风力涡轮机系统的控制.pdf

风力涡轮发电机风电场系统收集用于风电场控制的数据。组合主从监视控制和数据采集(SCADA)体系结构与风电场内数据产生设备本地的分布式数据一起提供实时监测和控制以及辅助数据处理和/或远程用户访问的功能。该体系结构便于本地和远程地近似实时监测和控制风电场中的设备，同时还便于可靠地存档各个风力涡轮机的操作数据以及总计的风电场数据。

1.  一种用于管理具有多个风力涡轮机的风电场的系统，包括：
在每个风力涡轮机处的监视控制和数据采集(SCADA)元件(234，244)，用于从相应的风力涡轮机(230，240)收集数据；
在一个或多个气象站点(210)的每个气象站点处的SCADA元件(214)，用于收集气象数据；
在与多个风力涡轮机(230，240)电连接的一个或多个变电站(220)的每个变电站处的SCADA元件(226)；以及
服务器(252)，其被耦合以与风力涡轮机、气象和变电站的SCADA元件(226，234，244，214)进行通信，以便以预定的间隔接收和存储从所述元件接收到的数据，以及对接收到的数据执行数据库管理，该服务器进一步用来收集和保存有关所述输入、操作条件和多个风力涡轮机的输出的当前以及历史数据。

2.  权利要求1所述的系统，其中所述收集的数据包括：根据第一预定间隔从每个风力涡轮机收集的风速和能量生产；根据第二预定间隔从每个气象站点收集的气象数据；以及每个变电站的包括功率生产的变电站数据。

3.  权利要求1所述的系统，其中所述收集的数据包括根据第一时间间隔收集的功率、无功功率、风速、能量部分和、以及总的能量数据。

4.  权利要求3所述的系统，其中所述收集的数据进一步包括发电机转速、发电机温度、齿轮箱温度、环境温度、风速、风向、有功功率、无功功率、功率因数、每个相位的相位电压和相位电流、能量生产、以及工作时间。

5.  权利要求2所述的系统，其中所述收集的数据包括从每个风力涡轮机收集的控制器状态、垂直和水平风速、风向、温度、以及气压、变电站输出的总的有功能量、变电站输出的总的无功能量、输入到变电站的总的有功能量、以及输入到变电站的总的无功能量。

6.  权利要求1所述的系统，其中为了报告和管理的目的而将风电场组织成场，并且所述收集的数据包括由每个场产生的能量。

7.  权利要求6所述的系统，其中每个场的数据包括该场中一个或多个涡轮机的操作状态、场中产生的总的有功功率、场中产生的总的无功功率、和/或场的功率因数。

8.  权利要求1所述的系统，进一步包括风电场的配置数据库(256)，用于存储描述在系统初始化期间所使用的系统元件的当前配置的信息，该信息包括描述包含风电场中的风力涡轮机SCADA元件的风电场的当前配置的信息。

9.  权利要求8所述的系统，所述配置信息进一步包括描述风电场中每个风力涡轮机的信息，该信息包含用于每个这种涡轮机的描述如何将来自涡轮机的源数据映射到系统数据库的字段的数据源信息。

10.  权利要求1所述的系统，进一步包括处理逻辑(252)，用于对风电场中每个风力涡轮机处理风力涡轮机数据以报告在时间窗口上的平均功率生产、在时间窗口上的期望功率生产、和/或在时间窗口上的生产效率。

