风电控制系统及SCADA系统共54页文档

浅谈风电SCADA系统应用在能源危机的大背景下，对绿色能源、新能源呼声日益高涨。

在我国，风力发电的浪潮已经来临。

而国内风电市场的技术环节为国外垄断将是行业长远发展的潜在危机。

基于该行业的现状，力控科技采用开放式平台、分布式多层架构的整体解决方案是国内风电SCADA 系统的解决之道。

该系统结合国内外通用型控制器提供的是以风电场监控与数据采集（SCADA）系统为的管理-控制一体化项目。

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。

SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。

SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。

它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。

该系统是融合了先进的现场总线技术、控制/通讯冗余技术、数据库技术、SCADA/HMI技术及客户/服务器（C/S）、B/S技术等的一体化的集成控制系统工程。

以力控系列软件为基础的该系统可以搭建一个风电场各项监控、监测数据的信息共享、交换、传输平台；针对运营商、投资商、制造商以及技术研发单位，提供远程分布终端综合监测系统，电场多协议中央监控系统，状态监测系统，故障诊断系统及缺陷跟踪系统；通过创建风电行业数据仓库；组建风资源前期规范及评估、产能预报、风电场运营管理等系统；提供技术咨询及数据咨询服务。

在电力系统中，SCADA系统应用为广泛，技术发展也为成熟。

它作为能量管理系统（EMS系统）的一个主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。

SCADA系统SCADA系统SCADA系统包括中央监控系统，远程监控系统等，系统的组成见下图：SCADA系统是风机系统的一部分，具有远程控制风机和监视风机运行状态的功能。

当风机发生故障时能够发出声音和视觉的报警，打印出报警的故障信息，并且在远程可以对一些故障进行复位。

SCADA系统设置3级权限，1级权限在机舱内部，可以控制、监视风机，同时可以修改参数；2级权限在塔基和中控室，通过硬件开关可以切换，控制和监视风机；3级权限只能监视风机。

SCADA系统可以显示如下数据：l 日、月、年风场总发电量l 电网正常运行的小时数l 风电机组正常运行的小时数l 发电小时数l 服务小时数l 故障小时数l 风电机组的、以kWh为单位的发电量（月、年和累计的）l 频率l 以m/s为单位的风速，以度为单位的风向l 有功功率输出（KW）、无功功率（KV AR）和功率因数COSφl 叶轮速度l 机舱、发电机、齿轮箱、轴承、周围的温度，水、油的温度等l 变频器温度l 塔基控制柜温度l 机舱控制柜、变桨控制柜温度l 每台风电机组的电量消耗l 人工开停风电机组，记录停机期l由于周围温度变化原因的每台风电机组的开停，记录停机期（发生时间、持续时间和次数）和环境温度l 由于风速超过限制风速而停机，记录停机期（发生时间、持续时间和次数）l 最近一次故障l 风电机组并网的次数l 声光报警l 变频器直流母线电压Udc，电网电压l 电网总运行时间l 风机总运行时间l 变压器信号的显示l 制动器状态、电池状态l 所有监测资料编制成一定格式的文件，从而能直接调用独立的资料记录系统，满足不少于12个月数据的储存容量。

l 整个风电场和各个风电机组的所有故障，其中包括电网的故障状态信息、数量、种类、故障发生日和时间，以及故障持续时间l 能显示绝对风向（度）l 功率曲线（KW-M/S，以月统计值储存）中央监控系统具有相应等级的抗电磁干扰能力，所有控制和保护系统的元件，认真选择和布置，以避免来自电力系统内的电磁干扰。

风力发电机组控制系统一风电控制系统简述风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。

现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。

风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。

由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力，其系统结构如下：风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。

风电控制系统的网络结构。

1、塔座控制站2、塔座控制站即主控制器机柜是风电机组设备控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等。

控制器硬件采用32位处理器，系统软件采用强实时性的操作系统，运行机组的各类复杂主控逻辑通过现场总线与机舱控制器机柜、变桨距系统、变流器系统进行实时通讯，以使机组运行在最佳状态。

