2025新能源风电场远程集控系统设计方案

第1章绪 课题的背景和意 背 意 风电场远程集控系统的研究现 国外现 国内现 本文主要内 小 第2章风电场远程集控系统需求分 存在的问 开发目 提高风电场自动化水 提高风电场群的经济效 提高公司管理水 提高风电抵御风险的能 改善运维人员工作特 小 第3章风电场远程集控系统功能设 风电场监控子系 风电场侧监控子系 集控中心侧监控子系 风电机组状态在线监测子系 功率预测系统和能量综合管理子系 风机故障诊断专家系 远程五防操作系 小 第4章风电场远程集控系统的实 系统硬件配 前置采集子系 运行监控子系 高级应用子系 系统软件配 基本要 软件配 调度自动 调度关 远动信 通信服务 AGC、AVC系 电量计量系 远程五 工程系统架 硬件支 远程五防软件功 小 第5章风电场远程集控系统的应 状态监控功 升压站监控功 风机监控功 能量监控功 报表及分析模 风功率监测功 小 第6章结 1章绪论课题的背景和意义背景环境污染问题的日益凸显，加之全球性的能源紧张，使得人们重新审视自我，关注自身发展模式。绿色能源和可持续发展理念被提出并受到了全球性的关注。煤炭，石油作为传统的常规能源，利用方式简单，供能稳定可控，是非常理想的能源，但是虽有便利条件，同时也有其弊端，不可再生性和环境污染性导致传统化石能源不再适应当前社会新的发展模式。风能具有储量大、分布广、可再生、无污染的特点，这与新的发展模式完全契合。因此，风能必然会成为新时代能源的主导，发展绿色能源成为全球共同关注的新方向。据有关数据显示，世界风电发展非常迅速，截止2015年底全球累积装机容量已经超过40万兆瓦，见图1-12015年新增装机容量就超过6兆瓦，见图1-2，累计年增长率达17%。1-12015年全球累计装机容量中国风电新增装机容量的大幅增长助推了全球风电产业的强势增长，2015年，中国新增风电装机容量为30500MW，占据了全球新增风电装机容量的28.4%2015年底中国累计装机容量超越欧盟的141.6GW145.1GW，占据全球总装机容量的34%[1]，见图1-3。风力发电的量变已经十分明显，那么质变将同步进行。在风电装机大幅增长的环境下，如何更高效地发展风电，如何利用风电产生更加优质的电能，必然会成为风电发展趋势的主流。1-22015年全球新增装机容量1-32015年各国风电累积装机容量对比意义风能作为一种清洁的可再生能源，具有很多优势，但是同样有其不足之处，风资源不稳定，间歇性强，难预测的特点使得人类当前的科学技术还不能完美的驾驭它，如何能更好地利用风能，对科技发展提出了更高的要求。随着受世界各国关注度的日益提高，风力发电技术日趋成熟，各发电集团在风电方面投入不断增加，现有风场不断扩建，风场的数量和风电机组装机容量也不断迅速增长，在大型的风电场中有几十台甚至上百台风电机组，由于不同厂家机型、控制系统相互独立、监控分散等导致生产数据分散、无法实现有效地数据整合和统计分析。由于不同控制系统数据集组织方式不同，加之风电场间的地域差异，导致信息汇总传输困难，给多风电场的联合监控、整体调度带来巨大困难。基于此，提出在区域建立远程集控一体化平台，实现对多个风场的集中化管理。远程监控系统可以通过现代通信技术，实现对下辖风电场的远程监测和调度控制，能够实现风机出力和无功及电压的自动调节，改善大规模风电机组群并网后的电能质量，保证电网的稳定、安全和经济运行，为高效推进大规模风电机组群并网、电网“统一调度、分级管理”的实行以及新能源的持续健康发展提供了有效的技术保障。风电场远程集控系统的研究现状随着风电产业的发展，风场的建设正在步入新的历史阶段，风电产业的业务模式逐渐从“以风场的硬件设备建设为中心”转型为“以软件平台为依托的集中优化监控服务为中心”[2]。当前的风电场SCADA系统已经实现对风机的状态监测和数据记录，那么如何将多个风电场的数据进行汇总和集中处理，挖掘数据中有价值的信息，以风电场为单位实现区域性风电生产调度，是当前各大风电集团提高自身竞争优势，保证自身风电产业高效运行的关键。为实现上述目标需在已有的SCADA监控的基础上，进行远程通信、数据传输、统一的实时数据库以及集中监控平台的建设来实现对风场群的远程监控和管理的总体目标。计算机与网络技术的高速发展，现代控制技术与系统在自动化控制领域中的充分的应用为该目标的实现提供了技术基础。通过计算机、光纤通信网络和现代化通信技术，风电场远程集控系统利用了遥调、遥控、遥测、遥信技术可以实现对分布在偏远地区风力发电场及风力发电机组设备运行状况进行实时监测。远程集控系统可以即时、实时、准确地了解生产运行状况，实现了远程监测、集中控制。远程集控系统是以计算机网络为基础对风电场中风力发电机组进行远程控制、监测的自动化系统，能实现调度管理、远程数据采集、设备控制、信号报警和人工复位、统计计算以及生成统计报表等功能[3]。可实现对多个风电场的统一管理，通过对各风电场进行有效的协调，实现统一指挥、统一调度、统一管理，保证风电场安全稳定运行，发挥各风电场最大的综合利用效益；可实现对多个风电场的远程集中监控，在风电场逐步推行“无人值班、少人值守”运行管理模式，设置风电场远程集控中心，既可以适应风电场分散及管理的需求，又可以简化风电场监控系统硬件及软件设施配置及运行维护人员配置；满足安全、可靠、开放、先进、实用原则，满足国家和电力行业相关技术标准。国外现状关于该系统的研究，国外起步较早，19971月，由斯坦福大学和麻省理工学院举办的第一个基于Internet的远程监控诊断工作，有来自30家企业和超50名代表的科研机构参加[4]。会议主要讨论了开放系统的远程监控系统，诊断协议，传输协议和用户等法律限制，并提出对未来技术发展的前景[5]。