风力涡轮机系统的控制
技术领域
本发明涉及多个风力涡轮发电机的控制。更具体而言，本发明涉及具有多个风力涡轮发电机的风电场(wind farm)的控制和数据采集。
背景技术
历史上，风力涡轮机对于用来向电网供电的总的动力产生的贡献非常小。当电力网操作者考虑网的安全性时，低的设备额定值(＜100kW)以及风力源的不确定的可用性使得风力涡轮发电机的影响是可忽略的。然而，现在可用的是具有1.5MW或更多的额定值的风力涡轮发电机。此外，许多发电开发者正在安装具有一百个或更多个风力涡轮发电机的风电场。从具有1.5MW风力涡轮发电机的风电场中可用的功率“块”可与现代燃气涡轮发电机相比。因此，对于电力网而言，风力涡轮发电机日益成为可行的动力源。
风电场中有效动力产生的一个要求是数据收集。当前数据收集系统通常基于在每个风力涡轮机、气象桅杆(mast)或变电站处持续运行的具有有限的智能处理和存储数据的能力的单个中心数据收集体系结构。如果风电场网络基础设施出现故障，那么该类型的体系结构容易受到中心数据收集系统不能对由风电场中设备所产生的数据进行存储和存档的影响。例如，在监视控制(command)和数据采集(SCADA)主设备与风力涡轮机之间连通性的丧失能够导致操作数据的丢失以及风力涡轮机的错误记录。
发明内容
描述了一种用于管理风电场的监视控制和数据采集(SCADA)系统。SCADA系统包括在风电场的风力涡轮机中的多个涡轮机通信服务器(TCS)。TCS收集来自涡轮机的数据，本地存储第一数据子集，并且根据非实时的间隔来传送第一数据子集。TCS也在风电场网络上传送第二数据子集以提供近似实时的数据，并且存储第二数据子集直到将其成功传送。SCADA系统还包括服务器，该服务器被耦合来与多个TCS通信以提供信号来控制风力涡轮机，该服务器进一步用来存储从多个TCS接收到的数据，并且对接收到的数据执行数据库管理。
附图说明
通过实例而非通过限制来在附图的图中说明本发明，其中类似的参考数字指的是相似的元件。
图1是风力涡轮发电机的电力系统的一个实施例的框图。
图2是风电场的一个实施例的框图。
图3是由风电场中风力涡轮机进行的数据采集和处理的一个实施例的流程图。
图4是由与风电场中多个风力涡轮机、变电站和/或气象站点相耦合的服务器所进行的数据采集和处理的一个实施例的流程图。
具体实施方式
在此描述的技术允许风力涡轮发电机风电场系统收集数据以用于例如发电机控制。在一个实施例中，组合主从监视控制和数据采集(SCADA)体系结构与风电场内数据产生设备本地的分布式数据库一起提供实时监测和控制以及用户可视化、历史数据存档和报告、配置管理、辅助数据处理、故障记录、报警和/或远程用户访问的功能。在一个实施例中，该体系结构本地和远程地提供风电场设备的近似实时监测和控制，同时也便于对各个风力涡轮机的操作数据以及总计的风电场数据进行存档。
在一个实施例中，所述体系结构使用在风力涡轮机、风电场气象桅杆和/或风电场变电站内的客户设备来提供在设备与风电场局域网(LAN)或远程主机之间的通信接口(实时和文件传送)。该体系结构还提供实时数据记录和处理、数据历史、经由服务器对数据的访问以及数据库存储和管理功能。该系统在每个智能设备和主机主站中能够使用例如实时、事件驱动的数据库管理系统。
对于附加的风电场应用例如缩减(curtailment)、功率应用例如功率因数控制、条件监测系统以及操作预测系统而言，所述系统设计也能够支持集成和单个用户配置接口。在一个实施例中，被集成到所述系统中的是电力公用(utility)网关，其通过使用本地协议来向电力公用SCADA主站提供连通性选项。该网关也能够包括允许多个数据库分区和多个独立主站性能的数据库。对于复杂的数据管理和通信系统管理而言，主从体系结构也可以允许配置中心单个点。
