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1、(10)申请公布号 CN 102999025 A (43)申请公布日 2013.03.27 C N 1 0 2 9 9 9 0 2 5 A *CN102999025A* (21)申请号 201210444576.8 (22)申请日 2012.11.08 G05B 19/418(2006.01) G01R 31/34(2006.01) (71)申请人中国电力科学研究院 地址 100192 北京市海淀区清河小营东路 15号 申请人国家电网公司 (72)发明人朱凌志 张磊 马晓晶 陈宁 赵大伟 王湘艳 赵亮 (74)专利代理机构北京安博达知识产权代理有 限公司 11271 代理人徐国文 (54) 发。
2、明名称 风电监控与故障诊断系统 (57) 摘要 本发明提供一种风电监控与故障诊断系统， 包括：站控层计算机监控网络、间隔层数据通信 网络、电网EMS系统、数据采集系统、变电站测控 保护系统、远程工作站和机组(1.n)；所述站控 层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络 分别与所述电网EMS系统、所述数据采集系统、所 述变电站测控保护系统进行数据交互；所述站控 层计算机监控网络控制所述远程工作站；所述数 据采集系统分别各个采集机组(1.n)的数据； 所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据 通信网络接收风电场气象信息。本发明提供的风 电监控与故障诊断系统，能够同时实现风电电气 量的监控及风电。
3、机组状态监测与故障诊断的功 能，使其在对风电监控的同时，也能对风电机组的 故障状态进行预知和报警。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 1/1页 2 1.一种风电监控与故障诊断系统，其特征在于，所述系统包括：站控层计算机监控网 络、间隔层数据通信网络、电网EMS系统、数据采集系统、变电站测控保护系统、远程工作站 和机组(1.n)；所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络分别与所述电 网EMS系统、所述数据采集系统、所述变电站测控保护系统进行数据交互；。
4、所述站控层计算 机监控网络控制所述远程工作站；所述数据采集系统分别各个采集机组(1.n)的数据； 所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络接收风电场气象信息。 2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述站控层计算机监控网络，包括：依次 连接的操作员工作站1，2、服务主机、服务备机、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风 电预报工作站、状态监测与故障诊断工作站、人工分析终端、Web服务器和网络打印机。 3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述间隔层数据通信网络，包括：依次连 接的多个通信控制单元。 4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通信控制单元采用型号为NSC3。
5、00的 装置。 5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电网EMS系统，通过路由器与所述间 隔层数据通信网络进行连接。 6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集系统，包括：塔架叶轮信息 采集器和分别与其连接的振动传感器、轴压电传感器和位移传感器。 7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述振动传感器采用型号为PCB356A15或 者PCB352C33的振动传感器。 8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述塔架叶轮信息采集器设置数据处理 板卡，所述数据处理板卡用于风电机组数据和风电场数据的提取和存储。 9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述风电机组数据，包括。