斯坦福大学和麻省理工学院合作，开发下一代基于Internet的远程监控系统诊断证明，这项工作得到惠普，波音，英特尔，福特等12个大型公司的通力支持与合[6]WebJava和贝叶斯网络，在互联网范围内初步形成信息监控和诊断推理[7]另外，许多国际组织，如SMFPT、MIMOSA、COMADEM等，也进行了由网络设备监测和故障诊断咨询的技术推广，并制定了一些格式和信息交换的标准。许多大公司也在他们的产品中加入了网络模块，如Bently公司的计算机在线设备运行监测系统[8]；DataManager2000可以通过网络动态数据交换的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的NationalInstruments公司也在它的产品LabWindows/CVI以及LabVIEW中加入了网络通讯处理模块，从而可以通过WWW、FTP、E-mail等方式在网络范围内进行监视数据的传送[9]；法国“ALARM”研究生产过程智能报警的小组和监测系统[10]，并在多个项目长期的研究和应用。国内现状我国的风电起步较晚，早期的风电场大多采用国外整机制造商提供的风电机组和风电场监控系统，它们大都采用主流风电机组主控制器(Mita,Beckhoff,Bachmann)MODBUS、OPC等通信协议，2000年以后本国的风机制造商才逐渐发展起来，在进行研发有自主知识产权的风电机组的同时，也开始着手研发自己的SCADA系统，如华锐风电，金风公司的监控和远方监测系统。与国外早期状况相同，这些系统均存在协议不开放，信息描述不统一，无法实现互联互通和扩展等问题。我国风电发展极快，随着技术更新，我国某些风资源丰沛的地区在一段时间内先后投资安装了几批风电机组，它们可能来自不同的风电机组制造商，釆用不同的通信协议。即便是釆用了同一制造商生产的风电机组，由于电力电子技术、控制技术、单机容量的不同，它们拥有的控制方式也可能不同，且需要不同的运行参数和调控指令。这造成了一个风电场甚至需要安装数十套不同监控系统的情况，严重制约了风电场的运行管理和改造升级。监控系统不兼容的问题严重制约了我国风电产业的发展，随着技术的日趋成熟，国内对于远程监控技术也开展了积极的研究，然而，目前国内监控系统大多自成体系，相互缺乏统一规划和技术协调，不能有效实现网络化和信息共享。随着国内风电的不断发展，风电场的系统需求逐渐增多，对风机远程监控系统要求越来越高，风电场按照“无人值班、少人值守”的原则进行设计[11]。因此，各大发电集团纷纷提出了建设本集团的风电场远程集中控制系统[12]。当前学界对远程集控系统的技术研究主要集中在“远程”和“集控”和“综合架构及功能优化”三个方面，如何进行远程数据传输；怎样兼容不同机型的监控系统，实现多机型集中监控，是当前远程集控系统研究中的两个技术重点。文献【13】在分析现有风电场远程监控系统基础上提出了通过侦听解析通讯规约，利用现代通讯网络技术和计算机应用技术，改进现有的风电场远程监控系统，开发出一套具有对各种类型的风电机实施统一监控功能系统的设想，并通过现场的通讯规约的破解论证了可行性。文献【14】介绍了风电场远程集控中心设计的主要内容，即远程计算机监控系统设计、远程通信系统设计、机房工艺设计、供电电源系统设计和生产性机房防雷接地系统设计等，阐述了风电场远程集控中心的设计原则和设计方案。文献【15】研究大型风电场对多厂商风机进行集中监控的通信组网技术方案。提出了两种组网方案一为“信息采集终端组网方案”，二为“场内集中监控组网方案”并分析了两种方案对于组网设备的性能要求；其次研究分析了两种方案在目前风电场中的适用范围；最后对两种方案进行了经济性评估。16技术、3G无线网络，以获取风力发电场风机组运行数据为背景，设计出一种远程数据中心系统。该系统能实时采集东汽分布在全国各地的风场内风机的各种数据，能够对历史数据进行分析比较，能根据相关数据进行在线监测、故障分析，从而及时准确地了解各风场风机的运行、故障情况，对后续风机的研发、设计和改进提供各种有利依据，为现场服务提供技术支持等。河北建投新能源公司，下属业务有风能和光伏等新能源项目，在河北及全国开展新能源业务的开发、基础建设以及后期的新能源业务的运行维护等。公司发展迅速，从2006年至今共建设风、光伏电场32座，总容量超过300万千瓦。本文主要内容本文对当前公司的风电场监控模式的现状及存在的问题做了研究，并以此为基础，提出风电场远程集控系统的设计实现方案，首先对方案进行宏观功能性描述，之后针对关键技术点做了研究，并提出可行性实现方案，文章具体组织结构如下：第一章，研究当前国内和世界上风电场监控系统的现状，为风电场远程集控系统设计和实现提供理论依据。第二章，针对当前风电监控技术存在问题和发展方向进行研究，以需求促发展，提出风电场远程集控系统的设计目标和办法，并对风电场远程集控技术实现后所带来的优势进行了预期。第三章，结合具体需求，对基于电力专网的风电场远程集控系统进行模块化功能设计，将风电场远程集控系统分为几个模块，分模块对功能分配和技术实现进行了介绍。第四章，本章首先介绍了本系统与电力专网的合作方法，也即如何通过电力专网实现风电场远程集控中心与下辖风场的通信，之后从硬件和软件两方面对风电场远程集控系统的功能实现条件进行了介绍。第五章，本章对建投新能源公司风电场远程集控系统设计搭建完成后的实际工程应用做了介绍，对远程集控技术实现后的具体效果进行了的展示，表明了本系统的工程实践意义。第六章，对风电场远程集控系统的实现做了总结，并对远程集控系统的发展进行了展望。小结首先对本课题背景进行了介绍，说明了当前我国风电的发展模式和当前运维模式不适应所产生的矛盾，之后结合工程实际提出一种适应当前风电产业发展的远程集控系统建设方案。