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风电场SCADA系统的数据传输技术_0

未知 2019-06-07 14:04

  风电场是一种分布式能源系统,与其它电厂不同,它具有以下几个特点:

  1)单机容量较小,机组台数较多.一个风力发电场通常有数十至数百台容量为几十至几百kW级的风力发电组.

  2)各机组分布十分分散,距主控室较远,为合理利用风力资源,各台风力发电机之间必须保持一定的距离,以减少相互间的影响和干扰.

  3)各机组工作环境恶劣,情况变化十分频繁.由于风力资源本身的特性,各风力发电机的运行情况随着风速、风向的变化而时刻在变化.风力发电机运行的外部自然环境随风电场位置的不同而有所不同,但大都较为恶劣.

  监视控制和数据采集(Supervisory ControlAnd Data Acquisition,SCADA)系统在数据采集方面的发展已经比较完善,但是由于风电场的运行、控制、维护、并网等具有诸多的特殊性,必然要求S(心系统能够加强远距离传输的能力,提高数据传输的实时性和可靠性,因此对风电场SCADA系统的数据传输技术进行研究具有重大的实际意义.

1 SCADA系统的数据传输方式

  数据传输的主要作用是实现各站点之间的信息互换.选择好的数据传输方式可以加强数据传输的实时性,并且还有助于系统的远距离数据传输,起到事半功倍的效果.现有风电场SCADA系统主要由以下3部分组成:

  1)就地监控部分:布置在每台风力发电机塔筒的控制柜内.每台风力发电机的就地控制能够对此台风力发电机的运行状态进行监控,并对其产生的数据进行采集.

  2)中央监控部分:一般布置在风电场控制室内.工作人员能够根据画面的切换随时控制和了解风电场同一型号风力发电机的运行和操作.

  3)远程监控部分:根据需要布置在不同地点的远程控制.远程控制目前一般通过调制解调器或电流环等通讯方式访问中控室主机进行控制.

  1.1就地监控与中央监控之间的传输方式

  就地监控与中央监控之间的数据传输主要是指下位机控制系统能将下位机的数据、状态和故障情况通过专用的数据传输装置和接口电路与中央监控室的上位计算机进行通讯,同时上位机能传达对下位机的控制指令,由下位机的控制系统执行相应动作,从而实现远程监控功能.根据风电场的实际情况,上、下位机之间的数据传输有如下特点:

  1)一台上位机能监控多台风力发电机的运行,属于一对多的通讯方式;

  2)下位机能够独立运行,并能与上位机通讯;

  3)上、下位机之间安装距离较远,一般有1 000--5000m:

  4)下位机之间安装距离也较远,一般大于风轮直径的3~5倍,即100--300 m;

  5)上、下位机的通讯软件必须协调一致,并应开发相应的工业控制专用功能.

  为适应远距离数据传输的需要,就地监控与中央监控之间可以采用如下几种数据传输方式:

  1)异步串行通讯,用RS422或RS-485通讯接口.所谓串行通讯,是用一条信号线传输一种数据.因此,上位机通过公共通信网络采用RS-422或RS-485串行接口总线数据传输方式与各下位机进行数据传输,可节省大量通信电缆,用最少的信号线来完成远程数据采集与控制,并且RS-422和RS-485串口传输速率指标也是不错的,在1 000 m以内传输速率可达100 kb/s.由于所用传输线较少,所以成本较低,很适合风电场监控系统采用.同时,因为此种通讯方式的通讯协议比较简单,也很常用,所以成为较远距离通讯的首选方式.

  2)以太网通讯.大型风电场中分布的风力发电机的数目多,数据信息流大,对速率指标要求高,因此RS-422或者RS-485的实时性、传输速率会力不从心,此时应考虑使用以太网.以太网为总线式拓扑结构,可容纳1 024个节点,距离可达2.5 km.站级总线采用标准高速以太网,10 Mb/100Mb/1 Gb自适应,并兼容即将推出的10 Gb以太网总线结构,提供了高速的人机交互手段;设备级采用标准10 Mb以太网,比传统的传输方式从传输速率上提高了几个数量级,且为直接接人广域网提供了便利手段.因此,将上位机和下位机通过交换机与风电场光纤以太网环路相连接,保证了风电场内部的集中监控和数据传输.