6、：电压、电流、有 功功率、无功功率、发电量、发电机转速、偏航角、传动链主轴轴心的运动轨迹、传动链各机 械部件的振动和冲击信息、以及塔架和叶片的振动信息；所述风电场数据，包括：风速、有 功功率、无功功率和气象信息。 10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变电站测控保护系统，包括：分别向 所述站控层计算机监控网络传输数据的测控装置和第三方智能设备。 11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第三方智能设备，是接口设备。 12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述远程工作站，通过网关和防火墙接 受所述站控层计算机监控网络的控制。 13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所。
7、述各个机组(1.n)，包括：分别向所 述数据采集系统传输数据的风电机组和风机主控系统。 权 利 要 求 书CN 102999025 A 1/5页 3 风电监控与故障诊断系统 技术领域 0001 本发明属于新能源发电技术中风电场的监测及风电机组状态监测与故障诊断领 域，具体涉及一种风电监控与故障诊断系统。 背景技术 0002 风力发电与火电、核电相比，单机容量小，占地面积广，且大多位于偏远地区，技术 与运行条件都比较差，因此为了使各个风电机组都能够完全运行，以及对风电方面相关的 信息进行有效的规范化管理，提高风电场的效率，一套性能完善的监控与管理系统对于风 电场的运行是至关重要的。 0003 风。
8、电机组一般装有数据采集与监控(SCADA)系统，该系统可以对风电机组的运行 实现基本的监测，具有报警及报告等功能，可以生成风电场事件报告，为提高风电场运行的 稳定性和可靠性提供了强有力的支撑。SCADA系统有时会受到条件的限制，系统数据处理速 度慢，自动化程度较低，且监测的参数仅限于电气量，如电流、电压、有功和无功等，实现的 功能主要集中在电气方面。 0004 对于设计寿命为2025年的风电机组，大约在57年会迎来第一个维修或维 护的高峰期。在风电起步较晚的国家或者地区，大多风电场就即将进入这一时期。为了降 低风电运行和维护成本，一种新的维修方式越来越受到人们的重视，即状态监测与故障诊 断。状。
9、态监测与故障诊断系统采集的信号为风电机组传动链、塔架、叶片等的振动与冲击信 息，目前可以在线实现故障定位、预知和报警等，故障原因和发展趋势等精密的故障诊断受 条件限制，尚需在实验室完成。风电机组状态监测和故障诊断技术的应用，不仅可以变故障 停机为计划停机，减少停机或避免事故扩大化，使企业对设备的维修管理从事故性维修、计 划性维修逐步过渡到以状态监测为基础的预防性维修，保障风电机组安全可靠地运行，提 高企业设备管理现代化水平，而且在故障诊断的同时还能及时发现机械结构设计的缺陷及 零部件选型上的不合理，为设备的优化设计提供切实可靠的依据。目前，已有少量风电机组 装设了风电机组状态监测与故障诊断设备。
10、。 发明内容 0005 为克服上述缺陷，本发明提供了一种风电监控与故障诊断系统，能够同时实现风 电电气量的监控及风电机组状态监测与故障诊断的功能，使其在对风电监控的同时，也能 对风电机组的故障状态进行预知和报警，并在机组运行出现异常时，可对故障原因、发展趋 势等进行精密的诊断。 0006 为实现上述目的，本发明提供一种风电监控与故障诊断系统，其改进之处在于，所 述系统包括：站控层计算机监控网络、间隔层数据通信网络、电网EMS系统、数据采集系统、 变电站测控保护系统、远程工作站和机组(1.n)；所述站控层计算机监控网络通过所述 间隔层数据通信网络分别与所述电网EMS系统、所述数据采集系统、所述变。