之后综合对文献的大量阅读分析，介绍了相关技术的国内和国外的研究现状，并藉此分析了本课题的意义和可行性。2章风电场远程集控系统需求分析随着风电发展规模的扩大，建投新能源公司在张家口和承德等多个地区投资承建的风电场数量增加，单风场风机数量增大，装机容量增加，随之出现传统监管模式与当前生产规模严重不匹配的问题，因此产生了广域多风电场的远程集中监控系统设计开发需求。为实现对大规模多风电场的生产经营模式，集控中心远程生产监控系统应能实现对多个风电场的统一管理，对各风电场进行有效的协调，实行统一指挥、统一调度、统一管理，保证风电场安全可靠运行，发挥各风电场最大的综合利用效益[17]。每个风电场需要将本风电场的数据信息汇总并传送至集控中心的远程生产监控系统，集控中心根据风场传递过来的信息，对多个风电场的信息进行整合分析，进而生成调度方案，对下游风电场进行管理和生产调度，由于风电场数量众多且地域分散，需要在风场和集控中心之间，建立远程通信网络，以用于数据传输和控制指令下达，仅通信系统的建设就是一个非常庞大的工程，考虑到在风电场建设时已有的电力系统通信网络，综合分析考虑，采用租用电力系统通信网络，在远程集控中心与风电场之间增加ADSS光缆，并在集控中心机房和风电场变电站机房增加SDH光端机的方式实现集控中心与多个风电场的通信连接。存在的问题风电场SCADA系统能对风机运行数据和状态信息进行收集汇总、存储和显示，以用于风电场的运行状态就地监控。风电发达国家在该领域的研究开发和应用已有一定的积累，而与之相比，我国风电场监控系统相关技术尚处于探索阶段，而且对于风电运营企业的支撑和电网公司所提出的各种能量管理要求不能很好的满足。在风电场实际生产过程中，由于国内外风力发电的特点和发展水平以及运营商需求不同，目前风电场监控系统仍然存在下列问题。随着风电的快速发展，风电场规模也在不断变大，公司下辖风电场都是分期建造，不同期所采用的风机机组机型和厂家很有可能不同，甚至同一批次也会采用多个厂家多种型号的机组。比如卧龙山风电场，一期建造时采用的金风750kWGE1500kW厂家的机组，另外五花坪风场，一期采用的歌美飒850kW的机组，二期采用的GE1500kW的机组。由于不同厂家，不同机型的操作系统的差异导致信息共享和传输产生困难。从宏观角度考虑，公司管理层需要对多个风电场的历史数据和实时数据进行比较，进而实现总体调度，均衡出力，然而不同风电场的信息收集统计不规范、不统一，信息不能有效传输和处理汇总，给公司管理带来重大不便。另外，随着风电规模的扩大，公司下辖风场数量增加，各风场分处距离较远，像曹碾沟这种近的有几十公里，单趟一个小时也还可以接受，但是相距远的有上百甚至几百公里，最远的如意河，距离公司本部300多公里，这给公司监管运维带来了巨大不便。由于不同厂家风机操作系统不同，不同类型的机组之间的信息不能有效的整合和实时共享，导致运维管理人员无法宏观地掌握所有风场的运行状况，无法为运维管理人员的决策提供有效的数据参考，上层技术人员没有有效的参考数据来及时指导日常运行维护工作，许多数据处理和分析，可能需要非常复杂的数据转换、整合，甚至需要人工操作完成，造成人力、物力资源的浪费。由于多个风电场的数据不能有效传输和共享，并且数据格式不统一，数据处理分析过程繁琐，从而导致了公司管理决策层的调度困难。管理层无法根据风机历史数据快速地分析出不同风场的风资源特点，没有办法根据事实数据预测风场未来短时间内的功率趋势和波动特性，无法根据这些信息进行风场间的统一调度，无法实现宏观调控，平衡风场出力，达到平稳功率输出，造成并网困难。为了获得优良的风能资源，风电场一般都选在人烟稀少的地带，如沿海滩涂、广阔草原、边远山区等，这些地方远离人群聚居区，生活非常不便。比如如意河风场，地处蒙古高原和冀北山地过度带，海拔高度1300m-1600m，最近的人口聚居区在70公里外，交通不便，人员车辆进出风场困难，生活物资转运艰难，特别是在极端恶劣天气下，经常因为大雪导致交通阻断，造成风场运维人员滞留风场，生活条件不能保证。如果运维管理部门不能及时监视到设备故障的时间，就无法督促检修人员快速修复故障设备，延误了检修的时机，增大了风机停机概率，延长了停机维修等待时间，影响了发电量，从而造成经济损失。公司做过估计，仅2013年因检修不及时造成年损失电量8千多度，即年损失人民币5000—7000多万元[18]开发目标风电场远程集中监控是为了实现河北建投新能源有限公司对下属多个风电场进行远程监视与控制的要求，其目的是为了减员增效，统一调度并提高企业管控水平，为实现风电机组集群管理及运行优化打下坚实的基础。远程集中集控系统以工业实时和历史数据库、SCADA系统平台为基础，遵循集约化、流程化、规范化和标准化的理念，按照区域化集中管理的思想进行方案设计（国内领先水平，通过系统采集风电场设备的信息，完成对接入风电场的集中监视与控制。集控中心主要实现对风电场设备的远程监控、生产管理、故障报警和调度管理等功能。同时，向调度端上传调度端需要的信息数据，并执行调度端下达的控制指令。各风电场配置通信管理机，采集各风电场的风机及升压站内各项数据，将数据上传至集控中心并执行集控中心对风电场设备的控制指令。所需采集上传信息包括：风机运行参数、升压站运行参数、有功功率及无功电压控制、功率预测数据、保护及故障录波信息和电能量计量信息等。此部分功能实现后，应不影响目前各风电场已有相关设备系统与调度端的通讯。提高风电场自动化水平随着风电场监控自动化程度提高，今后会逐渐推行“无人值班，少人值守”的新型监控管理模式，会将运行人员全部撤出风电场，风电场仅留少数检修人员，这就要求检修人员不但具备检修技能，还有具备基本运行维护相关技术，而高级的运维功能则在远程集控中心的指挥下，由检修人员辅助完成，因此远程集控的实现，可以促进风电监控自动化程度提高，促进设备升级和人员精简。