一种风电场维护监控系统的制作方法
【专利摘要】一种风电场维护监控系统，包括多台风力发电机组、集中维护监控装置和维护适配器，风电机组包括依次连接的发电机、变流器、控制系统和以太网交换机；维护适配器与风电机组一一对应，集中维护监控装置对风电机组变流器的实时信息和基本信息进行解析和处理；维护适配器连接其对应的风力发电机组的变流器，并通过交换机组网连接集中维护监控装置。本实用新型采用维护监控适配器组成专用维护监控网络，可获得变流器等部件的实时信息，满足风电场联合诊断需求；可提供统一通信接口，为风电场维护监控系统部署提供便利。
【专利说明】一种风电场维护监控系统
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种用于风电场运行维护的实时监控系统。
【背景技术】
[0002]近年来，风力发电在世界范围内获得了迅猛发展，风电场的规模不断扩大。由于风电场属于典型的分布式发电系统，风力发电机组数量多、位置分散、工况差异大，造成风电场运行维护工作复杂，风电场运行维护水平直接影响到其发电产出。因此，风电场的运行维护水平越来越受到业界关注。
[0003]当前，各风力发电场已基本配备了 SCADA (Supervisory Control And DataAcquisit1n)数据采集和监控系统对各发电单元进行组网连接，以实现对风电场各发电单元的集中监控。风电场的SCADA数据采集和监控系统的基本构成如图1所示。各风力发电机组的发电机、变流器、控制系统和以太网交换机依次连接，变桨装置与控制系统控制连接，各风力发电机组通过其以太网交换机与SCADA系统连接。这类SCADA数据采集和监控系统可认为是风电场的工作监控系统，虽然对发电单元及各部件存在一定的维护能力，但数据的采集量和采样率不足，不足以支持复杂问题的处理。现有SCADA数据采集和监控系统上在维护功能上存在以下缺陷:
[0004]1、由于风力发电用的控制系统和变流器、变桨装置等一般来自不同的制造商，受控制系统通信方式、容量和通信协议的限制，控制系统所采集的变流器、变桨装置的运行参数往往非常有限，且实时性低，这种监控方式对于变流器甚至整个风力发电机组的运行维护和故障诊断都形成了制约。
[0005]2、当变流器或相关系统出现故障时，控制系统所能提供的信息极其有限，往往需要变流器厂家派人到风电场甚至是故障风力发电机组的现场进行故障分析；由于目前风电场一般分布在比较偏远的地区，这种维护方式会造成大量的时间和费用开销，维护成本高，且属于事后处理，维护质量也受到一定影响。
[0006]3、另一方面，变流器采集和记录了包括电网、变流器、发电机等在内的各种实时性高、内容丰富的运行参数，对整个系统具备很高的监控和诊断价值，但长期以来，变流器采集和记录的运行参数却没有得到有效的利用，造成风电场维护效率低下。
[0007]为解决以上问题，中国专利200910107587.5公开了 “一种风力发电用变流器远程监控系统”，该系统包括多台风力发电机组，每台风力发电机组包括控制系统和变流器，变流器组网形成变流器监控网络，变流器远程监控台与变流器监控网络通信连接。采用该变流器集中监控系统，可有效地利用变流器采集的各种实时、丰富的运行参数，提升风电场运行维护和故障诊断的效率。但是，该技术方案仍存在以下的缺陷:
[0008]1、该变流器集中监控系统中缺乏控制系统、变桨系统、发电机等关键部件的相关信息，作为维护监控网络，对于整个风力发电系统复杂故障的分析处理不利；
[0009]2、对于发电机及箱式变流器等设备，需要采集数量更多或频度更高的电气或环境数据，才能完成更深入的维护，但变流器缺乏相应的接口扩充能力。实用新型内容
[0010]本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种风电场维护监控系统，克服现有风力发电用变流器远程监控系统存在的信息不完整、接口扩展能力不足、不能满足整个风力发电系统复杂故障的分析处理的缺陷。
