監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集(Supervisory ControlAnd Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集方面的發(fā)展已經(jīng)比較完善，但是由于風電場的運行、控制、維護、并網(wǎng)等具有諸多的特殊性，必然要求S(心系統(tǒng)能夠加強遠距離傳輸?shù)哪芰?，提高?shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，因此對風電場SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸技術進行研究具有重大的實際意義.

　　1 SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式

　　數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕饔檬菍崿F(xiàn)各站點之間的信息互換.選擇好的數(shù)據(jù)傳輸方式可以加強數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，并且還有助于系統(tǒng)的遠距離數(shù)據(jù)傳輸，起到事半功倍的效果.現(xiàn)有風電場SCADA系統(tǒng)主要由以下3部分組成：

　　1)就地監(jiān)控部分：布置在每臺風力發(fā)電機塔筒的控制柜內.每臺風力發(fā)電機的就地控制能夠對此臺風力發(fā)電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并對其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行采集.

　　2)中央監(jiān)控部分：一般布置在風電場控制室內.工作人員能夠根據(jù)畫面的切換隨時控制和了解風電場同一型號風力發(fā)電機的運行和操作.

　　3)遠程監(jiān)控部分：根據(jù)需要布置在不同地點的遠程控制.遠程控制目前一般通過調制解調器或電流環(huán)等通訊方式訪問中控室主機進行控制.

　　1.1就地監(jiān)控與中央監(jiān)控之間的傳輸方式

　　就地監(jiān)控與中央監(jiān)控之間的數(shù)據(jù)傳輸主要是指下位機控制系統(tǒng)能將下位機的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障情況通過專用的數(shù)據(jù)傳輸裝置和接口電路與中央監(jiān)控室的上位計算機進行通訊，同時上位機能傳達對下位機的控制指令，由下位機的控制系統(tǒng)執(zhí)行相應動作，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能.根據(jù)風電場的實際情況，上、下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸有如下特點：

　　1)一臺上位機能監(jiān)控多臺風力發(fā)電機的運行，屬于一對多的通訊方式;

　　2)下位機能夠獨立運行，并能與上位機通訊;

　　3)上、下位機之間安裝距離較遠，一般有1 000--5000m：

　　4)下位機之間安裝距離也較遠，一般大于風輪直徑的3～5倍，即100--300 m;

　　5)上、下位機的通訊軟件必須協(xié)調一致，并應開發(fā)相應的工業(yè)控制專用功能.

　　為適應遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，就地監(jiān)控與中央監(jiān)控之間可以采用如下幾種數(shù)據(jù)傳輸方式：

　　1)異步串行通訊，用RS422或RS-485通訊接口.所謂串行通訊，是用一條信號線傳輸一種數(shù)據(jù).因此，上位機通過公共通信網(wǎng)絡采用RS-422或RS-485串行接口總線數(shù)據(jù)傳輸方式與各下位機進行數(shù)據(jù)傳輸，可節(jié)省大量通信電纜，用最少的信號線來完成遠程數(shù)據(jù)采集與控制，并且RS-422和RS-485串口傳輸速率指標也是不錯的，在1 000 m以內傳輸速率可達100 kb/s.由于所用傳輸線較少，所以成本較低，很適合風電場監(jiān)控系統(tǒng)采用.同時，因為此種通訊方式的通訊協(xié)議比較簡單，也很常用，所以成為較遠距離通訊的首選方式.

　　2)以太網(wǎng)通訊.大型風電場中分布的風力發(fā)電機的數(shù)目多，數(shù)據(jù)信息流大，對速率指標要求高，因此RS-422或者RS-485的實時性、傳輸速率會力不從心，此時應考慮使用以太網(wǎng).以太網(wǎng)為總線式拓撲結構，可容納1 024個節(jié)點，距離可達2.5 km.站級總線采用標準高速以太網(wǎng)，10 Mb/100Mb/1 Gb自適應，并兼容即將推出的10 Gb以太網(wǎng)總線結構，提供了高速的人機交互手段;設備級采用標準10 Mb以太網(wǎng)，比傳統(tǒng)的傳輸方式從傳輸速率上提高了幾個數(shù)量級，且為直接接人廣域網(wǎng)提供了便利手段.因此，將上位機和下位機通過交換機與風電場光纖以太網(wǎng)環(huán)路相連接，保證了風電場內部的集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸.

