单位文秘网 2021-10-25 08:12:20 点击: 次
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摘要:目前,海上风电场SCADA系统存在通信成本高、运维不便等问题,随着北斗+风电应用的不断深入,北斗独特的报文通信对解决上述问题提供了可能。通过使用北斗报文通信机制,优化现有SCADA架构的通信模块,采用TCP/UDP通信原理,设计出一个基于北斗报文通信的海上风电场SCADA系统方案。应用表明,该系统通信传输成功率较高、通信传输稳定,满足海上风电场运维需求。
关键词:海上风力发电;北斗报文通信;SCADA系统;TCP/UDP通信
中图分类号:TN927+.21 文献标识码:A
文章编号:1009-3044(2019)13-0249-03
Abstract: At present, the communication cost of SCADA system in offshore wind farm is high and its maintenance is inconvenient. With the deepening of Beidou + wind power application, Beidou"s unique message communication provides the possibility to solve the above problems. By using Beidou message communication mechanism, optimizing the existing SCADA communication module, and adopting TCP/UDP communication principle, a scheme of offshore wind farm SCADA system based on Beidou message communication is designed. The application shows that the system has high success rate of communication transmission and stable communication transmission, which meets the operation and maintenance requirements of offshore wind farms.
Key words: offshore wind power generation;Beidou message communication;SCADA system;TCP/UDP Communication
1 背景
海上风力发电是未来大规模风电场建设的主要研究方向,发展海上风力发电有利于充分使用海上丰富的风能资源[1],同时能够就近消纳风力发电资源并解决输电成本高昂问题。然而,我国海上风力发电的发展仍处在初期阶段,面临着许多挑战。特别是现有的SCADA系统通信模块无法满足海上风电场的数据采集和监控需要,主要表现有:
1)系统的网络通信稳定无法满足要求。海上气候等其他环境恶劣,现有的SCADA系统的传输通路故障率高。
2)系统的通信性价比低。海上风电场距离陆地较远,专用网络铺设和网络设备的成本高昂。
3)系统的通信维护难度大。对于有线长距离数据传输,检修困难并且带有危险性。采用外网隔离,三方运维不方便。
通过实践调研湖南湘电公司兴化湾海上风电项目,抽象出海上风电场SCADA系统通信模块的基本共性需求如下:
1)功能性需求
通信数据链路要完成5兆瓦风机数据传输功能;通信链路设计要为远程控制和故障检修提供通信保障;满足点对点、一点对多点的信息传输;具备双向数据报文通信能力。
2)性能需求
每台风机传输速率达到1000字节每秒;通信链路故障率低于10小时每年;通信链路在保证安全性的同時维护方便。
2 北斗导航及其报文通信分析
北斗导航系统与国外其他导航系统的最大区别就是提供短报文通信服务[2]。通过研究发现,北斗报文通信不仅可以进行不同终端长距离双向通信,而且可实现指挥机控制范围内的风机间通信。
2.1 海上风电场北斗报文通信机制
海上风电场北斗报文通信需要北斗导航系统、风电场控制中心、风电场风机群三者协同完成。北斗的用户终端之间通过报文进行通信并服从于北斗指挥机的管理。终端之间可以进行单点对单点的通信,北斗指挥机和北斗终端之间可以单点对多点或者点广播通信[3]。北斗系统通信不支持终端之间组群通信,但是可以通过后台模拟实现[4]。风机群组内部可以任意通信,如果想和风机控制中心通讯,必须经过对应群组指挥机和乙组进行通信转发,这样就实现指挥机范围内风机之间通信[5]。
2.2 北斗报文通信性能分析
