大学课件《风力发电机组控制》教学PPT课件:第十一章 风电场监控系统.pptx
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SCADA系统风电场SCADA系统风力机组的监控系统风力机组主流控制系统1.5MW机组通信网络结构1.5MW机组就地主控人机界面1.5MW机组监控系统软件介绍第十一章第十一章风电场监控系统风电场监控系统SCADA系系统SCADASCADA(SupervisorySupervisoryControlControlAndAndDataDataAcquisitionAcquisition)系系统,即即数数据据采采集集与与监视控控制制系系统。
SCADASCADA系系统的的应用用领域域很很广广,它它可可以以应用于用于电力系力系统给水系水系统石油、化工等石油、化工等领域。
域。
SCADASCADA系系统是是以以计算算机机为基基础的的生生产过程程控控制制与与调度度自自动化化系系统。
它它可可以以对现场的的运运行行设备进行行监视和和控控制制,以以实现数数据据采采集集、设备控控制制、测量量、参参数数调节以以及及各各类信信号号报警警等等各各项功功能。
能。
2在在电力力系系统中中,SCADASCADA系系统应用用最最为广广泛泛,技技术发展展也也最最为成成熟熟。
它它是是能能量量管管理理系系统(EMSEMS系系统)的的主主要要子子系系统:
信信息息完完整整、提提高高效效率率、正正确确掌掌握握系系统运运行行状状态、加加快快决决策策、能能帮帮助助快快速速诊断断出出系系统故故障障状状态等等优势,现已已经成成为电力力调度不可缺少的工具。
度不可缺少的工具。
它它对提提高高电网网运运行行的的可可靠靠性性、安安全全性性与与经济效效益益,减减轻调度度员的的负担担,实现电力力调度度自自动化化与与现代代化化提提高高调度度的的效效率和水平有着不可替代的作用。
率和水平有着不可替代的作用。
3SCADA系系统SCADASCADA系系统自自诞生生之之日日起起就就与与计算算机机技技术的的发展展紧密密相相关关。
SCADASCADA系系统发展展历程程:
第第一一代代是是基基于于专用用计算算机机和和专用用操操作作系系统的的SCADASCADA系系统,这一一阶段是从段是从计算机运用到算机运用到SCADASCADA系系统时开始到开始到7070年代。
年代。
第第二二代代是是8080年年代代基基于于通通用用计算算机机的的SCADASCADA系系统,操操作作系系统一一般般是是通通用用的的UNIXUNIX操操作作系系统。
在在这一一阶段段,SCADASCADA系系统在在电网网调度度自自动化化中中与与经济运运行行分分析析,自自动发电控控制制(AGCAGC)以以及及网网络分分析析结合到一起构成了合到一起构成了EMSEMS系系统(能量管理系(能量管理系统)。
)。
注:
第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统,并且系统不具有开放性,因而系统维护,升级以及与其它联网构成很大困难。
4SCADA系系统第第三三代代是是9090年年代代按按照照开开放放的的原原则,基基于于分分布布式式计算算机机网网络以以及及关关系系数数据据库技技术的的能能够实现大大范范围联网网的的EMS/SCADAEMS/SCADA系系统。
这一一阶段段是是我我国国SCADA/EMSSCADA/EMS系系统发展展最最快快的的阶段段,各各种种最最新新的的计算算机机技技术都都汇集集进SCADA/EMSSCADA/EMS系系统中。
中。
注:
这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期。
第第四四代代SCADA/EMSSCADA/EMS系系统的的主主要要特特征征是是采采用用InternetInternet技技术、面面向向对象象技技术、神神经网网络技技术以以及及JAVAJAVA技技术等等技技术,继续扩大大SCADA/EMSSCADA/EMS系系统与与其其它它系系统的的集集成成,综合合安安全全经济运行以及商运行以及商业化运化运营的需要。
的需要。
5SCADA系系统网网络技技术给风电系系统带来来便便利利的的同同时,也也会会带来来负面面影影响响。
因因此此,在在发展展风电机机组技技术的的同同时,风电场SCADASCADA系系统的的安安全全问题也也不不可可忽忽视。
IECIECTC88TC88于于20062006年年底底发布布了了风电场监控控通通信信标准准IECIEC61400-2561400-25,为风电场监控控提提供供了了一一个个统一一的的通通信信基基础。
发展展IECIEC61400-2561400-25的的目目的的是是使使得得在在风电场监控控通通信信中中,在在任任何何位位置置的的来来自自不不同同厂厂家家的的组件件之之间都都能能够通通信信。
