一种风电场实时监控系统及监控方法
【专利摘要】本发明公开了一种风电场实时监控系统，包括多个风力发电机组和变流器集中维护监控装置，每个风力发电机组包括依次连接的发电机、变流器和风机主控；各风力发电机组的变流器、风机主控分别包括工作控制端口一和高速端口二，变流器通过其端口一与风机主控的端口一实现工作控制连接，变流器通过其端口二与风机主控的端口二实现维护监控连接；风力发电机组通过其风机主控组网与变流器集中维护监控装置连接，变流器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。本发明利用已有风电场局域网络监控风电机组变流器，组网简单，对风机主控和变流器的信息综合利用效率高，便于及时、深入监控和维护风电场，显著节省维护成本。
【专利说明】—种风电场实时监控系统及监控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于风电场运行的实时监控系统，还涉及对风电场的运行进行实时监控的方法。
【背景技术】
[0002]作为清洁、可再生、有着巨大潜力的新能源，风力发电在全世界范围内获得了迅猛的发展。风力发电受风能利用效率和单机容量的限制，在一个风电场中需要布置几十至几百台风力发电机组。风力发电机组可以是双馈机组，也可以是全功率机组。如图1所示，风力发电机组100主要由塔筒(图中未示出)、风机1、发电机2、变流器3、变压器4、风机主控6、变桨装置7等组成，其中，风机主控6 —般负责风力发电机组的整体控制，尤其是协调变流器3和变桨装置7实现在机组能力限制下的最大风能捕获，变流器3作为风力发电机组的核心部件，实现发电机2与电网5之间的电参数匹配、能量转换及实时控制，内部组成复杂，一般采用智能控制，运行参数相对较多。风机主控6实现对整个风力发电机组的监控，包括风力、风机1、电网5、发电机2、变流器3等各种参数和状态的监控。
[0003]如图2所示，现有风电场一般设置有中央监控室200，通过光纤等线路将各风力发电机组100的风机主控6连接成统一网络，实现集中监控，并可通过Internet (互联网)连接至风电场远程监控台(图中未示出，即现有的风电场SCADA(Supervisory Control AndData Acquisit1n)数据采集和监控系统)，实现远程监控。其中，风力发电机组100中的变流器3通过其工作控制端口 31与风机主控6的工作控制端口 61连接，实现风机主控6对变流器3的工作状态的控制。
[0004]上述现有的电场监控系统存在以下缺陷:
[0005]1、由于风力发电用的风机主控和变流器一般来自不同的制造商，受风机主控通讯方式、容量和通讯协议的限制，风机主控所采集的变流器运行参数往往非常有限，且实时性也较低，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。
[0006]2、当变流器或相关系统出现故障时，风机主控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，且因属于事后处理，维护质量也受到一定影响。
[0007]3、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监控和利用，造成风电场监控效率低下。
[0008]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”，该监控系统的基本构成如图3所示。系统包括多台风力发电机组100，每台风力发电机组包括风机主控6和变流器3，变流器3组网形成变流器监控网络700，变流器远程监控台600与变流器监控网络700通讯连接，风机主控6组网形成风电场局域网络，构成现有的风电场SCADA系统。采用该监控系统，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，该方案仍存在以下缺陷:
[0009]1、该方案采用分别针对风机主控和针对变流器的两套监控网络，需要对风电场中的变流器系统单独组网，增加了现场组网的配置工作量。
[0010]2、来自风机主控和来自变流器的信息存在一定程度的割裂，不利于上述信息的综合处理和高效利用。例如，风力发电机组发生的某个故障可能同时在SCADA系统和变流器集中监控系统中留下记录，这时需要用户分别在两个系统中来进行故障确认和人工关联。
【发明内容】
[0011]本发明要解决的技术问题之一在于，提供一种风电场实时监控系统，克服现有技术存在的组网工作量大、发电机组数据信息利用率低的缺陷。
[0012]本发明要解决的技术问题之二在于，提供一种风电场实时监控方法，克服现有技术存在的组网工作量大、发电机组数据信息利用率低的缺陷。
[0013]本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是:构造一种风电场实时监控系统，包括多个风力发电机组，每个所述风力发电机组包括依次连接的发电机、变流器和风机主控；
[0014]其特征在于，每个所述风力发电机组的变流器、风机主控分别包括工作控制端口一和高速端口二，该变流器通过其端口一与该风机主控的端口一实现工作控制连接，该变流器通过其端口二与该风机主控的端口二实现维护监控连接；
[0015]该风电场实时监控系统还包括变流器集中维护监控装置，所述风力发电机组通过其风机主控组网与该变流器集中维护监控装置连接，该变流器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；
[0016]其中，所述变流器基本信息为变流器状态信息或采样率小于500Hz的运行参数；所述变流器实时信息指采样率大于等于500Hz的运行参数。