[0011]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种风电场维护监控系统，包括多台风力发电机组，该风力发电机组包括依次连接的发电机、变流器、控制系统和以太网交换机；
[0012]其特征在于，该风电场维护监控系统还包括集中维护监控装置和维护适配器，该维护适配器与所述风力发电机组一一对应，该集中维护监控装置对所述风力发电机组变流器的实时信息和基本信息进行解析和处理；
[0013]该维护适配器连接其对应的所述风力发电机组的变流器，并通过交换机组网连接所述集中维护监控装置。
[0014]在本实用新型的风电场维护监控系统中，所述维护适配器的收发器一连接该维护适配器对应的所述风力发电机组的发电机、控制系统之一或其组合，连接所述发电机时该收发器一通过传感器与所述发电机进行连接。
[0015]在本实用新型的风电场维护监控系统中，所述维护适配器的收发器一连接该维护适配器对应的所述风力发电机组的发电机、控制系统之一或其组合，连接所述发电机时该收发器一通过传感器与所述发电机进行连接；连接所述风力发电机组的发电机、控制系统之一或其组合时，所述集中维护监控装置对所述风力发电机组发电机、控制系统的实时信息和基本信息进行解析和处理。
[0016]在本实用新型的风电场维护监控系统中，所述风力发电机组包括与所述控制系统通信连接的变桨装置，与所述风力发电机组对应的所述维护适配器的收发器一连接该风力发电机组的变桨装置或连接该风力发电机组的变桨装置及该风力发电机组的发电机、控制系统之一或其组合，连接所述发电机时该收发器一通过传感器与所述发电机进行连接；连接所述风力发电机组的变桨装置及该风力发电机组的发电机、控制系统之一或其组合时，所述集中维护监控装置对所述风力发电机组发电机、控制系统、变桨装置的实时信息和基本信息进行解析和处理。
[0017]在本实用新型的风电场维护监控系统中，所述交换机为所述风力发电机组的以太网交换机。
[0018]在本实用新型的风电场维护监控系统中，所述交换机为独立于所述风力发电机组的交换机。
[0019]实施本实用新型的风电场维护监控系统，与现有技术比较，其有益效果是:
[0020]1.独立于现有的风电场工作监控网络，采用维护监控适配器组成专用的风电场维护监控网络，系统的接口扩展能力、通信能力及处理能力增强，可获得包括变流器在内的其他部件的实时信息，满足风电场日益发展的深入维护、联合诊断的需求；
[0021]2.同时，在维护监控适配器上可对不同的发电单元开发不同的通信协议，而对集中维护监控装置则可提供统一的通信接口，为风电场维护监控系统的部署提供了较大的便利。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是现有的风电场SCADA数据采集和监控系统的连接示意图。
[0023]图2是本实用新型风电场维护监控系统实施例一的连接关系示意图。
[0024]图3是本实用新型风电场维护监控系统实施例二的连接关系示意图。
[0025]图4是本实用新型风电场维护监控系统实施例三的连接关系示意图。
[0026]图5是本实用新型风电场维护监控系统实施例四的连接关系示意图。
[0027]图6是本实用新型风电场维护监控系统实施例五的连接关系示意图。
[0028]图7是本实用新型风电场维护监控系统中维护监控适配器器的结构示意图。
[0029]图8是本实用新型风电场维护监控系统中维护监控适配器器内置软件的流程图。
【具体实施方式】
[0030]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
[0031]本实用新型的风电场维护监控系统适用于兆瓦级大型风力发电机组组成的风电场，以下以典型的实施方案为例进行说明。
[0032]实施例一
