专利名称：大型海上风力发电场监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种计算机应用技术领域的系统，具体地说，涉及的是一种大型 海上风力发电场监控系统。
背景技术：
海上风力发电已成为风力发电的一个重要方向。2006年全球近海风电累计 装机90. 864万kW/432台机组，我国首个近海风电场项目上海东海大桥10万kW 海上风电场也计划在2009年并网发电，此外，我国还规划2010年，在浙江慈溪、 临海、岱山，江苏盐城、山东青岛建设近海风电场，累计装机超过200万kW。建 立大型海上风力发电场制造执行系统旨在充分利用从风电场获得的风速、风向、 风力发电机组出力实时在线数据和气象部门提供的数值气象数据，结合地形、风 力发电机组布置信息，建立模型、预测发电量，研究包含风电场的电力系统优化 运行，结合风资源的特点，分析大量风电并网后会对电力系统的安全稳定运行带 来一定的影响，评估含风电场的发输电系统的可靠性，实现充分利用风能资源、 实施有效调度与经济运行。因此，大型海上风力发电场制造执行系统极具市场发 展前景。其中，监控系统作为大型海上风力发电场制造执行系统的一个重要组成 单元，是确保风力发电机组正常运行的基础。风力发电机组一般处于偏远地区， 需要进行海量数据的采集和传输，实现计算机远程监控。
目前大多数风电场监控系统侧重于数据采集，并主要针对一种风力发电设 备，存在通用性和兼容性差不足，大都采用有线传输方式，对于由多种类型风力 发电机组成的风电场不适用，因此，迫切需要开发基于Internet并具有多种通 讯协议和多点对多点远程监测功能，能够通过无线局域网实现数据传输的大型海 上风力发电场监控系统。
经过对现有技术的文件检索发现，鄂春良等在《计算机测量与控制》(2004 年，第12巻，第1期，第60—63页)上发表的"基于OPC的风电场中央监控系 统通讯技术研究"，该文中提出了一种基于OPC技术的风电场中央监控系统，具
体方法为基于0PC技术的PR0FIBUSS7通信功能，风电场中央监控系统由上位 机和下位机组成并经过PROFIBUS网络连接，采用事件驱动方式下的异步通信设 计方法，但是该方法由于是仅仅针对西门子控制器PLC300系列设计，不适用于 大规模风电场建设和运营，未能解决大型风电场不同风电机组制造厂家采用通讯 协议不一样的问题，应用面受到限制，很难推广至目前的大型风电场中。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种大型海上风力发电场监 控系统，使其具有准确、实时采集风电场参数的功能，能够可靠地运行在存在电 磁干扰环境和气候条件恶劣的海上，监控多种型号的大型风力发电机，及时和数 据库交换数据，满足海上风电场的分布式监控。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括数据采集单元、单机监控 数据传输单元、单机监控数据处理单元、多机监控数据传输单元和总数据处理单 元。所述数据采集单元，位于风力发电机现场环境中，负责采集风电场的技术参 数数据，并将采集的数据传输到单机监控数据传输单元；所述单机监控数据传输 单元，将数据采集单元输出的数据传输到单机监控数据处理单元；所述单机监控 数据处理单元，将从单机监控数据传输单元获得的数据进行量程变换处理，再上 传至多机监控数据传输单元；所述多机监控数据传输单元，将从单机监控数据处 理单元获得的数据传输到总数据处理单元，以及根据总数据处理单元的指令对单
机监控数据处理单元传输控制指令；所述总数据处理单元，从多机监控数据传输 单元接收数据，根据风力发电机实际运行的需要，进行人机操作处理，向单机监 控数据处理单元下达控制指令，便于操作人员使用。
所述数据采集单元，包括若干智能采集模块，智能采集模块的输入接口和 风力发电机的三相输电电缆相连接，智能采集模块的总线接口与单机监控数据传 输单元相连。智能采集模块对风力发电机的技术参数数据进行采集，并对采集的 数据进行A/D转换和参数储存，以量程的百分比形式输出到总线连接接口，采集 风力发电机技术参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、发电 量。由于采用了独立的智能采集模块，在风电场监控系统中不需要考虑所监控的 风力发电机的具体型号，只要选定了某种型号的智能采集模块，实现对不同型号 风力发电机的监控。
