮汐能、地热能、核能等可再生能源已经列入各个国家的国民发展规划。其中风力发 电具有能源节约型，环境友好型，技术相对成熟等优点，在全世界得到大范围推广。 随着风电行业的大力发展，大型机组，多种机型越来越普遍。为了对风电场进行统一 管理，需要使用风电机组监控系统，但是由于风机监控系统通讯协议都是由整机厂家 自行规定，因此在风电通信中产生了“信息孤岛”问题。我国的风电市场存在冒进的 趋势，一味的追求效益，整个市场的基础不牢靠，近来对于风力发电的负面消息层出 不穷，风机倒塌，运行维护人员伤亡。为此国家出台政策加大对风机的运营管理。未 能及时获得风机运行数据，并采取合理措施是风机事故频频发生的一个重要因素。 本文针对“信息孤岛问题，对I E C6 1 4 0 0 2 5 标准的信息模型和W 曲S e r V i c e s 、 O P CX M L D A 、M M S 、I E C6 0 8 7 0 5 1 0 4 、D N P 3 等5 种映射方式进行简要介绍和对比， 给出不同条件下合理选择风电通信映射方式的一种方法。为了能获得实时风机运行数 据信息，采用C 舟编程环境开发O P C 客户应用程序，在此基础上进一步开发符合I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准的风电场监控系统，并使用S Q LS e r v e r2 0 0 0 数据库建立风电场数据库， 对风电场各风机进行实时数据的采集和历史数据的处理。实现对风机运行状态的合理 监控。 关键词：风电场；I E C6 1 4 0 0 2 5 ；映射；0 P C 技术；数据库 f 仁北I 乜力人学坝I ：学位论文 A b s t r a c t I nt h ec a s eo ft h eg l o b a le n e r g yc r i s i s ，t h ed e V e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fn e w e n e r g y ，h y d r o p o w e r ，w i n d ，s o l a r ，t i d a le n e r g y ，g e o t h e r m a le n e r g y ，n u c l e a re n e r g y a n do t h e rr e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e sh a sb e e ni n c l u d e di nn a t i o n a ld e V e l o p m e n t p l a n s a l lo V e rt h ew o r l d T h ew i n d p o w e rt e c h n o l o g y h a s a d V a n t a g e so f e n e r g y - s a V i n g ，e n V i r o n m e n t f r i e n d l y ，r e l a t i V e l ym a t u r e ，e t c ，a n dt h i st e c h n o l o g y h a s g o tl a r g e s c a l ep r o m o t i o ni n t h ew o r l d W i t ht h ew i n dp o w e ri n d u s t r y s d e V e l o p i n g ，l a r g eu n i t s ，V a r i e t i e so fm o d e l sa r ei n c r e a s i n g l yc o m m o n I no r d e rt o c a H yo u tu n i 6 e dm a n a g e m e n to fw i n df a 姗s ， w i n dt u r b i n e sn e e dt ou s et h e m o n i t o r i n gs y s t e m ， b u td u et ow i n dt u r b i n e c o n t r o l s y s t e m c o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 sa r es e l f - i m p o s e db yt h em a c h i n em a n u f a c t u r e r s ，s ot h e r ei s ”i n f o r m a t i o n i s o l a t e di s l a n d ”p r o b l e mi nt h ec o m m u n i c a t i o no fw i n dp o w e r A b o u tC h i n a sw i n d p o w e rm a r k e t ，t h e r ea r es o m ep r o b l e m s t h et r e n do fa g g r e s s i V e ，b l i n dp u