  1.2中央监控与远程监控之间的传输方式

  由于各通讯条件的不同,因此,不同的风电场选择的数据传输方式也是不同的.比较有代表性的数据传输方式有如下几种:

  1)基于PSTN的数据传输

  PSTN(Public Switched Telephone Network)意指传统的电话交换网络.此传输方式是利用现有的电信电话网络,在中央监控与远程监控计算机上各安装一套调制解调器设备,传输数据的计算机之间通过使用调制解调器连接公用交换电话网,由发送计算机主动拨号,接收计算机接到呼叫后应答,然后进行数据传输这种连接方式的数据安全性高,但由于风电场分布在全国各地,连接属于长途电话,费用较高.

  2)基于GPRS无线网络数据传输

  GPRS(General Packet Radio Service)意指通用分组无线业务,是在GSM全球移动通信系统网络上发展起来,为用户提供高速分组数据业务的一种网络.此传输方式是利用现有的移动无线通讯网络,在中央监控与远程监控计算机上各安装一套GPRS设备,两端设备通过无线通讯网络拨叫对方建立连接这种传输方式具有成本低、部署简单、随时连接等优点,但是必须是在无线通讯网络能够覆盖的范围内实现,带宽方面还有很多问题需要解决,费用是根据数据量进行计算的.

  3)基于Intemet网络数据传输

  实现基于Intemet的传输主要是依靠TCP/IP协议.当数据从本地系统向远程系统传送时,数据在本地系统的各层协议间沿着TCP/IP协议栈从上向下传递.当一个计算机系统从网络上接收信息时,数据传输的过程恰好相反,其路径是从网络物理层向上传输给应用层.但由于基于Intemet的数据传输是通过互联网进行传输的,而互联网上存在许多不安全因素,因此保证数据传输的安全性就很重要,一般都采用数据加密的方式.在数据传输到网络上之前用数据加密算法把明文变成密文进行传输,等传输到目的地以后再恢复为明文.

  随着计算机网络技术的迅速发展,近阶段有一门网络新技术崛起,即Ⅵ)N(Virtual PrivateNetwork):虚拟专用网络№J.这种技术也逐渐应用到了风电场S(心系统中.它是利用现有的电信电话网络,在中央监控与远程监控计算机上各安装一套ADSL或调制解调器设备,两端同时连接到Intemet网络上,通过Intemet建立VPN网络连接.通过VPN技术,用户不再需要拥有实际的长途数据线路,而是依靠Intemet服务提供商(ISP)和其他网络服务提供商(NSP),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,它不是真的专用网络,但却能够实现专用网络的功能.在数据安全性方面,VPN使用了三方面的技术保证了基于Intemet的网络数据传输的安全性:隧道协议、身份验证和数据加密.因此,基于Intemet网络VPN技术的数据传输具有费用低、传输速率快、安全性高的优势,也将成为今后SCADA系统的主流通信方式.

2风电场SCADA系统通信标准

  2006年12月,国际电工委员会(IEC)公布了由IEC TC88技术委员会起草制定的IEC 6140025标准.该标准是IEC 61850标准在风力发电领域内的延伸,专门面向风电场的监控系统通信,为风电场的监控提供了一个统一的通信基础.

  2.1 IF..12 614.25标准的体系结构

  IEC 6140025标准共规划了6个部分,目前已公布IEC 6140025的第1,2,3,5部分,IEC61400-25的第4,6部分仍在制订和商讨中.这6个标准分别涉及到了如下内容:

  1)IEC 6140025.1:风力发电场监控通信原理和模型概述.这部分是一个导向性的介绍,包括对必要条件、基本工作原理以及模型概貌的介绍.

  2)IEC 6140025.2:风力发电场监控通信的信息模型.该部分对风电场信息模型和逻辑节点、公共数据类进行了详细的介绍.

  3)IEC 61400.253:风力发电场监控通信的信息交换模型.其内容包括对信息交换的功能模型和抽象通信服务接口的描述.

  4)IEC 61400254:风力发电场监控通信中面向通信协议的映射.到现在为止,该部分仍在制订中,具体采用哪种协议映射还没有定论.目前已从常用的通信规约中准备了5个可选的映射协议,分别是(web services,IEC 6185081 MMS,oPC XML DA,IEC 60870...5 104,DNP3).

  5)IEC 6140025.5:风力发电场监控通信的一致性测试.这部分建立在I】巳C 6185010的基础上,是IEC 6140025的扩展,详细介绍了执行一致性测试的标准技术以及申报性能参数时所用的测量技术.

  6)IEC 6140025.6:风力发电场监控通信中用于环境监测的逻辑节点类和数据类.该部分目前仍在制订当中,主要是对环境监测系统信息模型和信息转换模型进行定义.