所述的单机监控数据传输单元，包括RS-485现场总线和RS485/RS232转换器， RS-485现场总线一端与数据采集单元的智能采集模块的总线接口相连接，另一端 与RS485/RS232转换器的总线接口相连，RS485/RS232转换器的输出接口与单机监 控数据处理单元连接。RS-485现场总线将数据釆集单元上传的数据传输到 RS485/RS232转换器，RS485/RS232转换器对数据进行电平转换，并将转换后的数 据上传到单机监控数据处理单元。
所述的单机监控数据处理单元，包括计算机主机、第一显示器，计算机主机 的串行接口与单机监控数据传输单元的RS485/RS232转换器的输出接口相连接， 第一显示器和计算机主机的视频接口相连，根据智能采集模块设定的量程对单机 监控数据传输单元上传的数据进行量程变换处理，显示各智能采集模块所采集的 历史数据和实时数据，并通过多机监控数据传输单元将这些数据上传到无线局域 网。
所述的多机监控数据传输单元，即位于风电场区域内的无线局域网，包括无 线网卡和无线桥接器，无线网卡和无线桥接器组成无线局域网，遵守802.11x无 线通讯规范，无线网卡是无线局域网的无线发射单元，无线桥接器是无线局域网 的无线接受单元。无线网卡插在单机监控处理单元的计算机主机的主板上，无线 桥接器与总数据处理单元相连接。采用无线局域网可避免由于海面恶劣的气候环 境造成的通讯设备的损坏，同时节省了大量的布线开支，降低了风电场监控系统 的制造成本。
所述的总数据处理单元，采用人机界面模式，包含如下10个功能模块实时 数据显示模块、实时曲线显示模块、功率分布显示模块、历史数据查询模块、报 表处理模块、报警与事件操作模块、安全管理系统、数据库操作模块、报警与故 障检测模块、Internet远程访问模块。
所述实时数据显示模块，能够将智能采集模块采集到的数据及时准确地在第 二显示器显示，并且使用I/0变量的直接显示；
所述实时曲线显示模块，通过实时曲线图和参数选择菜单对不同数据以实时 曲线方式显示监控数据的实时值；
所述功率分布显示模块，包括由棒状图和饼状图两种显示方式，通过这两种 方式査看智能采集模块釆集的风力发电机各相发电功率分布和风电场内每台风
力发电机的发电功率分布，该功率分布显示模块能够及时反应风电场中的风力发 电机以及风力发电机三相发电功率的平衡情况和变化情况，以便为故障分析提供 依据；
所述历史数据查询模块，采用历史曲线查询方式，査询风力发电机参数及其 历史趋势，并进行基本统计计算，采用一图多线的显示方式，根据用户要求添加 l-8条不同参数的曲线，以便用户进行对比和查看，自动判定历史曲线条数，并 对非法操作进行警告；
所述报表处理模块，其日报表内容采用每小时自动记录一个采集数据的方 式，包含24小时的各监控参数的数据情况以及统计情况；根据日报表统计数据， 每月自动生成月报表，包含该月每天的监控参数的数据情况及统计情况；使用月 报表统计数据每年自动生成年报表，包含当年12个月的各监控参数的数据情况 及统计情况，报表处理模块还提供报表査询、打印、删除功能，打印通过打印机 进行；
所述报警与事件操作模块，对产生越界报警或者用户登陆事件进行明显的警 示灯显示和声音提示，用户按照要求设定报警参数阈值，设定监控参数的报警优 先级，并通过报警确认来产生报警事件；当发生重要的报警时，根据要求自动产 生报警事件；
所述安全与用户管理模块，进行用户登陆和用户注销，当以管理员身份登陆 时，对用户组成员和用户等级、安全区进行配置，对不同级别的用户设定不同的 安全级别，并且对系统的变量设置不同的安全区；当用户级别不够，或者变量不 再用户的安全区内时，该用户不能使用该参数的操作，并产生警告，当使用 Internet进行远程访问时，使用用户登陆模式增强网络安全；