r s u i to f e f f i c i e n c y ，t h ef o u n d a t i o ni sn o ts o l i dt h r o u g h o u tt h em a r k e t ，a n dt h er e c e n tn e g a t i V e n e w sf o r t h e e m e r g i n g w i n d p o w e r ， w i n dt u r b i n ec o l l a p s e d ， o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c ep e r s o n n e lc a s u a l t i e s T bt h i se n dt h es t a t eh a sa d o p t e dp o l i c i e st o i n c r e a s et h ew i n dt u r b i n e so p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t F a i l e dt og e tt h ew i n d t u r b i n e sr u n n i n gd a t a ，a n dt a k i n gr e a s o n a b l em e a s u r e sa r et h ei m p o n a n tf - a c t o r f r e q u e n to c c u r r e n c eo f a c c i d e n t s I nt h i sp a p e r ，ab r i e fi n t r o d u c t i o na n dc o m p a r i s o no nt h e ”i n f o r m a t i o ni s o l a t e d i s l a n d p r o b l e m ，t h eI E C6 14 0 0 2 5s t a n d a r di n f o r m a t i o nm o d e la n dW e bS e r V i c e s ， O P CX M L D A ，M M S ，I E C6 0 87 0 5 10 4 ，D N P 3a n do t h e r 行V ek i n d so fm a p p i n gi s g i v e n ，a n dp r o p o s ea r e a s o n a b l ec h o i c eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fw i n dp o w e ra sa w a yt oc o m m u n i c a t em a p p i n g I no r d e rt or e c e i V er e a l t i m eo p e r a t i o nd a t ao fw i n d t u r b i n e ，u s i n gt h eC 拌p r o g r a m m i n ge n V i r o n m e n tt od e V e l o p0 P C c l i e n ta p p l i c a t i o n s O nt h i sb a s i s ，d e v e l o p i n gw i n df a r mm o n i t o r i n gs y s t e m s 如r t h e ra c c o r d i n gt oI E C 614 0 0 。2 5s t a n d a r d ，a n du s i n gS Q LS e r v e r2 0 0 0d a t a b a s et oe s t L b l i s hw i n df a r r I l d a t a b a s e ，i no r d e rt oa c q u i r et h er e a l t i m ed a t ao fw i n dt u r b i n ea n dp r o c e s st h e h i s t o r i c a ld a t a A c c o r d i n gt ot h ed a t a ，i m p l e m e n tar e a s o n a b l ec o n t r o lo nt h ew i n d 华北电力大学f 硬小学位论文 t u r b i n er u n n i n gs t a t e K e y w o r d s ：w i n dp o w e rp l a n t s ： I E C6l4 0 0 25 ：n l a p p i n g ；O P Ct e c h n o l o g y ； d a t a b a s e I I I 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 能源是一个国家发展的重要经济命脉，同时也是人类生产和生活的重要物质基 础。