因因此此,标准准定定义了了在在一一个个独独立立于于厂厂商商的的风电场组件件交交换有有用用信信息息所所需需要要的的详细资料料。
其其中中大大量量的的面面向向对象象技技术的的使使用用能能使使风电场产生生的的大大量量数数据据的的处理理更更省省时和和更更有有效效率率。
IECIEC61400-2561400-25标准准支支持持可可量量测性性(scalabilityscalability)、连通通性性(connectivityconnectivity)和和互互操操作作性性(interoperabilityinteroperability)。
)。
6SCADA系系统随随着着风电场规模模,复复杂性性和和选址址的的偏偏远程程度度的的增增加加,为了了有有效效操操作作,监测,控制和控制和报告,一种工告,一种工业标准的准的SCADASCADA已已变得极得极为重要。
重要。
风电机机制制造造商商们提提供供了了许多多的的现有有系系统,操操作作员和和所所有有者者涉涉及及不不止止一一家家的的风电机厂商,最后机厂商,最后导致了致了许多不兼容的系多不兼容的系统。
针对这些些问题必必须开开发一一个个系系统,能能与与所所有有类型型的的风电机机通通信信,并并以以一一致致的方法的方法计算和存算和存储执行数据。
行数据。
国国外外已已经开开发出出一一个个称称为“远程程接接口口单元元”的的装装置置,能能直直接接与与风电机机控控制制器器通信,并提供与通信,并提供与SCADASCADA系系统其他部件的其他部件的标准接口。
准接口。
7SCADA系系统典型的典型的风电场系系统架构架构典型的风电场SCADA系统架构,该系统由以下几部分组成:
变电站;气象站;风电机组;远程接口单元(remoteinterfaceunit,RIU);现场通信网络(sitecommunicationsnetwork,SCN);SCADA现场服务器;现场工作站(workstationatsite);远程客户端等组成。
8风电场风电场SCADA系统系统9风电场风电场SCADA系统系统10SCADA系统的网络结构SCADA系统不仅是可以给用户提供错误诊断而且可以监视风机的运行情况。
风电场风电场SCADA系统系统现有有风电场SCADASCADA系系统主要由以下三部分主要由以下三部分组成成就就地地监控控部部分分布布置置在在每每台台风力力发电机机塔塔筒筒的的控控制制柜柜内内。
每每台台风力力发电机机的的就就地地控控制制能能够对此此台台风力力发电机机的的运运行行状状态进行行监控控,并并对其其产生生的的数据数据进行采集。
行采集。
中中央央监控控部部分分一一般般布布置置在在风电场控控制制室室内内。
工工作作人人员能能够根根据据画画面面的的切切换随随时控制和了解控制和了解风电场同一型号同一型号风力力发电机的运行和操作。
机的运行和操作。
远程程监控控部部分分根根据据需需要要布布置置在在不不同同地地点点的的远程程控控制制。
远程程控控制制目目前前一一般般通通过调制解制解调器或器或电流流环等通等通讯方式方式访问中控室主机中控室主机进行控制。
行控制。
11风电场风电场SCADA系统系统就地就地监控与中央控与中央监控之控之间的数据的数据传输方式方式就地就地监控与中央控与中央监控之控之间的数据的数据传输主要是指下位机控制系主要是指下位机控制系统能将下位机的数据、状能将下位机的数据、状态和故障情况通和故障情况通过专用的数据用的数据传输装置装置和接口和接口电路与中央路与中央监控室的上位控室的上位计算机通算机通讯,同,同时上位机能上位机能传达达对下位机的控制指令,由下位机的控制系下位机的控制指令,由下位机的控制系统执行相行相应动作,作,从而从而实现远程程监控功能。
控功能。
注:
上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机,一般是PC,屏幕上显示各种信号变化(风速,转速,温度等)。
下位机是直接控制设备获取设备状况的的计算机,一般是PLC/单片机之类的。
上位机发出的命令首先给下位机,下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。
下位机不时读取设备状态数据(一般模拟量),转化成数字信号反馈给上位机。
12风电场风电场SCADA系统系统根据根据风电场的的实际情况,上、下位机之情况,上、下位机之间的数据的数据传输有如有如下特点下特点:
