2 2 《现代电子技术》2010 年第 1 期总第 312 期 　 电子技术应用 风电场中 SCADA 系统设计 (1. 南京电子技术研究所 　江苏 南京 　210013 ;2. 南京信息工程大学 　江苏 南京 　210044) 万海东1 ,祁博宇2 ,夏毅军1 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 03 Design of SCADA System in Wind Farm WAN Haidong1 ,Q I Boyu2 ,XIA Yijun1 (1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology ,Nanjing ,210013 ,China ; 2. Nanjing University of Info rmation 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 comp uter 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 f unctions 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 comp uter ;Modbus 0 　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 。在大型 的风电场中有几十台甚至上百台风力机 ,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[1 ,2 ] 。解决上述问题的途径可以 通过建立风电场的 SCADA (Supervisory Control And Da ta Acquisition ,数据采集与监视控制) 系统 ,实现风场全系 统风机监控、信息共享和故障诊断及维护。 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 。风力发电场的 SCADA 系统包括 了对风电场的风力状况和机组 、风电场运行状况数据进 行采集与集中处理 ,提供就地操作和远程监控人机界 面 ,还可自动或根据管理人员反馈的指令对风电机组和 风电场运行进行效率优化和安全保障控制 。 1 　系统功能 现场 SCADA 系统主要完成数据采集 、网络构建 、 集中监控等功能 。采集系统通过多种通用接口 ,实现将 各厂商的风机 、变电站 、测风塔 、气象站等前端传感器中 信息进行接入采集 ,并通过现场光纤网络 ,采用 O PC 技 术实现数据接入中央监控系统[ 3 ] 。通过组建光纤环网 或者星型网络将风场各风机 、测风塔等前端传感器与中 央监控系统构建以太网络 ,并由中央监控系统完成整个 网络的时间同步 。现场 SCADA 系统监控中心可实现 对现场装机容量 、风机部件参数 、风机控制器组件气象 基础信息等信息进行监视 ,并对风机开关机进行远程控 制 ,实现风场的风机网络拓朴图监控 ,系统提供 Web 访 问界面 ,允许被授权用户访问系统[ 4 ] 。具备报表处理功 能 ,可实现风场地形图录入 、转换 ,并实现逻辑风机与实 际风机的实时联接 ,并由“现场 SCADA 系统安装盘”在 指定服务器上实现“现场 SCADA 系统”安装 ,具备完善 的日志管理功能 ,可实现数据备份/ 恢复 ,数据导入/ 导 出 ,预留多种接口 ,可通过邮件 、传真 、GPRS、CDMA 等 模式将信息及时通知相关用户 。 2 　前置机设计 2. 1 　概述 收稿日期 :2009 06 08 常规 SCADA 系统中通讯处理主要由前置机完成 , 102 

节能减排技术 万海东等 :风电场中 SCADA 系统设计 现场情况下必须保证前置机长期 、稳定 、不间断的运行 。 本系统 设 计 采 用 的 前 端 数 据 处 理 机 操 作 系 统 使 用 Linux 操作系统 ,Linux 具有 U nix 的优点 :稳定 、可靠 、 安全 ,有强大的网络功能 。支持多用户 、多任务 ,是目前 嵌入式产品操作系统的首选 。 前置机由通讯处理及后台监控系统两部分组成 。 前置机基于嵌入式硬件平台并采用客户服务器模式 、分 布式处理 、分散式数据库备份等技术实现 。 作为数据采集的前端控制计算机具有多种标准工 业接口 。通过 RS 232 ,RS 485 和 TCP/ IP 接口可实现 对各厂商不同风机 、气象站 、测风塔等设备进行接入 ,并 可将多路 RS 232/ 485 信号转换为以太网标准接口 。通 过支持多种工业通讯协议实现在应用层上对多种不同 协议设备的接入 ,并转换成标准的 Modbus TCP/ IP 协 议[ 5 ,6 ] 。具备实时对风机等前端设备进行数据采集 ,并 将采集到的参数进行存储 。接收中央监控系统的查询 指令 ,并将采集到的参数数据上报中央监控系统 。