伴随着社会现代化的发展，人类对能源的需求大幅度增加，地球上的常规能源 日益匮乏，引发一系列的能源危机、环境危机和经济危机。新能源的兴起改变了以 往能源分布的格局，带来了新的经济增长点，并具有资源节约型和环境友好型的优 势，在能源危机和经济危机的现状下，开发使用新能源已经列入世界各国的国民规 划。在水能、风能、太阳能、潮汐能、地热能、核能等可再生能源中，目前最适合 大规模开发利用的可再生能源是风能，风力发电不产生任何有害废物，不涉及移民 问题，不仅能够减少温室气体排放、保护生态环境安全，也是改善电力能源结构、 实现社会能源经济可持续发展的必由之路。 1 9 世纪木，丹麦研制出第一台风力发电机组，2 0 世纪中期在美国第一次实现将 风力发电机组作为常规电站并入电网，法国、前苏联和丹麦相继研制过百k W 级的 机组。2 0 世纪7 0 年代世界发生石油危机，为了有效的解决这次危机，以美国、西欧 为代表的发达国家在研制现代风力发电机组的进程中加大投入科研经费和人员力 量，开创了风能利用的新篇章。2 0 世纪9 0 年代中期，丹麦成功的在海上建立了两个 示范风电场，海上风电场的成功加速了人类大规模利用风能的步伐。发达国家的风 电技术一直引领整个市场的前沿。近几年，能源危机和环保问题提升到世界各国的 议程，随之推动了风电行业突飞猛进的发展。在过去的1 0 年间全球风电市场高速发 展，新增装机容量和总装机容量的年均增长率都在2 8 以上。据全球风能协会 ( G W E C ) 公布的数据，2 0 0 8 年全球新增风电装机容量约2 7 G W ，总装机容量达 1 2 1 G W ，总投资达4 7 5 亿美元，2 0 0 9 年全球风电总装机容量累计已达1 2 1 1 9 G w 。相 比2 0 0 9 年以及前1 0 年间的高增长，2 0 1 0 年和2 0 1 1 年全球风电发展速度缓慢，甚至出 现萧条状况，全球风电产业举步维艰，但是在世界各国政策的重视和有效监管下， 风电行业的发展逐渐转向大规模发展的正轨。另据世界能源委员会预测，2 0 2 0 年全 球的风电总装机容量将达到4 7 4 G W 【1 ，2 J 。 我国是最早利用风能的国家，但是风力发电进行产业化起步较晚，风力发电技 术开发起源于2 0 世纪7 0 年代。经过潜心研究、国外引进、技术交流、单机研制、重 点攻关、样机运营、市场推广等几个重要发展阶段，现在已经形成了科研水平世界 先进化、设备制造国产化、监管智能化，取得了明显的经济效益和社会效益。风力 发电机组作为微电源的使用，在解决边远地区无常规电网覆盖区域用电方面，无论 1 互北I U 力人学帧I j 学位论文 是在生产能力、产电量还是在安全可靠性上都走在世界前列。2 0 1 0 年，中国新增装 机容量1 6 5 0 万千瓦，新增装机容量全球第一，占全球新增装机容量的4 6 1 ，新增 装机容量是居于全球第二美国新增容量的3 2 2 倍。截至2 0 1 0 年底，中国的风电累计 装机容量达到4 4 7 G W ，首次居世界首位。随着国内风电投资的快速增长，中国已 成为全球最大的风电设备制造国【l ，3 J 。 1 2 课题的背景和意义 风力发电是利用风能来发电，风力发电机组捕获风能转换成机械能再经过传动 机构最终推动发电机发电，实现风能到电能的转化。大型风力发电机组一般应用于 宽阔边远地域，如近海和戈壁滩、草原，且数量多，远离监控中心。考虑到风力发 电机组之间的相互影响：塔影效应、湍流影响等，为充分利用风能，风场之间的风 力发电机组往往相隔一定距离，因而整个风场的占地面积较广。受恶劣运行工况的 影响、风电机组自身设备的影响以及目前技术水平的限制等，风力发电设备容易损 坏，进而影响生产。因此在保证风力发电机组可靠性的同时，风电场也需要有可靠 的功率预测、完善的集r J 和I 远程监控系统。解决上述问题的途径可以通过建立风电 场监控与数据采集系统( 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 ，S C A D A ) 幽J 。 S C A D A 系统广泛应用于电力系统、石油、化工等智能化监控领域。S C A D A 系 统是以计算机为基础对现场设备进行生产控制与自动化调度，实现现场实时数据采 集、设备运行控制、运行参数调节以及错误信号报警等功能，具有技术成熟、信息 完整性好、数据准确性高、系统可视化、F 确掌握系统运行状态、系统故障快速诊 断、加快决策、丌发效率高等优势，在提高系统运行可靠性、安全性，实现生产、 管理智能化、自动化，提高效率方面有着举足轻重的作用。现有风电场S C A D A 系 统主要由就地监控、中央监控和远程监控组成。就地监控一般安装在风力发电机组 塔架底部控制柜中，对风力发电机组的运行状态进行分析控制，例如根据测风仪器 获得风数据，进行变桨操作等。中央监控一般安装在风电场集中监控中心，一般都 具有友好的监控界面，工作人员可以方便快捷的了解风电场中各台风力发电机组的 运行状态，并采集相关运行数据，根据实际情况对机组发出相关指令。远程监控一 般由风电运营公司进行管理，根据需要安装在不同地点，通过调制解调器、电流环 或者网络设备等通讯方式访问中控室主机对风力发电机组进行监控【4 制。 