[0033]如图2所示，本实用新型的风电场维护监控系统包括风力发电机组(本实施例以3台风力发电机组为例进行说明)、维护监控适配器、集中维护监控装置。维护监控适配器与各风力发电机组设置一一对应。各风力发电机组包括发电机、变流器、变桨装置(对于变速型风力发电机组)、控制系统和以太网交换机，其中，发电机与变流器连接，变流器和变桨装置与控制系统通信连接，控制系统和以太网交换机通信连接。各维护监控适配器与其对应的风力发电机组中的变流器通信连接，并通过各风力发电机组的以太网交换机组网形成风电场维护监控网络，该风电场维护监控网络与集中维护监控装置通信连接，该集中维护监控装置对风力发电机组变流器的实时信息和基本信息进行解析和处理，可有效地提升风电场的运行维护水平和效率。
[0034]基本信息一般包含运行状态及采样率低于500Hz的运行参数，如直流量、平均值或交流量的有效值等，实时信息一般包含采样率大于等于500Hz的运行参数，如快速变化的直流量或交流量的瞬时值等。对于变流器，基本信息包括变流器工作状态、电网电压有效值、发电机电流有效值、发电机转速、发电功率等，实时信息包括电网电压瞬时值、发电机电流瞬时值、发电机实时转矩等。
[0035]在其他实施例中，风力发电机组可以不带变桨装置，不影响本发明目的的实现。
[0036]维护监控适配器可以安装在风力发电机组的内部或者外部。
[0037]由于维护监控适配器与变流器之间采用直接的通信连接并组成专用的风电场维护监控网络，集中维护监控装置通过风电场维护监控网络可获得变流器的实时信息，上述直接的通信连接专门负责传递变流器的各种维护信息，可采用灵活的物理接口和通讯协议，比如以太网通讯连接或者RS485串行通讯连接，将实际运行的波特率提升至Mbps数量级，扫描周期缩减至2毫秒以下(即采样率大于等于500Hz)，可传递变流器的各种实时参数，如电网电压或发电机电流的瞬时值等信息，且可大幅度提升来自变流器的采集数据量，如变流器的内部直流母线电压及网侧、机侧变换器运行温度等等。
[0038]为了实现对风场内各风力发电机组及其部件的维护监控，集中维护监控装置通过其内置的集中维护监控软件(该软件可采用现有技术来实现)，自动与上述各维护监控适配器交互风力发电机组中的变流器信息，对风力发电机组变流器的实时信息进行解析，并根据用户操作对所述信息进行各种处理和展示。
[0039]如图7所示，维护监控适配器包括处理器、分别与处理器连接的时钟、存储器、收发器一、收发器二等硬件部件，其中，收发器一与风力发电机组通信连接，收发器二与集中维护监控装置网络连接。在本实施例中，收发器一与风力发电机组的变流器和以太网交换机通信连接。
[0040]维护监控适配器对风力发电机组中的变流器可采用通用的以太网通讯连接或者RS485串行通讯连接。
[0041]如图8所示，维护监控适配器包括数据接收、协议转换及相关处理、数据发送等软件功能。其中数据接收一、数据发送一功能与风力发电机组接口，数据接收二、数据发送二功能与集中维护监控装置接口，数据接收一、数据发送一通过协议转换及相关处理与数据接收二、数据发送二接口。
[0042]实施例二
[0043]如图3所示，本实施例与实施例一基本相同，区别在于:维护监控适配器与其对应的风力发电机组中的变流器及控制系统通信连接。维护监控适配器与其对应的风力发电机组中变流器、控制系统之间的通信连接，可采用以太网通讯连接或者RS485串行通讯连接。
[0044]集中维护监控装置对风力发电机组变流器、控制系统的实时信息和基本信息进行解析和处理，可有效地提升风电场的运行维护水平和效率。
[0045]基本信息一般包含运行状态及采样率低于500Hz的运行参数，如直流量、平均值或交流量的有效值等，实时信息一般包含采样率大于等于500Hz的运行参数，如快速变化的直流量或交流量的瞬时值等。对于变流器，基本信息包括变流器工作状态、电网电压有效值、发电机电流有效值、发电机转速、发电功率等，实时信息包括电网电压瞬时值、发电机电流瞬时值、发电机实时转矩等。对于控制系统，基本信息包括机组工作状态、风速平均值、风机转速、平均发电功率等，实时信息包括风速实时值等。
[0046]由于维护监控适配器与变流器、控制系统之间采用直接的通信连接并组成专用的风电场维护监控网络，集中维护监控装置通过风电场维护监控网络可获得变流器及控制系统的实时信息。来自变流器及控制系统的实时信息还可以被综合利用或者互相印证，用于风电场的深入维护和联合诊断。