　　1.2中央監(jiān)控與遠程監(jiān)控之間的傳輸方式

　　由于各通訊條件的不同，因此，不同的風電場選擇的數(shù)據(jù)傳輸方式也是不同的.比較有代表性的數(shù)據(jù)傳輸方式有如下幾種：

　　1)基于PSTN的數(shù)據(jù)傳輸

　　PSTN(Public Switched Telephone Network)意指傳統(tǒng)的電話交換網(wǎng)絡.此傳輸方式是利用現(xiàn)有的電信電話網(wǎng)絡，在中央監(jiān)控與遠程監(jiān)控計算機上各安裝一套調制解調器設備，傳輸數(shù)據(jù)的計算機之間通過使用調制解調器連接公用交換電話網(wǎng)，由發(fā)送計算機主動撥號，接收計算機接到呼叫后應答，然后進行數(shù)據(jù)傳輸這種連接方式的數(shù)據(jù)安全性高，但由于風電場分布在全國各地，連接屬于長途電話，費用較高.

　　2)基于GPRS無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸

　　GPRS(General Packet Radio Service)意指通用分組無線業(yè)務，是在GSM全球移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡上發(fā)展起來，為用戶提供高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務的一種網(wǎng)絡.此傳輸方式是利用現(xiàn)有的移動無線通訊網(wǎng)絡，在中央監(jiān)控與遠程監(jiān)控計算機上各安裝一套GPRS設備，兩端設備通過無線通訊網(wǎng)絡撥叫對方建立連接這種傳輸方式具有成本低、部署簡單、隨時連接等優(yōu)點，但是必須是在無線通訊網(wǎng)絡能夠覆蓋的范圍內實現(xiàn)，帶寬方面還有很多問題需要解決，費用是根據(jù)數(shù)據(jù)量進行計算的.

　　3)基于Intemet網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸

　　實現(xiàn)基于Intemet的傳輸主要是依靠TCP/IP協(xié)議.當數(shù)據(jù)從本地系統(tǒng)向遠程系統(tǒng)傳送時，數(shù)據(jù)在本地系統(tǒng)的各層協(xié)議間沿著TCP/IP協(xié)議棧從上向下傳遞.當一個計算機系統(tǒng)從網(wǎng)絡上接收信息時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程恰好相反，其路徑是從網(wǎng)絡物理層向上傳輸給應用層.但由于基于Intemet的數(shù)據(jù)傳輸是通過互聯(lián)網(wǎng)進行傳輸?shù)?，而互?lián)網(wǎng)上存在許多不安全因素，因此保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩跃秃苤匾话愣疾捎脭?shù)據(jù)加密的方式.在數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上之前用數(shù)據(jù)加密算法把明文變成密文進行傳輸，等傳輸?shù)侥康牡匾院笤倩謴蜑槊魑?

　　隨著計算機網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，近階段有一門網(wǎng)絡新技術崛起，即Ⅵ)N(Virtual PrivateNetwork)：虛擬專用網(wǎng)絡№J.這種技術也逐漸應用到了風電場S(心系統(tǒng)中.它是利用現(xiàn)有的電信電話網(wǎng)絡，在中央監(jiān)控與遠程監(jiān)控計算機上各安裝一套ADSL或調制解調器設備，兩端同時連接到Intemet網(wǎng)絡上，通過Intemet建立VPN網(wǎng)絡連接.通過VPN技術，用戶不再需要擁有實際的長途數(shù)據(jù)線路，而是依靠Intemet服務提供商(ISP)和其他網(wǎng)絡服務提供商(NSP)，在Inter—net公眾網(wǎng)中建立專用的數(shù)據(jù)傳輸通道，構成一個邏輯網(wǎng)絡，它不是真的專用網(wǎng)絡，但卻能夠實現(xiàn)專用網(wǎng)絡的功能.在數(shù)據(jù)安全性方面，VPN使用了三方面的技術保證了基于Intemet的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕核淼绤f(xié)議、身份驗證和數(shù)據(jù)加密.因此，基于Intemet網(wǎng)絡VPN技術的數(shù)據(jù)傳輸具有費用低、傳輸速率快、安全性高的優(yōu)勢，也將成為今后SCADA系統(tǒng)的主流通信方式.