我国风力发电投入商业化运行时间不长，风电机组制造厂家比较分散，近几年 的风电行业起色比较明显，自主研发、自主生产已经达到技术要求，但是一些部件 仍需从国外引进，加之先前起步阶段大多是从欧洲、美国等国外引进，由于每个生 产厂家都有自己的一套控制系统，各风力机组的监控只能通过风机生产厂家自配的 监控软件，这就造成国内的风电行业中存在着各种机型，风电通信协议存在差异， 华北 乜力大学硕J ：学位论文 因而在风电通信中存在“信息孤岛”问题，这将影响整个风电场的协调统一，对风 电场的运行维护带来极大的不便，同时也使电网公司总部实现对各风电场风电机组 的远程监控增加难度”7 J 。 基于W i n d o w s 操作平台的0 P C ( 0 L Ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，是用于过程控制的对 象连接与嵌入技术，该规范是在微软公司的倡导下，由O P C 基金会建立的硬件和 软件接口标准。用于过程控制和制造业的自动化领域，实现工业控制过程中不同现 场设备层到生产管理层的数据交换，具有即插即用的优势，在工业生产控制现场中 方便的实现了实时数据采集和实时监控。0 P C 规范接口函数，这些接口函数构架了 硬件制造商与软件开发商之间的桥梁，通过硬件厂商提供的O P CS e r v e r 接口，保证 了数据的透明性，软件开发者也无需对底层通讯协议进行解析，摆脱了硬件协议不 同引起的“信息孤岛”问题。0 P C 技术采用客户服务器的通信模式，通常把符合 O P C 规范的设备驱动程序称为0 P C 服务器，O P C 服务器可以是P L C ，D C S 等控制 设备，符合0 P C 规范的应用软件统称为0 P C 客户。0 P C 规范基于0 L E C O M 技术， 同时该技术的扩展远程O L E 自动化与D C O M 技术支持T C P I P 等多种网络协议， 因此可以将O P C 服务器、客户从物理层上分开。O P C 服务器和客户应用程序可以 在同一台本地服务器上，也可以分布在不同的远程服务器上，解决了硬件依赖性， 实现了远程操作，便于客户应用程序的开发以及对服务器进行远程数据的采集【黔1 0J 。 1 3 本文研究的主要目的和方向 1 3 1 课题研究的主要目的 ( 1 ) 比较I E C6 1 4 0 0 2 5 标准的5 种通信映射方式，给出合理选择通信映射方 式的方法。 ( 2 ) 不同类型的风力发电机组可以在同一软件平台进行监控。 ( 3 ) 统一存储风电场各风力发电机组的信息数据，便于实时分析和历史统计。 1 3 2 课题研究的主要内容 ( 1 ) 研究分析风力发电行业国际标准I E C6 1 4 0 0 2 5 ，分析标准中的信息模型 和信息交换模型，以及5 种映射方式，给出合理选择通信映射方式的方法。 ( 2 ) 研究分析O P C 技术规范，开发O P C 客户应用程序，从硬件设备获得实时 数据，并搭建风电场实时监控软件平台。 ( 3 ) 搭建风力发电机组数据存储模型，实时获得数据，并进行历史数据处理。 华北电力人学硕l j 学位论文 1 3 - 3 课题研究的主要步骤 ( 1 ) 了解风电场网络拓扑结构 通过对有关资料的查阅，以及对相关风电行业人士的咨询，了解了风电场网络 拓扑结构，以及各个设备的功能。 ( 2 ) 明晰风电场监控系统的功能要求 风力发电机组各个部件的实时信息监控，如：叶片、机舱、塔架等。 绘制有关参数的实时曲线图，如：叶片载荷数据、风速、发出功率等。 生成日报表、月报表、年报表。 发生异常情况时，记录有关参数，如：异常风机编号、异常时间、异常参 数等。 支持远程控制功能，根据风力发电机组运行工况，及时对风力发电机组发 出变桨命令，最有效的捕获风能，也保征对风力发电机组的影响降至最小。 支持远程登录功能，实现与远程监控P C 机的连接，为了确保通信安全需要 有网络防火墙等其他的安全措施。 支持系统管理员对不同用户操作权限的确认。 支持数据库功能，能够与数据库进行连接。实时记录监控参数，具有实时 数据存储，历史数据查询、删除等。 支持数据库备份和恢复功能。 支持远程查看风力发电机运行状态，整体查看风电场运行状态，对各单机 进行通信管理。 ( 3 ) 进行0 P C 数据采集和接口规范解析，开发0 P C 客户应用程序。 新型微机智能监控系统的研制中，各台计算机、硬件设备以及各个模块都应当 按照O P C 规范进行设计制造。这样做有以下好处J ： O P c 规范以O L E D C O M 为技术基础，支持T C P I P 等网络协议，网络通讯 支持客户端服务器模式和浏览器朋艮务器模式，因而各个子系统可以自由的根据需 要分布于网络中的不同节点，摆脱物理层的限制。 O P C 按照面向对象的原则，将应用程序作为对象进行封装，只将接口方法 明晰的暴露在外面，客户只需根据需要就可以进行统一访问，实现了软件对客户的 完全透明性，用户无需再对底层协议进行解析。 O P C 实现了远程调用，使得应用程序的分布与系统硬件的分布无关，便于 系统硬件配置以及使得系统的应用范围更广。 采用0 P C 规范，便于系统的组态化，大大简化系统的复杂性，大大缩短系 统的开发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，便于系统的升级与维护。 