先前的风电场控制体系结构基于在每个风力涡轮机、气象桅杆或变电站处持续运行的具有有限智能处理和存储数据的能力的单个中心数据收集体系结构。如果风电场网络基础设施出现故障，那么该类型地体系结构容易受到中心数据收集系统不能对由风电场中设备所产生的数据进行存储和存档的影响。例如，在风电场中使用的并且在每个风力涡轮机内没有分布式SQL数据库的标准的主从体系结构、在SCADA主机和风力涡轮机之间的连通性的丧失、风电场LAN(局域网)都能够导致操作数据的丢失和风力涡轮机的错误记录。
基于单个中心监测、控制和中心数据收集体系结构(即单个SCADA主机)，先前的系统不能够支持附加的独立SCADA主机(即风电场的各种部件中的SCADA设备，例如风力涡轮机、变电站和/或气象站点)和风电场内的辅助数据库，这些体系结构也不能够独立于SCADA主机来支持远程监测、控制和数据收集。
图1是风力涡轮发电机的电力系统的一个实施例的框图。图1的实例提供了特定的电压，该电压对于在美国使用的1.5MW级的风力涡轮发电机而言是典型的。对于50Hz风力涡轮发电机而言，能够使用其它类似电压。通常，对于较高的功率额定值使用较高的电压，以及对于较低的功率额定值使用较低的电压。然而，总的体系结构可应用于许多具有相同和/或不同电压的不同类型和大小的风力涡轮机。
发电机110向电力网以及风力涡轮机电力系统100的其它部件提供AC功率。在一个实施例中，发电机110提供575V(其是发电机的额定电压)；然而，也能够提供任何电压。由发电机110产生的功率被提供给风电场变电站或者用于收集由多个风力涡轮机所产生的功率的其它设备。发电机110也向功率变换器115和低电压配电板(LVDP)120提供功率，所述功率变换器115如以上关于图2所述的那样来操作。
在一个实施例中，LVDP 120包括用于将从发电机110接收到的575V电源变换为120V、230V和400V电源以供整个风力涡轮机(分别为120V系统150、230V系统160以及400V系统170)使用的变压器。能够按照期望提供其它和/或附加的电源电平。连接到LVDP 120的风力涡轮发电机系统例如包括间距(pitch)系统控制器和电动机、偏转系统控制器和电动机、各种润滑和冷却系统、电力插座以及光源、热源和其它设备。
在一个实施例中，LVDP 120经由不间断电源(UPS)向涡轮机控制器140提供功率。在LVDP 120不能够向涡轮机控制器140提供必要的功率的情况下，UPS 130向涡轮机控制器140提供功率。UPS 130可以是任何类型的不间断电源，例如电池系统、光生伏打系统或现有技术中已知的任何其它功率存储系统。在一个实施例中，UPS 130不具有足够的容量来激励由LVDP 120供给的所有电力负载。
耦合涡轮机通信服务器(TCS)180以接收来自于UPS 130的功率。TCS 180也与风电场网络190相耦合以将数据提供给远程设备，例如与风电场中多个TCS相互作用的服务器设备。TCS 180与涡轮机控制器140以及其它部件(为简单起见未在图1中说明耦合)相耦合以提供控制和数据采集操作。
TCS 180进一步被耦合到存储有从风力涡轮机100的部件采集到的数据的数据库185。在一个实施例中，TCS 180通过使用实时中断驱动数据库管理器来获得在风力涡轮机100内风力涡轮机控制器和其它设备的实时和历史数据。TCS 180也执行辅助数据处理、报警、配置管理和数据压缩，以及在数据库185的实时和历史数据库中存储或存档数据。
TCS 180也通过使用风电场网络190上的实时SCADA协议来将实时数据供应给单个或多个SCADA主机。TCS 180通过使用ODBC协议进一步将历史数据供应给中心数据库，并且经由嵌入式浏览器来提供用户和配置接口。TCS 180能够是与涡轮机控制器140相连接和通信的独立硬件设备(例如计算机系统或其它电子设备)，或者TCS 180的功能可以在涡轮机控制器140中实施。
图2是风电场的一个实施例的框图。风电场可以包括任何数量的风力涡轮机、气象站点等等。该风电场的部件通过风电场网络200相互连接，所述风电场网络200可以是使用任何网络协议(例如现有技术中已知的协议)的现有技术中已知的任何类型的网络(例如局域网、广域网、有线连接和/或无线连接)。