　　
2風電場SCADA系統(tǒng)通信標準

　　2006年12月，國際電工委員會(IEC)公布了由IEC TC88技術委員會起草制定的IEC 61400—25標準.該標準是IEC 61850標準在風力發(fā)電領域內的延伸，專門面向風電場的監(jiān)控系統(tǒng)通信，為風電場的監(jiān)控提供了一個統(tǒng)一的通信基礎.

　　2.1 IF..12 614∞.25標準的體系結構

　　IEC 61400—25標準共規(guī)劃了6個部分，目前已公布IEC 61400—25的第1，2，3，5部分，IEC61400-25的第4，6部分仍在制訂和商討中.這6個標準分別涉及到了如下內容：

　　1)IEC 61400—25.1：風力發(fā)電場監(jiān)控通信原理和模型概述.這部分是一個導向性的介紹，包括對必要條件、基本工作原理以及模型概貌的介紹.

　　2)IEC 61400—25.2：風力發(fā)電場監(jiān)控通信的信息模型.該部分對風電場信息模型和邏輯節(jié)點、公共數(shù)據(jù)類進行了詳細的介紹.

　　3)IEC 61400.25—3：風力發(fā)電場監(jiān)控通信的信息交換模型.其內容包括對信息交換的功能模型和抽象通信服務接口的描述.

　　4)IEC 61400—25—4：風力發(fā)電場監(jiān)控通信中面向通信協(xié)議的映射.到現(xiàn)在為止，該部分仍在制訂中，具體采用哪種協(xié)議映射還沒有定論.目前已從常用的通信規(guī)約中準備了5個可選的映射協(xié)議，分別是(web services，IEC 61850—8—1 MMS，oPC XML DA，IEC 60870...5 104，DNP3).

　　5)IEC 61400—25.5：風力發(fā)電場監(jiān)控通信的一致性測試.這部分建立在I】巳C 61850—10的基礎上，是IEC 61400—25的擴展，詳細介紹了執(zhí)行一致性測試的標準技術以及申報性能參數(shù)時所用的測量技術.

　　6)IEC 61400—25.6：風力發(fā)電場監(jiān)控通信中用于環(huán)境監(jiān)測的邏輯節(jié)點類和數(shù)據(jù)類.該部分目前仍在制訂當中，主要是對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)信息模型和信息轉換模型進行定義.

　　2.2 IEC 61400.25標準通信模型

　　IEC61400.25標準考慮了風電場監(jiān)控系統(tǒng)中所有可能產(chǎn)生通信的環(huán)節(jié)，抽象地定義了一個風電場監(jiān)控系統(tǒng)的通信模型.通信模型包括3個獨立的部分：信息模型(IEC 61400—25—2);信息交換模型(IEC 61400—25—3)及上述2種模型在標準通信規(guī)約上的映射(IEC 61400—25—4).如圖1所示，IF_K;61400.25標準是一種客戶機一服務器的通信模式，并且通信模型嵌入在一個抽象環(huán)境中，風電場信息模型和信息交換模型一起構成了客戶機與服務器的接口，通過通用信道進行通信.服務器作為信息和服務的提供者，向客戶機提供通信過程中所需要的信息內容和功能，客戶機則具有一定的權限使用和管理服務器.信息模型通過服務器向客戶機提供一個統(tǒng)一的面向實際組件的風電場數(shù)據(jù)表;信息交換模型規(guī)定了服務器中激活的功能模塊間數(shù)據(jù)交換的服務內容.

　　2.3 lEC 61400.25標準信息模型

　　2.3.1信息模型概述

　　IEC61400.25標準中定義的信息模型為發(fā)生在客戶機和服務器之間的監(jiān)控體系內的信息交換提供了信息交換的內容㈨8.信息交換內容如圖2所示.

　　IEC61400—25標準利用對象模型的概念來表示風電場監(jiān)控系統(tǒng)和各部分組件之間的通訊.這就意味著實際風電場當中的所有組件都被定義成了具有模擬量、二進制狀態(tài)、命令、設定點數(shù)據(jù)的對象.這些對象和數(shù)據(jù)又被映射成實際組件的通用邏輯表示，并且每個數(shù)據(jù)都擁有一個數(shù)據(jù)名稱和數(shù)據(jù)類型，這就是風電場的信息模型.

