基于物联网的风电SCADA系统架构研究

2013-02-05杜名欣于林韬

长春大学学报 2013年2期

杜名欣，于林韬

(长春理工大学电子信息工程学院，长春 130022)

0 引言

作为可再生能源代表在我国迅速发展的风力发电，如今进入了整个行业发展的低谷。究其原因是由于风电机组适应电网电压波动的要求有限，电网传输消纳能力不足。如何能有效的控制大规模风电机组并网以适应电网的要求，解决风电并网的技术难题?将风电加入智能电网已经被认可是解决并网难题的一种方法。智能电网拥有先进的传感和测量、传输和控制方法，从而大大增强电网的可控性，实现风电安全可靠且高效的并网。然而随着风电加入智能电网，作为风力发电重要组成部分的SCADA系统必然存在一定的局限，不能满足智能电网发展的要求。本文考察了国内风电行业SCADA系统的应用情况，并参照相应领域所采用的实用技术，设计了基于物联网的风电SCADA系统，来满足智能电网的发展要求。

1 系统概念

1.1 物联网

物联网IOT(Internet Of Things)功能特征是全面感知信息、可靠传递信息和智能处理信息，以实现对物体实施智能化的控制与管理［1］。物联网与智能电网的相互渗透和深度融合是信息通信技术发展到一定阶段的必然结果。由于风电场的出力具有随机性，当大规模的风电场接入电网系统时，利用物联网技术在机组内部布置传感监测点，了解机组运行情况，从而提高机组状态监测水平。

物联网主要分为感知层、网络层和应用服务层三层基本架构。感知层主要通过传感器、射频识别等技术手段实现各种数据量的采集;网络层实现各种网络的接入;应用层主要采用智能计算、模式识别等技术实现物联网在各个领域中的应用。

1.2 SCADA 系统

风电SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制)系统是由计算机与网络技术作为支撑，通过对现场机组数据采集和数据分析，实现风电场全系统风机监控、报警、信息共享和故障诊断及维护。

面向智能电网的风电SCADA系统除具有风电SCADA系统本身具有的远距离实时数据可靠传输外，还要求能够非常准确的反映电网的真实运行状况，非常敏锐的获取电网运行状态，实现电网故障信息的汇总、分析和判断功能，对影响到电网运行的信息有非常全面及时的获取手段，对于电网的运行状态的变化能及时做出正确的反映。

2 基于物联网的风电SCADA系统构架

本文依据目前运行比较成熟的基于Internet的风电SCADA系统架构，整个系统由远程测控终端RTU(Remote Terminal Unit)、通信网络和监控中心分别组成感知层、网络层、应用层(图1)。

图1 基于物联网的风电SCADA系统拓扑结构图

2.1 感知层

远程测控终端RTU主要完成风机PLC数据提取，将设置在风机、变电站、测风塔、气象站等前端的各类智能传感器中信息进行接入采集以及通过备用数字I/O和模拟I/O输出信号和接入信号，并接收监控中心的数据传输指令和管理配置指令，完成数据传输和控制任务。此外，还需要对终端加设状态监测点。使用智能电子设备以及其他分析工具对关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，对整个系统的状态进行评估，如灵活的控制风电场的有功、无功功率，保证电网及风电的安全稳定运行。

测控终端RTU之间的相互通信，采用物联网中技术中的无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)，采用2.4 GHz免费通信频段的ZigBee技术。Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，其通讯距离从标准的75 m到数百米，乃至数千米，并且支持无限扩展［2］。相对于其他通讯技术具有应用简单、可靠性高及可支持节点无限扩展，便于系统规模扩大组网能力强等特点，弥补了无线通信市场上低成本、低功耗设备领域的空缺。从而可以避免由于风电地理位置的影响和投资成本的限制，造成的有线网络测控铺设难、造价高、维护困难、功耗大等问题。

ZigBee传感器网络无线传输系统结构如图2所示。该系统由传感器节点、Zigbee路由节点和协调器3部分组成树型的分层网络结构。终端传感器节点进行数据采集，并将采集的风速、风向、温湿度和大气压力等信息通过Zigbee无线通信方式上传至路由节点，路由节点再将数据送至协调器汇总，协调器通过网络使得远端中央监控系统机能够获知现场数据。

图2 ZigBee传感器网络无线传输系统结构图

2.2 网络层

风电场监控系统和远程中心监控系统的通信就是构建于现有的Internet公众网资源和VPN虚拟网络。Internet拥有世界范围的平台，可以使所有风电场的网络通信具有同一标准;为了保证系统的安全性，采用VPN技术，VPN是在Internet上临时建立的安全专用虚拟网络，无需租用专线路，而是依靠Internet服务提供商在Internet公众网中建立专用的数据传输通道，构成一个逻辑网络，在数据安全性方面，因VPN技术对所有的数据流量均经过加密和压缩后才在网络中传输，这就给用户信息提供了一定安全性保证［3］。

ZigBee技术接入到Internet网络中是通过内部集成嵌入式TCP/IP协议栈的网关来实现的，可以通过配置实现互联网的访问，特殊长距离的，也可由以太网作为有线的骨干网，在合适位置接出ZigBee以太网网关。

2.3 应用层

风机中央监控系统及远程监控系统是风电SCADA系统的核心，承担着对SCADA系统进行管理、集中数据处理、监控和数据交换控制等功能［4］。采用先进的B/S结构，即Browser/Server(浏览器/服务器)结构。这种结构主要是利用了不断成熟的WWW浏览器技术，在用户端不用再安装任何软件，只要能上Internet随时可以查阅风机实时的数据资料。

风电场在运行管理过程中需要存储和分析大量的数据，这些数据包括:风机运行、风机故障、物资管理等大量数据。当前这些大量的风电场运行数据资源由于缺乏有效的分析处理方法和手段没有得到充分的开发和利用，数据中心数据存储在满足网络功能要求的前提下，采用云存储概念，用云终端简化操作员站与管理员站的硬件设备，提高系统的安全性、可靠性，并可根据智能电网的要求进行功能扩展如经济评估功能，根据售电量、电网损失的电量、风电场消耗的电量计算出风电场的经济效益等。