11、电站测控保护 系统进行数据交互；所述站控层计算机监控网络控制所述远程工作站；所述数据采集系统 说 明 书CN 102999025 A 2/5页 4 分别各个采集机组(1.n)的数据；所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信 网络接收风电场气象信息。 0007 本发明提供的优选技术方案中，所述站控层计算机监控网络，包括：依次连接的操 作员工作站1，2、服务主机、服务备机、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风电预报工 作站、状态监测与故障诊断工作站、人工分析终端、Web服务器和网络打印机。 0008 本发明提供的第二优选技术方案中，所述间隔层数据通信网络，包括：依次连接的 多个通信控制单。
12、元。 0009 本发明提供的第三优选技术方案中，所述通信控制单元采用型号为NSC300的装 置。 0010 本发明提供的第四优选技术方案中，所述电网EMS系统，通过路由器与所述间隔 层数据通信网络进行连接。 0011 本发明提供的第五优选技术方案中，所述数据采集系统，包括：塔架叶轮信息采集 器和分别与其连接的振动传感器、轴压电传感器和位移传感器。 0012 本发明提供的第六优选技术方案中，所述振动传感器采用型号为PCB356A15或者 PCB352C33的振动传感器。 0013 本发明提供的第七优选技术方案中，所述塔架叶轮信息采集器设置数据处理板 卡，所述数据处理板卡用于风电机组数据和风电场数。
13、据的提取和存储。 0014 本发明提供的第八优选技术方案中，所述风电机组数据，包括：电压、电流、有功功 率、无功功率、发电量、发电机转速、偏航角、传动链主轴轴心的运动轨迹、传动链各机械部 件的振动和冲击信息、以及塔架和叶片的振动信息；所述风电场数据，包括：风速、有功功 率、无功功率和气象信息。 0015 本发明提供的第九优选技术方案中，所述变电站测控保护系统，包括：分别向所述 站控层计算机监控网络传输数据的测控装置和第三方智能设备。 0016 本发明提供的第十优选技术方案中，所述第三方智能设备，是接口设备。 0017 本发明提供的较优选技术方案中，所述远程工作站，通过网关和防火墙接受所述 站控。
14、层计算机监控网络的控制。 0018 本发明提供的第二较优选技术方案中，所述各个机组(1.n)，包括：分别向所述 数据采集系统传输数据的风电机组和风机主控系统。 0019 与现有技术比，本发明提供的一种风电监控与故障诊断系统，可实现风电SCADA 及风电机组状态监测与故障诊断两个系统的功能，但相比风电SCADA系统，在硬件上只多 出了机载数据采集与分析系统、状态监测与故障诊断工作站和人工分析终端，较分别采用 上述两个系统节约成本；解决了在一台风电机上若想实现对电气量和机械量的监控，并且 在机组运行状态出现异常时能够及时准确地进行故障定位和对故障进行精密的诊断，需要 采用常规风电SCADA系统及风。
15、电机组状态监测与故障诊断系统，而这两套系统相互独立， 彼此之间没有联系，诸如发电机转速和偏航角信号等都需要重复采集，风电机组至风场监 控中心的数据通信需要分别建立和调试的问题；本系统无需重复采集发电机转速、偏航角 信号电气与机械技术参数共用风电机组至风电场监控中心的通信通道；将机械和电气技术 参数通过专业的软件分析后形成相关联的数组，并利用其完成对风电机组运行状况的综合 评判，提高了判断的准确性和可靠性；还有，本系统采用了独立的数据采集系统，不需要考 说 明 书CN 102999025 A 3/5页 5 虑所监控的机组型号，只需选定合适的智能采集模块、传感器和相应的数据采集装置，即可 实现对不。
16、同型号机组的监控；再者，可根据风电场的规模和用户的需求，方便地完成系统的 裁剪和各功能模块的选择。 附图说明 0020 图1为风电监控与故障诊断系统的完整结构框图。 0021 图2为风电监控与故障诊断系统的完整硬件拓扑图。 0022 图3为站控层计算机监控网络典型配置。 0023 图4为间隔层数据通信网络典型配置。 0024 图5为包含箱式变压器测控信息的环网硬件拓扑示意图。 0025 图6为实施例中风电监控与故障系统硬件拓扑图。 0026 图7为与电网EMS系统通信升级拓扑示意图。 具体实施方式 0027 如图1所示，风电监控与故障诊断系统，包括：站控层计算机监控网络、间隔层 数据通信网络、。
