风电场智能化远程监控管理系统研究与设计.docx
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风电场智能化远程监控管理系统研究与设计
丛智慧，张明杰
（生产技术部）
摘要：
伴随赤峰公司的快速发展，公司各项工作逐步在完善，同时也发现了重复性的工作较多，表现在人员信息和风场数据在不同部门之间统计出的报表是不一样的，导致对风电场的管理带来了一定的麻烦，因此赤峰公司设计并开发了风电场智能化管理系统。
该系统根据按照“统一规划、统一标准、统一平台、统一数据库、资源共享、安全保密”的建设原则采用了B/S架构，设计内容包括了风电场日常管理的全部内容。
该系统最大的特点是兼容了不同厂家的不同机型和不同的变电站设备，把多个风机控制系统集成到该系统中，可以对风机和变电站进行监控、操作、分析，并且该系统采集到了风电场所有数据，可以提供以公司为单位的各种数据，减少了人工计算报表的工作量，有效的提高了工作效率，创造了不可估计的经济效益。
关键字：
远程监控；方案设计；框架结构；智能化管理
0前言
赤峰公司在风电管理中不断总结经验和开拓创新，因此需要设计出一套适合风电场运行的监控管理软件，该软件提出的理念是集成一体化。
目前的现状，截止目前还没有一套成形的风电一体化智能管理系统，风电场实际存在的问题如下：
（1）风场数据需要上报各部门相关数据（已有系统对其他部门所需的数据不能提供），然而每个部门所需要的数据都是基础数据，每个部门都需要相应的报表，增加了风电场运行人员的工作量。
（2）网络结构更加复杂，以前的集控中心多套管理系统需要从每个风场采集数据，然而这些系统采集的数据很多是重复的，导致风电场通过网络上传到公司的数据量较大，严重影响了网络速度。
也导致网络的错综复杂，不易维护，并增加了系统的不稳定性。
（3）风电实际运行中的管理系统比较多，不同的系统有不同的架构、不同的设计理念和不同的实现方法，导致管理起来比较复杂。
（4）每套系统都需要配套的软硬件，无形中增加了很多设备，导致增加了维护成本和资源的浪费，并且还需要为这些设备提供摆放的空间。
（5）厂家提供风机监控系统是不具备兼容监控其他厂家风机，导致想要实现“集中监控，少人值守”就必须在集控室需要摆放能同时监控每个风电场的监控系统，并且需要提供监控人员，这样就会和实现“集中监控，少人值守”的管理理念相违背。
在实际管理过程中，风电管理者也发现了这些问题，也体会到了问题的重要性，目前由于外送电网的影响，风电场建设的速度有所缓慢，被核准的项目越来越少，管理者下一步将会考虑提高企业的生存能力和自我实力，将会加大对风电场现场的监管力度，因此一套风电场智能化远程监控管理系统必将是风电企业必走之路，也将会大量的投入人力和财力在科技管理上，特别会重视该套系统的研发。
1系统的架构
目前赤峰公司下有九家风电场，各风电场都分布在赤峰市北部偏僻的地区，离公司本部较远，对风电场的管理带来了很大的困扰。
真正开发一套风电场智能化远程监控管理系统也将会面临复杂的网络结构，该网络结构的维护性也是技术上需要挑战的，因为该套系统是是要求实时性、准确性和稳定性，数据采集点比较多，数据量比较大。
风电场智能化远程监控管理系统按照“统一规划、统一标准、统一平台、统一数据库、资源共享、安全保密”的建设原则开展相关工作，确保整个项目的建设过程和结果与项目总体规划的一致性，从而有序的、逐步推进风电企业的运营管理和信息化建设工程。
同样系统也应该具有“系统性、先进性、灵活性、规范性、实用性、集成性、开放性、安全性”，可见对该系统的要求是相当的高，主要是考虑到风电系统的安全稳定运行，为让它能在所有资源中占据更重要的地位。
该系统需要采用B/S结构，也就是浏览器/服务器模式，该结构具有的正适合风电企业目前的状况，具体优点是：
分布性广、灵活方便，维护简单方便，开发简单、共享性高，业务扩展简单。
2系统的功能介绍
2.1系统功能简介
根据在实际中总结的风电业务和需求，我们把该系统的功能分为6层，每个层都具有一定的安全性要求，这也是符合电力生产的要求，针对结构层中的重点部分设计如下：
（1）实时监控：
风功率预测、预警（风机）、报警（变电站设备和风机）、监视（风电场一次系统图监控和风机监控、风机列表和变电站一次设备列表、视频管理（监控变电站视频和监控风机视频））、控制（变电站设备和风机）、振动检测（风机）。