提高风电场群的经济效益风电场远程集控系统可以整合多风电场运行数据，并集中处理和分析，通过数据挖掘技术，对同一风电场的数据进行纵向比对，了解该风场一年之中不同时段的产能情况，还可以对不同风电场同一时段的风力发电出力进行横向比对，综合分析评价后制定更加合理有效的功率调控，达到平滑功率曲线输出。可以提高风能并网效率，提高风电场群的整体经济效益，也能实现对多风电场风能的更有效利用，减少弃风弃能的情况。提高公司管理水平远程集控系统可以作为一个平台，实现对多个风电场的整体宏观调控，可以提高公司对下辖风电场的管理水平。提高风电抵御风险的能力风力发电是将自然界能源更加直接地转化为电能的一种生产模式，其生产过程与自然环境因素联系十分紧密，优质的风资源，良好的自然环境可以保证充足优质的产能输出；但是恶劣天气也会对生产造成重大影响，例如台风、雷暴等恶劣天气状况，不但会影响发电量，更有甚者会对风机、变压器、线路等生产设备造成永久性破坏。建立风电场远程集控系统，将多个风电场统一规划协调管理，预先从宏观层面，针对包含所有风场的整个生产地区制定防灾预案，并细化到每一个风场的具体应对措施，还要对全地区进行全天候气象监测，并且与当地气象局积极沟通，对可能到来的灾害天气进行预知和预判，尽早采取应对措施，以保证电场和设备的安全稳定运行，减少自然灾害对生产和设备的影响。改善运维人员工作特点传统的风电场的运维模式是运维人员长期驻守偏远的风电场，周边生活辅助设施不完备，生活条件艰苦，出行不便，生活物资转运困难，成本高。在建立风电场远程集控系统后，风电场可以实现无人值班，少人值守，甚至是无人值守的新型运维模式，运维人员只要在远程集控中心就可以实现对风机的实时监测和远程控制，这样就极大改善了运维人员的工作条件和工作特点，减小了人力物力成本。小结本章侧重分析了当前风电场监控系统存在的弊端，以及风电场监控系统不能适应当前风电的发展模式的具体问题，然后从问题出发，提出了风电场远程集控系统的建设需求和具体实现目标，并简要分析了风电场远程集控系统实现后所带来的优势。3章风电场远程集控系统功能设计风电场远程集控系统遵循一体化、分布式设计思想。在统一的支撑平台的基础上，采用开放式结构，可灵活扩展、集成和整合各种应用功能，各种应用功能的实现和使用具有统一的数据库模型和人机交互界面，并能进行统一维护。集控系统建设拟分为生产网和管理网两个系统的建设，生产网和管理网从功能上各自应包括相应的多个子系统，见图3-1。生产网风电场监控子系统（包括电能计量系统风电机组状态在线监测子系统风电功率预测子系统管理网能量综合管理子系统风电机组故障诊断专家子系统物资管理子系统3-1风电场远程监控系统功能图风电场监控子系统风电场监控子系统分为风电场侧监控子系统和集控中心侧监控子系统。风电场侧监控子系统风电场侧监控子系统以风场为单位，每个风场配置一个监控系统，系统负责采集记录本风场风机的运行信息，并上传至集控中心，同时可以接收集控中心的控制信息并作用于本地风场设备，实现对风场设备的遥测、遥信、遥控、遥调功能。集控中心可以实现对风场本地监控系统的实时控制，同时本地也配置一套控制设备，同样可以行使控制功能，并且优先级要高于集控中心。各风电场侧需配置风电机组监控系统、升压站监控系统、电量计量装置、保护及故障录波系统、相量测量装置、风电功率预测系统等系统，以实现风电场本地保护、监控以及远传调度等功能。为满足集控中心对各风电场运行的远程集中监控，风电场侧需配置数据采集前置机以采集本风电场风电机组、升压站电气设备运行信息等并上传至集控至少应满足OPC、Modbus、IEC60870、IEC61850等通讯规约，或者能够按照风机厂家或升压站监控厂家的通信协议获取风电场运行数据。集控中心侧监控子系统监控系统的功能主要分为监测和控制两部分。监测功能数据采集集控中心负责采集每个风机的运行数据和设备状态参数，并存储于本地，本地有一套显示设备，可以进行数据显示，供运维检修人员使用，同时向远程集控中心进行实时数据传送，用于集控中心的显示。状态监测将风电机组、测风塔及升压站的主要运行参数和设备状态进行处理[19]，以模拟图、趋势图、柱状图和参数分类表等直观明确的方式进行实时显示，保证集控中心运行人员可以实时观测到风场、升压站和风机的运行状态[20]。数据显示数据显示功能主要用于显示风机及风场的相关数据，并显示在集控中心主监控室的大屏幕和监控主机上，供集控运行人员参考查询。风机运行状态数据：风机启停状态、如风轮转速、叶片震动、塔架震动。风场状态数据：风场风速、气压、风向、总发电量、风场并网电量、有功、无功。生产运行数据：风机发电量、关口表电量、上网电量、购网电量、等效满发小时数、容量因数、预算发电量、停机时间、限电损失、平均连续可用时间、场用电率、场损率等[21]；可定制数据展现功能系统提供可定制化的数据展现功能，可根据不同需求设定主界面及各查询子界面显示内容和形式。另外，还可实现报表的生成、打印、上报功能，与总公司的报表系统无缝连接[22]。故障实时报警监控系统内部设置风机故障数据库和故障诊断专家系统，通过将风机实时的运行数据和风机故障数据库中的数据进行比对，判断风机特定设备或者部件是否处于故障状态，并进行实时报警。对于随时出现的故障，进行声光报警，报警内容显示在最前端，便于运行人员查看报警内容[23]。统计分析与专家诊断功能系统可以查询风电机组历史故障、历史数据、运行日志等，从而进行初步的故障分析[24]。根据获得的系统与设备状态信息和专家知识数据库，建立数据模型，运用人工智能技术自动地对异常现象进行甄别，分析异常原因，供检修人员参考[25]。