[0017]在本发明的风电场实时监控系统中，所述变流器集中维护监控装置与风电场原有SCADA数据采集和监控系统终端设置为相互独立的两个终端。
[0018]在本发明的风电场实时监控系统中，所述变流器集中维护监控装置与风电场原有SCADA数据采集和监控系统终端集成在一个终端内。
[0019]在本发明的风电场实时监控系统中，所述变流器与风机主控的维护监控连接为以太网通讯连接或者RS485串行通讯连接。
[0020]本发明解决其技术问题之二所采用的技术方案是:提供一种风电场实时监控方法，所述风电场包括多个风力发电机组，每个所述风力发电机组包括依次连接的发电机、变流器和风机主控，其特征在于，该方法包括:将变流器的基本信息通过工作控制连接从变流器传输至风机主控；将变流器的实时信息通过高速维护通讯连接从变流器传输至风机主控；将变流器的基本信息和实时信息通过风机主控组网从风机主控传输至变流器集中维护监控装置；其中，所述变流器基本信息为变流器状态信息或采样率小于500Hz的运行参数；所述变流器实时信息指采样率大于等于500Hz的运行参数。
[0021]在本发明的风电场实时监控方法中，包括，通过变流器集中维护监控装置对所述变流器的基本信息和实时信息进行解析和处理。
[0022]实施本发明的风电场实时监控系统及监控方法，与现有技术比较，其有益效果是:
[0023]1.通过增设连接风机主控和变流器的高速通讯连接，可借用已有的风电场局域网络，省去了新增变流器监控网络的现场组网的配置工作量；同时，可实现现有SCADA系统监控和变流器集中监控的功能融合，消除来自风机主控和来自变流器的信息之间的割裂，促进上述信息的综合处理和高效利用；
[0024]2.通过包含变流器实时信息的风电场监控系统，维护人员可以对变流器及相关系统进行及时、深入的监控和维护，便于充分发挥变流器采集和记录的数据资源；
[0025]3.大大提升风力发电机组的维护效率和质量，缩减故障处理时间，甚至可以实现在日常运行中进行参数分析和故障预防，显著节省维护成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是风力发电机组的基本组成示意图。
[0027]图2是现有基于风机主控组网的风电场SCADA监控系统示意图。
[0028]图3是专利CN101576056B公开的变流器集中监控系统的示意图。
[0029]图4是本发明风电场实时监控系统总示意图。
[0030]图5是本发明风电场实时监控系统一种实施例的示意图。
[0031]图6是本发明风电场实时监控系统另一种实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0033]如图4、图5、图6所示，本发明的风电场实时监控系统包括多台风力发电机组100 (本图中以3台风力发电机组为例进行说明)，每台风力发电机组100包括风机主控6、变流器3和发电机(图中未示出)。变流器3包括端口一 31和端口二 32，风机主控6包括端口一 61和端口二 62，风机主控6和变流器3通过端口一 31和端口一 61建立用于协调变流器工作所必需的工作控制连接10，通过端口一 32和端口一 62建立用于维护变流器所需要的采集变流器的实时信息的高速维护通讯连接20。
[0034]通过工作控制连接10将变流器的基本信息传递至风机主控6，再经过风机主控6组成的风电场局域网络传递至中央监控室200，与中央监控室的SCADA数据采集和监控系统连接，实现中央监控室200对变流器3的基本信息的监控。
[0035]通过高速维护通讯连接20将变流器3的实时信息传递至风机主控6，经风机主控6组成风电场局域网络传递至中央监控室200，与中央监控室200内的变流器集中维护监控装置终端连接，实现中央监控室200对变流器3的实时信息的监控。
[0036]为了实现对风场内各风力发电机组及其部件的维护监控，变流器集中维护监控装置通过其内置的变流器实时监控软件(该变流器实时监控软件本领域技术人员可通过现有技术进行设计)，自动与上述各风力发电机组的变流器进行信息交互，并根据用户操作对变流器实时信息和基本信息进行各种处理和展示。
[0037]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，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。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。
[0038]风机主控6和变流器3之间用于协调变流器工作所必需的工作通讯连接10，一般采用CANOpen或Profibus等工业现场总线，且充分考虑协调工作的可靠性要求，实际运行的波特率较低，一般为几百kbps，扫描周期较长，一般在10?20毫秒之间，可传递变流器的运行转矩指令和变流器的反馈转速、交流电压的有效值等参数，无法传递变流器的实时参数，如电网电压或发电机电流的瞬时值等信息。为此，本发明在风机主控6和变流器3之间增设用于维护变流器所需要的采集变流器实时信息的高速维护通讯连接20，该接口 32、62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，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。
[0039]如图5所示，变流器集中维护监控装置与SCADA数据采集和监控系统终端集成在一个终端201内，即在现有SCADA数据采集和监控系统终端内集成变流器实时监控软件。该变流器实时监控软件支持对风电场内变流器实时信息的解析和处理，包括对变流器相关参数的展示、记录，故障、事件记录的解析、统计，瞬时值数据的波形显示和关键参数的运行趋势分析等功能。