　　2.3.2信息模型建模方法

　　IEC61400—25標準定義的風電場信息模型是一個分層的信息模型，它是基于IEC 61850—7—1第6章定義的建模方法(也就是IEC 61850標準的建模方法)，這個建模方法的基礎部分在IEC61850—7—2：2003標準第5章中得到了描述.分層的意思是將公用信息劃分為不同的級別，并將其集合成類，較低級別的類會自動繼承上一級別的類所具有的屬性.風電場信息模型的結構如圖3所示.

　　其中，最上層成為邏輯設備(LD)，向下依次被分解為邏輯節(jié)點(LN).邏輯節(jié)點由一組相關的數(shù)據(jù)即數(shù)據(jù)類(DC)組成.所有邏輯節(jié)點都有一個標準化的表結構，如圖4所示.有些基本的數(shù)據(jù)類被定義為公用數(shù)據(jù)類(CDC)，其他的數(shù)據(jù)類都繼承某個公用數(shù)據(jù)類的一組屬性.公用數(shù)據(jù)類由數(shù)據(jù)屬性組成，數(shù)據(jù)的最基本、最詳細的部分可以在公用數(shù)據(jù)類的類型定義中找到.

　　IEC61400—25標準將風電場某一特定的風力發(fā)電機設定為邏輯設備，并按其功能系統(tǒng)(如轉子，傳動系統(tǒng)，發(fā)電機、偏航系統(tǒng)等)分成各個能進行信息交換的最小實體，這些實體就被稱為邏輯節(jié)點.一個邏輯設備包含屬于該風力發(fā)電機的邏輯節(jié)點的集合.IEC 6140.25標準為風電場定義了一套專用的邏輯節(jié)點類(IEC 61400—25—2)，其中某些類是固有的(用“M”表示)，其他的則是可選的(用“o”表示).邏輯節(jié)點類和數(shù)據(jù)類的基本使用規(guī)范及其擴展規(guī)則遵照了IEC 61850—7—4標準附錄A和IEC 61850—7.1標準第14章的定義.

　　2.4Ⅱ℃61枷.25標準信息交換模型2.4.1信息交換模型概述

　　信息交換機制是依附在標準的風電場信息模型上的，這些信息模型和建模方法是IEC 61400—25標準的核心.標準中對所有可以同其他組件進行交換的信息做了定義.這種模型為風電場自動化系統(tǒng)提供了一種與現(xiàn)實世界各電力系統(tǒng)過程、發(fā)電機等對應的圖像.

　　IEC61400.25標準用抽象模型的概念定義了信息和信息交換.標準中用到了虛擬化的概念，通過對1個虛擬化邏輯設備的描述來統(tǒng)計邏輯節(jié)點.邏輯節(jié)點是將實際設備虛擬化，轉換成可以與其他設備進行信息交換的數(shù)據(jù)一覽表.

　　根據(jù)功能，1個邏輯節(jié)點包含一系列數(shù)據(jù)(如轉子轉速等)信息.數(shù)據(jù)具有一個結構和一個明確的語義(風電場系統(tǒng)中所代表的特定含義).由數(shù)據(jù)表示的信息按照信息交換服務定義的服務進行交換.

　　2.4.2信息交換模型建模方法

　　IEC62400.25標準用建模的方法將在實際組件中獲得的信息用概念的方式概述出來[9]9，如圖5所示.WROT是虛擬的用以表示1個特定轉子的標準化名稱.邏輯節(jié)點對應于實際物理設備的功能.

　　1)信息交換的服務模型

　?、驝 61400.25標準中定義風電場信息交換模型的主要目的是將實例化的各種類的信息模型中的信息進行交換，這些類包含邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)屬性、控制模塊等.信息交換模型定義了這樣一種服務器，它不僅包含信息模型的實例，還包含訪問信息模型實例所需要的相應的服務功能(Get，Set，Control，Query，Report等).IEC 61400—25僅僅定義了服務器的職責.客戶機通過發(fā)送請求報文向服務器提出服務請求，并從服務器接收應答報文或者報告.

　　一個服務器可以為多個客戶機提供對風電場信息模型實例的訪問，并且每個客戶機可以獨立于其他客戶機與服務器進行通信.物理設備可以扮演客戶機或者服務器兩種角色，也可以同時兼顧.服務器主要是提供組成風電場信息模型的數(shù)據(jù)，服務器上的風電場信息模型支持如圖6所示的訪問服務.數(shù)據(jù)屬性包含了用于信息交換的數(shù)值.信息交換模型主要提供以下幾種服務：控制外部或者內部設備運行;監(jiān)測過程數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù);管理設備以及接收到的風電場信息模型.

