1、行业背景
1.1、现状
随着人类越来越重视利用可再生能源，风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到重视。风能蕴量巨大，全球的风能约为2.74X109兆瓦，其中可利用风能约为2X107兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量大10倍。中国风能储量很大，分布面广，仅陆地上的风能储量就约2.53亿千瓦。
1.2、需求分析
风能资源丰富的地区一般都比较偏远，而且环境恶劣。在风电站中，风电机组分布比较分散、监控参数多，这都会给风电系统的控制带来不利影响。为充分有效地利用风力进行发电，SCADA监控与数据采集系统作为自动化控制的核心具有信息完整等优点，它能提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策，有助于快速诊断系统故障状态，对提高风电场运行的可靠性、安全性与经济效益具有不可替代的作用。
力控科技作为国产监控组态软件的领军者一直关注风电行业的发展，结合国外厂商倍福（BeckHoff）的嵌入式PC控制器CX1020，总结多年在风电行业的应用经验，开发了力控风电版监控组态软件FCWP。
2、系统网络拓扑图
整个监控网络可以分为三个层次
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监控此台风力发电机的运行状态，并采集产生的数据。
2) 中央监控部分：布置在风电场控制室内。工作人员根据切换画面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的地点，远程控制目前一般通过光纤或无线网络等通讯方式访问控制中控室主机。
3.德国BeckHoff嵌入式PC CX1020
德国倍福高性能嵌入式PC CX1020配备有1 GHz的CPU，在超低内核电压下运行，具有低热功耗的特点，其TDP（热设计功率）仅为7W。虽然设计非常紧凑，却不需要使用风扇。因为它用CF卡作为启动和存储介质，所以控制器内无需使用旋转介质，增加整个系统的平均无故障工作时间。精心的产品设计结构适合在恶劣的气候环境下正常运行，高速Ether CAT现场总线结合力控科技开发的风电专用协议，使整个控制系统具有快速控制技术以及实时风场网络监控等基本特征。
借助倍福嵌入式PC CX1020的强大功能和风电控制专用模块实现了对风机各参数的采集与控制，包括：电网参数、气象参数、机组状态参数、变桨控制、发电机运行控制和管理（机舱）等。
4.力控风电设备SCADA监控组态软件FCWP
力控风电设备SCADA监控组态软件FCWP具备风电行业专用的设备负荷专用曲线及监测组件，适合风电场级监控和风电场运维中心的系统集成，采用核心数据库系统，实现远程监视和接收汇总全国相关各风电场的所有风电机组、继电保护、风速、发电量、售电量等的运行情况，使各级部门都能及时了解风电机组运行状态和发电状况。
运维中心采用实时数据库系统软件。构建统一的实时生产数据监管平台，整合不同设备厂家的监控系统，在管理层建设统一的管理数据平台，实现以生产管理和安全管理为核心的自动报表功能、生产装置的监控功能、工艺指标的考核功能和安全防范、生产监督以及计量功能。建立生产实时数据监视系统平台，通过采集和整理风电场设备的数据，为专业管理人员提供庞大的信息数据库，便于分析数据，以辅助决策。网络结构采用C/S，通信效率高、易扩展、减少投资。运维中心采用双网关通信，数据通道和用户上网通道隔离，安全可靠。数据传输采用VPN方式，安全可靠，性价比高，系统软件稳定、可靠、可组态，便于维护和二次开发，减少投资。
5.就地监控部分
就地监控部分由下位数据采集处理系统德国Beckhoff嵌入式PC CX1020和上位力控风电版监控组态软件FCWP组成。
5.1、Beckhoff嵌入式PC CX1020控制实现