  2.2 IEC 61400.25标准通信模型

  IEC61400.25标准考虑了风电场监控系统中所有可能产生通信的环节,抽象地定义了一个风电场监控系统的通信模型.通信模型包括3个独立的部分:信息模型(IEC 61400252);信息交换模型(IEC 61400253)及上述2种模型在标准通信规约上的映射(IEC 61400254).如图1所示,IF_K;61400.25标准是一种客户机一服务器的通信模式,并且通信模型嵌入在一个抽象环境中,风电场信息模型和信息交换模型一起构成了客户机与服务器的接口,通过通用信道进行通信.服务器作为信息和服务的提供者,向客户机提供通信过程中所需要的信息内容和功能,客户机则具有一定的权限使用和管理服务器.信息模型通过服务器向客户机提供一个统一的面向实际组件的风电场数据表;信息交换模型规定了服务器中激活的功能模块间数据交换的服务内容.

  2.3 lEC 61400.25标准信息模型

  2.3.1信息模型概述

  IEC61400.25标准中定义的信息模型为发生在客户机和服务器之间的监控体系内的信息交换提供了信息交换的内容㈨8.信息交换内容如图2所示.

  IEC6140025标准利用对象模型的概念来表示风电场监控系统和各部分组件之间的通讯.这就意味着实际风电场当中的所有组件都被定义成了具有模拟量、二进制状态、命令、设定点数据的对象.这些对象和数据又被映射成实际组件的通用逻辑表示,并且每个数据都拥有一个数据名称和数据类型,这就是风电场的信息模型.

  2.3.2信息模型建模方法

  IEC6140025标准定义的风电场信息模型是一个分层的信息模型,它是基于IEC 6185071第6章定义的建模方法(也就是IEC 61850标准的建模方法),这个建模方法的基础部分在IEC6185072:2003标准第5章中得到了描述.分层的意思是将公用信息划分为不同的级别,并将其集合成类,较低级别的类会自动继承上一级别的类所具有的属性.风电场信息模型的结构如图3所示.

  其中,最上层成为逻辑设备(LD),向下依次被分解为逻辑节点(LN).逻辑节点由一组相关的数据即数据类(DC)组成.所有逻辑节点都有一个标准化的表结构,如图4所示.有些基本的数据类被定义为公用数据类(CDC),其他的数据类都继承某个公用数据类的一组属性.公用数据类由数据属性组成,数据的最基本、最详细的部分可以在公用数据类的类型定义中找到.

  IEC6140025标准将风电场某一特定的风力发电机设定为逻辑设备,并按其功能系统(如转子,传动系统,发电机、偏航系统等)分成各个能进行信息交换的最小实体,这些实体就被称为逻辑节点.一个逻辑设备包含属于该风力发电机的逻辑节点的集合.IEC 6140.25标准为风电场定义了一套专用的逻辑节点类(IEC 61400252),其中某些类是固有的(用M表示),其他的则是可选的(用o表示).逻辑节点类和数据类的基本使用规范及其扩展规则遵照了IEC 6185074标准附录A和IEC 618507.1标准第14章的定义.

  2.4Ⅱ℃61枷.25标准信息交换模型

  2.4.1信息交换模型概述

  信息交换机制是依附在标准的风电场信息模型上的,这些信息模型和建模方法是IEC 6140025标准的核心.标准中对所有可以同其他组件进行交换的信息做了定义.这种模型为风电场自动化系统提供了一种与现实世界各电力系统过程、发电机等对应的图像.

  IEC61400.25标准用抽象模型的概念定义了信息和信息交换.标准中用到了虚拟化的概念,通过对1个虚拟化逻辑设备的描述来统计逻辑节点.逻辑节点是将实际设备虚拟化,转换成可以与其他设备进行信息交换的数据一览表.

  根据功能,1个逻辑节点包含一系列数据(如转子转速等)信息.数据具有一个结构和一个明确的语义(风电场系统中所代表的特定含义).由数据表示的信息按照信息交换服务定义的服务进行交换.

  2.4.2信息交换模型建模方法

  IEC62400.25标准用建模的方法将在实际组件中获得的信息用概念的方式概述出来[9]9,如图5所示.WROT是虚拟的用以表示1个特定转子的标准化名称.逻辑节点对应于实际物理设备的功能.

