风力发电监控系统现场无线网络平台设计

风力发电监控系统现场无线网络平台设计

张瑞翔

甘肃省特种设备检验检测研究院  甘肃省兰州市  730050

摘要：风力发电场监控系统是风力发电厂的中枢大脑。相比于火力发电、水力发电模式，风力发电设备分布在野外广大的区域，因此决定了其监控系统是一种分布式监控而不是集中监控。但是现在风力发电监控系统仍采用集中监控的模式，通过光缆把分布在广大区域的风电设备接入到监控网络，汇聚到集控中心，需要铺设大量的通信光缆，工程量大，建设投资高，维护不易。本文基于最新的无线网络通讯技术，提出一种风力发电监控系统的现场无线网络通讯平台，以解决有线网络系统的不足。

关键词：风力发电；人员定位；无线网络

引言

分布式发电系统以其分散性、多样性、灵活性、清洁性等优势，已经发展的越来越成熟。分布式发电系统已广泛连接到大电网系统，由于分布式发电本身不存在强联系，因此从电网安全考虑，相较于传统电网的集中式、密集型、强网架结构，分布式发电系统对电网本身的依赖较小，当电网发生故障时，分布式发电可以脱离开来单独运行，以支撑分布式发电系统下的重要负荷供电，有力支撑电网结构向更加灵活、多样的方向发展。我国风力资源雄厚，但是分布不够均匀，西北和海上风电资源尤为丰富，而内陆平原地区相对贫乏。因此，面对风力发电系统的约束条件，如何通过信息技术和智能技术，将风力发电系统管理起来，实现统一监控与运维成为当下研究的热点。大量的分布式发电电源接入给电力系统带来的诸如调度和控制困难、电网运行的安全性和可靠性等问题也逐渐表现出来。分布式发电由于地理位置分布较广，对于通信和数据采集系统的要求也相应增加，同时也给分布式发电设备的运行维护带来了较大的挑战，对系统的运行控制提出了更高要求。

1风力发电系统网络结构的构成

从网络相关性来看，风力发电分成两部分，一部分是发电生产相关的生产过程控制、监控系统以及相关的企业运营和决策信息系统，另一部分为和电网并网业务关联的控制I区、控制II区和电力调度系统。虽然风力发电和输、变、配、用电由不同的公司运营，且各自的网络大小、规模和使用人群等复杂度和专业各有不同，但均涉及传感、控、调和生产调度、办公运营各部门组成，故从整体上看，不管是风电场还是电网公司的网络业务系统，都能参照工控系统普度参考模型对具体业务间的逻辑来进行分层理解。在调度的视角看，风力发电系统网络结构上分为涉网和非涉网两部分。控制网络的生产区间的系统由风场内控制系统和基于风场集控中心电力监控运营决策的典型跨物理区域的分布式工业监控系统组成，这些系统网络上与电力并网的电力调度并不直接存在网络耦合关系，以下简称非涉网区域。和电力调度并网相关的系统包含远动子站、AVC子站、保信子站等和电网中变电站相关的子系统，均属于国家能源局《电力监控系统安全防护总体方案》所定义的控制大区范畴，以下简称涉网区域。

2风力发电监控系统现场无线网络平台设计

2.1风机状态监测功能的实现

本系统的风机状态监测功能，具体又包括单台风机状态监测、风机故障告警、风机部件监控等内容。这里以风机故障告警功能为例，介绍其功能实现方式。为最大程度上降低风机故障带来的损失，本系统增加了故障预警模块。在实时采集风机运行参数、掌握设备运行状态的前提下，将实时参数与系统内存储的设定值进行对比。如果实时参数超过了设定值，则系统自动标记并跟踪异常数值，同时发出声光报警，以提醒设备管理人员开展检修处理。风机运行时的所有故障均展示在运行故障窗内，并且以故障表的形式顺序展示。设备管理人员根据故障表提供信息，可以了解故障码、故障类型，以及发生故障的风机、风场和具体的故障内容，从而为制定故障维修计划、开展故障维修处理提供了依据。对于实时告警事件，根据其来源和特征的不同，可以将其分为多种类型，如运行事项、系统事件、操作记录事件等。在出现告警事件后，根据告警内容的不同采取差异化的处理。例如，对于拥有独立实时告警窗口的，可以通过该窗口详细展示告警时间的内容、时间等信息，并提示设备管理人员；对于画面闪烁告警的，说明被监测设备处于告警状态，等到设备维修人员处理该故障后，报警灯自动停止闪烁。除此之外，还有语音告警、光字牌显示告警等。

2.2数据接口模块

由于该系统需要实现远程控制和报警功能，因此在选择单片机时需要符合预处理电路和RS-232接口信号的功能芯片，因此采用了C8051F350芯片来用于智能监控系统的硬件中央处理器。C8051F350单片机的功能包括中央信号处理、RS-232信号输入输出、LCD信号输出、预处理电路及其他基本控制电路等。风电场的控制需要采集温度、冷却液位、润滑液位、湿度、振动率、电压值、电流等相关信息，因此需要安装传感器来对这些数据进行采集。而采集的数据通过多种模拟开关来进行分类后，经增益放大器组来加强信号，再经低通滤波器传输给C8051F350单片机，由CPU进行处理后的数据通过RS-232接口，经由4G/5G模块以无线网络信号的方式向控制中心发送，从而实现数据的采集功能。而反向的数据接收，则是由控制中心向风力电场进行信息发送并执行，从而实现远程控制的功能。

2.3网关

1）网络控制功能：负责整个网络的维护，定期发送网络控制命令，使网内终端实现时钟同步。2）信道选择：网关初始化时，根据可用信道表扫描，获取各信道质量，确定网络工作信道；网络工作过程中，定期动态检测工作信道质量，发现干扰，通知全网动态切换工作信道。3)网络数据采集:定时或按需发送网络数据采集指令，要求网内终端上报节点网络信息，接收并汇总各终端节点信号强度、链路质量、路由信息等，并为上位机提供数据。4)业务数据采集:按上位机要求，采集各终端节点的位置信息、传感器信息等。5)中继功能:网关具备中继功能，可为其它节点转发数据。

2.4ZigBee无线传感网络设计

从结构上讲，ZigBee无线网络技术是由网络节点和路由节点两部分组成。该系统将搭载成熟的3G/4G网络技术与ZigBee路由端进行对接，实现远程传输功能。ZigBee则通过Co-ordinator（协调者）来对终端设备进行管理，从而组成MESH网状网络拓扑，实现“多级跳”的高性能的网络结构。这一方面是为了确保系统稳定性，另一方面也是为了控制网络服务成本，5G网络虽然更加高效，但是成本和速率上都有明显的浪费。

结语

风力发电场的风机分布广泛，增加了运维成本和监管难度。远程集中监控系统可以将分布在不同地区的风电场、风机与配套设备全部纳入同一个监控体系内，实现了全程、动态监管。该系统借助于前端的数据采集程序，实时获取每一台风机的运行信息，然后经通信系统将数据传输给中心站，在数据汇总分析的基础上实现了远程监控。在发现故障以后，能够及时告警，并提供详细的故障信息，为故障维修提供了依据。下一步，还要在异常工况智能自诊断、故障3D展示、移动终端开发等方面展开继续研究，从而进一步提高远程集中监控系统的应用效果。

参考文献

[1]李科润.服务器虚拟化技术在风电场电力监控系统中的应用[J].现代工业经济和信息化,2021,11(4):73-75.

[2]王浩.基于RTDS的风电场AVC动模仿真试验分析[J].内蒙古科技与经济,2021(8):95-96.