主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统是监控系统、变桨控制系统、变频系统（变频器），它与监控系统接口完成交换风机实时数据及统计数据；与变桨控制系统接口完成控制叶片，实现最大风能捕获以及恒速运行；与变频系统（变频器）接口实现自动调节有功功率和无功功率。
变桨控制系统：与主控系统配合，通过控制叶片节距角，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高灵活运行风力发电机组。目前，变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。
变频系统（变频器）器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。
5.2、力控风电版SCADA就地监控功能的实现
1) 显示机组的运行数据，如机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，用风玫瑰图、曲线或图表的形式直观地显示出来。
电网参数：电网三相电压、三相电流、电网频率、功率因数等。
电压故障检测：电网电压闪变、过电压、低电压、电压跌落、相序故障、三相不对称等。
气象参数：风速、风向、环境温度等。
机组状态参数：风轮转速、发电机转速、发电机线圈温度、发电机前后轴承温度、齿轮箱油温度、齿轮箱前后轴承温度、液压系统油温、油压、油位、机舱振动、电缆扭转、机舱温度等。
2) 显示风电机组的运行状态，如开机、停车、调向、手/自动控制以及大/小发电机工作等情况。
a. 主控系统检测电网参数、气象参数、机组运行参数，当条件满足时，启动偏航系统执行自动解缆、对风控制，释放机组的刹车盘，调节桨距角度，风车开始自由转动，进入待机状态。
b. 当外部气象系统监测的风速大于某一定值时，主控系统启动变流器系统开启转子励磁，待发电机定子输出电能与电网同频、同相、同幅时，合闸出口断路器实现并网发电。
c. 风力机组功率、转速调节根据风力机特性，当机组处于最佳叶尖速比λ运行时，风机机组将捕获得最大的能量，虽理论上机组转速可在任意转速下运行，但受实际机组转速限制、系统功率限制，不得不将该阶段分为以下几个运行区域：变速运行区域、恒速运行区域和恒功率运行区域。额定功率内的运行状态包括：变速运行区（最佳的λ）和恒速运行区。
3) 显示各机组运行过程中发生的故障。在显示故障时，显示故障类型及发生时间，以便运行人员及时处理并消除故障，保证风电机组安全持续地运行。
5.3力控风电版SCADA就地监控系统的优点
力控风电版监控组态软件FCWP是力控科技总结多年风电行业的应用经验，精心打造的一款符合国内风电行业应用的风电监控软件。
1) 全中文的操作界面，符合中国人的操作习惯。
2) 对风电场场址的风况特征和风能资源应作出分析和评价。
力控风电版监控组态软件具有强大的绘图功能，可绘制风速频率曲线和风向频率玫瑰图、编制月平均风速变化和年平均风速日(0——24小时)变化曲线，并根据每台机组的输出功率曲线，结合年度检修计划，编制出年、月（季）和日预报发电计划以及次日的风速和发电预报，报送电网管理部门和调度部门审批。
a. 与风场测风塔同期的相关长期测站风速年变化直方图
b. 相关长期测站连续20——30年的风速年际变化直方图
c. 风电场测站全年的风速和风功率密度日变化曲线图
d. 风电场测站全年的风速和风功率密度年变化曲线图
e. 风电场测站全年的风速和风能频率分布直方图
f. 风电场测站全年的风向玫瑰图
g. 风电场测站全年的风能玫瑰图
h. 风电场测站各月的风向玫瑰图
i. 风电场测站各月的风能玫瑰图
j. 风电场测站各月的风速和风功率密度日变化曲线
通过直观的图表、曲线和实时数据为风电场的建设与维护提供了有效的依据。
3) 高效、快速、稳定的数据采集处理能力
力控与Beckhoff 控制器的通讯方式具有如下几种：
◆OPC通讯方式
Beckhoff的TwinCAT系统软件可以连接一台或多台PLC，同时提供OPCServer。力控作为OPCClient 与之连接。通讯效率一般，不支持冗余，适用于小规模的通讯任务。
◆调用动态库 DLL实现通讯
