摘要：在风电场中,为使风机安全、可靠、经济地运行，使得对各风力机状态进行监控变得至关重要。通过SCADA系统来建立一个各项监控、监测数据的信息共享、交换、传输平台，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；数据采集；单片机
1 风电场SCADA系统的原理及总体方案
1.1风电场SCADA系统的工作原理
数据采集监测(SCADA)系统中，广泛使用的硬件控制器主要有：工控机（上位机）、单片机（下位机），可编程控制器(PLC)和DSP。SCADA系统下位机和上位机的两者之间通讯可采用RS-422,RS-485总线及普通平行布线的混合传输方式。单片机控制构成的数据采集系统具有稳定、实时、准确等特点。
1.2系统设计总体方案
风电场SCADA系统中需要监控的数据主要有风机状态（运行、停运、故障），风速、风向，发电机转速、叶轮转速，有功功率、无功功率、功率因数，温度，电流、电压，主变压器的电流、电压，视频监控等。方案图如下:
2 风电场SCADA系统的硬件模块设计
2.1硬件选型的基本原则
在风电场SCADA系统硬件选择遵循的原则就是结合实际，适应现场。要适合风电场的外部环境指标如温度、沙尘等。在适合了外部条件后还要要把成本投入降到最低。
2.2风电场各类硬件的选型
传感器（风速风向仪、电流传感器）：将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。传感器的功能主要是把需要监测的各参数和各点电量参数统一转变为0-5V的直流电压信号，便于数据采集板对各类信号进行统一采集处理。
2.3微处理器最小系统设计
数据采集监测系统的硬件设计主要就是单片机控制系统的硬件设计。其设计原则是在保证控制功能的前提下有较好的性价比。8位机是目前智能化仪器中用的最多的单片机。在数据处理及过程控制中作为DCC或SCC计算机，用来控制各种参数。在选定合适的单片机之后，硬件设计的任务就是以单片机为核心，根据需要进行相应的功能扩展。这就要求对单片机进行外围电路设计。
2.4信号采集电路
输入接口的扩展是针对单片机的输入信号，输入路数由监测系统的总体方案可知，结合实际情况增加一部分输入冗余。各模拟输入通道的信号都是各参数检测元件经放大调理电路处理后的输出信号，满足A/D转换器各转换通道的要求。
3 风电场SCADA系统的通讯
3.1风电场通讯的基本情况及要求
风电场网络整体架构采用分布式分层的监测体系结构，体系分为设备层、现场通信层、数据采集层、风电场通信层、分布监控层、骨干通信层、集控层。设备层由风机、视频、气象设备组成；现场通信层将设备层数据传递给数据采集层；数据采集层将采集好的数据通过风电场通信层传递到分布监测层；分布监测层对现场设备进行监测；各风机监测数据通过骨干通信层传递到集控层主控制台及SCADA服务器等。目前风电场所采用的机组都有自己的控制系统，能使单台风力发电机组实现全部自动控制。当这些风电机组安装在某一风电场时，集中监控管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等，十分重要。为了实现上述功能，下位机（机组控制机）控制系统应能将机组的数据、状态和故障情况等通过专用的通讯装置和接口电路与中央控制室的上位计算机通讯，同时上位机应能向下位机传达控制指令，由下位机的控制系统执行相应的动作，从而实现远程监控功能。风电场通信有一对多、距离远等特点。
为了适应远距离通讯的需要，风电场的监控系统主要采用两种通讯方式: ① 异步串行通讯，用RS-422或RS-485通讯接口。它的传输距离可达数千公里，传输速度可达数百万位。由于所用传输线较少，所以成本较低，很适合风电场监控系统采用。 ② 调制解调器（MODEM）方式。这是将数字信号调制成一种模拟信号，通过介质传输到远方，在远方再用解调器将信号恢复，取出信息进行处理。此种传输方式的传输距离不受限制，可以将某地的信息与世界各地交换，且抗干扰能力较强，可靠性高，虽相对说来成本较高，但在风电机组通讯中也有较多的应用。
3.2通讯系统设计方向
通讯结构框图如下图所示，将一定范围内的风机单片机系统数据通过RS485现场总线（图示中两条互为备用）接入现场控制工作站。每个现场控制工作站再通过环网光纤连接到远程终端，以达到对风电场远程控制的目的。
3.3上、下位机通讯接口的设计
在工业现场控制应用中，无论是采用哪种方式，均要在PC机RS-232串行口的基础上进行的改进与扩展。RS-232的电气接口是单端的，双极性电源供电系统，无法区分由驱动电路产生的有用信号和外部引入的干扰信号，使传输速率和传输距离都受到限制；RS-422则采用平衡驱动和差分接收的方法，从根本上消除信号地线。当干扰信号作为共模信号出现时，接收器只接收差分输入电压，因而这种电路保证了较长的传输距离和较高的传输速率。两者之间可用异步通讯用RS-232/422转换接口板转换。
3.4远程通讯系统方案
选择光纤环网进行远程通讯，因为光纤环网是为了防止光纤网络中任何一条连接线断掉，影响连接中的一个区域所带来的网络安全隐患。它能防止一处连接发生故障而影响整体网络，使网络处于冗余模式。从而提高了网络的安全性。
4 总结
通过风电场SCADA系统能实现各种风电场监测设备的数据通信、互连互通,,满足现有的和将来不断出现的需求;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,为将来的数字化电力自动化系统改造带来便利。
参考文献
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[3]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,(17).
论文作者:向杨威
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/9
标签：风电场论文; 系统论文; 通讯论文; 信号论文; 单片机论文; 数据采集论文; 通信论文; 《电力设备》2017年第18期论文;