　　存儲在服務器內的風電場信息模型數(shù)據(jù)可以通過服務指令(Get，Set，Contr01)訪問，實現(xiàn)即時動作返回信息，設定數(shù)值、控制設備或者運行.服務器記錄內部事件并生成報告，存儲各種信息供檢索并生成Et志.根據(jù)客戶機請求，服務器向客戶機發(fā)送這些信息.

　　2)抽象通信服務接口(處辯I)

　　用于實現(xiàn)外部世界穰各種實際組件進行信息交換的基本服務集被稱為抽象通信服務接口(ACSI).IEC 61850.7一l和IEC 61850—7.2中具體攢述了這些服務的基本方法。

　　圖7展示了ACSI模型的備個組件，描述了一個典型設備如何使用服務器與外部世界相結合。

　　用服務器代表一個帶通信接口的物理設備，它據(jù)有一個網(wǎng)絡通信地址，外部客戶?？梢藻赃^網(wǎng)絡對其進行訪問.服務器能夠接受來自于一個或者更多外部客戶機的訪問，通過驗證并支持對客戶橇提供信息服務。服務器包含一個或者更多個邏輯設備，這些邏輯設備又包含了一個或者更多個邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點代表了基本的構建模塊(對象)，構建模塊又代表著邏輯設備的各種功能。邏輯節(jié)點包含的數(shù)據(jù)可以單獨執(zhí)行讀、寫和數(shù)據(jù)集操作，響應控制輸入，提供征求性和非征求性報鴦，并顯包禽可以查詢的霹志。模擬量信息稻狀態(tài)信息通常是只讀的，控制和配置信息通常是可讀可寫的.

　　1EC 61400—25—3標準中氖scl不定義矮體的報文，主要描述各種組件之間的服務.AI隅I模型采用的是瑟向對象的方法，將每一類服務抽象成一個類，其中的每個服務都是類的實鑲，抽象服務通過類的實例與其相對應的具體服務映射進程間的相互傳遞來實現(xiàn)接弱。.2.5 IEC 61400-25標準適用范圍

　　IEC61400—25標準主要用于風電場各組件之間的通信，比方說，風力發(fā)電枧和S(㈣系統(tǒng)的通信，而風電場各組件內部的通信則不在此標準的適用范圍之內。lEc 61400—25標準允許由不同生產(chǎn)商制造的風力發(fā)電機與SCADA系統(tǒng)進行通信，并且可以利用標準的自描述文件對SCADA應用軟件進行配置。IEC 61400—25標準中不包含對SCADA應用軟件的標榷化，但是標準化的公共風力發(fā)電機信息卻為應用軟件的重用提供了方法，同瑟謄雋來自予不圃裁造商的風力發(fā)電機提供了操作界面.從實用角度來說，對公共數(shù)據(jù)統(tǒng)一的定義減少了在評估風電場過程中數(shù)據(jù)值的轉換和重算。

　　IEC 61400.25標準適用于任何逶營模式下的風電場，即無論獨立的運營模式，還是綜合的運營模式，戴標準都適用。lEC 61400—25標準的波用范圍涵蓋了風電場運營所需的所有部分，比方說風力發(fā)電機、氣象系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及風電場管理系統(tǒng)，但是并不包括與饋電線和變電蛞有關的信息.因此，IEC 61400—25標準引用了IEC 61850系列標準來對饋電線和變電站的相關信息進行處理。

　　IEC 61400—25標準僅定義了如何對信息、信息轉換以及特定協(xié)議映射進行建模，并沒有對在何處翔衡配置通信接疆進行定義。盡管如此，但魁IEC 61400.25標準的主要髓的還是在于利用規(guī)范來獲取與風電場各組件相關的信息.

　　3結論

　　本文根據(jù)國內風力發(fā)急行鱟發(fā)黢的現(xiàn)狀，闡述了當前風電場SCADA系統(tǒng)的通信方式和通信規(guī)約。由于風力發(fā)電行業(yè)自身所具有的特質，因此，風電場SCADA系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方蟊毖須絳證能夠進行遠距離通信、實時數(shù)據(jù)的傳輸，保證數(shù)據(jù)的可靠性，這樣才能快捷地對風電場運行情況進行監(jiān)控，以此來實現(xiàn)與風電場闖遂行通信。