（2）生产管理：
短信平台、工作票管理、交接班管理、调度管理（AGC控制管理、调度电话、调度任务计划）、指标考核管理（发电量计划和实际发电量对标）、人员档案管理、倒班管理（正常倒班管理、调班管理、请假管理）。
（3）公司管理：
考勤管理、科技管理、评价管理、培训管理、设备管理、人员管理。
（4）设备管理：
风机相关设备管理（风机变、风机基础、风机设备）、变电站设备、线路设备、风电场设备（标识牌、路标等）、设备更换记录、设备维护记录、备件台账、设备定检分析、使用寿命分析。
（5）系统管理：
用户权限、用户管理、基础数据管理（风电场基本信息、人员基本信息、变电站基本信息、风机基本信息、线路基本信息，重点是建立在它们之间的关系）、网络诊断、用户信息提示。
（6）报表功能：
常用报表、趋势图表、启停记录编辑功能、查看实时数据报表、灵活报表（该功能可以实现用户自己设计报表格式和数据的来源）、对标分析报表、报表补充数据功能（由于网络或者程序原因导致某段时间的数据没有采集上来，就需要人工或者程序自动补充数据）以及根据数据形成的各分析报告等。
根据上述的总结和分析，并通过实际运行中的需求，把该系统的概要功能图绘制如下：
图1风电场智能化远程监控管理系统功能结构图
由于该系统的功能比较多，其中最为重要的是底层数据层的四个数据源（风机数据、变电站数据、线路数据、人员基本信息），每个数据源都有自己的一套业务逻辑，并且相互之间会有交集，构成了复杂的管理系统的业务逻辑，在此对人员的管理的业务流程进行了概要介绍，具体如下图：
图2员工管理功能模块部分逻辑图
2.2系统在安全生产中的管理
该套软件是为了实现公司的“集中监控，少人值守”模式的软化管理，集控中心人员通过该系统对风电场的实时情况进行掌握，及时掌握数据并汇总汇报给相关部门或领导。
起到了优化管理，提高效率的作用。
目前国内的生产管理软件都存在非智能化、模块化，只能实现部分功能，导致同一项数据人工输入系统很多次，各系统之间的数据不能共享，然而该系统的避免了该情况的发生，真正的做到系统数据一致性。
系统的安全生产管理是：
（1）值班员对该系统进行监视。
然而系统的设计为了减少值班员的工作强度，把九家风电场的监控系统整合到一起，并且把变电站、风机和线路的监视进行了集成，当有故障发生时，系统会产生报警，通过报警级别的设置会发出不同的声音，能第一时间反馈给值班员。
（2）值班员每天定时会对该系统的网络和硬件设备进行巡检，保证设备能正常稳定的运行。
每月会对服务器运行情况进行测试。
（3）当有故障发生时，值班员会根据报警信息进行处理，如有需要回报的情况，导出相关数据，编辑成短信发送给相关领导。
如需要对风机启停，直接操作便可以。
如需要对风电场限制负荷，直接输入风电场负荷限制值便可以，系统会根据风电场工期的风机健康情况进行分析后进行合理的分配。
（4）系统的每步操作都会留有操作痕迹，存储到数据库中，并且对风机和变电站进行任何操作都需要有安全密码和确认提示，有效地保障了操作的正确性。
（5）为了数据的保密和用户使用方面，系统设置了不同的角色和不同的皮肤，可以自己定制某个用户登录后的显示效果，并且每个角色具有不同的操作权限，例如：
高级用户可以对风机和变电站进行操作，可以对报表进行查看，一般用户只可以查看报表和风机、变电站实时数据。
（6）为了保证数据的完整性，系统还特意设计的智能补充数据的办法，避免因为风电场到集控中心之间的网络出现问后缺少数据。
3系统研发的技术点
该套系统具有一定的技术难度，在研发的过程中需要解决的技术点也比较多，针对实际情况总结到的技术关键点该文章只做特殊需求方面的介绍，具体如下：
3.1网络结构设计
通过以上的需求和赤峰公司目前的网络现状，本方案提出以赤峰市为核心节点，通过E1专线连接赤峰市各地风电场。
为了保证链路的冗余，建议采用两条E1线路（一条为电力专用的E1线路，另一条为运营商的E1线路），为了保证设备的冗余建议采用两台路由器，两台路由器之间不是一个主，一个备的关系（采用一主，一备的模式，其中一台路由器是处于standby状态，不用于数据传输，只有当主路由器宕机后，备机才接管业务进行数据传输，这样设备的利用率比较低），而是两台路由器都是主-主的关系，就是说两台路由器都可以用数据的传输，不设置为双机热备模式，各走各的路由，当线路或者线路出现故障时，会自动切换到另一台路由器上，这样设备利用率比较高，设备和线路又能互相冗余备份。
