风力发电场远程集中监控系统设计探究

[《中国信息界》2024年第2期], 国研网 发布于 2024/5/29


引言

随着我国能源结构转型步伐的加快,风力发电行业得到了迅速发展,正在从新兴产业向成熟产业过渡,从沿海地区向内陆地区延伸,并已形成了一条完整的产业链。风力发电设备的制造、安装、调试、维修、监理等相关企业及专业服务机构纷纷涌现。在这一过程中,风电设备故障率的提高、运营效率的降低、运维成本的增加等问题日益突出。加之随着科技的进步和管理手段的不断创新,风电场的管理水平得到了提高,风电场内工作人员数量越来越少,为适应风电场建设和管理的需要,风力发电场必须建立一套集中监控系统,对风电场内风机运行状态和风电场设备进行集中监控。在此背景下,本文提出了一种基于无线通信技术的远程集中监控系统方案,并对系统的设计要点进行了阐述。该方案有效提高了风电设备故障处理能力、运营效率和运维成本,对风电行业发展具有重要意义。

1 远程集中监控系统关键技术介绍

1.1 监控系统需求分析

随着我国风电产业的迅猛发展,风电设备的技术水平也在不断提升。但是,由于风电场分布地域广、站点分散、环境复杂等原因,风力发电场监控系统在运行维护过程中存在监控不到位、维护不及时、故障处理不及时等诸多问题。为保证风电场的安全运行,应在风电场中安装监控系统,实时监控风电机组的工作状态。传统的风电机组监控系统无法对风机设备运行状态进行全面、实时、准确的监视。一旦出现问题,只能进行人工检查和判断,不但效率低,而且不能及时发现故障。为解决上述问题,研究开发了一套风力发电远程集中监控系统,在风电场现场安装监控单元。通过网络与调度中心相连,实时传输现场的运行数据和图像信息。一旦发生故障或事故,可在第一时间准确、及时地进行故障定位和分析处理。在风力发电远程集中监控系统中,由集中监控单元、现场智能终端、网络传输设备和用户客户端软件4个部分组成[1]

1.2 远程集中监控系统的结构选择

在系统设计时,应根据实际情况确定采用的结构模式。可以选择分层分布式结构,即系统分为多个监控层和现场设备层,系统的结构层次分明,各层次之间的通信和操作方便,便于维护管理。为了提高系统的可靠性,当现场设备层出现故障时,可迅速通过总线将故障设备切换到相应的监控层,减少故障处理时间。现场设备层主要完成对风机、电缆、变压器、低压配电箱等现场设备的状态检测和控制,实现对各风机和配电箱等现场设备的远程监控。由总线将各个监控层连接起来,通过总线进行数据交换。因此现场设备层是整个远程集中监控系统的核心部分。

1.3 Web发布系统相关技术

Web发布系统是将现场设备数据信息,以Web的方式发布到Internet上的一种应用程序。它采用XML作为Web数据格式,具有很高的可移植性,便于在Internet上发布,是一种非常有用的数据交换格式。在实际应用中,采用基于XMLWeb系统需要解决以下2个问题。(1)数据的安全问题。数据在传输过程中可能被非法截取或篡改,为确保数据安全,采用XML技术对数据进行加密。(2)信息发布的时效性问题。由于不同用户对信息有不同需求,需要提供不同类型的信息,因此对发布信息的时效性也有不同要求。

1.4 数据采集系统技术

风力发电场数据采集系统主要由传感器、数据采集器和计算机3部分组成。其工作原理为传感器将风力发电场的各种参数信号转换为电信号,通过数据采集器把电信号转换为数字信号,再由计算机进行处理和显示。传统的风力发电场数据采集系统采用的是模拟量的采集,而在风力发电场远程集中监控系统中,为了保证数据采集的实时性和准确性,采用数字量数据采集。数字量数据采集与模拟量数据采集相比,具有精度高、速度快、抗干扰能力强等优点。而且数字量的采样频率远远高于模拟量的采样频率。因此,采用数字量的方式可以更加快速和准确地获得现场所需要的信息,对现场设备和生产过程进行实时控制和监控[2]

