新型数字化风电场海陆一体集控中心系统设计及应用

陈伟球，曾 东，陈天淼，刘泽健

（1.广东粤电湛江风力发电有限公司，广东 湛江 524000；2.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510000；3.深圳华工能源技术有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

截至2022年底，中国的风电累计装机容量为3.7亿千瓦[1]。在陆地风电和海洋风电装机容量不断增加的背后，如何管理风电场成为一个新的挑战。在风电场运行初期，风电场运行、管理方面存在以下问题：一是机组场站运行系统繁多，由于使用不同厂家的设备系统，使现场人员在监视设备时需要同时开启多台终端[2]；二是运维信息封闭，管理人员不能及时全面了解现场运行维护情况，无法对现场的日常检修、设备管理等工作进行监督和考核；三是数据流不畅通，现有的各个系统孤立，与现场管理造成断流，无法形成闭环管理，导致频繁发生数据闭塞和业务脱节问题[3,4]；四是技术知识分散，决策数据缺失，技术资源不能共享，使得数据资源和财富无法有效结合在一起[5]。

为解决运行和管理问题，需要采用数字化、一体化的集控中心，以提供“智慧管控”的运营新模式。

1 系统架构

功能系统采用“三侧”架构，云服务侧的服务包括运行监控服务、运维管理服务、分析诊断服务、技术支持服务以及运营决策5类服务；智慧集中监控侧的功能包括实时监视、集中控制、五防管理、实时告警以及安防监控；场站采集侧的功能包括数据采集、数据传输、数据缓存等。系统架构如图1所示。

图1 系统架构

网络安全系统按照电网要求和电力二次防护要求设计，部分远程实时监控系统可根据不同公司和业主的实际情况进行调整。

2 功能设计

建立统一的数据库平台，采集和整理新能源电站生产的实时数据，并实现实时监视和控制生产过程信息、实时报警、自动生成报表、控制风电场机组与升压站等功能。系统可以进行统计分析，找出发电指标差距，定量分析维护、电网限电、设备故障或天气等原因造成的电量损失情况，查找设备故障根源问题，提高设备利用率。同时，提供参考数据，实现设备的精细化管理、优化控制以及规模化检修维护。数据库平台的基本功能包括统一采集与处理数据、远程监视与控制设备、事故报警与统计报表、可视化数据与分区管理、远程音视频监控与通话以及移动终端控制。

2.1 统一采集和数据处理

数据统一采集接口支持多种接口程序与规约，如表1所示。

表1 适配的通信规约

表1展示了统一接口支持的多种通信规约及其适用的领域，接口同时适配了Modbus、OPC、103规约和104规约等多种规约，由此可见，统一采集接口规约的适配范围大，适用领域广。

数据采集系统采用统一定义的风电场设备监测点命名规则和编码规则，定义统一的风电机组、升压站以及测风塔的通信协议，不同协议数据的统一类型转化被自动处理，为监测的实时性、统计分析的准确性提供基础。

风机对象数据采集包括风机运行状态信息、风机运行数据、风机部件数据、风机所有故障信息、事件代码以及事件发生时间等；光伏发电组件对象数据采集包括支路电流、电压、功率，逆变器输入输出侧的总输入开关、模块运行状态、运行告警等遥信信息；升压站对象数据采集包括遥信数据、遥脉数据、故障录波数据等。

上传的各项数据含有时间序列节点，即时间戳。当通信意外中断时，数据采集系统将会保存一星期内的数据，以供数据恢复。此外，数据处理包括自动统一数据格式、数据自动加密传输以及数据计算与储存。其中，数据计算即统计分析，具体内容如下：一是电站设备分析，如发电量分析、设备效率分析、故障统计分析等，通过对电站设备的历史运行数据进行定期的统计分析，为风机、逆变器、汇流箱等设备的检修与维护提供可靠且准确的数据支持；二是功率分析，包括功率曲线分析、功率一致性分析、能耗指标分析等；三是环境资源分析，如提供不同时间尺度，进行不同区域的风资源、光照资源对比；四是辅助决策分析，如同一风电场不同机型对标、不同风电场同一机型对标、不同风电场间对标以及实际与计划对标，用以辅助决策。

2.2 远程监控识别与控制设备

在监控方面，集控中心能以传感器、视频监控、数据可视化等方式监视电场内的信息。传感器用于采集光伏场站和风电场站的信息、升压站的信息、电能计量数据以及网络通信状态；视频监控系统在功能上具备实时图像监视、远程控制等功能，支持与电站集中监控系统的告警联动；数据可视化实现功率预测展示。

在设备的控制方面，系统可以实现单个风力发电机组的远控操作、批量风力发电机组的远方启动、停机控制以及升压站控制。用户可通过风力发电机组细节图实现对风力发电机组的本地控制功能。此外，系统还具备五防功能，可通过软件五防系统满足五防安全要求，五防逻辑判断可保护操作设备对象。

2.3 事故报警与统计报表

事故报警条件包括保护装置动作与电网故障断路器跳闸[4]。可以自定义报警信号，对需要进行越限告警监视的每一个数据设限，限值可人工设置，也可以设置选择性处理。在发生报警后，可以通过相应操作挂起或撤消。同时，报警分级功能可以提高事故处理效率。

统计报表分为固定报表和自由报表。其中，固定报表主要包含运行和计划数据、主要趋势曲线、风场设备运行状态、远程集控系统设备运行状态、各类数据库中所需要的其他数据以及升压站各电压等级母线的电压合格率等。日报和月报中需分别统计出合格点、不合格点的个数及电压合格率，月报中应包括各关口、各条出线的月有功功率、功率因数以及当月最大负荷等。