关健仪表盘功能应有关健仪表盘作为首页显示，其中较为关键、常用的指标，如发电量、风机故障、风机可利用率等相关指标应显示在首页[26]。控制功能集控中心控制功能根据设备的实际工作状况和工作实际需要进行设置[27]。可实现如下操作：风电场、升压站的断路器/刀闸分/合、无功补偿投/切、有载调压变压器分接头远调、部分保护的远方启动、闭锁及信号复归、单个/成组风电机组远方启动/停机操作、复位、偏航、解缆等。集控中心能够将各风电场各项运行数据按照调度端要求通过远动通信装置上传，并接收和执行调度端下达的控制指令，以实现“统一管理、统一调度由于风机运行维护操作需要集控中心进行确认和开具操作票，因此需要远程数据传输。风电机组状态在线监测子系统风电机组状态监测系统是风电场监控系统的子系统，主要由装在风机关键部位的传感器和数据传输通道组成，传感器采集风机运行状态下的参数，并传输给集控中心。通过风电机组关键部位(齿轮箱、主轴承、发电机、机舱及塔筒等)的传感器及通讯网络，形成了完善的监测系统，实时测量和分析风电机组的各种运行状态，充分保证风电机组维护作业的可测、可控[28]。功率预测系统和能量综合管理子系统风电功率预测系统及风电场能量综合管理子系统能够有效缓解风电场上网电量与电网调度过程中存在的矛盾和问题。风电功率预测系统能够利用气象数据、风电场输出功率曲线等数据经过相应的数学模型计算对风电场的产能进行短期、中长期预报，并能够通过标准数据接口把功率预测结果发送给调度端[29]。调度端根据功率预测系统的预报结果，结合其他途径的电力源产能情况，通过数据网下达产能调控指令并且下发到风电场能量管理控制系统[30]。风电场能量管理控制系统能够根据调度端指令，进行相应策略的产能调控，并将获取到的实际产能通过标准数据接口反馈给调度端，从而做到智能动态调配各风电场出力[31]。风机故障诊断专家系统风机在运行过程中会产生大量的运行数据，这些数据通过传感器，由风电场远程监控系统采集并存储，风机运行数据产生的同时伴随着工作状态正常和故障的交替，那么风机状态的异常必然会体现在某些数据的变化当中，因此可以通过对这些数据的监测分析来判断风机运行的健康状态，一旦风机发生故障，也可以通过对这些数据的分析来判断故障设备、故障原因、故障类型，基于此可以快速制定检修预案。通过对运行数据的监测，可以在风机发生故障的第一时间督促检修人员用正确有效的方法快速修复故障设备，减小风机停机概率，缩短停机维修等待时间，将故障造成的损失降到最低。不仅已发生的故障可以通过此方法监测，甚至某些可能即将发生的异常情况也会在运行数据上显示出来，例如风机齿轮箱油温异常升高，可能会是齿轮箱故障的预兆。因此，根据获得的系统与设备状态信息和专家知识数据库，建立数据模型，能够根据设备采集的参数数据的变化趋势或差异，生成“智能化”的预警，以提示设备的潜在问题，从而实现“预防性维修”的设备管理模式。通过专业的振动频谱分析工具及温度传感器等设备诊断风电机组的亚健康状等待备件以致延误维修造成的电量损失，可以有效的降低风机计划外停机概率，降低运维成本，提升风机服役质量，提高风电场的效益。基于此提出一种故障诊断专家系统，可以查询风电机组历史故障、历史数据、日志等，可以进行初步的诊断分析。根据获得的系统与设备状态信息和专家知识数据库，建立数据模型，运用人工（商务）智能技术自动的对异常现象进行甄别，分析异常原因，供检修工程师参考[32]。将风电机组、升压站设备、故障现象信息、故障解决方法等信息关联成一套成体系的故障诊断专家系统，该系统能够帮助用户快速定位和处理风机故障，同时用户能够通过该系统不断地丰富故障知识库。通过该系统的使用能够大幅度提高运行维护人员的风机故障处理能力，进而提高人员工作效率。集控中心应能对风电场设备的故障做出快速响应，包括派发检修任务并监督执行；同时集控中心还需要负责制定合理的设备检修计划（包括巡检、预防性维护和定期维护，并监督检修执行完成。集控中心应能实时地获得风电场设备的故障告警信号，能快速地对故障发生前的数据进行回放，进行事故追忆，并能快速查询设备的故障历史，并决定合理的处理办法。远程五防操作系统由于远程集控系统实现后，将使得风电场运行监控中心与风场产生地理分后携带钥匙奔赴风场去执行五防步骤，若五防步骤过多，则单步执行完以后需要再回到集控中心进行信息确认并将下一步的信息传入钥匙，后转去风场执行第二步，如此每执行一步都需要在风场和集控中心往返一次，降低五防操作执行效率，并且非常耗时费力。基于此，为免去运行人员频繁奔波，提高五防操作执行效率，提出远程五防的操作办法，远程五防在集控中心设五防控制总站，在各风电场设五防信息接收终端，总站与终端之间可以实现操作票信息的远程传输。在集控中心进行操作步骤模拟以后，将操作票以电子信息的方式传输至风场五防终端，由风场检修维护人员进行步骤的二次模拟和确认，并在现场制作钥匙，由检修人员携带钥匙进行就地五防操作，单步操作完成后，由五防终端进行操作信息回传，运行人员在集控中心对操作信息进行确认之后由五防总站对终端发出控制信息，终端接收控制信息并将下一步操作写入电脑钥匙，现场人员继续按步执行。这样以电子信息传输，替代运行人员的往来奔走，节约时间，提高五防操作的工作效率，促进风电场远程集控自动化程度的提高。小结本章结合风电场远程集控系统的实现目标要求，分模块设计了远程监控系统的具体实现方案，其中重点阐述了监控功能的具体实现方案，监控功能是整个远程监控系统的基础；功率预测系统、能量综合管理系统和故障诊断专家系统等都是以监控系统所采集和处理的风电场运行数据为基础，在监控的技术上实现的更高级功能。另外，故障诊断专家系统，可以进行风机故障识别和故障诊断，对于改善当前风机的运维模式，降低运维成本具有十分重要的作用。