Beckhoff的TwinCAT系统软件可以连接一台或多台PLC，同时提供DLL供外部系统调用。力控提供了对应的驱动程序。通讯效率较好，支持冗余，适用于中等规模的通讯任务。
◆批量打包传送
这是一种定制化的驱动。使用方法是在Beckhoff 的控制器中编制程序，将数据打包，通过以太网批量传送。力控监控组态软件运行对应的驱动程序进行接收。通讯效率高，支持冗余，适用于大规模的通讯任务。例如一套SCADA系统同时管理50个以上的控制器。这种方案解决了以上两种方案容易产生的一个非常重要的问题：数据采集统计滞后，造成生产量统计值要比实际值小，在客户看来属于严重亏损，不能让他们接受。新方案比旧方案获取得到的数据实时性更强，数据偏差更小。
6.中央监控中心
6.1中央监控中心功能简介
在中央控制室设立了一对互为热备的实时数据库服务器，采集和保存所有的现场数据，同时作为报警服务器和事件服务器；根据需要设立一定数目的客户端节点，作为操作员站；设立一台工程师站作为组态和维护。风场中央监控中心布置在风电场控制室内，工作人员根据切换画面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。风场监控中心通过风电场光纤以太网环路与就地控制室的系统进行通讯。
SCADA实时/历史数据库服务器采用力控科技自主开发的分布式实时数据库pSpace，负责处理、存储、管理从控制系统传送来的实时数据，同时又为网络中的其它服务器和工作站提供实时和历史数据。SCADA实时历史数据库服务器是控制网络中的报警、趋势、报表等的数据服务器，也是本系统的数据处理中心，它将担负整个系统实时数据的存储和处理，并为远程监控中心提供实时数据，是整个系统的数据集散地，因此具有十分重要的地位。
实时数据历史数据库服务器通过冗余的通讯网络从控制层采集实时数据，然后以变化保存或定时保存算法进行数据压缩、处理和保存。数据保存时间可以达到10年以上。服务器可以实现通讯冗余功能，即自动实现对冗余A网和B网的通讯切换。
6.2 力控企业级实时历史数据库pSpace及产品功能
力控企业级实时历史数据库pSpace是一款高性能、高吞吐、稳定可靠、支持跨平台的时序数据库系统，提供工厂模型，生产运营管理、设备运行管理、历史追忆、生产报表等多种管理模块，将生产过程产生的海量数据转化为满足业务需求的信息，辅助管理者对安全生产、降低能耗、优化生产流程做出准确决策。支持与生产智能管控平台、生产信息化及可视化等各类管控APP平台结合，共同构建强大的生产执行制造与调度指挥系统，挖掘工业生产过程数据并使其发挥价值，助力企业的数字化转型。
1) 多平台支持能力
多平台支持能力，支持Windows和Linux 操作系统（Ubuntu、CentOS、银河麒麟、统信UOS等）。
2) 高效的压缩模式
高效的压缩模式，数据采用二次压缩技术，保证压缩效率。
3) 完整的冗余技术
完整的冗余技术，支持Windows故障转移群集、RoseHA等。
4) 协议数据发送
支持OPC DA、OPC UA协议的数据发送，在保证数据完整的前提下，支持超过10万点的秒级更新。
5) 丰富的数据处理功能集
丰富的数据处理功能集，支持数据预处理，提供多种数据统计方式。
6) 优越的数据库性能
优越的数据库性能，单机容量可达千万点级，读写数据峰值超过百万条数据量每秒。
7) 灵活的分布式软件架构
灵活的分布式软件架构，支持在线组态和远程配置与管理。
8) 内置“看门狗”设计
内置“看门狗”设计，系统各进程具备自诊断与自恢复功能。
9) 计算引擎实现数据的自定义计算
计算引擎实现数据的自定义计算，强化数据边缘侧计算的能力。
10) 多种二次开发接口
具备C API/.NET API/Java API/Python API/Web API/ODBC/JDBC /OLEDB多种二次开发接口。
pSpace数据采集技术优势
全面丰富的数据采集接口（各种大中型DCS、PLC、OPC接口、手动录入、ODBC接口、网络隔离接口）1500多种。
强大的接口开发能力，力控科技拥有一支专业的接口开发队伍，随时为你定制新采集接口。
pSpace高级应用功能技术优势