17、电网EMS系统、数据采集系统、变电站测控保护系统、远程工作站和机组 (1.n)；所述站控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络分别与所述电网EMS 系统、所述数据采集系统、所述变电站测控保护系统进行数据交互；所述站控层计算机监控 网络控制所述远程工作站；所述数据采集系统分别各个采集机组(1.n)的数据；所述站 控层计算机监控网络通过所述间隔层数据通信网络接收风电场气象信息。 0028 所述站控层计算机监控网络，包括：依次连接的操作员工作站1，2、服务主机、服 务备机、五防工作站、保护师工作站、管理工作站、风电预报工作站、状态监测与故障诊断工 作站、人工分析终端、Web服务器和网络打印机。 。
18、0029 所述间隔层数据通信网络，包括：依次连接的多个通信控制单元。 0030 所述通信控制单元采用型号为NSC300的装置。 0031 所述电网EMS系统，通过路由器与所述间隔层数据通信网络进行连接。 0032 所述数据采集系统，包括：塔架叶轮信息采集器和分别与其连接的振动传感器、轴 压电传感器和位移传感器，所述振动传感器采用型号为PCB356A15或者PCB352C33的振动 传感器。 0033 所述塔架叶轮信息采集器设置数据处理板卡，所述数据处理板卡用于风电机组数 据和风电场数据的提取和存储。 0034 所述风电机组数据，包括：电压、电流、有功功率、无功功率、发电量、发电机转速、 偏航角。
19、、传动链主轴轴心的运动轨迹、传动链各机械部件的振动和冲击信息、以及塔架和叶 片的振动信息；所述风电场数据，包括：风速、有功功率、无功功率和气象信息。 0035 所述变电站测控保护系统，包括：分别向所述站控层计算机监控网络传输数据的 测控装置和第三方智能设备。所述第三方智能设备，是接口设备。 0036 所述远程工作站，通过网关和防火墙接受所述站控层计算机监控网络的控制。 0037 所述各个机组(1.n)，包括：分别向所述数据采集系统传输数据的风电机组和 风机主控系统。 说 明 书CN 102999025 A 4/5页 6 0038 面结合附图对风电监控与故障诊断系统做进一步详细说明。 0039 。
20、如图1和图2所示，本发明主要包括数据采集系统、变电站测控保护系统、间隔层 数据通信网络、站控层计算机监控网络、远程工作站和GPS系统，间隔层数据通信网络可根 据需求通过交换机和电力专线与电网调度(EMS)系统相联，进行数据通信。所述数据采集 系统位于风电机组和风电场的现场环境中，负责风电场和风电机组技术参数的采集，并将 采集的数据传送到单机数据处理和传输单元；所述单机数据处理和传输单元，完成对采集 数据的处理后再上传至间隔层数据通信网络；所述变电站测控保护系统负责变电站的自动 化系统的远动功能，将采集的模拟量、数字量、状态量和保护信息经过处理后上传至间隔层 数据通信网络；所述间隔层数据通信网络。
21、通过交换机与站控层计算机监控网络连接，并根 据需求设置电力专线与电网调度(EMS)系统相联，进行数据通信；所述站控层计算机监控 网络从间隔层数据通信网络接收数据，根据风电场和风电机组实际运行的需要，进行人机 操作处理，并向单机数据处理和传输单元和变电站测控保护系统下达控制命令。 0040 图2为本发明的完整硬件拓扑图，具备了本发明的系统结构的全部元素，且间隔 层数据通信网络与站控层计算机监控网络的部分工作站均采用了备用单元。实际应用中， 可根据风电场的大小和功能需求，对本发明的系统进行精简和剪裁，图3和图4分别给出了 本发明中站控层计算机监控网络和间隔层数据通信网络的典型配置，其中图4中的变电。
22、站 测控保护系统采用标准配置。 0041 为更加详细地对本发明进行说明，并体现本发明易裁剪的特点，下面列举一具体 实例。应当指出：本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限 于下述的实例。 0042 本发明应用于50MW风电场，该风电场共有33台单机容量为1.5MW的双馈异步型 的变速风机，总容量50MW。风机出口由一台变压器0.69/35kV升压，通过4条35kV馈电电 缆接入35/110kV的无人值守变电站并入电网；此外，风电场还具备一座测风塔。 0043 风电场和主机厂商对本发明的系统要求有：具备监控多个厂商的多种型号的风电 机组的功能；具备监测测风塔信息的功能；具。