4 华北I 【l 力大学硕 j 学位论文 0 P C 规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，只要支持O P c 服务， 客户都可以以统的方式去访问，从而实现系统的开放性，易于实现与其它系统的 集成开发。 ( 4 ) 建立风电场信息数据库，存储风电场数据信息。 二十世纪七十年代，自从世界上第一个商用关系型数据库管理系统问世，数据 库技术飞速发展，关系型数据库占领整个数据库的使用市场。目前常用的数据库开 发系统工具主要有s u a lF o x P r o 、A c c e s s 、S y b a s eS Q LS e r V e r 、M i c r o s o RS Q L S e e r 、 1 e r a d a t a 、D B 2 与O r a c l e 。 V i s u a lF o x P r o 是M i c r o s o R 公司开发的小型桌面关系型数据库产品，兼具前台 开发和后台数据库设计功能，对于百万条数据级别的数据统计非常快，但是数据库 功能不完善、数据存储量有限。A c c e s s 也是M i c m s o R 公司开发的小型桌面关系型 数据库产品，易学易用且界面友好，适用于2 0 万条数据级别，但是随着数据存储 量的增加，数据查询统计会变慢，此外在使用性能和安全性上也略显一般。S y b a s e S Q LS e r v e r 是S y b a s e 公司的企业级数据库产品，可以运行在各个主流的操作系统平 台上，率先实现了客户机朋艮务器架构，支持远程数据管理功能。M i c r o s o RS Q L S e r v e r 是微软公司丌发的大型关系型数据库系统，具有功能比较全面，效率高，使用全图 形界面，易操作、可用性好的特点，是中小型企业单位首选的数据库平台。该数据 库系统与W i n d o w s 操作系统紧密集成，支持客户机服务器架构和浏览器服务器架 构，对于W i n d o w s 平台上开发的各种企业级信息管理系统来说，M i c r o s o RS Q L S e r v e r 显示了较强的优势。T e r a d a t a 是T e r a d a t a 公司开发的产品，是一种功能强大 的数据仓库管理系统，处理海量数据，主要应用在电信、航空、物流、电子商务、 银行和证券等领域。D B 2 是I B M 公司的企业级关系型数据库产品，D B 2 具有较好 的可伸缩性，支持各种机型各种主流操作平台，采用了数据分级技术，这就保证了 大型数据很方便地下载到L A N 数据库服务器，客户端和基于L A N 的应用程序也可 以访问大型机数据，实现了数据库本地化及远程连接透明化。D B 2 的查询优化器也 很出色，其外部连接改善了查询性能，并支持多任务并行查询，对大型分布式应用 系统尤为适用。0 r a c l e 是甲骨文公司的企业级关系型数据库产品，可在所有主流平 台上运行，O r a c l e 与M i c r o s o RS Q LS e e r 一样都采用了多线程机制，能够一次处理 多个用户的并行访问请求，但在用户修改数据的情况下，O r a c l e 的并行访问机制要 优于后者，提供更好的数据一致性，此外O r a c l e 在安全性、稳定性、X M LD B 、数 据备份等方面都有极大的优势。 O r a c l e 在软件价格、人员培训以及其他组件购买的费用上都远远超过M i c r o s o R S Q LS e n ，e r ，并且M i c r o s o RS Q LS e r V e r 为用户提供了更好的服务和技术支持，因此 对于中小型企业来说，拥有高性价比、完善技术支持的M i c r o s o RS Q LS e r v e r 是一 华北l U 力人学硕I j 学位论文 个非常理想的选择。本文考虑到性价比、技术支持等因素采用M i c r o s o RS Q LS e n ，e r 数据库系统。 1 4 本文主要内容 本文共分6 章： 第1 章介绍了课题的背景和本文研究的主要目的和方向； 第2 章分析研究I E C6 1 4 0 0 2 5 标准，对标准中定义的信息模型和w 曲 S e r V i c e s 、O P CX M L D A 、M M S 、I E C6 0 8 7 0 5 1 0 4 、D N P 3 等5 种映射方式进行对 比介绍，给出了一种选择风电场监控通讯方式的方法； 第3 章研究0 P C 接口规范，对各接口函数进行深入研究，使用C 捍语言开发 0 P C 客户应用程序，搜索注册的服务器对象，并为其添加组对象，为组对象添加项 对象标签，项对象标签作为获得实时数据的接口，为开发的O P C 客户应用程序进 行实时数据采集验证； 第4 章分析了规划建设风电场的原则，简要介绍风力发电机组，对风电场 t 卜央监控系统和远程监控系统进行简要介绍； 第5 章分析O P C 技术在风电场监控中的应用，根据I E C6 1 4 0 0 2 5 标准并使 用S O LS e v e r2 0 0 0 为风电场搭建数据库系统，该数据库系统具有实时数据存储、历 史数据查询、数掘备份和历史数据分析等功能，利用丌发的0 P C 客户应用程序丌 发风电场监控软件，基本实现风电场监控软件的所有功能，对M a t l a b2 0 1 1 a 中的风 机模型进行仿真监控操作，并将获得的实时数据存放到开发的风电场数据库中； 第6 章总结整个课题的研究工作以及论文工作的主要内容，对今后的监控 系统升级、发展前景和风电行业进行展望。 