对于风机，有单台风机数据统计报表、分组风机数据统计报表、风电场运行统计报表等，可以通过报表系统，将风机的实时数据自动按设定转存为平均数据或不同时间尺度等固定周期的历史数据。自由报表是根据实际需求自由设定内容的报表，系统中提供了制定报表的工具，用户通过选择风场、风机、时间等参数，自由设定报表。

2.4 可视化数据与分区管理

可视化数据功能通过大屏幕系统和生产管理区实现数据展示。大屏幕系统用于实现对系统的集中展示，操作员可通过大屏幕上高亮度、高分辨率的监控画面了解整个风电场的运行状态和设备状态，并对所有参数进行控制和监视。

分区管理基于安全三区的网络结构和办公网络间的安全连接，在办公网络中建立Web访问系统，用户在办公网络中使用浏览器对各生产信息进行访问，办公网络建立系统的原则和远程集控系统的监控系统保持一致。对数据的融合展示和数据访问性能进行高效的优化和改进，从而对各站的一次设备开关状态、风机状态、风速、功率、电量以及各时间周期的生产报表进行实时访问。

2.5 远程音视频监控与通话

集控中心与风电场值班员、电网调度部门之间用电话通信，并具有录音功能。风电场侧部署视频监控系统软件，完成视频流媒体转发、原视频监控系统接入等功能。通过集控中心实现对子站的负图像监视、图像远程控制、图像切换、录像的存储、备份、检索、回放以及电子地图显示、电站数据视频叠加、告警联动等功能。

2.6 移动终端应用

移动端具备实时数据展示和部分生产信息统计汇总的能力，对集控下属所有风电场的生产和统计数据进行及时发布，通过手机等手持终端进行生产数据的监视。移动应用应包含移动实时监视、指标查看及远程支撑等功能，主界面如图2所示。

图2 移动端主界面

3 软硬件配置

首先，系统软件直接来自计算机制造厂，服务器采用底层汉化UNIX/Linux系统，提供开发工具（C语言等）、应用库、编程工具、程序调试器以及各种开发者文档等。其次，本架构引入采用中间件的应用平台，使程序间能够更高效地通信。再次，用户前端将监控画面、数据库、趋势图表以及报表系统全集成在图模一体化平台中。最后，数据库管理软件分为关系数据库管理软件和实时数据库管理软件，前者具有分布式处理、并行处理等优势；而后者有强大的实时数据处理能力和查询优化策略。

在硬件方面，选用符合国际标准的通用设备，具有较高的稳定性，满足系统容量设计的要求。稳定运行的远程集控系统满足计算机、存储设备等微电子设备以及工作人员对温度、湿度、洁净度、防漏、电源质量、接地以及安全保卫等要求。

4 系统安全

为确保电力监控系统及电力调度数据网络的安全，应依据《电力二次系统安全防护规定》和《中低压配电网自动化系统安全防护补充规定（试行）》分别制定“安全分区”与“信道分类”2个方案。

在电力二次系统的结构中，其重点内容可以划分为3个核心安全区域。首先，安全区I被视为最重要和最核心的系统，包括风场侧风机监控系统、相位电压测量系统、五防系统、继电保护系统以及综自监控系统等。这些系统对于数据通信的实时性要求极高，通常需要保持在毫秒级或秒级的精准度。其次，安全区II的组成包括故障录波信息管理系统、电能量计量系统、风功率预测系统以及保护信息终端等。这些系统在电力二次系统中扮演着不可或缺的角色，负责各类重要信息的管理和处理。最后，安全区III则包含了生产管理信息系统、气象信息接入、火灾报警系统等。这些系统主要用于支持生产管理和提供安全防护，确保电力系统的稳定运行。

电力二次系统由以上3个安全区构成，每个安全区都负责不同的关键任务。其中，安全区I是最关键的系统，对数据通信的实时性有着最高的要求，而安全区II和安全区III则承担着各类重要的信息管理和安全防护功能。安全区逻辑边界如图3所示。

图3 安全区逻辑边界

在安全区Ⅰ和安全区II之间采用经有关部门认定核准的硬件防火墙或相应设备进行逻辑隔离。安全区Ⅰ、安全区II不与安全区III直接联系；安全区I、安全区II与安全区III之间采用经过国家有关部门认证的电力专用安全隔离装置。安全区进行有效隔离后，在任意节点安装防病毒软件，并研究应对高级持续性威胁（Advanced Persistent Threat，APT）的手段。

对不同生产区内使用的通信手段加以分类和管理。例如，禁止生产控制大区内部的电子邮件服务，禁止控制区内通用的互联网服务等。

5 结 论

新型数字化风电场海陆一体化系统实现了统一设备通信数据格式，集成监视、控制、管理及数据分析功能，解决了电站系统繁多的问题。在平台方面，系统采用“三侧”架构，在云服务侧解决技术信息分散等问题；在集中监控侧、场站采集侧解决数据流闭塞的问题；提供5类服务，统一监控设备，分析数据，得出报表结论，降低数据分析处理的难度。在软硬件配置方面，均采用合规稳定的系统和设备，保证系统整体架构的统一性、灵活性、兼容性、可维护性以及安全性。文章所设计的“安全分区”和“信道分类”方案能有效保障通信系统的安全性和合法性。