2 远程集中监控系统设计

2.1 系统整体架构

远程集中监控系统主要由3部分构成,前端设备、数据传输和监控中心。前端设备包括各种传感器(如风速、风向、温度、湿度等);数据采集设备包括数据采集模块和无线通信模块;数据传输设备包括无线传输模块和数据中心。前端设备采集的数据通过数据传输模块实时传输到监控中心,软件平台接收来自前端设备的数据,并对这些数据进行存储、处理和分析,实现对整个风电场的集中监控。监控中心主要负责对整个风电场远程集中监控和管理,实现风电场运行状况的实时监控和分析,实现风机故障自动诊断和报警等功能。用户可以通过远程控制风机实现对风电场的远程控制。

2.2 系统拓朴结构

远程集中监控系统的拓朴结构由计算机网络、现场设备、实时数据采集(SCADA)系统、应用软件等构成。有5个主要特点。①现场设备数量大,分布范围广,在一些比较偏僻的地区,需要布置大量的现场设备,通过计算机网络连接在一起,实现分散监测和集中管理。②系统采用了网络技术,把分散在不同地点的各类现场设备有机地连接起来。③采用分布式结构,现场设备不需要布线,只需将现场的传感器、变送器和控制器连接起来,通过TCP/IP网络即可实现数据采集和处理。④系统采用了先进的数据采集技术和面向对象的设计方法。⑤采用了开放的标准协议和开放的编程接口。

2.3 系统功能需求设计

对风力发电场进行远程集中监控的目的是实现对风力发电场的实时监控,并通过对风电机组的监控,及时发现设备故障隐患,为风力发电场的安全运行提供有效保障。在进行系统设计时,必须根据风电场设备的具体情况以及运行特点确定具体的功能需求。首先,应满足风电机组的现场监控要求,并与其建立起实时的通信联系。其次,应具备数据采集功能,并能够对现场采集到的数据进行有效处理。再次,满足远程视频监控要求,能够对现场设备进行实时监控。最后,应具备短信报警功能,能够及时向风电场工作人员发送告警信息。因此,在对风力发电场进行远程集中监控设计时,必须对系统功能需求进行综合分析与考虑[3]

3 系统应用扩展

3.1 数字气象模块

风力发电场远程集中监控系统所需的数字气象模块,通常是用来采集气象数据的,其中包括风向、风速、温度、湿度、气压、雨量等,需要监测的数据类型包括日最高温度值、年平均温度值(或最大值)等。由于风力发电现场的环境比较恶劣,通常情况下需要采集多个气象数据,并且这些数据需要进行实时采集与存储。一般在风力发电场的现场都需要安装气象传感器。风力发电远程集中监控系统通常采用数字气象模块实现对风速、风向等气象数据的采集,同时通过气象传感器将现场的风速和风向等数据上传至风机监控系统主机进行实时显示,从而实现对风力发电场现场环境的实时监测与预警。在进行风力发电场远程集中监控系统的设计时,需要根据现场实际需求和实际安装环境选择相应的气象传感器。

3.2 异常智能自诊断功能

在风力发电场的监控系统中,设置异常智能自诊断功能。当风场数据出现异常时,通过发送告警短信给风电场管理人员,提醒管理人员对出现异常的风机进行分析、处理,实现对风机运行情况的智能诊断、在此基础上优化运行策略。通过这种方式,有效减少风场设备因故障造成的停机时间和经济损失。在风电场的监控系统中,风机故障时会自动进行报警,风机告警时会以短信息形式发送给风场管理人员。风机在监控系统中的报警信息可以显示在风场监控系统的设备上,也可以直接发送到用户手机上。当风机出现故障时,工作人员可以直接通过短信功能查看故障信息。

通过对风机状态的分析和判断,有效减少故障造成的损失。风机一旦出现故障,风场管理人员就会收到告警短信,并及时安排工作人员到现场处理故障。如果风机出现故障不能及时排除,就会造成严重的经济损失。

3.3 3D展示模块

风力发电场远程集中监控系统可以将风机运行过程中的所有状态信息,通过实时显示的3D模型,以直观的方式进行展示。具体操作为采用三维建模技术,对风力发电场进行整体的3D建模,并将3D模型导入到WGS-8300/8400平台上,以3D形式展现风机设备运行状态、环境状况等信息。该系统对风力发电场进行了全面的数字化建模,使整个系统具备了三维立体的展示能力。帮助企业合理规划调度计划、进行设备运维、预测设备故障、优化风机性能等工作,降低运行成本。此外,还可以通过系统对风机进行远程集中监控,使企业通过网络管理平台即可对风机进行远程集中监控[4]

