刘　刚　笃　峻　金岩磊

（南瑞继保电气有限公司，南京　211111）



风电场远程监控中心关键技术探讨

刘刚笃峻金岩磊

（南瑞继保电气有限公司，南京211111）

针对目前传统风电场就地监控运营模式存在的问题，本文提出了建设风电场远程监控中心的技术方案。技术方案详细阐述了远程监控中心的系统架构、计算机及网络配置、应用功能等方面的内容。结合远程监控中心自身的技术特点，本文还介绍了不同制造商风机数据集成、风机高频海量数据存储和访问、风机数据挖掘等多项关键技术的应用。

风电场远程监控中心；风机监控；IEC 61400-25；时序数据库；数据挖掘

风力资源作为清洁、低碳、可持续的新型能源，在国家能源战略中的地位不断提升。风力发电因具有技术成熟、可靠性高、可较大规模利用等特点，日趋成为最具规模化开发条件和商业化发展前景的新能源发电方式之一。“十一五”规划以来，国内风电发展迅速，装机容量连年实现翻番，在内蒙古、黑龙江、吉林、河北等风力资源丰富的地区，风电装机容量更是超过了 100万 kW，形成大规模风力发电基地［1］。

随着风电在国家能源结构中的比例不断增大，对风电场自动化运营水平也提出了越来越高的要求，风电场监控成为风电大规模接入电网的关键技术问题［2］。传统风电场就地监控的运营模式已经不能满足用户的运行和管理需求，本文将重点探讨风电场远程监控中心的解决方案及相关的关键技术。

1　远程监控中心的必要性

随着风电场的大规模建设，传统就地监控的运营模式已经显露出许多弊端。主要表现为以下几个方面：

1）风电场一般建设在偏远地区，地理环境恶劣，运行维护困难，虽然当地设有运行值班人员，但运营成本较高，风电场实现无人值班和远程监控应该是今后发展的大趋势。

2）风电场一般分期建设，分批采购多家供应商的设备，尤其是风机，目前风机监控系统尚无统一的接入标准，各风机制造商配套的风机监控系统互不兼容，无法互联互通，风电场必须安装多套风机监控系统，同时要求运行人员也必须熟练掌握多家的风机监控产品，才能实现对不同厂家、不同类型的风机进行监控，造成维护困难。用户需要一套功能强大、性能稳定、通信开放的一体化监控系统。

3）传统的风电场一般只向上级电网调度上送升压站的电气量数据并接收电网调度对电气设备的控制，电网调度的管辖范围相对较小。随着风电场数目越来越多、装机容量越来越大，电网调度必须将风机也纳入其管辖范围。而对于一个地调或者省调，直接管理成百上千台风机显然不现实，这就需要增加一级管理中心即远程监控中心，各风电场运行数据经远程监控中心汇总处理后统一上送电网调度，远程监控中心同时接收电网调度的统一调度，接收诸如有功发电计划等调度指令，分配转发至各风电场执行。

4）发电公司在一个地区甚至全国拥有多家风电场，作为风电场的管理方，发电公司总部需要及时掌握所有风电场的运行数据，比较各风电场的发电量、可利用率、故障率等多项运行指标，从而为公司今后的运营决策提供可靠的数据支撑。远程监控中心为发电公司提供了一个分析决策的数据平台。

上述原因造成风电场传统就地监控的运营模式已经不能满足用户运行和管理的需求，越来越多的用户提出了建设风电场远程监控中心的愿望［3］。远程监控中心在传统的输配电领域已经司空见惯，但在风电领域还属于较新的技术应用。风电场远程监控中心相比传统的电力集控中心在技术实现的细节上具有其自身特点。

1）电力集控中心一般只需接入变电站的综自系统。而风电场远程监控中心需要接入的系统更多，如需接入风机监控、能量管理、风功率预测、视频监控、气象监测等系统，数据类型更复杂，集成难度更大。