3.2OPCClient的开发
底层程序兼容性：
该部分首先需要兼容MODBUS和OPC的传输协议。
在实际情况中很多风机厂家是给开发了OPC协议，但是有部分风机厂家由于对OPC协议的开发技术不够成熟，他们建议采用MODBUS协议来开发，能够保证数据的稳定和准确性[1]。
延时上传：
该功能的开发是为了保证赤峰公司的数据完整性，在发生网络异常或程序异常时，数据能缓存在风电场前置机内，等待网络通信正常或程序正常时，把缓存数据上传到赤峰公司。
该功能的重点工作是验证数据上传情况。
具体的开发流程为[2]：
（1）检验网络情况；
（2）数据库情况；
（3）如果上述都正常，就需要读取缓存文件；
（4）连接到历史数据库服务器和内网web服务器；
（5）上传数据；
（6）如果失败，仍缓存到缓存文件中，等待下一次的上传。
数据处理：
从OPCServer读取上数据后，底层程序需要首先对该数据进行预处理工作，所谓预处理就是把无效的数据进行过滤。
产生无效数据的原因有：
（1）采集点设备故障；
（2）风机的PLC存在问题；
（3）网络通信的不正常，导致采集某时刻的某个数据点不正确；
（4）OPCServer采集质量为bad；
根据在实际情况中的应用本系统特别对风速、功率和无效数据进行了处理。
对于风速根据赤峰地区的实际情况进行了过滤处理，有效数据范围，超过该范围的值就认为是无效数据，并记录该值，用于后期数据分析使用，在无效数据中进行筛选，主要是排除因为数据点传输过程中产生的错数据（例如：
有些时候风速仪故障会采集到-9999m/s），在OPCClient接收数据的时候直接删除掉。
对于功率的有效数据范围是负的风机额定功率到两倍风机额定功率。
对于无效数据就是把OPCServer中质量为bad的数据点的数据删除掉。
目前风机采集到的点最为重要的就是风速和功率，所以为了保证该数据的准确性，在底层就将有效数据采集到，无效数据过滤掉，在系统分析数据的事情，不至于因为两个错误数据影响对数据的判断。
采集点的处理：
目前每个风机具有不同的测点，给我公司开放的测点数量也是各不一样，有的开发比较多有的开发比较少，多的有120个测点，少的有30个测点。
目前赤峰公司的745台风机的数据采集到赤峰公司，在天仁数据库中汇总的风机数据点和变电站数据点共计有四万六千多个点。
然而结合目前监控系统开发的情况看，目前使用风机的点位不超过十个，其中最为重要的是风速、功率、故障码、状态码、计数器等，然而目前接入的每个风机至少30个点是远远超过几个重要点位的数量，因此应该在底层接口程序中设计灵活设置，可以配置所需要的点位的采集。
厂家的OPCServer可以开发多个点位，但是如果目前系统使用不到，在OPCClient中就不进行设置，也就是不进行数据采集，这样可以优化有效数据，并且保证传输数据量的大小，提高网络传输的速度，提供数据的实时、准确、稳定。
3.3数据库的开发
目前该实时数据库的主要作用是采集九家风电场的实时数据，用于实时缓存数据并把数据显示到监控界面中,不存储到历史数据库中。
该部分开发的技术难点是要保证数据的实时性，要快速、准确，以及对内存的及时处理，具有一定的技术难度。
数据优化[3]是处理数据的最有效方式，主要步骤如下：
（1）改变采集频率。
（2）合理设置数据类型。
（3）采用压缩上传方式，也就是设置一个数值的偏移量，在该范围内的数据认为不变化。
（4）采用不变化的数据不上传的方式。
3.4备用电源以及时间同步设计
为了保证各系统正常稳定运行，不会因为集控、风电场侧的网络和硬件设备无电导致的数据无法上传情况，因此采用备用电源的方式来稳定的提供电源。
保证提供对系统设备24小时供电。
GPS时间同步服务器是针对计算机、自动化装置等进行校时而研发的高科技产品，时间同步服务器从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信号通过各种接口传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以达到整个系统的时间同步。
3.5系统管理功能设计
目前该系统的用户权限分为：
系统管理员、公司领导、部门负责人、专项负责人、集控负责人、集控操作员、风电场负责人、风电场操作员、一般用户。
每个权限角色都具有不同的操作。