6 乍北I U 力人学顺l ：学位论义 第2 章I E C6 1 4 0 0 一2 5 标准信息模型和通信映射方式 2 1 引言 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风机厂家自配的软件来实现，这样就在 风电场与监控系统之间形成了“信息孤岛”，这将影响整个风电场的协调统一。因 此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( 1 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 C6 1 4 0 0 2 5 标准。该标准是延续I E C6 1 8 5 0 标准，并根据风 电领域的特殊性要求，整合出的适合风电的一个国际标准。该标准专门面向风电场 的监控系统之问的通信，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，旨在为全球风电领域提供统一的国际通信标准 以便实现不同系统之问的互联，达到系统统+ 。 通信是将风电场组件的原始信息处理成符合I E C6 1 4 0 0 2 5 标准的信息。映射是 将风电场的服务和信息模型的信息经过信息处理得到符合特定协议栈的通信过程。 2 2 风电场监控通信要求和通信模型1 2 。1 9 】 I E C6 1 4 0 0 2 5 标准包含以下几个部分： ( 1 ) I E C6 1 4 0 0 2 5 1 ：风电场监控通信原理和模型概述一一概括性描述I E C 6 1 4 0 0 2 5 标准的原则和技术路线。 ( 2 ) I E C6 1 4 0 0 2 5 2 ：风电场监控通信信息模型风电场信息模型的建模方 法、逻辑节点和通用数据类。 ( 3 ) I E C6 1 4 0 0 2 5 3 ：风电场监控通信信息交换模型风电场信息交换的操 作和管理模型以及对抽象通信服务接口模型的描述。 ( 4 ) I E C6 1 4 0 0 2 5 4 ：风电场监控通信协议映射抽象通信服务接口到具体 协议栈映射的描述和具体方法。 ( 5 ) I E C6 1 4 0 0 2 5 5 ：风电场监控通信一致性测试通信一致性测试的技术 路线和原则。 ( 6 ) I E C6 1 4 0 0 2 5 6 ：风电场监控通信用于环境监测的逻辑节点类和数据类一 一测试数据范围、测试要求、测试方法。 I E C6 1 4 0 0 2 5 标准基于客户机服务器( C S ) 模式。如图2 1 所示，信息模型和信 华北I U 力人学硕l j 学位论文 息交换模型组成客户机和服务器之问的接口规范。信息模型为暴露的J x L 电场数据提 供信息框架，服务器使用信息模型为相关的客户机提供一个统一的面向组件可视的 风电场数据。依掘各类制造商提供的可选数据的范围，服务器提供的大量的信息内 容可能会有所变化。客户机通过与服务器进行交换数据，对风电场进行相关监控。 i ：雾i ：最缝： 臣鸱 J 6 】扎I N 之仆 图2 一l I E C6 1 4 0 0 一2 5 标准的概念通信模刑 2 2 1 风电场监控通信要求 风F 包场t I 应用I E C6 1 4 0 0 一2 5 标准的组件主要有：风力机( 风轮、传动机构、发 电机、变流器、机舱、偏航系统、塔架、报警系统等) 、气象系统、风电场管理系 统、电力系统。风电场一般被多个外部监控系统进行监控，如就地和远程S C A D A 系统、就地实时嵌入式控制系统、电力调度中心等。任何风电场组件都需要配备智 能电子设备( I E D ) 才能与其他组件和监控系统进行通信。在风电场监控通信中有5 种不同类型的信息：过程信息、统计信息、历史信息、控制信息和描述信息。通过 这些信息，包括实时数据、历史数据以及信息的准确性，可以方便的知道整个系统 的运行情况，并依此对风电场运行情况进行评估。 风电场外部监控系统具有配置、执行和监视其与风电场的信息交换的功能。这 种功能具体分为2 大类：操作功能、管理功能，从而实现监控系统运行状态、控制 风电场操作、管理系统运行数据、管理用户访问、监视系统同步运行等不同功能。 2 2 2 风电场通信模型 风电场通信的交换机制建立在风电场信息模型标准化的基础上。信息模型以及 建模方法是I E C6 1 4 0 0 2 5 标准的核心内容。 I E C6 1 4 0 0 2 5 标准利用对象模型的概念来表示通信中风电场系统和各部分组 件。实际风电场中的所有组件都被定义成具有模拟量、二进制状态、指令和设定点 数据的抽象对象，对象和数据又映射成实际组件的通用逻辑表示，构成风电场的信 息模型。如图2 1 所示，通信模型被嵌入在客户机与服务器组成的虚拟的通信环境 华北I 乜力人学坝l ：学位论文 中，并通过公用通信通道进行通信。