2）电力集控中心一般只接收变电站的电气量数据，数据量有限，一般不会超过2000个点。而风电场远程监控中心需要接入风机数据，通信数据量更大。目前较小的风电场一般装有20～30台风机，对于大中型风电场，风机数量则多达上百台，对于风电场远程监控中心，接入的风机数量更是达到上千台。每台风机包括IO、告警、事件、参数等多种类型的数据，信息点数一般达到200～300个，全面反映了风机的运行状态。按照上述数据推算，一个风电场监控中心要接收和处理的数据量将达到数十万甚至数百万的数量级［4］。

3）风电场远程监控中心具备风电领域特有的数据模型和高级应用。风电场远程监控中心一般要求按风机对象建模。针对风电领域需要开发如风功率预测、风玫瑰图、风功率曲线等高级应用。面向电厂用户需要开发如停机时间分析、可利用率计算、损失电量计算等高级应用［5］。

由于上述特殊性，风电场远程监控中心还需要解决一些关键技术。

2　远程监控中心的系统架构

风电场远程监控中心的系统架构如图1所示。

图1　风电场远程监控中心系统架构图

在风电场侧，可通过通信规约转换装置接入升压站监控、风机监控、风功率预测、能量管理、在线监测、环境监测等子系统，并通过通信子站上送远程监控中心。考虑到视频数据流量较大，视频监控子系统建议单独组网，通过视频硬盘录像机（视频DVR）接入各路摄像机的模拟信号，转换压缩成数字信号后上送至远程监控中心。风电场与远程监控中心之间的通道建议配置 8～10M带宽，可分为4～5路2M通道使用，其中2路用于数据传输（可作主备通道），1路用于视频传输，1路用于IP电话传输，1路留作备用。

远程监控中心可分为以下若干子系统：

1）前置采集子系统。负责采集升压站、风机、风功率预测、能量管理、在线监测、环境监测等子系统上送的生产运行数据，并转发上层应用对风电场运行设备的控制命令。建议配置两台独立的、冗余的前置通信服务器来实现。配置独立的前置通信服务器具有如下优点：可以集中优势的硬件资源，提升接入数据的处理效率，增强风电场的接入能力；使得系统架构更加清晰与合理，便于以后系统的扩容与升级，当接入的风电场增加到一定数量时，可以通过增加前置通信服务器方便地完成系统的扩容；前置通信服务器配置独立的前置通信网络，与监控通信网络分开，类似网关设备，起到了网络隔离作用，使得对下通信不会影响上层应用。

2）运行监控子系统。配置两台冗余的实时数据库服务器负责实现实时数据处理功能。配置两台冗余的历史数据库服务器及磁盘阵列负责实现历史数据存储及统计功能。配置操作员工作站，作为远程监控中心监控系统的主要人机界面，用于图形及报表显示，事件记录及报警状态显示和查询，设备状态和参数的查询，防误操作指导，操作控制命令的解释和下达等，运行人员可通过操作员工作站对风电场全部电气设备进行运行监测和操作控制。另外，配置维护工程师站，供系统管理人员进行系统维护，可进行系统配置数据库的定值修改、系统组态图形的定义修改、报表的制作修改及网络维护、系统诊断等。

3）高级应用子系统。配置若干台服务器，运行远程监控中心的高级应用功能，如风功率预测、能量管理、在线监测、环境监测等。目前每个风电场一般都会要求安装风功率预测系统，并向上级电网调度上送短期及超短期功率预测的结果。远程监控中心的风功率预测应用需要考虑整合各风电场上送的功率预测结果并进行统一集中展示，使监控中心的用户能够全面掌握各风电场未来的发电情况，便于制定发电及检修计划。能量管理应用可通过远动机从上级电网调度接收发电计划，并根据各风电场的风功率预测结果及各风电场的实际运行状况，统一分配各风电场的发电份额，合理调节各风电场风机的投、退或限功率运行，以提高整个发电公司的运行效率及风电设备的使用周期。在线监测应用可集中处理风机的电气状态、绝缘状态、温湿度、振动、摆动、窜动、噪声等相关数据，并进行专业分析，给出风机健康状态的评估报告及检修建议，实现风机的状态检修。通过长期运行数据的积累，还能给出各制造商风机质量的评估报告，为今后的设备采购提供参考依据。环境监测应用实现气象、消防、安防等辅助系统数据的统一接入，除提供对各风电场的全面监视和控制功能外，各辅助系统之间应能够实现一定程度的联动。