所述数据库操作模块，可以通过ODBC(开放数据库互连)方式连接SQL Server (微软公司开发的数据库管理平台)数据库，并显示与数据库的连接状态，生成 表单，每分钟自动记录风力发电机参数，并将该记录存入数据库表单中，同时， 支持数据库高级查询；
所述报警与故障检测模块，当发生故障或者报警时，自动记录报警与故障参 数的名称、数值、报警与故障时间、报警与故障发生地点、报警与故障的可能原 因以及应对报警与故障的建议，当在同一时刻发生报警时，自动记录高优先级的
参数；
所述Internet远程访问模块，支持Internet网络访问功能，只要在设置好 总监控计算机主机的Internet网络接口的端口号后，对监控系统进行发布，实 现在任意一台连网的计算机对监控系统进行远程监视和控制。
所述数据采集单元、单机监控数据传输单元以及单机监控数据处理单元的无 线网卡安装在风力发电机机舱内，总数据处理单元和多机监控数据传输单元的无 线桥接器安装在风力发电场的监控室内。
本发明通过实时采集和处理现场数据，实时显示风力发电机的运行参数，以 及相应参数的査询、打印、报警处理、数据导出，并通过风电场的生产调度和性 能优化，风电场的发电效率提高了5%，具有实时、可靠、低成本、易扩充、结构 简单、实用性强的特点，有助于降低风力发电场生产成本，提高其生产管理水平 和市场竞争力。
图l本发明的整体结构框图2本发明的硬件拓扑图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实例作详细说明本实例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围 不限于下述的实例。
如图1所示，本实例包括五大单元数据采集单元、单机监控数据传输单元、 单机监控数据处理单元、多机监控数据传输单元和总数据处理单元。所述数据采 集单元，位于风力发电机现场环境中，负责采集风电场的技术参数数据，并将采 集的数据传输到单机监控数据传输单元；所述单机监控数据传输单元，将数据采 集单元输出的数据传输到单机监控数据处理单元；所述单机监控数据处理单元， 将从单机监控数据传输单元获得的数据进行量程变换处理，再上传至多机监控数 据传输单元；所述多机监控数据传输单元将从单机监控数据处理单元获得的数据
传输到总数据处理单元；所述总数据处理单元从多机监控数据传输单元接收数 据，根据风力发电机实际运行的需要，进行人机操作处理，向单机监控数据处理 单元下达控制指令，便于操作人员使用。
如图2所示，所述数据采集单元，包括采集风力发电机参数的第一智能采 集模块11、第二智能采集模块12,第一智能采集模块11采集第一风力发电机
13的数据，第二智能采集模块12采集第二风力发电机14的数据，第一风力发 电机13、第二风力发电机14的三项电缆分别连接到第一智能采集模块11、第二 智能采集模块12的UA、 UB、 UC引脚上，三相电源地线连接到第一智能采集模块 11、第二智能采集模块12的UGND引脚上。由于采用了独立的智能采集模块，针 对风电场的风力发电机的具体型号，只需选用相应的智能采集模块，就可以监控 风电场中不同型号的风力发电机。
所述第一智能采集模块11、第二智能采集模块12均采用山东力创科技有限 公司生产的EDA9033A智能采集模块，其物理界线图采用EDA9033A模块应用说明 书中的典型接线图。
所述单机监控数据传输单元，包括RS-485总线15和RS485/RS232转换器10， RS-485总线15的引入端分别与EM9033A智能采集模块11和EDA9033A智能模块12 相连接，RS-485总线15的引出端与RS485/RS232转换器10连接，RS485/RS232转换 器10的输出接口与单机监控数据处理单元连接。RS-485总线15将数据采集单元上 传的数据传输到RS485/RS232转换器10，RS485/RS232转换器10对数据进行电平转 换，并将转换后的数据上传到单机监控数据处理单元。
所述RS-485总线15使用双绞线作为介质，RS485/RS232转换器10采用山东力 创科技有限公司生产的EDA485G转换模块。