接收 风场监控中心的控制指令 ,对风机等设备进行开机 、关 机 、复位等控制操作 。 2. 2 　硬件平台 前置机包括采集接口单元 、中央处理单元 、Modbus TCP/ IP 总线接口单元 。采集接口单元包括了 RS 232 接口处理单元 、RS 485 接口处理单元 、TCP/ IP 接口处 理单元 。 2. 3 　软件设计 前置机整体框架包含了协议处理模块 、数据处理模 块 、日志管理模块 、Web 服务模块 、时钟同步模块 、看门 狗模块以及物理层 RS 232 ,RS 485 和 TCP/ IP RJ 45 接 口 ,如图 1 所示 。 图 1 　前置机软件框图 前置机软件完成协议处理 、数据处理 、O PC 服务 、 日志管理 、Web 服务和时钟同步功能 。 协议处理 完成 Modbus 协议的 接收 处 理 。当 在 Modbus 网络上通信时 ,此协议决定了每个控制器须要 知道的设备地址 ,识别按地址发来的消息 ,决定要产生 何种行动 。如果需要回应 ,控制器将生成反馈信息并用 Modbus 协议发出 。 数据处理为前置机核心处理部分 。数据处理模块 完成 O PC 服务器中数据处理功能 ,对各种采集来数据 202 经过协议处理器解析后取出相应数据实时存入现场数 据库 ,并提供日志查询功能 。能实时处理经由风场监控 中心发出控制指令 ,并将控制指令传递给协议处理模 块 ,由其完成对应风机设备 PL C 协议封装 。 日志记录各风机节点对应时段的状态如发电机转 速 、风轮转速 、浆距角 、发电机机舱角度等参数 ,各风机 实时的开关机状态和故障状态[ 7 ] ,可供远程日志调用 。 日志信息量大小可保留 10～30 天单个风机数据 。 嵌入式的 Web 诊断网页 ,可以实现远程的诊断和 控制 ;客户化的网页空间 ,可以帮助用户创建自己的 、基 于标准 H TML 的 HM I 应用 ;内置的基于 J ava 小应用 程序的图形库 ,可以帮助用户建立动态的对话页面 。 前置机采用网络时间协议 N TP 来实现时钟同步 , 本系统采用客户/ 服务器方式 。风场监控中心确立时间 服务器 ,各前置机作为客户端 ,时间服务器与需要时间 同步的客户机相互交换 N TP 数据包 。 3 　现场 SCADA 系统监控中心设计 现场 SCADA 系统监控中心是现场 SCADA 系统 的核心 ,承担着对 SCADA 系统进行管理 、集中数据处 理 、监控和数据交换控制等功能[ 8 ] 。现场 SCADA 系统 监控中心对整个风场系统实行全面统一的调度管理 ,监 视系统中风机等设备的运行参数和状态 ,如风机部件信 息 、风机控制组件信息 、风机电力信息等相关参数 ;监视 所有风机设备的开 、关和故障状态 ,报警 ,通信状态等 。 监控中心将数据实时的送到远程风场监控中心 ,并接受 远程风场监控中心的远程控制指令[ 9 ] 。 3. 1 　主要功能 数据采集 　对 前置机 进行 实时 数据 采集 , 采用 O PC 技术采集前置机 O PC 服务器中已记录当前特征 量信息 ; 风场基础信息管理 　风场基础信息管理包括了前 置机节点信息 、风机节点信息 、风机显示屏信息 、变电站 节点信息 、测风塔节点信息 ; 风场地形图管理 　根据风场各风机节点 、变电站节 点和测风塔节点的风场布局生成相关的风场地形布局 图 ,并转换成矢量图 ,与各节点生成对应联接关系 ; 现场实时报警信息管理 　具备对各前置机 、风机 、 变电站 、测风塔故障信息报警功能 ,实现声音报警 、图示 报警 、打印报警等方式 。具备故障等级显示 ,由故障级 别进行相应级别的故障警示 ; 人机交互 　具备友好人机交互界面 ,可操作性强 , 显示直观明晰 。显示内容包括实时采集 、计算 、系统估 计和人工置入的各种风场动态及静态运行参数 ,具有风 场地形图无级缩放 、画面导航 、漫游和热点选择功能 ,提 

2 2 2 　 2 2 2 《现代电子技术》2010 年第 1 期总第 312 期 供包括接线图 、表格 、曲线及其它所需画面的编辑和修 改工具 ; 远程接入 　提供与远端风场监控中心软硬件接口 , 可实现现场风机状态信息上报 、现场电网基础信息上 报 、故障报警信息上报等数据上报 ,接受远程中心对现 场风机遥控 、远程故障定位排除等控制指令 。 3. 2 　硬件平台 现场 SCADA 系统监控中心包含系统管理服务器 、 操作员工作站 、数据库服务器 、网络交换设备 、网络安全 设备 。 3. 3 　软件设计 3. 3. 1 　软件总体规划 现场 SCADA 系统监控中心软件主要分为三大部 分 :现场 SCADA 系统监控管理服务器软件 、现场 SCA DA 系统监控管理客户端软件 、实时数据库软件 。 监控管理服务器软件包括多个软件模块 ,作为监控 中心的系统管理服务器起到前端数据接入采集 、数据库 操作 、风场地形图管理 、日志管理 、报表生成 、故障监测 报警 、远程受控等功能 ,如图 2 所示 。 