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風電場機組監控系統工業以太網解決方案

隨著風力發電場的大量建設,風場變電站SCADA監控系統、風場視頻安防系統、風力發電機組遠程監控系統也大量應用,監控系統的建設對于風機的安全監控、提高風能利用率、提高風機工作效率、風電場的安全監控都十分重要。但這些系統應用環境惡劣,需要管理型寬溫工業以太網交換機進行網絡支持。

一. 系統需求
    風力發電場對網絡設備的需求:
    1、風電應用環境惡劣,晝夜溫差大,風沙嚴重,要求工作溫度:-40℃~75℃ ,濕度:5%~95%,無凝結。
    2、電磁環境惡劣,需要工業交換機具有較強的抗電磁干擾能力、長時間的平均無故障時間。
    3、為了保障通信的可靠性,要求建立冗余的環網,具有快速自愈功能。通信網絡出故障時,能夠自動平滑的切換到冗余備份線路。
    4、為了保證遠程監控的數據的安全性,交換機需要有全面的網絡安全設置。
二. 網絡設計方案
       風電機組監控系統具有對風電機組自動啟動、停機、平穩并網、雙速切換、自動對風、數據檢測和處理、故障記錄及自動保護等就地控制功能,同時具有在中央監控室對分散運行在風電場上的各風電機組運行狀態的實時顯示、運行數據的統計處理、運行故障記錄報警、風速-功率特性曲線的測量、開機、停機、左右偏航、修改風電機組運行參數等遠程監控功能。由三部分組成:就地控制部分、中央集控部分、通信部分。根據不同風機的應用網絡通信分為兩部分:風機內部控制通信部分、風機與風機間或風機與控制中心的網絡通信部分。
       根據風電行業即有其普遍性也有其特殊性,我們在組網方案中主要考慮以下幾個方面:
    1、系統設計充分考慮多個業務子系統的系統特點,技術上遵循先進性、實用性與成熟可靠性并重的原則,形成一整套功能齊全的組網解決方案。
    2、能夠滿足風電場苛刻的物理環境,溫度、防塵、電磁兼容性等要求
    3、因網絡規模龐大,組網方案采用清晰的多層結構,從最根本的網絡結構設計上簡化網絡的維護及管理,實現故障點的快速分離及明確,確保系統的穩定運行。
    4、組網方案自身必須具備一定的故障排除及快速自愈功能,能夠針對設備故障、鏈路故障進行自我診斷及快速排除,并實時報警。
    5、對網絡進行人工維護、擴容、或故障修復時應該做到影響最小化,做到維護及擴容對系統運行無影響;故障修復只對相關網絡設備的連接終端有一定的影響。
    6、網絡設備選擇采用具備高實時性和穩定性的工業級設備
    7、組網方案必須具備兼容性,能夠無縫連接不同廠商的網絡設備,具備高性價比。
    8、考慮到工業現場對實時性要求,采用的是環網設計理念,避免單條鏈路故障對網絡的影響。
        本方案基于歐邁特工業以太網交換機性價比及網絡可靠性的綜合考慮,針對兩個部分的網絡通信方案如下:
(一) 風機內部控制通信部分
       主要是指風機機艙與塔基之間設備的通信,負責監控以下數據:1、電力參數包括電網三相電壓、發電機輸出的三相電流、電網頻率、發電機功率因數等;2、風力參數:風速、風向;3、風力發電機組狀態參數:發電機轉速和風輪轉速、溫度(發電機、控制器、軸承、增速器油溫等)、電纜扭轉、機械剎車狀況、機艙振動、油位;4、反饋信號:回收葉間擾流器、松開機械剎車、松開偏航制動器、發電機脫網及脫網后轉速降落信號等。

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       目前風機內部控制通信是通過風機機艙與塔基之間的二對光纖收發器來實現的,會帶來安裝和維護的不便。為此北京歐邁特公司特別推出一款OMATE6100工業以太網交換機,只需一對設備很好解決了此類問題。該設備多個業務電口支持VLAN劃分,可以有效隔離廣播域,為風機內部控制通信提供安全可靠的業務隔離傳輸;同時電源輸入冗余、基于端口聚合的二對光口互為冗余,從而進一步提高了風機內部通信的可靠性!
       風機機艙配置一臺OMATE6100為機艙內的變漿控制器、機艙控制器等設備提供接入,通過控制器來采集風速傳感器、風向傳感器、雙饋變頻器、偏航變頻器、變漿變頻器等設備的數據。同時風機塔基配置一臺相同的OMATE6100,通過二對互為冗余光口與機艙的OMATE6100可靠連接,然后接入塔基內的環網交換機OMATE6300,后者為塔基內的主控制器、工控機等設備提供接入,同時負責與集中控制室的通信。