所述单机监控数据处理单元，包括计算机主机2、第一显示器l，计算机主机 2的串行接口与单机监控数据传输单元的RS485/RS232转换器10的输出接口相连 接，第一显示器1和计算机主机2的视频接口相连。单机监控数据处理单元对单机 监控数据传输单元上传的数据按照智能采集模块设定的量程进行量程变换处理， 第一显示器l显示各智能采集模块所采集的历史参数数据和实时参数数据，并将 这些数据上传到多机监控数据传输单元。
所述多机监控数据传输单元，包括无线网卡7和无线桥接器8，无线网卡7 和无线桥接器8构成无线局域网6，无线网卡7位于单机监控数据处理单元的计 算机主机2的PCI插槽中，无线桥接器8位于监控室内，与总监控计算机主机4 连接。无线局域网位于风电场区域内，采用无线局域网可以避免由于海面恶劣的
气候环境造成的通讯设备的损坏，同时节省了大量的布线开支，降低了风电场监 控系统的制造成本。
所述无线网卡7是TP-Link公司的产品，其型号为TL-丽550，无线桥接器8是 Axelwave公司的产品，其型号为AX9800，
所述的总数据处理单元，采用人机界面模式，包含如下10个功能模块实时 数据显示模块、实时曲线显示模块、功率分布显示模块、历史数据查询模块、报 表处理模块、报警与事件操作模块、安全管理系统、数据库操作模块、报警与故 障检测模块、Internet远程访问模块。
所述实时数据显示模块，能够将智能采集模块采集到的数据及时准确地在第 二显示器3显示，并且使用I/O变量的直接显示；
所述实时曲线显示模块，通过实时曲线图和参数选择菜单对不同数据以实时 曲线方式显示监控数据的实时值；
所述功率分布显示模块，包括由棒状图和饼状图两种显示方式，通过这两种 方式査看智能采集模块采集的风力发电机各相发电功率分布和风电场内每台风 力发电机的发电功率分布，该功率分布显示模块能够及时反应风电场中的风力发 电机以及风力发电机三相发电功率的平衡情况和变化情况，以便为故障分析提供 依据；
所述历史数据査询模块，采用历史曲线査询方式，査询风力发电机参数及其 历史趋势，并进行基本统计计算，采用一图多线的显示方式，根据用户要求添加 l-8条不同参数的曲线，以便用户进行对比和査看，自动判定历史曲线条数，并 对非法操作进行警告；
所述报表处理模块，其日报表内容采用每小时自动记录一个采集数据的方 式，包含24小时的各监控参数的数据情况以及统计情况；根据日报表统计数据， 每月自动生成月报表，包含该月每天的监控参数的数据情况及统计情况；使用月 报表统计数据每年自动生成年报表，包含当年12个月的各监控参数的数据情况 及统计情况，报表处理模块还提供报表査询、打印、删除功能，打印通过打印机 5进行；
所述报警与事件操作模块，对产生越界报警或者用户登陆事件进行明显的警 示灯显示和声音提示，用户按照要求设定报警参数阈值，设定监控参数的报警优
先级，并通过报警确认来产生报警事件；当发生重要的报警时，根据要求自动产 生报警事件；
所述安全与用户管理模块，进行用户登陆和用户注销，当以管理员身份登陆 时，对用户组成员和用户等级、安全区进行配置，对不同级别的用户设定不同的 安全级别，并且对系统的变量设置不同的安全区；当用户级别不够，或者变量不 再用户的安全区内时，该用户不能使用该参数的操作，并产生警告，当使用 Internet进行远程访问时，使用用户登陆模式增强网络安全；
所述数据库操作模块,可以通过ODBC(开放数据库互连)方式连接SQL Server (微软公司开发的数据库管理平台)数据库，并显示与数据库的连接状态，生成 表单，每分钟自动记录风力发电机参数，并将该记录存入数据库表单中，同时， 支持数据库高级查询；
所述报警与故障检测模块，当发生故障或者报警时，自动记录报警与故障参 数的名称、数值、报警与故障时间、报警与故障发生地点、报警与故障的可能原 因以及应对报警与故障的建议，当在同一时刻发生报警时，自动记录高优先级的 参数；
所述Internet远程访问模块，支持Internet网络访问功能，只要在设置好 总监控计算机主机4的Internet网络接口 9的端口号后，对监控系统进行发布， 实现在任意一台连网的计算机对监控系统进行远程监视和控制。