一台上位机能一台上位机能监控多台控多台风力力发电机的运行,属于一机的运行,属于一对多的通多的通讯方式方式;下位机能下位机能够独立运行,并能与上位机通独立运行,并能与上位机通讯;上、下位机之上、下位机之间安装距离安装距离较远,下位机之,下位机之间安装距离安装距离也也较远,一般大于,一般大于风轮直径的直径的3-53-5倍,即倍,即100-300100-300米米;上、下位机的通上、下位机的通讯软件必件必须协调一致,并一致,并应开开发相相应的工的工业控制控制专用功能。
用功能。
13风电场风电场SCADA系统系统为适适应远距距离离数数据据传输的的需需要要,就就地地监控控与与中中央央监控控之之间可以采用如下几种数据可以采用如下几种数据传输方式:
方式:
串串行行通通讯:
串串行行通通讯可可节省省大大量量通通信信电缆,用用最最少少的的信信号号线来来完完成成远程程数数据据采采集集与与控控制制,由由于于所所用用传输线较少少,所所以以成成本本较低低。
同同时,又又因因为此此种种通通讯方方式式的的通通讯协议比比较简单,所以很适合所以很适合风电场监控系控系统采用。
采用。
以以太太网网通通讯:
大大型型风电场中中分分布布的的风力力发电机机的的数数目目多多,数数据据信信息息流流大大,对速速率率指指标要要求求高高,以以太太网网通通讯比比传统的的传输方方式式从从传输速速率率上上提提高高了了几几个个数数量量级,且且为直直接接接接入入广广域域网网提供了便利手段。
提供了便利手段。
14风电场风电场SCADA系统系统中央中央监控与控与远程程监控之控之间的数据的数据传输方式方式由于各通由于各通讯条件的不同,因此,不同的条件的不同,因此,不同的风电场选择的数据的数据传输方式也是不同的。
比方式也是不同的。
比较有代表性的数据有代表性的数据传输方式有如下几种。
方式有如下几种。
基于基于PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork,PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork,传统的的电话交交换网网络)的数据的数据传输;基于基于GPRSGPRS(GeneralPacketRadioServicesGeneralPacketRadioServices,通用分,通用分组无无线业务)无无线网网络的数据的数据传输;基于基于InternetInternet网网络的数据的数据传输。
15风电场风电场SCADA系统系统基于基于PSTNPSTN的数据的数据传输16风电场风电场SCADA系统系统基于基于PSTNPSTN的数据的数据传输总的来的来说,基于,基于PSTNPSTN的的传输有以下有以下优点点:
传输使用使用现成的成的电话线资源可以源可以实现资源增源增值;PSTNPSTN的的网网络发展展历史史相相对较长,网网络结构构比比较完完善善,实现起起来来比比较方方便。
便。
但也具有以下但也具有以下不足不足:
由由于于是是通通过电话线连接接网网络,而而电话线路路的的信信号号之之间有有时存存在在相相互互串串扰现象从而影响象从而影响线路路质量量;传输速率低,交速率低,交换成本高,管理成本高,管理维护困困难;由由于于拨号号需需要要占占用用和和等等待待时间,因因此此对实时性性要要求求严格格的的场合合不不太太适适用。
用。
17风电场风电场SCADA系统系统基于基于GPRSGPRS无无线网网络的数据的数据传输18风电场风电场SCADA系统系统基于基于GPRSGPRS无无线网网络的数据的数据传输随随着着GPRSGPRS技技术的的迅迅速速成成熟熟,GPRSGPRS网网络正正以以它它独独特特的的优点点进入入越越来来越越多多的的应用用领域域,特特别是是GPRSGPRS技技术适适合合移移动性性要要求求很很高高的的军事事领域域。
并并且且其其成成本本低低、部部署署简单、随随时连接接等等优点点也也得得到到ITIT界界的的欢迎迎。
但但GPRSGPRS网网络的的带宽方方面面还有有很很多多问题需需要要解解决决。
并并且且它它必必须是是在在无无线通通讯网网络能能够覆覆盖盖的的范范围内内实现,空空间应用用范范围受受地地区区距距离离的的限限制制,不适合大范不适合大范围远距离的数据距离的数据传输。
19风电场风电场SCADA系统系统基于Internet网络的数据传输20风电场风电场SCADA系统系统上上述述三三种种方方案案中中,利利用用电话线拨号号方方式式,在在现阶段段比比较常常用用,现有的有的风电场远程程监控系控系统一般也采用一般也采用这种方式。
种方式。
采采用用电话线拨号号方方式式进行行连接接,是是点点对点点的的通通讯,数数据据安安全全性性高。
高。
费用用较高。
高。
通通过GPRSGPRS无无线网网络连接接,减减少少了了风电场对通通讯系系统可可靠靠性性的的要要求求,并并且且只只有有在在无无线通通讯网网络能能够覆覆盖盖的的范范围内内才才能能实现,基基于于GPRSGPRS的的数数据据传输速速率率较低低,并并不不适适合合实时性性要要求求严格格的的系系统。