图 2 　监控管理服务器软件模块 监控管理客户端软件作为监控管理服务器的客户 端软件 ,根据授权可实现除服务器中前端数据接入 、数 据库存储录入功能外所有监控服务器软件功能 ,它通过 服务器/ 客户端网络模式提取服务器中相关数据 ,实现 与服务器相同的监控功能 。 3. 3. 2 　软件构架 采用目前国际上先进的 B/ S 三层次结构 ,即 Web 服务器 、应用服务器 、数据库服务器分别安装在不同的 主机上 ,中间用防火墙隔离[ 10 ] 。 其中应用服务器和数据库服务器处于内网 ,处于外 网危险地带 (DMZ) 的只有面向移动商务服务的 WWW 服务器 ,而真正的业务逻辑及数据库的操作都是封装于 应用服务层的 EJB 构件中 ( Enterp rise J avaBean) 来实 现的 。应用层的主机都处于内部网络 ,使得系统安全性 得到保障 。 电子技术应用 　　整个系统中只有外部 Web 服务器处于危险地带 , 即使高明的黑客穿透系统的第一道防火墙 ,攻陷 Web 服务器 ,充其量只能做到篡改网页 。由于系统的数据 , 逻辑处理等内容都处于内部网络 , IP 保护 ,接口不透 明 ,需 授权 认证 , 黑客 想在 Web 服 务 器 的 基 础 上 再 进一步攻击内部网络是难上加难 。 4 　结 　语 通过风电场中 SCADA 系统的设计能实现各种异 构风电场监测设备的数据通信 、互连互通 ,能够大幅提 高集成效率 ,满足现有的和将来不断出现的需求 ;屏蔽 了底层设备 ,减少了系统通信连接和数据交换成本 ,使 各风电场单个监测设备的更换不影响整个监测系统的 运作 ,使子站子系统具有良好的网络连接功能 ,可以根 据网络情况灵活使用网络协议 ,具备同时和省级 、地区 级主站通信的能力 ,为将来的数字化电力自动化系统改 造带来便利 。 参 　考 　文 　献 [ 1 ] Caselitz P , Giebhardt J ,Mevenkamp M , et al . Application of Condition Monitoring Systems in Wind Energy Converters the EWEC′97 [ C ]. Dublin , 1997 : [ A ]. Proceedings of 579 582. [ 2 ] Caselitz P , Giebhardt J . Advanced Condition Monitoring Sys tem for Wind Energy Convertors [ A ]. Proceedings of the EWEC ′97[ C]. Dublin ,1997. [ 3 ] 詹蕾 ,刘会平 ,陈维荣. 开放式监控系统中 O PC 通信服务器 的研究与设计[J ]. 电力自动化设备 ,2003 ,23 (10) :53 56. [ 4 ] 宋晓萍 ,廖明夫. 基于 Internet 的风电场 SCADA 系统框架 设计[J ]. 电力系统自动化 ,2006 ,30 (17) :89 93. [ 5 ] Richard J Aspinall. Consideration in Collecting , Processing , and Analyzing High Spatial Resolution Hyperspectral Data for Environmental Investigations[J ]. Journal of Geographical Systems ,2002 ,1 (4) :15 29. [ 6 ] Malcolm Smith ,Jim McFadyen. P009 0PD. DL , 1991 , DN P V3. 00 Data Link Layer Protocol ,U SA ,DN P U sers Group . [ 7 ] 马艺玮 ,吴捷 ,柳澹 ,等. 嵌入式风电场电能质量监测装置设 计[J ]. 微计算机信息 ,2007 ,23 (8) :17 19. [ 8 ] 项晓春. SCADA 系统及其应用 [J ]. 自动化技术 , 2000 , 6 (19) :19 22. [ 9 ] 黄迅 ,孙政顺. 高速远程数据采集系统设计 [J ]. 电子技术应 用 ,2001 (11) :52 54. [ 10 ] 陈明泽 ,于刚. 基于无线数据传输及远程功能的风电机组 监测诊断系统[J ]. 现代电子技术 ,2008 ,31 (13) :19 22. 作者简介 　万海东 　男 ,1978 年出生 ,江苏常州人 ,工程师 ,工程硕士 。研究方向为系统工程 。 祁博宇 　女 ,1978 年出生 ,黑龙江双鸭山人 ,讲师 ,硕士 。研究方向为数字波束形成与智能天线 。 夏毅军 　男 ,1969 年出生 ,江苏南京人 ,工程师 。研究方向为系统工程 。 302