所述数据采集单元、单机监控数据传输单元以及单机监控数据处理单元的无 线网卡安装在风力发电机机舱内，总数据处理单元和多机监控数据传输单元的无 线桥接器安装在风力发电场的监控室内。
本实施例第一智能采集模块11采集第一风力发电机13的数据，第二智能采 集模块12采集第二风力发电机14的数据，然后将采集的数据通过RS-485总线 15传输到RS485/RS232转换器10中，RS485/RS232转换器10对数据进行电平转 换，并将转换后的数据上传到单机监控数据处理单元的计算机主机2中，计算机 主机2对数据按照智能采集模块设定的量程进行量程变换处理，通过多机监控数 据传输单元的无线网卡7和无线桥接器8，传输到总数据处理单元，在总数据处 理单元通过人机操作处理，实时显示风力发电机的运行参数，并且完成显示、査 询、打印、报警处理、数据导出等功能。
本实施例中， 一个10万kW风电场，平均每年有效发电时间2000h，采用本实 施例系统需要投入500万元，有效发电时间提高5%，则每年多发电l千万度，按照 风电售价1.05元/度计算，每年新增发电效益1.05千万元，半年就可以收回投入 成本。
权利要求
1.一种大型海上风力发电场监控系统，其特征在于，包括数据采集单元、单机监控数据传输单元、单机监控数据处理单元、多机监控数据传输单元和总数据处理单元，所述数据采集单元，位于风力发电机现场环境中，负责采集风电场的技术参数数据，并将采集的数据传输到单机监控数据传输单元；所述单机监控数据传输单元，将数据采集单元输出的数据传输到单机监控数据处理单元；所述单机监控数据处理单元，将从单机监控数据传输单元获得的数据进行量程变换处理，再上传至多机监控数据传输单元；所述多机监控数据传输单元将从单机监控数据处理单元获得的数据传输到总数据处理单元；所述总数据处理单元从多机监控数据传输单元接收数据，根据风力发电机实际运行的需要，进行人机操作处理，向单机监控数据处理单元下达控制指令，便于操作人员使用。
2. 根据权利要求1所述的大型海上风力发电场监控系统，其特征是，所述数 据采集单元，包括若干智能采集模块，智能采集模块的输入接口和风力发电机的 三相输电电缆相连接，智能采集模块的总线接口与数据传输单元相连，智能采集 模块对风力发电机的技术参数数据进行采集，并对采集的数据进行A/D转换和参 数储存，以量程的百分比形式输出到总线连接接口。
3. 根据权利要求1或2所述的大型海上风力发电场监控系统，其特征是，采 集风力发电机技术参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、发 电量。 .
4. 根据权利要求1所述的大型海上风力发电场监控系统，其特征是，所述的 单机监控数据传输单元，包括RS-485现场总线和RS485/RS232转换器，RS-485现 场总线一端与数据采集单元的智能采集模块的总线接口相连接，另一端与 RS485/RS232转换器的总线接口相连，RS485/RS232转换器的输出接口与单机监控 数据处理单元连接，RS-485现场总线将数据采集单元上传的数据传输到 RS485/RS232转换器，RS485/RS232转换器对数据进行电平转换，并将转换后的数 据上传到单机监控数据处理单元。
5. 根据权利要求l所述的大型海上风力发电场监控系统，其特征是，所述的 单机监控数据处理单元，包括计算机主机、第一显示器，计算机主机的串行接口 与单机监控数据传输单元的RS485/RS232转换器的输出接口相连接，第一显示器 和计算机主机的视频接口相连，单机监控数据处理单元根据智能采集模块设定的 量程对单机监控数据传输单元上传的数据进行量程变换处理，显示各智能采集模 块所采集的历史数据和实时数据，并将这些数据上传到多机监控数据传输单元。
6. 根据权利要求l所述的大型海上风力发电场监控系统，其特征是，所述的 多机监控数据传输单元，包括无线网卡和无线桥接器，无线网卡和无线桥接器组 成无线局域网，该无线局域网位于风电场区域内，遵守802. llx无线通讯规范， 无线网卡是无线局域网的无线发射单元，无线桥接器是无线局域网的无线接受单 元，无线网卡插在单机监控处理单元的计算机主机的主板上，无线桥接器与总数 据处理单元相连接。