利利用用InternetInternet网网络方方式式连接接,费用用较低低。
数数据据的的安安全全性性较低低,可可通通过数数据据加加密密、压缩和和安安装装防防火火墙,来来提提高高数数据据和和系系统的的安安全全性。
性。
因因此此,选用用基基于于InternetInternet的的数数据据传输不不但但可可以以突突破破地地域域范范围的的限限制制,扩大大数数据据传输的的距距离离,而而且且可可以以增增强数数据据传输的的实时性性,提提高高传输数数据据的的准准确确性性。
并并且且符符合合风电行行业内内SCADASCADA系系统的的发展方向。
展方向。
21风电场风电场SCADA系统系统各各种种通通讯方方式式能能够完完成成风电场中中央央监控控系系统中中的的通通信信问题,但但具有各自的特点,主要通信方式具有各自的特点,主要通信方式简要要对比如下:
比如下:
风电场风电场SCADA系统系统231500kw风机的通信网机的通信网络结构构随着风力发电机组大型化的发展趋势,风机通讯的即时性、可靠性、稳定性显得更为重要,为此,金风公司1.5兆瓦风力发电机组采用了工业以态网的组网模式。
以太网是一种计算机局域网组网技术。
IEEE制定的IEEE802.3标准给出了以太网的技术标准。
它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。
以太网是当前应用最普遍的局域网技术。
工业以态网是指应用到工业控制系统的以态网。
1.5MW1.5MW机组通信网络结构机组通信网络结构24以太网的优点:
基于TCP/IP的以态网采用国际主流标准,协议开放、完善,不同厂商设备容易互联具有操作性;可以实现远程访问、远程诊断;可以用不同的传输介质灵活组合,如同轴电缆,双绞线,光纤等;网络速度快,可达千兆甚至更多;支持冗余连接配置,数据可达性强,数据有多条通路可达目的地;容量几乎无限制,不会因系统增大而出现不可预料的故障,具有成熟可靠的系统安全体系;可降低投资成本。
1.5MW1.5MW机组通信网络结构机组通信网络结构25金风科技1.5兆瓦风机监控系统主要功能是获取统计风机运行数据,即时获取风机运行状态,并进行简单控制。
由于风机控制主要是通过就地PLC完成,中央监控系统对就地信息获取的即时性要求并不高,但需要获取准确的风机运行状态与数据。
另考虑风机中控与各风机间实际地理位置情况、风机通讯成本,及现场对通讯端口需求情况(一般只需要3个网口),设计采用自愈环网结构。
以下为几种自愈环网结构。
1.5MW1.5MW机组通信网络结构机组通信网络结构26单环路结构应用在风机较少项目(10台以下)上。
当此环路上的某一个节点发生故障时都不会影响其它节点的正常通信。
1.5MW1.5MW机组通信网络结构机组通信网络结构27中心交换机(集线器)连接各环网交换机通过中央交换机连接多环网结构使服务器端增强了可扩展性,将其他外围集线服务器或终端接入风机通讯网,利于后期新增风机功能。
其网络结构如图:
1.5MW1.5MW机组通信网络结构机组通信网络结构28多环相切结构多环相切结构是指集线服务器已接入一风机环网,其他风机环网通过交换机切入此风机环网。
这种网络各风机环网接入同一环网,对此环的带宽占用较多,对风机通讯速度有影响,但适合现场风机极为复杂线路。
1.5MW1.5MW机组通信网络结构机组通信网络结构29达坂城5台兆瓦级风机通信网络结构1.5MW1.5MW机组通信网络结构机组通信网络结构30风机内的机内的通信通信连线1.5MW1.5MW机组通信网络结构机组通信网络结构风电场的监控软件应具有如下功能:
友好的控制界面。
能够显示各台机组的运行数据显示各风电机组的运行状态。
能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。
能够对风电机组实现集中控制。
历史记录。
1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面32瞬时值实时监测统计值监测远程控制数据存储报警功能权限设置(保护)图形绘制报表功能打印功能数据备份功能远程接口中央中央监控系控系统所具有的功能所具有的功能1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面软件界面由以下几部分页面组成:
1、风机主要信息页面2、叶轮/变桨系统数据页面3、叶轮/变桨系统信号页面4、变流器/水冷系统页面5、电机/电网系统页面6、偏航/液压系统页面7、环境/机器设备/控制柜页面8、调试及参数设置页面9、最近32条故障记录页面10、均值及故障现场文件查询页面1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面如上图所示,每台风机下部分别有绿色和蓝色的状态条。