[0040]此时，维护通讯连接20采用RS485串行通讯连接，可将实际运行的波特率提升至接近IMbps (如921600bps)，并采用支持数据块传递的通讯协议，提升通讯效率，可将对变流器的扫描周期缩减至I毫秒左右，即支持IkHz的采样率，从而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，如添加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。高速维护通讯连接20将变流器3的实时信息传递至风机主控6，并经由风电场局域网络传递至中央监控室200，可实现中央监控室200对变流器3的实时信息的监控。
[0041]通过该变流器实时监控软件，用户还可对所关心机组的变流器的内部或端口参数进行深入的监视、分析和诊断。比如，由于监控系统可及时采集到来自变流器的网侧、机侧变换器的运行温度数值，用户通过观测变流器运行温度的趋势曲线，结合环境温度的相关信息，可判别变流器散热系统的能力是否出现衰退，据此及时维护过滤网或液冷设备等，避免可能出现的风电机组过热停机。
[0042]如图6所示，在其他实施例中，变流器集中维护监控装置与SCADA数据采集和监控系统终端设置为相互独立的两个终端203与202，变流器集中维护监控装置终端203内置变流器集中监控软件。
[0043]此时，维护通讯连接20采用以太网通讯连接，可将实际运行的波特率提升至10Mbps，并采用支持数据块传递的通讯协议，提升通讯效率，可将对变流器的扫描周期缩减至333微秒左右，即支持3kHz的采样率，从而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，如添加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。
[0044]通过该变流器集中维护监控装置终端203，用户还可对所关心机组的变流器的内部或端口参数进行深入的监视、分析和诊断，比如，由于监控系统可及时采集到来自变流器的电网电压的瞬时值，用户通过观测电压的瞬时波形，了解到电网电压上可能存在的谐波畸变或系统振荡，可及时进行处置，避免风电场的设备损坏或发电量损失。
[0045]上述各实施例中，风机主控6和变流器3之间，用于维护变流器所需要的采集变流器的实时信息的高速的维护通讯连接20，不限于通用的物理接口和通讯协议，也可采用光纤通讯等连接方式或私有的通讯协议格式；变流器监控软件可内置于或并列于风电场SCADA系统，可在某些条件下被人为或自动地触发而启动；其他借助风电场局域网络实现对变流器实时信息进行组网监控的实施方式也在本发明保护范围之内。
[0046]本发明的风电场实时监控方法包括如下步骤，其中，所述风电场包括多个风力发电机组，每个风力发电机组包括依次连接的发电机、变流器和风机主控:
[0047]首先，将变流器的基本信息通过工作控制连接从变流器传输至风机主控；将变流器的实时信息通过高速维护通讯连接从变流器传输至风机主控。
[0048]然后，将变流器的基本信息和实时信息通过风机主控组网从风机主控传输至变流器集中维护监控装置。
[0049]其中，变流器的基本信息指变流器状态信息或采样率小于500Hz的运行参数，变流器的实时信息指采样率大于等于500Hz的运行参数。
[0050]本发明的风电场实时监控方法还包括:通过变流器集中维护监控装置对变流器的基本信息和实时信息进行解析和处理。
【权利要求】
1.一种风电场实时监控系统，包括多个风力发电机组，每个所述风力发电机组包括依次连接的发电机、变流器和风机主控；其特征在于， 每个所述风力发电机组的变流器、风机主控分别包括工作控制端口一和高速端口二，该变流器通过其端口一与该风机主控的端口一实现工作控制连接，该变流器通过其端口二与该风机主控的端口二实现维护监控连接； 该风电场实时监控系统还包括变流器集中维护监控装置，所述风力发电机组通过其风机主控组网与该变流器集中维护监控装置连接，该变流器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； 其中，所述变流器基本信息为变流器状态信息或采样率小于500HZ的运行参数；所述变流器实时信息指采样率大于等于500Hz的运行参数。
2.如权利要求1所述的风电场实时监控系统，其特征在于，所述变流器集中维护监控装置与风电场原有SCADA数据采集和监控系统终端设置为相互独立的两个终端。
3.如权利要求1所述的风电场实时监控系统，其特征在于，所述变流器集中维护监控装置与风电场原有SCADA数据采集和监控系统终端集成在一个终端内。
4.如权利要求1至3之一所述的风电场实时监控系统，其特征在于，所述变流器与风机主控的维护监控连接为以太网通讯连接或者RS485串行通讯连接。
5.—种风电场实时监控方法,所述风电场包括多个风力发电机组，每个所述风力发电机组包括依次连接的发电机、变流器和风机主控，其特征在于，该方法包括: 将变流器的基本信息通过工作控制连接从变流器传输至风机主控； 将变流器的实时信息通过高速维护通讯连接从变流器传输至风机主控； 将变流器的基本信息和实时信息通过风机主控组网从风机主控传输至变流器集中维护监控装置； 其中，所述变流器基本信息为变流器状态信息或采样率小于500Hz的运行参数；所述变流器实时信息指采样率大于等于500Hz的运行参数。
6.如权利要求5所述的风电场实时监控方法，其特征在于，包括:通过变流器集中维护监控装置对所述变流器的基本信息和实时信息进行解析和处理。
【文档编号】F03D7/00GK104265565SQ201410384879
【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, 吕一航, 韩玉 申请人:深圳市长昊机电有限公司