pSpace为企业用户提供功能丰富的应用模块，如：质量管理、过程管理、性能分析、状态监测、工序调度、批次管理、班组考核等。通过这些应用模块并结合用户的经验，可以极大地提升生产过程的作业效率和作业性能。
pSpace安全控制技术优势
通讯加密机制，保证数据在网络中安全传输而不会被截获。
数据库安全认证访问机制，杜绝非法用户访问和恶意用户攻击。
数据单向传输服务，结合网络隔离设备，保证底层系统安全可靠。
pSpace系统集成技术优势
多平台支持，模块化结构设计，完全根据系统需求选择功能和平台。
方便与第三方冗余软件无缝结合，构建冗余系统。
提供第三方组件开发模板，方便用户开发功能与pSpace系统整合。
强大的二次计算能力，将需要用户开发完成的功能转移到数据库来实现。
灵活的WEB发布选择，便于与用户的信息系统整合。
6.3、力控风电版监控组态软件FCWP与实时历史数据库pSpace的无缝结合
在中央监控中心设立数台客户端，客户可采用C/S或B/S方式访问服务器，力控风电版监控组态软件FCWP与力控企业级实时历史数据库进行数据交互，操作人员可通过客户端监控风场中各风机的参数、运行情况。
1) 系统的监控画面显示风场所有风机、电网线路、以及其他设备的运行情况，重要的运行工况画面通过一次击键调出，调出时间小于0.5S；调出任何一幅画面击键不超过三次，每幅画面能显示过程变量的实时数据和设备状态，这些数据和状态每秒更新一次，显示的颜色或图形随过程工况而变化。系统提供的画面数量、每幅画面的图素及实时更新和被控的过程点几乎不受限制。系统提供标准的显示画面，如风场总览显示、风机列表显示、趋势显示、成组显示、棒状图显示等标准画面。
2) 综合监控每台风机的运行情况、报警信息。
3) 定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的功能，以便随时查看风电场运行状况的历史记录。
4) 力控风电版监控组态软件FCWP内置各种部颁标准和国际标准规约，如IEC870-5-101\102\103\104规约、CDT规约、DNP3.0规约、SC1801规约、威盛电度表规约、DLT/645规约、LONWorks规约、CANBus规约等，无需配置即可直接使用。
5) 系统提供数据转发通道、内置CDT转发、IEC870-5-101\104转发、DNP3.0转发、Modbus转发等常用转发规约，并支持用户自定义转发规约。系统具有转发模拟屏接口，支持常用的模拟屏规约。通过转发协议实现厂站远动，数据远程管理，转发遥控、转发遥调等功能，满足电力系统对远动功能的要求，为远程监控中心提供有效的分析数据、曲线和图表。
7.远程监控中心
远程监控中心与风场控制中心通过Internet网络VPN技术进行通讯。VPN使用了三方面技术，保证了基于Internet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Internet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，保证快速安全传输数据。
在远程监控管理中心建立集中的统一数据中心，将各个风厂的相关数据采集到该中心。采集的数据分为实时数据和历史数据，实时数据保留6个月以上，实时数据同时要转存成10分钟平均数据，进行历史存储，其中开关量、故障等重要节点的数据特殊处理。系统对采集的数据进行统计分析，提供针对不同用户的经营性报表以及技术分析功能，同时要针对大屏幕的显示方式设置专门的显示方式以及故障的声光报警等，并且要提供运维记录管理以及对电厂的产能进行预测。
实现如下目标：
a. 向管理层提供各电厂经营报表，为决策提供数据支持。
b. 向合作伙伴提供其投资电厂的运行数据。
c. 向技术部门提供风机运行以及变电站的各类指标，通过技术图表对风机及变电站运行情况进行分析。
d. 向运行维护部门提供有关风机及变电站的各类故障报警信息、历次维修记录，并提供有关风厂的各种运行维护类统计报表。
e. 通过集团监控室大屏幕向来访投资者展示集团电厂运行的各种主要信息。
