基于北斗的海上风电场SCADA系统通信模块设计

刘行　陈敏　仇焕青　汤晓安　孙海洋

摘要：目前，海上风电场SCADA系统存在通信成本高、运维不便等问题，随着北斗+风电应用的不断深入，北斗独特的报文通信对解决上述问题提供了可能。通过使用北斗报文通信机制，优化现有SCADA架构的通信模块，采用TCP/UDP通信原理，设计出一个基于北斗报文通信的海上风电场SCADA系统方案。应用表明，该系统通信传输成功率较高、通信传输稳定，满足海上风电场运维需求。

关键词：海上风力发电;北斗报文通信;SCADA系统;TCP/UDP通信

中图分类号：TN927+.21   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0249-03

Abstract： At present， the communication cost of SCADA system in offshore wind farm is high and its maintenance is inconvenient. With the deepening of Beidou + wind power application， Beidou's unique message communication provides the possibility to solve the above problems. By using Beidou message communication mechanism， optimizing the existing SCADA communication module， and adopting TCP/UDP communication principle， a scheme of offshore wind farm SCADA system based on Beidou message communication is designed. The application shows that the system has high success rate of communication transmission and stable communication transmission， which meets the operation and maintenance requirements of offshore wind farms.

Key words： offshore wind power generation;Beidou message communication;SCADA system;TCP/UDP Communication

1 背景

海上风力发电是未来大规模风电场建设的主要研究方向，发展海上风力发电有利于充分使用海上丰富的风能资源[1]，同时能够就近消纳风力发电资源并解决输电成本高昂问题。然而，我国海上风力发电的发展仍处在初期阶段，面临着许多挑战。特别是现有的SCADA系统通信模块无法满足海上风电场的数据采集和监控需要，主要表现有：

1）系统的网络通信稳定无法满足要求。海上气候等其他环境恶劣，现有的SCADA系统的传输通路故障率高。

2）系统的通信性价比低。海上风电场距离陆地较远，专用网络铺设和网络设备的成本高昂。

3）系统的通信维护难度大。对于有线长距离数据传输，检修困难并且带有危险性。采用外网隔离，三方运维不方便。

通过实践调研湖南湘电公司兴化湾海上风电项目，抽象出海上风电场SCADA系统通信模块的基本共性需求如下：

1）功能性需求

通信数据链路要完成5兆瓦风机数据传输功能;通信链路设计要为远程控制和故障检修提供通信保障;满足点对点、一点对多点的信息传输;具备双向数据报文通信能力。

2）性能需求

每台风机传输速率达到1000字节每秒;通信链路故障率低于10小时每年;通信链路在保证安全性的同時维护方便。

2 北斗导航及其报文通信分析

北斗导航系统与国外其他导航系统的最大区别就是提供短报文通信服务[2]。通过研究发现，北斗报文通信不仅可以进行不同终端长距离双向通信，而且可实现指挥机控制范围内的风机间通信。

2.1 海上风电场北斗报文通信机制

海上风电场北斗报文通信需要北斗导航系统、风电场控制中心、风电场风机群三者协同完成。北斗的用户终端之间通过报文进行通信并服从于北斗指挥机的管理。终端之间可以进行单点对单点的通信，北斗指挥机和北斗终端之间可以单点对多点或者点广播通信[3]。北斗系统通信不支持终端之间组群通信，但是可以通过后台模拟实现[4]。风机群组内部可以任意通信，如果想和风机控制中心通讯，必须经过对应群组指挥机和乙组进行通信转发，这样就实现指挥机范围内风机之间通信[5]。

2.2 北斗报文通信性能分析

传输的成功率和传输的延时是北斗报文通信性能的两个重要参数[6]，通过北斗数据传输成功率、北斗长报文传输成功率、北斗传输延时三方面对报文通信的性能进行分析。

根据测试数据显示北斗数据包传输失败率低于百分之五，传输成功率较高;研究北斗相关文档发现长报文传输成功率跟报文包个数成反比例，所以应选择合适的拆包方式和丢包处理规则，以提高传输成功率;根据数据统计与计算，得出一般北斗报文通信的传输延时为3.8s。

3 基于北斗报文通信的海上风电场SCADA系统通信模块设计方案

通信模块的设计方案需要解决风场数据与北斗协议的规约转换问题、实时长报文传输问题、收发端运行流程问题，以及整体通信框架详细设计方案等四个问题，下面依次展开详细论述。

3.1 规约转换问题解决方案