23、备变电站监控功能，可实时查看变电站各种 设备状态并进行遥控、遥调，包括每台风电机组的箱式变压器；具备风电机组状态监测与故 障诊断功能，在机组传动链运行出现异常时给予报警提示；具备远程Web浏览功能，但远程 Web浏览只能查看风机运行状态而不能控制风机的运行状态；暂不需具备和电网EMS系统 接口功能，但要具备可升级能力；当风电机组运行出现异常，需要具备远程报警功能，可将 报警信息以电子邮件、传真和电话等方式发送至主机厂商。 0044 根据所述条件要求，对本发明的系统配置和实施方案如下： 0045 1.组网：综合考虑网络的可靠性和经济性，将所有风电机组、箱式变压器和测风 塔构成2个环网，统一接入间。
24、隔层数据通信网络；由于需要监控箱式变压器信息，因此在每 台风电机组侧要安装交换机，使单机数据处理和传输单元同变压器测控装置的信息融合起 来，这种情况下环网结构示意图如图5所示。 0046 2.系统结构。推荐的本发明的系统结构如图6所示。间隔层数据通讯网络主要包 括三个通讯控制单元，其中两个负责风电场数据(包括风机和测风塔)的接收和规约转换， 一个负责变电站数据的接受和规约转换；站控层计算机监控网络包含两台互为热备用数据 服务器、一台状态监测与故障诊断工作站、一台Web服务器、两台操作员工作站和一台网络 说 明 书CN 102999025 A 5/5页 7 打印机；为保证系统的可靠性，数据服务器。
25、均为双网卡配置。Web服务器通过网关/路由器 与Internet相连，主要为远程工作站提供浏览功能；两台操作员工作站中，一台负责对风 场的综合监控，包括电气量和机械量监控，一台负责对变电站的综合监控，两台工作站的功 能可以任意组合和切换；系统的报表和图形输出功能由网络打印机负责。站控层计算机监 控网络为10/100M以太网，由一台24口的交换机负责网络数据的交换；远程Web浏览功能 通过在站控层计算机监控网络与远程工作站之间添加网关设备实现，所述网关设备具备路 由器/防火墙/VPN服务器功能，通过配置网络地址转换(NAT)功能为远程计算机提供Web 浏览服务，且Web浏览的用户不具备控制功能，。
26、此外，网关设备还提供VPN拨号接入服务，远 程用户可以通过电话线路由Modem拨号方式接入到站控层计算机监控网络，这种拨号方式 虽然速度较慢，但具有很高的安全性。 0047 3.与电网EMS系统通讯升级方案。若系统需要和电网EMS系统进行通讯，实现自 动发电量监控和汇报等功能，可对系统进行如下改造：与电网EMS系统通讯的功能由间隔 层数据通信网络中的通讯控制单元实现；由于本系统包含多台通讯控制单元，因此需要将 各台通讯控制单元相连，然后通过交换机和电力专线与电网EMS相连，实现数据通信，如图 7所示；通讯协议一般采用104协议。 0048 4.远程报警方案。为保证系统的安全性，一般处于站控层计。
27、算机监控网络的数据 服务器、操作员工作站都不具备联网功能，为实现以电子邮件的方式发送报警信息的功能， 可在具备联网功能的Web服务器上架设SMTP服务器或者代理服务器，操作员工作站通过 SMTP服务器或代理服务器向特定的电子邮件账户发送包含报警信息的邮件；为实现电话 和传真报警的功能，可在操作员工作站上安装Modem，与电话线连接，并在系统软件平台中 设置报警事件发生时自动发送传真以及自动拨号并发出语音报警。 0049 需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实 际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启 发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。 说 明 书CN 102999025 A 1/4页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102999025 A 2/4页 9 图3 说 明 书 附 图CN 102999025 A 3/4页 10 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102999025 A 10 4/4页 11 图6 图7 说 明 书 附 图CN 102999025 A 11 。