  1)信息交换的服务模型

  ⅢC 61400.25标准中定义风电场信息交换模型的主要目的是将实例化的各种类的信息模型中的信息进行交换,这些类包含逻辑节点、数据、数据属性、控制模块等.信息交换模型定义了这样一种服务器,它不仅包含信息模型的实例,还包含访问信息模型实例所需要的相应的服务功能(Get,Set,Control,Query,Report等).IEC 6140025仅仅定义了服务器的职责.客户机通过发送请求报文向服务器提出服务请求,并从服务器接收应答报文或者报告.

  一个服务器可以为多个客户机提供对风电场信息模型实例的访问,并且每个客户机可以独立于其他客户机与服务器进行通信.物理设备可以扮演客户机或者服务器两种角色,也可以同时兼顾.服务器主要是提供组成风电场信息模型的数据,服务器上的风电场信息模型支持如图6所示的访问服务.数据属性包含了用于信息交换的数值.信息交换模型主要提供以下几种服务:控制外部或者内部设备运行;监测过程数据和处理后的数据;管理设备以及接收到的风电场信息模型.

  存储在服务器内的风电场信息模型数据可以通过服务指令(Get,Set,Contr01)访问,实现即时动作返回信息,设定数值、控制设备或者运行.服务器记录内部事件并生成报告,存储各种信息供检索并生成Et志.根据客户机请求,服务器向客户机发送这些信息.

  2)抽象通信服务接口(处辩I)

  用于实现外部世界穰各种实际组件进行信息交换的基本服务集被称为抽象通信服务接口(ACSI).IEC 61850.7一l和IEC 618507.2中具体攒述了这些服务的基本方法。

  图7展示了ACSI模型的备个组件,描述了一个典型设备如何使用服务器与外部世界相结合。

  用服务器代表一个带通信接口的物理设备,它据有一个网络通信地址,外部客户祝可以逶过网络对其进行访问.服务器能够接受来自于一个或者更多外部客户机的访问,通过验证并支持对客户橇提供信息服务。服务器包含一个或者更多个逻辑设备,这些逻辑设备又包含了一个或者更多个逻辑节点,逻辑节点代表了基本的构建模块(对象),构建模块又代表着逻辑设备的各种功能。逻辑节点包含的数据可以单独执行读、写和数据集操作,响应控制输入,提供征求性和非征求性报鸯,并显包禽可以查询的霹志。模拟量信息稻状态信息通常是只读的,控制和配置信息通常是可读可写的.

  1EC 61400253标准中氖scl不定义矮体的报文,主要描述各种组件之间的服务.AI隅I模型采用的是瑟向对象的方法,将每一类服务抽象成一个类,其中的每个服务都是类的实镶,抽象服务通过类的实例与其相对应的具体服务映射进程间的相互传递来实现接弱。.

  2.5 IEC 61400-25标准适用范围

  IEC6140025标准主要用于风电场各组件之间的通信,比方说,风力发电枧和S(㈣系统的通信,而风电场各组件内部的通信则不在此标准的适用范围之内。lEc 6140025标准允许由不同生产商制造的风力发电机与SCADA系统进行通信,并且可以利用标准的自描述文件对SCADA应用软件进行配置。IEC 6140025标准中不包含对SCADA应用软件的标榷化,但是标准化的公共风力发电机信息却为应用软件的重用提供了方法,同瑟誊隽来自予不圃裁造商的风力发电机提供了操作界面.从实用角度来说,对公共数据统一的定义减少了在评估风电场过程中数据值的转换和重算。

  IEC 61400.25标准适用于任何逶营模式下的风电场,即无论独立的运营模式,还是综合的运营模式,戴标准都适用。lEC 6140025标准的波用范围涵盖了风电场运营所需的所有部分,比方说风力发电机、气象系统、电气系统以及风电场管理系统,但是并不包括与馈电线和变电蛞有关的信息.因此,IEC 6140025标准引用了IEC 61850系列标准来对馈电线和变电站的相关信息进行处理。

  IEC 6140025标准仅定义了如何对信息、信息转换以及特定协议映射进行建模,并没有对在何处翔衡配置通信接疆进行定义。尽管如此,但魁IEC 61400.25标准的主要髓的还是在于利用规范来获取与风电场各组件相关的信息.

3结论

  本文根据国内风力发急行鲎发黢的现状,阐述了当前风电场SCADA系统的通信方式和通信规约。由于风力发电行业自身所具有的特质,因此,风电场SCADA系统在数据传输方蟊毖须绦证能够进行远距离通信、实时数据的传输,保证数据的可靠性,这样才能快捷地对风电场运行情况进行监控,以此来实现与风电场闯遂行通信。

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