7. 根据权利要求l所述的大型海上风力发电场监控系统，其特征是，所述的 总数据处理单元，采用人机界面模式，包含如下10个功能模块实时数据显示模 块、实时曲线显示模块、功率分布显示<模块、历史数据査询模块、报表处理模块、 报警与事件操作模块、安全管理系统、数据库操作模块、报警与故障检测模块、 Int ernet远程访问模块。
8. 根据权利要求7所述的大型海上风力发电场监控系统，其特征是， 所述实时数据显示模块，能够将智能采集模块采集到的数据及时准确地在第二显示器显示，并且使用1/0变量的直接显示；所述实时曲线显示模块，通过实时曲线图和参数选择菜单对不同数据以实时 曲线方式显示监控数据的实时值；所述功率分布显示模块，包括由棒状图和饼状图两种显示方式，通过这两种 方式査看智能采集模块采集的风力发电机各相发电功率分布和风电场内每台风 力发电机的发电功率分布，该功率分布显示模块能够及时反应风电场中的风力发 电机以及风力发电机三相发电功率的平衡情况和变化情况，以便为故障分析提供 依据；所述历史数据查询模块，采用历史曲线査询方式，査询风力发电机参数及其 历史趋势，并进行基本统计计算，采用一图多线的显示方式，根据用户要求添加 l-8条不同参数的曲线，以便用户进行对比和查看，自动判定历史曲线条数，并 对非法操作进行警告；所述报表处理模块，其日报表内容采用每小时自动记录一个采集数据的方 式，包含24小时的各监控参数的数据情况以及统计情况；根据日报表统计数据， 每月自动生成月报表，包含该月每天的监控参数的数据情况及统计情况；使用月 报表统计数据每年自动生成年报表，包含当年12个月的各监控参数的数据情况 及统计情况，报表处理模块还提供报表査询、打印、删除功能，打印通过打印机 进行；所述报警与事件操作模块，对产生越界报警或者用户登陆事件进行明显的警示灯显示和声音提示，用户按照要求设定报警参数阈值，设定监控参数的报警优先级，并通过报警确认来产生报警事件；当发生重要的报警时，根据要求自动产 生报警事件；所述安全与用户管理模块，进行用户登陆和用户注销，当以管理员身份登陆 时，对用户组成员和用户等级、安全区进行配置，对不同级别的用户设定不同的 安全级别，并且对系统的变量设置不同的安全区；当用户级别不够，或者变量不 再用户的安全区内时，该用户不能使用该参数的操作，并产生警告，当使用 Internet进行远程访问时，使用用户登陆模式增强网络安全；所述数据库操作模块，通过开放数据库互连方式连接微软公司开发的数据库 管理平台数据库，并显示与数据库的连接状态，生成表单，每分钟自动记录风力 发电机参数，并将该记录存入数据库表单中，同时，支持数据库高级查询；所述报警与故障检测模块，当发生故障或者报警时，自动记录报警与故障参 数的名称、数值、报警与故障时间、报警与故障发生地点、报警与故障的可能原 因以及应对报警与故障的建议，当在同一时刻发生报警时，自动记录高优先级的 参数；所述Internet远程访问模块，支持Internet网络访问功能，只要在设置好 总监控计算机主机的Internet网络接口的端口号后，对监控系统进行发布，实 现在任意一台连网的计算机对监控系统进行远程监视和控制。
全文摘要
一种计算机应用技术领域的大型海上风力发电场监控系统，包括数据采集单元、单机监控数据传输单元、单机监控数据处理单元、多机监控数据传输单元、总数据处理单元。所述数据采集单元，采集风电场的技术参数；所述单机监控数据传输单元，将数据采集单元的数据传输到单机监控数据处理单元；所述单机监控数据处理单元，对从单机监控数据传输单元的数据进行处理；所述多机监控数据传输单元将单机监控数据处理单元处理的数据传输到总数据处理单元；所述总数据处理单元将从多机数据传输单元获得的数据进行处理，通过人机操作界面根据风力发电机实际运行的需要向单机监控数据处理单元下达控制指令。本发明结构简单、实用性强，降低风力发电场生产成本。
文档编号F03D5/00GK101109938SQ200710045170
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月23日 优先权日2007年8月23日
发明者成 王, 王志新 申请人:上海交通大学