4）Web发布子系统。配置2台冗余的Web应用服务器，负责向办公网用户提供对风电场运行数据的浏览和查询服务，用户只需通过浏览器便可随时了解和掌握各风电场的运行状况。另外，可配置MIS应用服务器，可与业主的生产管理信息系统实现对接，如远程监控系统可以直接读取生产管理信息系统中的设备台帐数据，用于建立自己的设备数据库，并可以向生产管理信息系统传输设备的运行、缺陷、检修等在线数据。可以通过多种技术方案来实现远程监控系统与生产管理信息系统之间的集成，如通过Web页面框架的集成、通过商业数据库之间的数据同步、通过WebService分布式应用开发技术等。

5）视频监控子系统。配置视频工作站、视频解码器、通道切换器、图像拼接器、液晶大屏幕电视墙等设备，实现将各风电场上送的多路视频数据经过解压、拼接后在液晶大屏幕电视墙上显示，并可向各风电场下达控制命令，直接控制各个前端的摄像机，实现摄像头的定位、旋转、对焦等。

远程监控中心内网采用冗余双星型以太网结构。考虑到电力系统二次安全分区的要求，监控中心内网分为两个网段：运行监控网络和运行管理网络。运行监控网络配置运行监控、高级应用等生产运行系统；运行管理网络配置Web发布等生产管理系统。不同网段之间配置隔离装置实现有效隔离。外部网络通过防火墙与监控中心运行管理网络连接，实现对外网用户访问Web服务的有效隔离，保证了监控中心内网的安全性。另外，建议配置独立的前置通信网络，通过前置通信服务器实现与监控中心内网的有效隔离，保证了对下通信网络不会影响监控中心内网。

3　远程监控中心的关键技术

风电场远程监控中心相比传统的电力集控中心具有其自身的特点，还有一些关键技术有待解决。

1）不同制造商风机的数据集成。远程监控中心下属多家风电场，不可避免地会安装不同厂家、不同型号的风机。要实现对各厂家风机的统一监控、统一维护和统一管理，必须要统一各家风机的模型和规约。目前，各风机厂家均通过提供与自己风机配套的专用的风机监控系统来实现监控，而各家风机监控系统之间互不兼容。要实现各家风机监控系统之间的集成，必须通过规约转换装置进行模型和规约的转换，而这种转换制约了通信的流量和速率，大大增加了工作量和维护成本。为解决这个问题，国际电工委员会（IEC）早在2006年就制定发布了IEC 61400-25标准［6］，该标准是IEC 61850标准在风电领域的延伸，专门面向风电场风机监控系统的通信，旨在实现风电场中不同制造厂家设备之间的自由通信。通过对风电场信息进行抽象化、模型化、标准化，实现各设备之间的相互通信，使各设备之间具有互联性、互操作性和可扩展性［7］。但从目前的工程实践来看，国内能够真正按照IEC 61400-25标准建模和通信的风机几乎没有。这需要风机及监控系统厂家的共同努力，基于IEC 61400-25标准尽快制定符合国内技术条件现状的风机应用模型和工程实施规范，并指导风电场监控系统及风电场远程监控中心的建设［8］。

2）风机高频海量数据的存储和访问。一个风电场监控中心要接收和处理的数据量将达到数十万甚至数百万数量级，数据采样周期最快的达到秒级甚至毫秒级［9］。如此高频、海量的数据对存储空间和存取速度都提出了极高的要求。目前可采用时序数据库技术来解决。时序数据库采用数据压缩和过滤技术，数据经过有效压缩，可极大地节省存储空间，如按每秒1万点数据存储1年来计算，一般仅需要4GB左右的磁盘空间，即一只普通硬盘也可存储五到十年的数据。另外，时序数据库单节点的数据存储能力可达到10～15万点/s，数据访问能力可达到100万点/s，并可以在秒级时间内取到1000个点2～3年的历史数据。如果采用高端服务器或者服务器集群，甚至能够达到1000万/s的数据处理能力。可见，时序数据库可以很好地满足高频、海量数据对存储空间和存取速度的要求［3］。