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(一) 風機與風機間或風機與控制中心的網絡通信部分
       風機間通信網絡采用以就地監控中心為匯聚點的互聯百兆光纖環網。采用OMATE6300系列工業以太網交換機(基于Jiffy-RING快速環網冗余技術)構建,能有效保障網絡的安全性、可靠性、穩定性,以及網絡通信的無擾動切換,切換時間小于18ms(網絡自愈時間)。
       風機塔基內的環網交換機OMATE6300,通過光纖與其它風機內的交換機OMATE6300構建百兆冗余網絡,保障網絡快速自愈,提高數據傳輸的安全性、可靠性、抗干擾能力。
       在就地監控中心配置一臺多光口OMATE6300系列交換機,為風電場各個百兆光纖環網提供匯聚接入支持,并為現場的控制設備提供接入支持。與遠程的中央監控中心采用光纖方式連接,為提高鏈路可靠性建議以光端口聚合方式連接,即提高通信帶寬,又為光纖鏈路提供了冗余保護。
       考慮到風電場其他系統業務的接入及統一管理,例如風電場視頻監控系統,不同系統業務將會采用VLAN技術隔離,在核心需要進行三層路由交換,建議在中央監控中心配置一臺三層工業級以太網交換機GOE300系列(支持靜態路由、動態路由RIP/OSPF/BGP、組播路由PIM-SM/PIM-DM/DVMRP),為整個監控系統網絡提供高效率的硬件路由處理功能。


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三. 歐邁特工業以太網產品優越:
    1、良好的設備特性&安裝方式靈活性,寬溫、防塵、防潮設計:
       工作溫度:-40~80 ℃,工作濕度:5 ~ 95 % (無凝露);金屬外殼無風扇散熱技術,IP41以上等級防護;可定制機架、導軌、壁掛安裝;
    2、在嚴酷電磁環境可靠穩定工作:
       通過工業四級電磁兼容性檢測,有效防御工業干擾:高壓交流電場、靜電場、電弧、可控硅等;自然界干擾:雷電沖擊、各種靜電放電、磁暴等;
    3、設備平均無故障時間超過30萬小時,長年提供備品備件;
    4、快速冗余:
       支持Jiffy-Ring以及RSTP等環網冗余技術,保障了網絡通信的無擾動切換,前者網絡自愈時間小于18ms。
    5、安全優勢:
    1)支持VLAN(虛擬局域網)技術
       VLAN是安全交換機必不可少的功能。VLAN可能跨越一個或多個交換機,與它們的物理位置無關,設備之間好像在同一個網絡間通信一樣。VLAN可以在交換機上實現廣播域的隔離,它可以把網絡分成一個一個獨立的區域,可以控制這些區域是否可以通訊。
    2)流量控制功能(traffic control)
       交換機的流量控制可以預防因為廣播數據包、組播數據包及因目的地址錯誤的單播數據包數據流量過大造成交換機帶寬的異常負荷,并可提高系統的整體效能,保持網絡安全穩定的運行。
       另外歐邁特交換機還可針對每個端口提供雙向(in/out)分別限制功能。
    3)支持端口聚合
       多個的端口的聚合即提高鏈路傳輸帶寬,又為鏈路提供了冗余保護;
    4)安全機制
       IEEE 802協議集的局域網接入控制協議,是基于端口的訪問控制協議。它能夠在利用IEEE 802局域網優勢的基礎上提供一種對連接到局域網的用戶進行認證和授權的手段,達到了接受合法用戶接入,拒絕非授權用戶的訪問,保護網絡安全的目的。另外可通過端口綁定以及SNMP V3認證策略等進一步加強安全性。
    5)QoS機制
       歐邁特工業以太網交換機采用了IEEE802.p QoS CoS/TOS/DSCP優先級策略,保障了數據關鍵數據的實時可靠傳輸。
    6)支持廣播風暴抑制、IGMP-Snooping組播協議,提高網絡傳輸效率
    7)系統日志
       交換機的日志功能可以將系統錯誤、系統配置、狀態變化、狀態定期報告等信息傳送給日志服務器,網管人員依據這些信息掌握設備的運行狀況,及早發現問題,及時進行配置設定和排障,保障網絡安全穩定地運行。
    8)統一網管:
       除提供方便的Web等訪問外,還支持SNMP、RMON管理,方便與第三方設備實現全網統一管理。
四. 結語
       北京歐邁特公司作為工業以太網設備的專業制造商,為風電場提供專家級解決方案:采用先進的工業以太網通信技術實現風電場的有效監控,保障了整個的系統安全性、可靠性、穩定性,提高了風機的發電效率,標準的通信協議也為其他業務的接入提供了便利。




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