3、控制器的组态采用功能丰富、界面友好的组态软件，采用符合IEC61131-3标准的组态方式，包括：功能图（FBD）、指令表（LD）、顺序功能块（SFC）、梯形图、结构化文本等组态方式。

4、2、机舱控制站5、机舱控制站采集机组传感器测量的温度、压力、转速以及环境参数等信号，通过现场总线和机组主控制站通讯，主控制器通过机舱控制机架以实现机组的偏航、解缆等功能，此外还对机舱内各类辅助电机、油泵、风扇进行控制以使机组工作在最佳状态。

风电主控系统风机的控制系统是风机的重要组成部分，它承担着风机监控、自动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务，它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）几部分组成。

各部分的主要功能如下： 监控系统（SCADA）：监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，它包括大型监控软件及完善的通讯网络。

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就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器），它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统（变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。

变桨控制系统：与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。

目前来看，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：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。

从我国目前的情况来看，风机控制系统的上述各个组成部分的自主配套规模还相当不如人意，到目前为止对国外品牌的依赖仍然较大，仍是风电设备制造业中最薄弱的环节。

而风机其它部件，包括叶片、齿轮箱、发电机、轴承等核心部件已基本实现国产化配套（尽管质量水平及运行状况还不能令人满意），之所以如此，原因主要有： （1）我国在这一技术领域的起步较晚，尤其是对兆瓦级以上大功率机组变速恒频控制技术的研究，更是最近几年的事情，这比风机技术先进国家要落后二十年时间。

前已述及，我国风电制造产业是从2005年开始的最近四年才得到快速发展的，国内主要风机制造厂家为了快速抢占市场，都致力于扩大生产规模，无力对控制系统这样的技术含量较高的产品进行自主开发，因此多直接从MITA、Windtec等国外公司采购产品或引进技术。

风力发电—发电机控制系统风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。

因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。

目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。

对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。

控制系统的组成风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。

控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。

具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。

当然对于不同类型的风力发电机控制单元会不相同。

控制系统结构示意图如下：针对上述结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系统（DCS）工业控制计算机。

采用分布式控制最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置。

就地进行采集、控制、处理。

避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接。

同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数。

并与其他功能模块保持通信，发出各种控制指令。

目前计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。

PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，目前功能上有较大提高。

很多厂家也开始采用PLC构成控制系统。

现场总线技术(FCS)在进入九十年代中期以后发展也十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。

风力发电机控制系统（二）控制系统技术风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。

风电场中SCADA系统设计作者：万海东祁博宇夏毅军来源：《现代电子技术》2010年第01期摘要:在大型的风电场中,如何有效地对各风力机状态进行监控,使整个风场风机安全、可靠、经济地运行变得至关重要。

为此通过设计风电场的现场SCADA系统来建立一个风电场各项监控、监测数据的信息共享、交换、传输平台。

详细介绍了风电场的现场SCADA系统中前置机设计,并针对风电场的特点设计了现场SCADA系统监控中心的软硬件平台。

实现了风电场的前端数据采集、基础信息管理、地形图管理以及远程接入等功能,较好地满足了风电场的监控管理。

关键词:风电场;SCADA;前置机;Modbus中图分类号:TP274+.2文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)01-201-03Design of SCADA System in Wind FarmWAN Haidong1,QI Boyu2,XIA Yijun1(1.Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing,210013,China;2.Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing,210044,China)Abstract:In the large wind farm,it is important to monitor the state of wind turbine,and then it can make the wind turbine running safely,reliably and economically.For this reason,a platform is built up by designing a local SCADA system,which can share,exchange and transmit information of monitoring data.In this paper,the design of front-end computer in local SCADA system of wind farm is introduced in detail,the software and hardware platform in monitoring center of local SCADA system are designed.The system has functions of data collection,basic information management,landform management and remote access,which satisfies the requirement of monitoring and management in wind farm.Keywords:wind farm;SCADA;front-end computer;Modbus0 引言风能作为一种清洁的可再生能源,已经日益引起世界各国的注意,风力发电技术已基本趋于成熟。