3）风机数据的挖掘和分析。上述对风机数据的采集和处理仅仅是第一步，对于用户来说，更重要的是将海量数据经过筛选、整理、分析、统计后给出有助于风电场运行和管理的各类指标数据，如自然特性指标：平均风速、平均温度、平均空气密度、平均风功率密度、有效风速小时数等；可靠性指标：风机可利用率、风电场可用系数等；电能指标：发电量、上网电量、购网电量、等效满负荷发电小时数、容量系数、设备平均利用小时等；耗损指标：场用电量、综合场用电量、场用电率、综合场用电率、场损率；运维能力指标：风能利用提高率等。以上指标的计算需要基于丰富的风电场运营和管理知识及经验，并熟悉各厂家风机的物理特性和数据模型。以用户最为看重的风机可利用率指标为例，就需要考虑到风电场各个利益相关者的需求，对于风电场业主，风电场开发商、风机供应商、风电场投资方可能需要计算不同的可利用率，计算时需要考虑电网限电停机、风速越限停机、风机故障停机、风机检修停机等多种情况［10］。目前国外有一些专业的风电软件产品可以实现上述复杂的数据挖掘和分析功能，但受其昂贵的价格以及无法二次开发与定制的限制，不能满足国内用户的需求。国内的一些专业厂家也已经开始这方面产品的研制工作，但要达到国外产品的成熟水平，还有待时日。

4　结论

综上所述，风电场远程监控中心应该是未来风力发电运营管理模式的发展趋势。风电场远程监控中心在系统集成、数据优化、管理绩效、运营成本等方面都具有较大的优势，很好地满足了未来用户在风电场运行和管理上的需求。随着上述关键技术的不断发展，风电场远程监控中心必将在风电监控领域得到越来越广泛的应用。

［1］ 王小海，齐军，侯佑华，等. 内蒙古电网大规模风电并网运行分析和发展思路［J］. 电力系统自动化，2011，35（22）︰90-96，146.

［2］ 白永祥，房大中，侯佑华，等. 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，2010，30（11）︰6-9.

［3］ 张向锋，王致杰，刘天羽. 一种风力发电远程监控系统的研究［J］. 电气技术，2009（8）︰47-50.

［4］ 黄军高，王首顶，凌强，等. 时间序列数据库在地区电网调控一体化系统中的应用［J］. 电力系统自动化，2011，35（23）︰107-111.

［5］ 陈兵，李俊娥，聂剑平，等. 电厂实时监控信息系统的设计与应用［J］. 电力系统自动化，2003，27（8）︰81-83.

［6］ IEC 61400-25. Wind turbines︰Part 25 information and information exchange for wind power plants［S］. 2006.

［7］ 蔡忠勇，荆超. 风力发电厂监控通信原理及模型——IEC 61400-25标准介绍［J］. 电力系统通信，2008，29（4）︰59-65.

［8］ 贺韬，李卫. 风力发电场监控通讯标准 IEC 61400-25及其设计思路［J］. 电网与清洁能源，2009，25（8）︰45-49.

［9］ 佘慎思，杨文斌，李春. 风力发电场SCADA系统的设计［J］. 上海电气技术，2010，3（3）︰39-42.

［10］ 倪璐佳，官云，胡汉梅. 风力发电场经济运行研究［J］. 电气技术，2009（8）︰38-42.

Research on the Remote Monitoring Center of Wind Power Plant

Liu Gang Du Jun Jin Yanlei
（NARI-Relays Electric Co. Ltd.，Nanjing211111）

Aiming at the problems of local monitoring operating mode in traditional wind power plant，this paper proposes the solution for remote monitoring center. The solution describes in detail system architecture，computer and network configuration and advanced application for remote monitoring center. Combined with the technology characteristics of remote monitoring center，this paper also describes a number of critical technologies，such as product data integration from different manufacturers，high-frequency and massive data storage and access，data mining and analysis.

remote monitoring center of wind power plant； wind power monitoring； IEC 61400-25；time sequence database； data mining

刘刚（1978-），男，江苏赣榆人，本科，工程师，从事电力系统保护控制系统的研究和设计工作。