4章风电场远程集控系统的实现通信网络分有公网和专网之分，公网属于普通电路交换网，是特定系统用于向公众发布和交流相关信息使用，公网的计算机和因特网上的计算机可以互相沟通交流和访问。专网是特定系统的内部专用网络，设计本意是只为该系统服务，但是存在着与公网终端的接口，可以与公网机实现沟通互联。相比公网，专网具有很多优势和特点：专网服务用户专一，所需配置的服务器和终端设备数量少，通信载波频率设计也比较容易。专网重选切换序列少，信号简洁，重选切换更流畅。专网通信数据单一，便于管理，可采用的加密手段更多，信息传输更安全。电力专网是电力系统的内容通信专用网络，常用于传输调度电话管理电话信号；远动和数据信号；远动保护信号；系统运行状态信息等。电力系统通信网络有其独特的保密措施和纵向加密手段，相比公共网络有更优良的可靠性和保密性。公司下辖清三营、莲花滩、五花坪、卧龙山、曹碾沟、桦树岭、秋林、如意河以及长风九个大型风电场，分布于张家口和承德两个城市，区域分布较为分散，独立建设通信网络工程量巨大，因此采取租用电力专网的方式，不但可以节约通信网络建设成本，更有效地保障了风电场信息数据高效稳定的传输，是一种非常理想的远程通信实现方案。系统网络以位于张家口的集控中心为主站，在集控中心主站与张家口市姚110kV变电站之间增加设置一条二十四芯ADSS光缆，使能够保证张家110KV站将张家口区域七个风电场清三营、五花坪、卧龙山、莲花滩、秋林、桦树岭和曹碾沟接入电力专网。集控中心主站主机房及姚家房镇变电站均需要安装一台SDH设备，目的是将集控中心接入张家口地区光环网，建立集控中心至姚家房镇变电站的SDH2.5Gb/s光连接，形成集控中心到姚家房2.5Gb/s光通信电路，以便于开通集控中心到卧龙山等九个风电场的通道，通道容量均为2M。承德地区两个风电场如意河及长风则经过冀北光环网路由接入张家口光环网来满足要求。系统硬件配置前置采集子系统前置采集子系统完成数据采集和预处理功能，配置2台冗余的通讯服务器采集，采集各风电场升压站SCADA、风电机组SCADA和电量以及其他省级集控中心等系统的生产运行数据。运行监控子系统运行监控子系统配置2台冗余的实时数据库服务器，用于实现风电场的实时监控、电网监视等，同时作为整个系统的实时数据库并负责其维护和管理；配置2台冗余的历史数据库服务器，用于历史数据的存储及统计分析。历史数据库服务器应配置磁盘阵列并采用硬件RAID3年的历史数据。高级应用子系统高级应用子系统配置风机状态在线监测服务器、风机故障诊断专家系统服务器、能量综合管理服务器和风电功率预测服务器各1台，用于存储和管理风机状态监测、能量综合管理以及功率预测数据；同时配置风机状态在线监测工作站、风机故障诊断专家系统工作站、能量综合管理工作站和风电功率预测系统工作站各1台。系统软件配置基本要求集控中心远程监控系统需要统一监控下属风电场设备和子系统，对数据进行集中管理，给运行人员、检修人员、管理人员等提供全面、方便的数据和服务。对不同人员提供不同的用户界面、展现方式、数据信息。集控中心远程监控系统应全面遵循IEC61970标准，系统软件基于一体化的开放平台设计，软件平台具有统一的模型设计、统一的应用生成、统一的工作流引擎、统一的数据交换等，不仅能满足现有需求，有效消除信息孤岛，而且能对未来需求提供支撑。软件配置监控系统需配置丰富、完整的系统软件、支持软件及满足功能要求的应用软件。系统软件包含操作系统、文件管理、系统自诊断、自恢复软件及其他系统软件。支持软件包括数据库管理软件和数据库、报表编辑工具，同时创建数据仓库，为公司搭建生产运营平台提供基础数据。未来可针对不同的主题搭建数据集，后续建设第三方开发的数据挖掘、商务智能等经营分析软件系统。应用软件主要包括数据采集和数据处理、控制处理和报警、记录、查询等监控软件，应采用模块化设计，每个应用程序作为独立的单元运行，易于维护。应用软件必须在统一的支撑软件平台上，有统一风格的数据库及人机界面，并能共享公共电力系统模型及数据库。调度自动化调度关系根据电网“统一调度、分级管理”的要求，远程集控中心由电力调控中心调度，各风电场则由集控中心、区调和电力调控中心调度。最终调度关系由风电场所在地区电力调控中心确定。集控中心根据电力调控中心、区调调度指令，可对下辖各风电场内风电机组、开关和主变等设备进行远程控制和调度。集控中心负责代表所辖各风电场与电网各级调度机构进行调度业务联系。远动信息各风电场远动信息保持不变，原已有远动通道继续使用。本工程在各风电场侧配置数据采集前置机（即专用独立的远动工作站，不与原已有远动工作站混合使用，获取风电机组、升压站电气设备运行信息、电量计量、保护装置及故障录波、风功率预测系统等信息，并上传至集控中心。集控中心配置通信服务器，具备将各风电场运行数据（含远动信息）按调度端要求上传相关信息的能力。通信服务器集控中心配置通信服务器，具有独立地与调度中心及其他应用系统进行通信的能力，应能满足集控中心与调度系统的通信功能和性能要求。通信服务器通过网络获取生产网实时数据（含各风电场及升压站远动、计量等信息，能够向调度端传送远动信息，接受并执行电力调控中心下发的调度指令。AGC、AVC系统各风电场需配置AGC、AVC系统，且均已与调度端主站系统可靠通讯、运行方式和控制策略已基本成熟，且跨区域AGC、AVC实现较为困难，因此各风电场AGC、AVC系统及传输通道仍继续使用，各级调度机构的AGC、AVC控制命令直接下发至各风电场，不能由集控中心转发，仅在集控中心配置能量综合管理系统以采集和显示各风电场AGC、AVC设备运行及功率出力等数据。电量计量系统各风电场电量计量系统保持不变，原已有计量通道继续使用。集控中心具备汇总各风电场电量计量功能，统一上传至调度端。