基于西门子WinCC_OA的风电场SCADA系统设计及应用

文 | 乔孟磊，韦永清

基于西门子WinCC_OA的风电场SCADA系统设计及应用

文 | 乔孟磊，韦永清

大型风电机组常安装于偏僻边远的地区，如丘陵、草原、近海、戈壁滩和山区，当地往往气候恶劣，环境复杂，且风电机组分布面积较大。一个标准化的风电场一般拥有风电机组几十台至几百台不等，并且每台风电机组都有非常复杂的结构，机组的设计、结构和运行发电过程涉及到材料、机械、电气、空气动力、流体等学科，因此，如何来监控风电机组的运行情况显得非常重要。风电场SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统实现了对风电机组的单机独立控制、多机群控和遥控等远程监控和实时报警功能，完全可以做到无人值守，安全运行，保护措施也更加完善。

本系统根据风电场的需求，结合IEC（International Electrotechnical Commission）中对风电场的设计要求，从结构、功能和特点三个方面介绍了SCADA系统，并通过该系统在风电场的实际应用举例，证明了该系统具有稳定、可靠、高效的特性，完全能够满足风电场运行、维护的需要。

风电场SCADA系统总体结构

SCADA系统是以西门子WinCC_ OA为开发环境，以计算机为运行环境的生产过程控制，可以实现对风电场机组的监控、报表、故障报警提醒和

一、服务器结构

该系统采用类似冗余系统的结构，对系统中的服务器分配不同的功能，从而保证了系统更高的可靠性。项目服务器的主要功能是实时采集风电机组的运行数据，把采集到的数据经过程序内部的处理，在监控画面上直观地显示风电机组的状态和变量变化。数据库服务器的主要功能是把项目风电机组的运行数据存储在数据库中，当操作人员需要显示趋势图时，数据库服务器会把数据处理完成后显示在监控画面上。转发服务器的主要功能是作为中转服务器，把风电机组的运行数据通过协商好的通讯协议转发给第三方厂家或者设备。如图1中的远程监控系统就是通过转发服务器获取风电机组的数据。

二、客户端结构

客户端主要包括两个UI（User Interface）监控画面和一个手机客户端画面，三个画面相互独立，可以放置在风电场的不同位置。客户端与服务器之间建立一条数据交换的通道，从而使得客户端可以向服务器发送指令，控制服务器完成特定的工作，客户端只是负责发送指令和显示SCADA系统界面，当操作人员需要查看风电机组的运行数据和操作风电机组时，只需要对客户端进行操作即可完成所需功能。客户端结构中还支持手机客户趋势等功能。

风电场的装机容量越大，对该地区的电力系统的影响也越大，电力系统为了保证其电网的稳定性和长久性，需要对其电网下的风电场进行监视与控制。风电场中的风电机组发出的电量不仅需要能满足电网对电量的要求，还要按照电网的要求进行投产或者停产，故风电场SCADA系统应具备以下技术特点：

（一）远距离通信能力强。由于机组与机组、机组与主控中心的距离比较远，需要使用通信能力强的介质来确保相互之间通信的稳定性和实时性。

（二）可靠性高。系统所采集、传输的数据和下发的控制命令要具有高的可靠性，对保证机组正常运行具有至关重要的作用。

（三）实时性强。由于风电机组受自然条件影响较大，需要能迅速地按照电力调度的要求进行投产和停产。

（四）经济性。风电场SCADA系统通过接受电网调度的指令，并合理地利用风能资源从而提高风电场的发电量。系统的报警功能能在设备出现故障前及时提醒操作人员，减少了因设备出现问题而带来的经济损失。

风电场SCADA软硬件系统分为项目客户端、项目服务器、数据库服务器、数据转发服务器、远程遥控客户端五个部分。端功能，当操作人员通过手机用户登录并连接到服务器时就能操作服务器，方便操作，人员不在主控中心时也能监视和操作风电机组。

三、风电场SCADA系统通信结构

风电场SCADA监控系统一般包括下位机（塔底机组控制器）、通信线路、光纤交换机、以太网交换机、上位服务器和客户端等部分，由于风电机组与风电机组、风电机组和主控中心的距离都较远，为了保证数据传输的实时性和可靠性，需选用传输距离较远的通信介质光纤。服务器与客户端之间属于主控中心内部局域网，选择通信性较高的网线即可。