并且该系统应该具备角色和皮肤相互搭配的功能，有效地为系统管理者提供方便。
系统操作分为：
增加、修改、删除、操作（风机、变电站一、二次设备）、查看几个级别操作。
其中增加、修改、删除分别针对的是系统用户、风电场及设备、人员。
系统管理应具有：
灵活增加风电场或者设备的功能，灵活的报警级别设置。
3.6报表逻辑设计
灵活的设计报表[4]是该系统开发的重点，也就是说报表应该具备系统管理者自己设置报表格式和数据源。
并且也应具有补数据的功能，一旦传输数据的每个环节出现问题，报表就会在底层上传没有上传上来的数据。
报表的设计逻辑：
应该在前置机上采集到数据发送到数据库中，一部分用于实时数据展示，一部分用于存储到数据库中作为历史数据，以便后期对数据的查询和报表的使用，然而数据库重点是对数据的存储，该数据量比较大。
数据存储到实时数据库中后，通过存储过程和任务来对数据进行处理，保存到相关数据表中，需要另建立一个关系数据库，用于对每日凌晨把昨天各计算的数据进行相关存储，并该关系数据库存储计算后的数据，为报表提供直接数据，在报表查询时无需再经过计算，减小报表访问时的压力，提高报表访问速度。
另外关系数据库还用于用户的信息和相关基础信息的存储。
3.7网络安全设计
对于网络安全设置，该系统符合了电力系统的要求。
对电力调度数据网各运行系统做安全区等级化分以及等级保护定级，并于相关安全机构备案。
对于该套系统应该合理规划网络，具体的网络层次是采用了目前使用的网络结构，具体如下图：
图3风电场监控系统网络图
设备连接也是按照电力行业的标准进行了相关设备的连接，并采用了隔离网闸进行了安全防护。
下图为安全防护网内的设备连接图，该网络是和公司网络进行了隔离，本文只介绍安全网络内部设备连接结构。
图4网络拓扑图以及设备连接图
对于系统安全设置，本网络架构虽然不涉及集团侧控制，但需配置正向隔离装置隔离风机控制系统、变电站控制系统与分子公司实时历史数据库系统，只允许控制系统接口设备向数据库系统发送数据，实现信息的单方向传输，以保证生产控制系统的安全。
4实际应用中的总结
赤峰公司自从2010年进行多次调研，规划并设计了该套系统，经过一年多的研发、测试和调试，与电网公司多次协调，系统已经在2012年7月在赤峰公司集控中心部署，该系统实现了东山风场、道德风场、查干哈达风场的“集中监控、少人值守”，三家风场的值班人员部分被调到集控中心，部分人员调到检修班，通过预警提前分析出风机故障、及时对风机的启停控制、有效的调节负荷、人员的培训和考核、现场人员交通费的减少等为公司节省一大部分生产费用的开销，并创造了更高的经济效益。
该系统实现的目标是形成一体化管理，建立起人员与人员、人员与设备、设备与设备的相互关系[5]。
风电的不断发展，风电企业的风电场数量不断的增加，管理问题也逐渐慢慢出现，目前国内还没有一套远程监控系统实现对多种机型的多个风电场进行智能一体化监控管理。
正在这样的形式下，一套风电场智能化远程监控管理系统必将受到管理者的青睐，使用该系统可以推进风电场执行“集控监控，少人值守”的管理模式，它不仅可以提供管理者对风电场监管的便利，可以减少值班人员的数量，还可以减少值班人员的工作强度，并可以为运行人员提供良好的工作环境和工作上的方便。
用信息化管理方式取代纸版化和人工操作的管理模式，有效提高管理效率，为企业创造更多的社会效益，也会无形中提高企业的知名度，增加企业的核心竞争力。
[参考文献]
[1]王德康，苏宏业，褚健.基于OPC技术的先进控制软件设计与研究[J].化工自动化及仪表，2000，27（4）.
[2]任志考，魏志强.实时视频传输系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2007（11）:
26-29.[8].
[3]白永祥，房大中，侯佑华，贺旭伟，朱长胜.调度中心大规模风电场实时在线监控系统[J].电力自动化设备，2010,3（11）.
[4]段斌，邹吉昌，苏永新，朱洁琼.风电场监控软件集成服务模型设计与应用[J].电力系统自动化，2008,32（10）.
[5]宋晓萍,廖明夫.基于Internet的风电场SCADA系统框架设计[J].电力系统自动化,2006,30（17）:
89-93.
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