远程五防远程五防通过电子通信将集控中心模拟的操作票信息传输至变电站的接收终端，通过集控中心的五防总站与风电场变电站的终端的互通信来保证五防的按步执行。工程系统架构为确保远程五防的顺利实现并保证在网络通信故障时不影响五防操作的执行，风电场远程集控系统的五防方案具备远程五防和就地五防两套控制系统。远程五防控制总站位于集控中心，并控制各风电场变电站的五防客户端，同时各风电场变电站设置就地五防系统作为备用。通信正常的情况下，远程五防占据主控制权，并实现正常的远程五防控制操作；一旦远程通信故障，或者集控中心五防总站故障，无法实现正常的五防控制操作，其控制权立刻转至各风电场的就地五防机，以保证远程五防总站故障的状态下，风机维护操作继续能按照五防操作规程执行。硬件支持远程五防的实现所需的硬件支持需具备一套远程五防系统，远程五防系统主要包括位于集控中心的五防总站和分布于各风电场的五防终端，以及连接总站与终端的通信信道。五防总站可以实现操作步骤模拟和操作票的信息传送，可以依地址选择从不同信道传输至不同场站的五防终端，另外总站具备与终端的互通信功能，可以接收终端上传的操作信息并对信息进行确认；五防终端负责实现操作票的接收和与总站的操作信息互通信。另外需具备一套就地五防操作系统，就地五防具有一定的独立性，在远程五防正常时不具备主控制权，只能进行操作步骤的模拟操作，在远程五防故障后，就地五防接管主控制权，并能独立实现五防操作。远程五防软件功能总站：总站五防步骤模拟功能位于集控中心的五防总站具备正常的五防机功能，可以实现五防步骤的模拟并能制作工作票；总站操作票信息传输功能位于集控中心的五防总站具备通信地址分配和信息传输功能，可以为不同风场分配不同的地址，并将生成的工作票按通信地址定向定位发送到指定的风电场。总站操作信息确认功能在风电场五防步骤每执行一步，都要进行信息回传，总站应具备操作信息接收功能并可以对操作信息进行确认；总站控制信息发送功能在总站接收终端回传的操作步骤信息后，由运行人员对操作信息进行确认，确认后对终端发出控制信息；终端终端工作票信息接收功能五防终端应具备工作票信息接收功能，可以接收集控中心五防总站传输的工作票信息，并可下载写入电脑钥匙；终端的信息回传功能五防终端应该具备操作信息回传功能，在单步操作执行完成以后，可以接收电脑钥匙的操作信息并将信息回传至集控中心总站；终端的控制信息确认功能总站接收单步操作的具体信息并确认无误后，给终端发送控制信息，允许执行下一步操作，终端可以接收总站的控制信息，控制信息接收确认后将下一步的操作信息写入电脑钥匙；小结本章内容对基于电力专网的风电场远程监控系统的具体实现方案进行了研究介绍，将软件和硬件进行工程性细化，从项目实际施工角度阐述了风电场远程监控系统的实现方法。首先对风电场监控系统实际工程条件进行研究，确认工程现状，根据具体工程实际，分析工程实施具体办法。通过分析得出了当前已实现的功能，从这些功能中，选取并保留可以为监控系统目标服务的项目；进行系统性结合和功能升级；针对无用的功能项或者模块，予以改造或舍弃。5章风电场远程集控系统的应用Web主 报表工作数据库（主）数据库（备SQLServer2012数据库（主）数据库（备SQLServerWeb （镜像）（镜像风电场风电场前置接口机功率控制子站升压站测风塔功率控制子站5-1远程监控系统网络结构拓扑图远程集控中心由生产控制区和信息管理区两部分组成，其中生产控制区包括：监控工作站，实时数据库，功率控制主站，WEB服务器，数据处理服务器和磁盘阵列等，主要通过人机交互实现对下辖风场的远程监控功能。信息管理区主要由数据处理服务器，实时数据库，数据通信网络等组成，主要实现风机运行数据的处理、存储、和远程访问。主监控室设有监控工作站4套，每套下有四台工作主机，可以分别同时监控各风电场升压站信息、故障信息和发电量情况等。下辖风场的风机运行数据和状态信息可以通过电力系统专用通信网络传输至集控中心，远程集控中心可以对风机各部位的传感器数据进行采集和记录，对风机的运行数据进行统计分析汇总等。下辖风场的升压站开关和刀闸的位置信号、变压器内部故障综合信号、保护装置的动作信号等信息可以上传至远程集控中心，并进行显示。远程集控中心可以直接对下辖风场和风机进行远程控制，例如远程控制风电场升压站刀闸的开合，远程控制风机启停等。远程集控中心可以对下辖风场进行功率预测分析和远程功率调度，但是当前风场的功率调度还是统一由地区电网调度实现，集控中心参与调度决策。状态监控功能现阶段集控中心对下辖风场和风机的在线监测和控制功能已基本实现，集控中心可以对下辖所有风场进行宏观状态监测。5-2集控中心侧监控系统显示屏5-2所示，为远程集控中心侧的主监控室显示屏，目前共接入风场九座，分别为清三营、五花坪、卧龙山、秋林、桦树岭、莲花滩、长风、如意河和曹碾沟。接入风力发电机共计790台，总装机容量超过1000MW。左右两侧分别显示风电场实时总有功、总无功、当日发电量、当月发电量、总平均风速、风电场风机总台数、运行总台数、故障总台数、维护总台数、其他工况台数及总装机容量。中间大图是以地图形式展示辖区内的各风电场地理位置，大地图正下方有四个按钮分别为测风塔、AGC、AVC和功率预测分图，下面为集控中心所辖风电场的具体数据。升压站监控功能升压站监控对象主要包括各风电场升压站一二次设备、保护及故障信息子站和电能量计量信息等。这些信息通过风场侧子站设备采集并上传至集控中心。集控中心可对任意风场的升压站参数进行实时监控。各风电场均配置故障录波和保护及信息管理子站，获取站内保护装置和故障录波器信息并发送给国家电网冀北站。各风电场保护和故障录波等生产运行数据同时上传至远程集控中心。通过点击主界面变电站图标，可以观察升压站主接线实时状态，见图5-3。