传输的成功率和传输的延时是北斗报文通信性能的两个重要参数[6],通过北斗数据传输成功率、北斗长报文传输成功率、北斗传输延时三方面对报文通信的性能进行分析。
根据测试数据显示北斗数据包传输失败率低于百分之五,传输成功率较高;研究北斗相关文档发现长报文传输成功率跟报文包个数成反比例,所以应选择合适的拆包方式和丢包处理规则,以提高传输成功率;根据数据统计与计算,得出一般北斗报文通信的传输延时为3.8s。
3 基于北斗报文通信的海上风电场SCADA系统通信模块设计方案
通信模块的设计方案需要解决风场数据与北斗协议的规约转换问题、实时长报文传输问题、收发端运行流程问题,以及整体通信框架详细设计方案等四个问题,下面依次展开详细论述。
3.1 规约转换问题解决方案
规约转换问题解决方案主要基于TCP/UDP通信协议,传输采集数据使用UDP协议进行通信,维修时采用TCP协议进行通信。首先将海上风电场RTU所产生的数据包转换成北斗协议封装数据包,然后经北斗通信送至风场中心,最后在风机中心将北斗协议数据包解析成TCP/UDP数据包。数据包格式如下图:
3.2 实时数据与长报文传输问题解决方案
5MW风机会有300至400信号点,风电场控制中心每一秒需要获取每一台风机不超过1000字节的数据。通过上述对北斗短报文通信及其性能分析可以得出,有足够通信等级的一台北斗终端每秒至少可以传输100字节信息。从另一个角度思考则十台北斗终端每秒就可以传输1000字节的数据。原理如图2。
3.3 发送端和接收端通信方案
北斗卫星系统导航的通讯链接方式最大限度的利用和借鉴了传统计算机网络的TCP/UDP协议规约。基于北斗长报文通信的设计思路是在发送端进行拆包,接收端进行组包。为了实现可靠长报文传输,解决数据丢包问题,现设计发送端与接收端流程如下:
3.3.1 发送端运行流程
3.3.2 接收端运行流程
3.4 基于北斗报文通信的海上风电场SCADA系统通信模块详细设计
风机和控制中心分别拥有两个角色,收发都要具备。通过分析现使用的SCADA系统数据通信框架,主要分为实时数据传输、报表数据传输、备份数据传输三个方面。现阶段大多公司采取专线的方式进行通信,在占用电网带宽的同时,大大增加了通信成本。为了保证信息安全隔离外网,导致运维十分麻烦。受到北斗报文通信的启发,为了解决上述问题,现设计基于北斗报文通信的海上风电场SCADA系统数据通信架构,如图5所示:
本方案直接切断数据采集与历史通道服务、实时数据服务的连接。通过增加串行化数据存储模块,将报表数据合并到历史数据通路里面;对通信链路合并带来的通信压力,使用MWAN实施通信层面的负载均衡。同时利用指挥机充当备用通信的角色,对通信架构实现了双保险。
4 方案的初步应用与验证
为了验证本方案实际可行性,使用北斗开放实验室长沙分实验室平台进行系统架构搭建,进行了模拟海上风力发电场风机数据传输与通信验证试验。本次试验搭建一个风场,甲、乙、丙三個北斗指挥机控制区域,共4台风机,风机RTU开始采集之后通信架构就开始进行数据传输与通信,为了测试系统效果,对传输日志进行抽样检验,记录如表1:
通过测试得出本设计方案风机数据传输第一次成功率为92.25%,经过丢包处理机制的重发与指挥机转发最终测试结果为100%。本方案传输成功率达到风场数据通信要求,相对于传统通信来说成本更低,在保证信息安全的前提下维护更方便,因而本方案具有实际工程应用价值。
5 结论
通过研究与实践,本文提出了一个基于北斗报文通信的海上风电场SCADA系统通信模块设计方案。本方案满足了现有海上风力发电场的数据传输、监控、维修的通信要求,同时发挥了北斗报文通信独特的安全优势。伴随着北斗技术的不断提升,无论是带宽还是传输时延技术的发展,都极大地增加了本设计方案的可行性。虽然海上风力发电的通信发展道路还有很长的路要走,但是北斗在风电行业的进一步深入应用定会加速海上风电的全面发展。
参考文献:
[1] 李晓宇, 王伟. 基于SWOT分析我国海上风力发电的发展现状[J]. 华北电力大学学报: 社会科学版, 2018(5): 42-49.
[2] 卫星导航:中国北斗VS GPS序幕正式拉开[J]. 电子元器件与信息技术, 2017, 1(5): 44.
[3] 曾亚, 周琦, 吴琼. 基于北斗短报文通信的应用软件管理与发布系统研究[J]. 数字技术与应用, 2018, 36(2): 97-100, 103.
[4] 高小娟. 基于北斗卫星的可靠远程通信系统设计[D]. 天津: 天津大学, 2016.
[5] 承轶青, 孙凌卿, 傅启明. 北斗短报文通信技术在电力系统的应用[J]. 电子世界, 2018(19): 170, 172.
[6] 谷军霞, 王春芳, 宋之光. 北斗短报文通信信道性能测试与统计分析[J]. 气象科技, 2015, 43(3): 458-463.
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