信息模型为发生在客户机与服务器之间的监控 体系内的信息交换提供需求信息，为风电场自动化系统提供设备组件的信息模型镜 像。 服务器作为信息和服务的提供者，可以向多个客户机提供通信需要的信息内容 和功能。客户机作为信息和功能的使用者，每个客户机都可以独立于其它的客户机 与服务器通信，并拥有特定的权限使用和管理服务器。每一个物理设备都可以是服 务器，也可以是客户机，或者两者兼具。抽象通信服务接口( A C S I ) 是用于实现外部 系统和各种实际组件进行信息交换的基本服务集。将一个带有A C S I 的物理设备看 成一个服务器，它拥有一个通信网络地址，通过网络与外部客户机进行通信。 如图2 2 所示，I E C6 1 4 0 0 2 5 标准将风电场信息模型进行层次化，把风电场某一 特定的风力发电机设定为逻辑设备，并按其功能分成各种进行信息交换的最小实 体，也就是逻辑节点。逻辑节点由一组相关的数据即数据类( D C ) 组成，一个逻辑设 备应该包含属于该风机的所有逻辑节点的集合。 计* 削谢是鹏“ 图2 2 风电场信息模型结构 I E C6 1 4 0 0 2 5 标准定义的风电场信息交换模型主要是将实例化的各种信息模型 中的信息类进行交换，这些类包含逻辑节点、数据、数据属性、控制模块等。信息 交换模型( I E M ) 定义了一种服务器，它不仅包含信息模型实例，同时还包含访问信 息模型实例所需要的相应的服务功能。 2 3 风电场监控通信协议映射 含风电场的发输电系统规划，是在常规发输电系统规划模型和方法的基础上， 再考虑风电的特性来进行的。由于风电的随机波动性和反调峰等特性，增加了对含 风电场系统规划的难度，合理的规划对能源结构的调整和风电资源的充分利用有一 定的指导意义。 特殊通信服务映射( S C S M ) 定义了通信服务和模型( 服务器、逻辑设备逻辑节点、 数据、数据集、报告控制、日志控制、设置等) 如何映射到特定通信协议栈。映射 华北I l ：! l 力_ 人学7 0 j 1 ：学位论文 方式和应用层为网络上的信息交换规范编码句法。如图2 3 所示，S C S M 将抽象通 信服务、对象和参数映射到特定的应用层。依赖通信网络技术，这些映射方式可能 含有不同的复杂度，一些A C S I 服务可能不支持所有的映射方式。客户机与服务器 之问的信息交换要求双方具有统一的映射协议。为了实现信息交换服务，I E C 6 1 4 0 0 2 5 支持5 种映射方式【1 5 J ： ( 1 ) 风电场信息交换模型映射到一系列的W 曲S e r V i c e s ； ( 2 ) 风电场信息交换模型映射到0 P CX M L D A 协议栈； ( 3 ) 风电场信息交换模型映射到I E C6 18 5 0 8 1 ( M M S ) 协议栈； ( 4 ) 风电场信息交换模型映射到I E C6 0 8 7 0 5 10 4 协议栈； ( 5 ) 风电场信息交换模型映射到D N P 3 协议栈； 图2 3A C S I 映射到通信忉、议栈 存进行信息交换时至少要选择其中一种映射方式。每种映射方式和服务器以及 客户机都有规定的接口规范。 表2 1 中表述了I E C6 1 4 0 0 一2 5 3 规定的信息交换服务概况，并能直观的理解每 个映射方法所支持的相关服务。M 0 列标明相关服务在各种映射方式下的强制性或 者可选性。”Y ”表示该映射方式支持相关的服务功能，”N ”为不支持，”P I I 为部分支 持。可以看出只有W r e bS e i c e s 和M M S 两种映射方式支持标准规定的所有的服务 功能，其他的映射方式虽然不支持全部服务，但是它们都有相关的服务实现这些服 务的所要达到的目的。 2 3 1W e bS e r v i c e s 基于网络的W 曲S e r V i c e s 【1 5 1 的使用是实现跨平台构架的应用程序之间的信息交 互和相互协作，并实现计算机系统使用W 曲应用提供的相关服务。W 曲S e r v i c e s 体 系包括以下几个方面：扩展标记语言( X M L ) ，简单对象访问协议( S O A P ) ，W 曲服务 描述语言( W S D L ) ，统一描述、发现和集成协议( U D D I ) 。W e bS e n r i c e s 使用 S O A P X M L ，进行C S 模式下的风电场信息交换。 f 仁北I U 力人学硕I ：学位论义 表2 一l l E c6 1 4 0 0 2 5 3 映射服务 蘑 W e bS e r v i c e s 主要使用H T T P 和S O A P 协议在W 曲上调用远程对象的相关数掘。 W 曲S e r V i c e s 映射结构 b 三部分组成：信息模型的映射、数据类的映射、信息交换 服务的映射。W 曲S e r v i c e s 通过将数据对象构造成S O A P 信息实现客户机和服务器 之问的通信。 当使用W 曲S e r v i c e s 映射时，风电场信息数据都被封装到I E C6 1 4 0 0 2 5 2 制定 的模型中，服务器端通过执行服务器、关联、逻辑设备、逻辑节点、数据、数据集、 报告、缓冲报告控制块、费缓冲报告控制块、同志、控制的相关服务，获得具有层 次结构的风电场信息模型。