上位机与下位机之间的实时数据采集通信机制是利用TCP/IP协议通过千兆局域网络采集机组部件的实时模拟量和数字量等信息。下位机中的程序内置转发程序，把需要转发的变量放置在一个DB块中，并定义好相应的地址，上位机通过相对应的地址读取变量。上位机与下位机的历史数据采用文本文件机制，下位机把机组运行数据存储在一定格式的文本文件中，上位机固定时间或者手动操作来读取下位机存储的文本文件。然后把读取到的文本文件解析出来并存入相应的数据库中。

图1　风电场SCADA系统总体结构图

图2　风电场SCADA系统客户端运行图

风电场SCADA系统功能

风电场SCADA系统不仅要实现对单个风电机组的监控，还要能实现对全场的运行信息统计分析、记录操作人员日志和显示报警故障信息的功能。

一、全场运行信息

该部分是对实时数据进行显示，主要包括：平均风速、全场总有功功率、运行台数、停机台数、通信中断台数、日发电量、月发电量和年发电量等。

二、单台运行信息

单台运行信息不仅要满足对实时数据进行监控，还要满足能对历史数据进行查询。实时数据监控可为风电机组运行或者待机时的参数和报警故障提醒。历史数据主要包括：功率曲线、风玫瑰图、5分钟运行记录、故障记录、状态记录。

（一）功率曲线。按照IEC61400－12标准的定义，在风电机组的设计过程中，需要对风电机组的性能进行评估和对功率曲线进行设计仿真，这样得到的功率曲线为理论功率曲线或设计功率曲线。测试功率曲线为机组的动态功率曲线，对风电机组的功率曲线进行测试是一个比较复杂的过程，需要对机组进行长期的观察和记录。记录的数据包括连续10mins平均风速计平均功率、大气压力、空气密度以及环境温度、地形等，然后换算成标准条件下的环境值，对测试得到的功率值进行修正，并把风速换算成轮毂高度处的值，再对修正后的数据进行统计和处理，最后绘制出功率曲线。

（二）风玫瑰图。根据塔底控制器对风电机组风向标和风速仪的数据进行记录。在极坐标底图上点绘出的某一地区在某一时间段内各个风向出现的频率或者各风向的平均风速的统计图，图形类似玫瑰花朵，故叫风玫瑰图。把360°的极坐标底图按每30°分为12个区间，每个区间显示这个区间内的风向频率、平均风速、平均功率和机舱位置。

（三）5分钟运行记录。需要能记录影响机组运行和发电量变量的5分钟平均值、5分钟最大值、5分钟最小值和5分钟标准差。并在曲线上绘制出图形。方便对机组的运行情况进行分析。

（四）故障记录。故障代码是风电机组运行时发生故障产生的故障信息，故障记录能记录风电机组发生过的故障代码名称、激活故障时间、复位故障时间、故障持续时间以及故障发生的次数。

（五）状态记录。详细记录风电机组的状态变化，例如偏航的启动时间和结束时间、风电机组的开始发电时间和开始等风时间等。能够一目了然地掌握风电机组的状态变化过程。

（六）操作记录。能记录下风电机组在运行期间人为的操作，包括操作的名称、操作时间。操作有实时数据查询、历史数据查询、启机、停机、复位、安全裤复位和服务模式的激活等。

（七）报表。报表中变量包括：发电量、有功耗电量、运行时间、发电时间、故障时间和服务时间等，其中一种报表为SCADA系统自动生成，系统能够每日、每月、每年自动生成全场及单台风电机组的日、月和年报表。另外一种为手动生成报表，操作人员可以手动选择时间段生成该时间段的运行报表。

图3　风电场SCADA系统功率曲线模拟图

图4　风电场SCADA系统风玫瑰模拟图

图5　风电场SCADA系统5分钟记录模拟图

结语

目前传统的发电行业带来发电量的同时也带来了环境污染，而风电作为新能源行业，带来发电量时无污染，国家正大力发展风电行业，而风电场SCADA系统是风电行业中一项重要的技术，它帮助用户管理、控制、监控风电机组的运行数据，可以保证风电场内的全部风电机组安全、高效的运行，给风电场带来经济效益的同时也带了来社会效益。

（作者单位：沈阳华创风能有限公司）