该升压站实时数据显示主要涵盖母线及其相关断路器、隔离开关、接地刀闸等运行状态及测量参数的显示，动态无功补偿装置主要运行信息，变压器档位，实时功率，各35KV线路实时出力的显示等。集控运行人员可以在此界面实现对风电场升压站的远程控制，改变刀闸开合状态、无功补偿的投切、有载调压变压器分接头远调等。5-3风电场升压站电气主接线图在主接线图上，用户可以鼠标点击实现查看升压站的数据的实时变化曲线，将多个点的曲线在一个图上显示，图形数据局部放大、缩小等功能。图5-4给110KV母线右键弹出菜单的相关信息，图5-5给出了升压站功率历史曲线图。5-4110KV母线点击右键菜单5-5升压站功率曲线图风电场子站采集升压站综合自动化系统的运行数据并传输到远程集控中心，并可根据调度指令或其他控制指令对升压站内电气设备进行控制。集控中心值班人员可以点击上述设备进行相关设备操作，图5-6给出了开关隔信息的图示。5-6开关间隔信息风机监控功能风机监控功能主要监控各风电场风机运行及故障情况，对全场及单台风机进行远程控制，包括单个风机远方启动、停机、复位、变桨和限功率控制；成组风机远方启动和停机控制；整个风电场远方启动、停机及功率控制。可以监测风机各项参数及信号变化，能够做到及时、准确处理各项故障。风场监控功能针对每个风电场，集控系统通过统一的风格对设备进行监控和管理。5-7为单风场监控显示界面，通过此界面可以直观观测到风场的全场有功、无功、风场日发电量、月发电量和年发电量等统计信息。本页面还可以查看到特定风场的每一个风机的运行状态和基本信息，运行状态显示，绿色的风机图表示该风机正处于正常运行状态，蓝色的风机图则表示该风机处于停机状态。风机的基本信息，例如风机编号、风轮转速、风机输出功率等。实时监控风电场所有风机的主要运行数据；通过图形和曲线的方式显示风电场的各项运行数据，如：总功率、平均风速；通过不同的颜色显示风电场当期项目当前的工作状态，如：限电状态、并网状态、故障状态和通信终端状态等；实时显示风机的工作状态，如：故障、告警等。5-7集控中心侧监控主机显示—单风电场风机状态显示界面风机监控功能5-8故障报警汇总界面对于单台风机可实时监视风机的各项运行数据，包括：模拟量、状态、告警和故障等各种数据；能够对风机的各项运行数据进行分类查询：变桨系统、变流系统和机舱等分类进行显示；实现对风机的本地控制功能：能够对风机的启动、停止、复位、有功功率和无功功率进行控制。历史数据查询功能：能够对风机的历史实时数据、历史十分钟数据和历史日数据进行查询；能够对风机的历史故障数据进行查询。实时数据跟踪功能：能够以动态曲线的方式显示当前实时数据；需能够以动态曲线的方式显示多个实时数据，并能够进行比较。首先，风场风机出现故障后，会将故障数据实时传递至风场当地监控室和集控中心侧信息中心，集控中心侧对故障进行处理，按照故障严重程度对故障进行分级，并传送到集控中心主监控室进行报警和显示，主监控室监控人员对故障进行分析研究，最终确定故障处理办法并通知现场运维人员，指导运维人员进行维修。如图5-8所示为故障报警界面汇总显示。图5-8报警信息可以按照风场进行汇总显示，也可以以风机为单位进行显示。5-9单台风机监控界面图如图5-9为单风机状态显示界面，本界面将故障和风机运行数据进行联合显示，左侧为风机剖面图，列出风机号及发电量有功及风速，发电量有功及风速以曲线形式按时间来进行展现。右侧中部为风机运行参数及电网数据，以控制仪表盘的形式展示风速、发电机转速和叶轮转速，运行参数中还罗列了主要几项例如：机舱环境温度、齿轮箱油脂温度、齿轮箱的轴承温度、发电机及电机前、后轴承的温度和环境温度等。集控中心运行人员如发现温度超限，可以进行停机操作或通知现场维护人员进行相关检查工作电压、有功和功率因数等。右下侧主要罗列该风机故障名称及故障时间，主要用于辅助判断风机具体故障类型及故障原因，以便于更快的处理故障。本风机所有故障集中显示在右下角故障状态显示框中，其余部位为风机状态信息，基于本界面监控者可以更形象直观地观测到本风机的所有故障类型，并结合数据分析故障引起的原因，可以帮助更有效地寻找故障处理办法。右侧还有风机启动、停止和复位按钮，集控中心运行人员可以根据风机具体情况通过这些按钮实现远程操控。能量监控功能主要指有功功率控制AGC及无功电压控制AVC。当前是通过远程集控中心系统管控各风电场侧的AGCAVC，远期规划可以增添具备接收执行调度侧下发的目标控制或指令等功能。风电场子站来采集风电场功率控制子站相关运行信息并传递至远程集控中心。各风电场侧的电量计量系统继续保持不变，原风电场侧已有的计量远传输通道也将继续使用。风电场侧能采集到风场的计量类信息（安全二区至远程集控中心。图5-10AGC监控图，可以看到，最上面显示了目标有功、实际有功以及各风电场AGC相对应厂家的投入情况。5-10AGC监控图报表及分析模块报表及分析模块主要内容包括：发电量报表、故障报表和可利用率报表等，根据实际需要可进入报表模板选择界面自行勾选需要的内容。下图5-11为风电场报表实例图。5-11风电场月度报表左侧以风电场名称罗列显示，选择不同风电场可以查看导出不同时期的报表，报表包括有功功率、无功、发电量、风速和可利用率等多项数据。5-12故障报表故障报表见图5-12。故障统计风电场内所有风机故障相关信息、报警时间、故障小时和故障描述等。该故障报表不但可以显示所有风电场故障，且可以按时间划分显示、可以按故障类别显示也可以按风机线路显示，如图所示在画面上部可以自由选择要显示的类型及时间等等。报表和分析模块的功能有：数据查询功能支持对风电场风机各类历史运行数据的查询功能，根据实际需要可进入模板选择界面自行勾选需要的内容。分析功能系统分析功能包括四个部分：统计分析、数据对比分析、图表分析和风机故障实时告警。统计功能可实现下列统计：状态统计、故障统计、故障分类