客户机通过配置相关文件或者自描述服务，执行风电场 信息模型。客户机站通过相关服务访问风电场层次结构的信息模型，并进行信息交 换。 图2 4 所示的映射结构中，W e bS e r V i c e s 在应用层使用W 曲S e r V i c e s 服务、S O A P 规范、H T T P 协议以及S S L T L S 协议；传输层使用T C P 协议；网络层使用I C M P 协议和A R P 协议。 2 3 2O P CX M L D A O P C ( 0 L E f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是基于W i n d o w s 操作平台，用于过程控制的对象 连接与嵌入技术，实现工业控制过程中不同现场设备层到生产管理层的数据交换， 具有即插即用的优势，方便了工业生产控制中数据采集和对现场实时监控。传统的 O P C 现场总线监控系统中，采用的是C S 模式，难以满足系统扩展性和数据操作等 方面的需求。在传统0 P C 技术基础下，出现了在W r e bS e r V i c e s 框架下，以W 曲服 基鞋 华北I U 力人学顾I j 学位论文 务层为数据传输中问层的w 曲浏览器w 曲服务器数据库服务器( B S ) 模式。 戮滋 夕麟黼湖萝 懑燃1r 鬻露蕊蒸蘩黧两燃鬻渊粼麟 同络 疑他) J 托 物删没笛 图2 4 映射方式的结构 基于B S 模式的0 P CX M L D A 技术1 1 5 2 0 2 2 J ，W 曲服务层沟通了0 P CX M L D A 客户机和服务器，并有接口规范。0 P CX M L D A 服务器以X M L 格式存储获得的设 备实时数据，客户机可以是就地、远程或者国家的控制中心，通过I n t e m e t 浏览器 与服务器进行通信，根据具体的接r 规范执行相关请求和获得有关数据。O P C X M L D A 技术兼有传统O P C 技术的优势，并利用W e bS e r v i c e s 服务，实现了过程 信息的交流，在对现场设备实时监控以及系统的可扩展性方面具有明显的优势。 O P CX M L D A 映射结构由两部分组成：信息模型的映射、信息交换模型的映 射。在使用0 P CX M L D A 映射时，服务器通过执行关联、服务、逻辑设备、逻辑 节点、数据、数据集、报告、控制的相关服务，获得具有层次结构的风电场信息模 型。客户通过O P CX M L D A 映射提供的信息交换服务，请求访问风电场层次结构 的信息模型。0 P CX M L D AW 曲服务器执行服务器的相关功能。根据0 P CX M L D A 规范，每个运行在W 曲服务器内部的W 曲服务都是一个O P CX M L D A W 曲服务， 并且每个W 曲服务器都被分配了一个通信地址，通过通信访问站点就可以执行O P C X M L D A 服务的信息交换。逻辑设备、逻辑节点和数据类相应地被映射到0 P C 的 具有分支的层次结构中，O P CX M L D A 基于S O A P 和H T T P 协议，服务器与客户 采用一对一的通信方式。0 P Cx M L D A 映射不包含静态方式下组成项列表的数据 集，服务器和客户都不允许配置数据集，数据集是被客户动态的创建，并且储存在 客户内部。该映射方式对数据集的服务都是通过S C S M 储存在客户机端。 总之，O P CX M L D A 映射是基于W 曲S e r V i c e s 服务。图2 4 所示的映射结构中， O P CX M L D A 在应用层使用X M L 格式的数据规范，并通过H T T P 访问W | e bS e r v i c e s 的S O A P 规范：传输层使用T L S 、I C M P 协议和T C P 协议；网络层使用I P 协议和 A R P 协议。 华北【l 力人学坝I ：学位论文 2 3 3M M S 制造报文通信规范( M M S ) 映射方式1 1 5 ，2 j J 是使用I S O9 5 0 6 来表示I E C6 1 4 0 0 。2 5 2 定义的信息模型和I E C6 1 4 0 0 2 5 3 定义的信息交换模型，将I E C6 1 4 0 0 2 5 定义的风 电场信息模型和信息交换模型映射到I E C6 18 5 0 8 1 定义的相关层次结构模型中。 M M S 是应用层通信协议，用在互连的设备或计算机应用间实时交换数据和监控信 息。表1 中列举的服务除了增加订阅( A d d S u b s c r i p t i o n s ) 、终止订阅( R e m o v e S u b s c r i p t i o m 1 服务以及扩展日志服务之外，与I E C6 1 4 0 0 2 5 3 相关的映射服务都在I E C6 1 8 5 0 8 1 中进行了规范。M M S 将图2 4 中所示的结构中的应用层、表示层和会话层称为 应用层通信框架( A 。P r o f i l e ) ，将传输层、网络层、数据链路层和物理层称为传输层 通信框架( T P r o f i l e ) ，通过A P r o f i l e 框架的不同组合和T - P r o