绿色代表当前风速的大小,蓝色代表当前发电量的多少。
在下面的窗口中可以看到当前风速、发电量、系统状态、温度及其他一些风机实时状态信息。
发电机转速转子转速转矩风速温度发电总量风能玫瑰图人机交互界面人机交互界面触摸屏触摸屏软件界面由以下几部分页面组成:
1、风机主要信息页面2、叶轮/变桨系统数据页面3、叶轮/变桨系统信号页面4、变流器/水冷系统页面5、电机/电网系统页面6、偏航/液压系统页面7、环境/机器设备/控制柜页面8、调试及参数设置页面9、最近32条故障记录页面10、均值及故障现场文件查询页面1.5MW1.5MW机组就地主控人机界机组就地主控人机界风机主要信息页面此页面包括:
常规数据、累计量、风机控制功能、机组基本信息、自启动及纽缆状态。
通过就地调试与控制按钮可以在风机控制中对机组进行复位、启动、停机等简单的控制。
1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面叶轮/变桨系统页面此页面包括:
变桨温度数据、变桨角度数据、变桨电源数据。
这些数据中包括变桨电机的温度、变桨电容的温度、变桨柜的温度、变桨逆变器的温度、变桨电源NG5的温度、叶片角度、叶片的变桨速度、变桨高电压信号、变桨低电压信号、变桨充电电流。
1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面叶轮/变桨系统信号页面此页面包括:
变桨安全链信号、变桨系统操作模式信号、变桨系统开关量状态信号。
这些数据中包括变桨安全链、变桨旋转编码器、变桨逆变器OK信号、变紧急停机信号、变桨手动模式、变桨强制手动模式、变桨接近开关信号、变桨柜加热信号、变桨柜冷却风扇信号、变桨充电电源NG5信号。
1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面变流器/冷却系统页面此页面包括:
变流器数据、冷却系统数据、冷却系统信号、变流器运行状况。
这些数据中包括变流器各个部分的温度,水冷系统的温度、压力和流量,水冷系统的运行状态,变流系统的运行状态。
金风金风1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面电机/电网系统页面此页面包括:
发电机数据,电网数据,发电机温度数据。
这些数据中包括发电机转速数据、发电机绕组温度数据、电网的电压、电网的电流,变流器的有功功率、无功功率,功率因数等。
1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面偏航/液压系统页面此页面包括:
系统配置信息、设备工作时间信息、偏航系统信息、液压偏航状态信号。
这些数据中包括PLC的IP地址、通信端口、文件路径,偏航电机和液压泵的工作时间,偏航和液压系统工作的数字量等。
1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面环境/机器设备/控制柜页面此页面包括:
环境状况数据、DP通信状态数据、机舱振动加速度数据,环境/机器设备/控制柜的数量状态信号。
1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面调试及参数设置页面此页面用于机组的调试和参数的修改。
在机组调试过程中可以控制机组部件进行相应的动作,修改运行数据和机组的重要的发电参数,机组的运行时间等。
进入就地调试和控制状态时需要输入权限密码,系统默认的密码为:
1234567,密码输入正确时,就地调试与控制按钮变成红色。
点击按钮可以退出就地调试与控制状态。
1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面均值及故障现场文件查询页面此页面可以查询:
m文件(平均10分钟的运行数据),b文件(故障前后30秒钟的部分运行数据),f文件(故障察看文件),并可以根据选择需要显示数据时序图。
1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面最近32条故障记录页面1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面1.5MW1.5MW机组就地主控人机界面机组就地主控人机界面瞬时值实时监测统计值监测远程控制数据存储报警功能图形绘制报表功能打印功能数据备份功能远程接口软件功能:
1.5MW1.5MW机组中央监控系统软件机组中央监控系统软件
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