3.4 /光功率预测

目前,很多风电场都已具备风电功率预测功能,但是由于无法实时获取风电场实时数据,造成目前风/光发电功率预测系统的准确性不高。利用该系统可实现对未来风电功率的预测,预测结果可在风电场集控中心或监控中心进行查看和分析。该系统具有以下功能。(1)风况信息。实时获取不同时间段的风况信息,如风速、风向、温度等,并进行相应处理。(2)发电量预测。根据历史数据,结合不同时间段的风速、风向、温度等条件进行综合分析和预测。(3)风电场功率控制。根据历史数据、天气情况和风力发电功率变化趋势等因素,结合风电场的实际运行情况对未来风电功率做出相应控制。(4)实时告警。通过通信链路与监控中心实时通讯,实现对风电功率异常告警。(5)历史数据存储。将风电场历史数据存储到数据库中,方便后续的数据分析及其他功能开发。(6)与气象预报和发电功率预测系统集成。对未来的风电功率做出准确预测,为调度提供科学合理的依据。(7)其他功能。包括气象数据分析、调度指挥等多种功能。

3.5 移动终端应用开发

目前,风电行业正在朝着智慧化方向发展。在大型风电场中,需要在现场部署大量的传感器、电子设备、智能终端,通过有线或无线通信网络接入云平台。因此,建设基于移动通信网络的风电场远程监控系统显得尤为重要。智能终端作为风电场远程监控系统的组成部分,可对风电机组的运行参数进行实时监测和历史数据的查询与统计。通过移动终端远程控制风机运行、采集风机运行数据、对风机故障进行报警、故障分析和故障诊断。例如,中国移动推出的“翼云”风电场远程监控系统、中国电信推出的“翼云”风电机组远程监控系统、中国联通推出的“翼云”风电机组远程监控系统、北京电力公司推出的“翼云”风电场远程监控系统、大连移动推出的“翼云”风电机组远程监控系统等。以中国电信“翼云”风电场远程集中监控系统为例,该系统不仅具备传统有线网络环境下对风电场现场的设备监测和管理能力,还具备无线网络环境下对风电场现场进行数据采集和监控管理能力[5]

4 应用前景

随着风力发电场建设的不断发展,将会出现越来越多的风电项目,全国各风电场也将面临着运维人员短缺的问题。为了保证风机的安全运行,应对其进行24小时不间断地监测与控制,这就对风机集中监控提出了更高的要求。然而,目前全国各风电场都是由分散在全国各地的不同企业管理,缺乏统一规划和管理,风机资源也无法得到有效的利用,导致风机运行维护效率低下、运维成本较高。风电远程集中监控系统正是为解决这些问题而开发出的一套系统。该系统具有网络部署便捷、数据传输迅速、软件功能强大等优点,在各风电场得到广泛应用,能为风电企业创造良好的经济效益和社会效益。

结语

风力发电场远程集中监控系统作为风电建设的重要组成部分,它的实施和完善不仅对风电企业生产技术、管理水平的提升有一定的推动作用,还有效提高了电力行业的整体经济效益。因此,在风力发电场建设和运行中,应积极引入先进的监控系统,将其作为提高风电企业经济效益和社会效益的重要手段。通过远程集中监控系统的建设,有效避免因工作人员在现场作业过程中发生意外而引发的安全事故,有效防止工作人员因现场工作环境恶劣而出现身体不适、中暑等现象。

引用

[1]熊昌全,张宇宁.风力发电场远程集中消防监控系统的研究与应用[J].现代职业安全,202310):77-80.

[2]郭建英.风电场电力监控系统安全防护的探讨[J].电气技术与经济,20237):300-302.

[3]梁涛,黄玥.风力发电场SCADA系统的设计[J].水电与新能源,2023371):1-410.

[4]周刘俊,王琨,宋碧昊,等.风力发电场远程集中监控系统的设计及系统应用成果分析[J].科学技术创新,20231):221-224.

[5]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,2021114):73-75.

作者简介:王东(1987—),男,甘肃武威人,本科,工程师,研究方向:新能源运行与维护。

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