[0047]实施例三
[0048]如图4所示，本实施例与实施例一基本相同，区别在于:维护监控适配器与其对应的发电单元中的变流器、控制系统及变桨装置通信连接。维护监控适配器与其对应的风力发电机组中变流器、控制系统及变桨装置之间的通信连接，可采用以太网通讯连接或者RS485串行通讯连接。
[0049]集中维护监控装置对风力发电机组变流器、控制系统及变桨装置的实时信息和基本信息进行解析和处理，可有效地提升风电场的运行维护水平和效率。
[0050]基本信息一般包含运行状态及采样率低于500Hz的运行参数，如直流量、平均值或交流量的有效值等，实时信息一般包含采样率大于等于500Hz的运行参数，如快速变化的直流量或交流量的瞬时值等。对于变流器，基本信息包括变流器工作状态、电网电压有效值、发电机电流有效值、发电机转速、发电功率等，实时信息包括电网电压瞬时值、发电机电流瞬时值、发电机实时转矩等。对于控制系统，基本信息包括机组工作状态、风速平均值、风机转速、平均发电功率等，实时信息包括风速实时值等。对于变桨装置，基本信息包括变桨装置工作状态、桨距角指令及当前值等，实时信息包括实时桨距角等。
[0051]由于维护监控适配器与变流器、控制系统及变桨装置之间采用直接的通信连接并组成专用的风电场维护监控网络，集中维护监控装置藉由风电场维护监控网络可获得变流器、控制系统及变桨装置的实时信息。来自变流器、控制系统及变桨装置的实时信息还可以被综合利用或者互相印证，用于风电场的深入维护和联合诊断。
[0052]实施例四
[0053]如图5所示，本实施例与实施例一基本相同，区别在于:维护监控适配器与其对应的发电单元中的变流器、控制系统及发电机端口的电压、电流和振动等传感器通信连接。
[0054]集中维护监控装置对风力发电机组变流器、控制系统及发电机的实时信息和基本信息进行解析和处理，可有效地提升风电场的运行维护水平和效率。
[0055]基本信息一般包含运行状态及采样率低于500Hz的运行参数，如直流量、平均值或交流量的有效值等，实时信息一般包含采样率大于等于500Hz的运行参数，如快速变化的直流量或交流量的瞬时值等。对于变流器，基本信息包括变流器工作状态、电网电压有效值、发电机电流有效值、发电机转速、发电功率等，实时信息包括电网电压瞬时值、发电机电流瞬时值、发电机实时转矩等。对于控制系统，基本信息包括机组工作状态、风速平均值、风机转速、平均发电功率等，实时信息包括风速实时值等。对于发电机，添加相应的电压、电流、振动传感器后，也能向维护适配器提供自身的实时信息。
[0056]维护监控适配器与其对应的风力发电机组中变流器、控制系统之间的通信连接，可采用以太网通讯连接或者RS485串行通讯连接。维护监控适配器与其对应的风力发电机组中发电机端口的电压、电流和振动等传感器之间的通信连接，可采用基于4?20mA或O?1V等电流、电压信号的模拟通信方式，维护监控适配器再进行常规的采样和定标处理。
[0057]由于维护监控适配器与变流器、控制系统及发电机端口的电压、电流和振动等传感器之间采用直接的通信连接并组成专用的风电场维护监控网络，集中维护监控装置藉由风电场维护监控网络可获得变流器、控制系统及发电机的实时信息。来自变流器、控制系统及发电机的实时信息还可以被综合利用或者互相印证，用于风电场的深入维护和联合诊断。
[0058]实施例五
[0059]如图6所示，本实施例与实施例一基本相同，区别在于:维护监控适配器与其对应的发电单元中的变流器、控制系统、变桨装置及发电机端口的电压、电流和振动等传感器通信连接。维护监控适配器通过独立于风力发电机组的交换机组网与集中维护监控装置通信连接。在本实施例中，集中维护监控装置的组网与SCADA数据采集和监控系统的组网是独立的。
[0060]集中维护监控装置对风力发电机组变流器、控制系统、变桨装置及发电机的实时信息和基本信息进行解析和处理，可有效地提升风电场的运行维护水平和效率。
[0061]基本信息一般包含运行状态及采样率低于500Hz的运行参数，如直流量、平均值或交流量的有效值等，实时信息一般包含采样率大于等于500Hz的运行参数，如快速变化的直流量或交流量的瞬时值等。对于变流器，基本信息包括变流器工作状态、电网电压有效值、发电机电流有效值、发电机转速、发电功率等，实时信息包括电网电压瞬时值、发电机电流瞬时值、发电机实时转矩等。对于控制系统，基本信息包括机组工作状态、风速平均值、风机转速、平均发电功率等，实时信息包括风速实时值等。对于变桨装置，基本信息包括变桨装置工作状态、桨距角指令及当前值等，实时信息包括实时桨距角等。对于发电机，添加相应的电压、电流、振动传感器后，也能向维护适配器提供自身的实时信息。
[0062]维护监控适配器与其对应的风力发电机组中变流器、控制系统、变桨装置之间的通信连接，可采用以太网通讯连接或者RS485串行通讯连接。维护监控适配器与其对应的风力发电机组中发电机端口的电压、电流和振动等传感器之间的通信连接，可采用基于4?20mA或O?1V等电流、电压信号的模拟通信方式，维护监控适配器再进行常规的采样和定标处理。
[0063]由于维护监控适配器与变流器、控制系统、变桨装置及发电机端口的电压、电流和振动等传感器之间采用直接的通信连接并组成专用的风电场维护监控网络，集中维护监控装置藉由风电场维护监控网络可获得变流器、控制系统、变桨装置及发电机的实时信息。来自变流器、控制系统、变桨装置及发电机的实时信息还可以被综合利用或者互相印证，用于风电场的深入维护和联合诊断。
[0064]上述实施例一至实施例四的风力发电机组，也可通过独立于风力发电机组的交换机组网与集中维护监控装置通信连接。
[0065]在其他实施例中，还可将维护监控适配器与其对应的风力发电机组的变流器、以太网交换机通信连接，并与该风力发电机组的发电机、变桨装置之一连接，也能够实现本发明目的。
【权利要求】
1.一种风电场维护监控系统，包括多台风力发电机组，该风力发电机组包括依次连接的发电机、变流器、控制系统和以太网交换机； 其特征在于，该风电场维护监控系统还包括集中维护监控装置和维护适配器，该维护适配器与所述风力发电机组一一对应，该集中维护监控装置对所述风力发电机组变流器的实时信息和基本信息进行解析和处理； 该维护适配器连接其对应的所述风力发电机组的变流器，并通过交换机组网连接所述集中维护监控装置。
2.如权利要求1所述的风电场维护监控系统，其特征在于，所述维护适配器包括处理器、分别与该处理器连接的时钟、存储器、收发器一和收发器二，该收发器二通过交换机组网连接所述集中维护监控装置，该收发器一连接其对应的所述风力发电机组的变流器。
3.如权利要求2所述的风电场维护监控系统，其特征在于，所述维护适配器的收发器一连接该维护适配器对应的所述风力发电机组的发电机、控制系统之一或其组合，连接所述发电机时该收发器一通过传感器与所述发电机进行连接；连接所述风力发电机组的发电机、控制系统之一或其组合时，所述集中维护监控装置对所述风力发电机组发电机、控制系统的实时信息和基本信息进行解析和处理。
4.如权利要求2所述的风电场维护监控系统，其特征在于，所述风力发电机组包括与所述控制系统通信连接的变桨装置，与所述风力发电机组对应的所述维护适配器的收发器一连接该风力发电机组的变桨装置或连接该风力发电机组的变桨装置及该风力发电机组的发电机、控制系统之一或其组合，连接所述发电机时该收发器一通过传感器与所述发电机进行连接；连接所述风力发电机组的变桨装置及该风力发电机组的发电机、控制系统之一或其组合时，所述集中维护监控装置对所述风力发电机组发电机、控制系统、变桨装置的实时信息和基本信息进行解析和处理。
5.如权利要求1至4之一所述的风电场维护监控系统，其特征在于，所述交换机为所述风力发电机组的以太网交换机。
6.如权利要求1至4之一所述的风电场维护监控系统，其特征在于，所述交换机为独立于所述风力发电机组的交换机。
【文档编号】F03D7/00GK204082444SQ201420441510
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】周党生 申请人:深圳市长昊机电有限公司