气象站点210通常包括一个或多个传感器212、气象控制和采集单元(MCAU)214和数据库216。在一个实施例中，气象站点210包括具有多个传感器212的塔(tower)，以收集在风电场的风力涡轮发电机控制中所使用的气象数据。在一个实施例中，该塔包括传感器以监测在地面上方至少四个水平面的水平风速和方向、垂直风速、温度、以及大气压。在可选的实施例中，可以使用其它传感器和/或塔配置。
在一个实施例中，MCAU 214与传感器212和数据库216相耦合并且运行为SCADA从设备。如以下更为详细地描述的那样，MCAU 214与SCADA主设备相通信来为风电场提供控制和数据采集系统。在一个实施例中，MCAU 214运行为实时、事件驱动的数据记录和处理设备，其使得所采集的数据存储在数据库216中。为了历史数据存档、报告和/或其它目的，可以长期保存在数据库216中存储的数据。
在一个实施例中，MCAU 214包括数据库管理器，其除了执行实时、事件驱动的数据记录之外还执行辅助数据处理。所述辅助处理能够包括例如报警、配置管理和/或数据压缩。在一个实施例中，数据库216是结构化查询语言(SQL)数据库；然而，可以使用任何数据库语言和/或协议。SQL数据库的使用是现有技术中已知的。
将在数据库216中存储的数据周期性地发送到风电场网络220上具有相关数据库的服务器。在一个实施例中，各种数据库经由ODBC应用程序接口(API)进行交互；然而，也能够使用其它接口。可以使用来自于Microsoft Corporation of Redmond，Washington的各种版本的ODBC管理器。
变电站站点220通常包括仪表(meter)和继电器222、变电站控制和采集单元(SCAU)226、数据库228以及公用网关224。公用网关224向外部网络(公用网络280)提供接口，例如通过公用事业公司或其它用来控制公用网以与风电场部件进行通信的实体能够使用所述外部网络。可替换地，能够将公用网关224定位在与变电站站点220不同的站点。
仪表和继电器222可以是变电站使用的现有技术中已知的仪表和继电器的任何组合。仪表和继电器22在风电场的发电机和公用网280之间提供接口以及提供涉及功率输送的监测功能。
在一个实施例中，SCAU 224包括执行实时、事件驱动的数据记录报警、配置管理、数据压缩和/或其它数据管理功能的数据库管理器。在一个实施例中，数据库228是SQL数据库；然而，可以使用任何数据库语言和/或协议。将在数据库228中存储的数据周期性地发送到风电场网络220上具有相关数据库的服务器。在一个实施例中，各种数据库经由ODBC API进行交互；然而，也能够使用其它接口。
由于简单解释的原因，利用两个风力涡轮机(230，240)来说明图2的风电场。风电场可以包括在设计和/或功率输送方面能够类似或不同的任何数量的风力涡轮机。
风力涡轮机230和240通常包括涡轮机控制和采集单元(TCS)234和244、数据库236和246、发电机232和242、以及涡轮机控制器238和248。发电机232和242分别被连接到风力涡轮机230和240的轴并且由风力驱动。能够使用适合于风力涡轮机的现有技术中已知的任何发电机。涡轮机控制器238和248分别被耦合到发电机232和242，并且使用现有技术中已知的任何控制技术来控制发电机。
在一个实施例中，TCS 234和244包括执行实时、事件驱动的数据记录报警、配置管理、数据压缩和/或其它数据管理功能的数据库管理器应用程序。在一个实施例中，数据库236和246是SQL数据库；然而，能够使用任何数据库语言和/或协议。将在数据库236和246存储的数据周期性地发送到风电场网络200上具有相关数据库的服务器。在一个实施例中，各种数据库经由ODBC API进行交互；然而，也能够使用其它接口。
服务器站点250包括与风电场网络200相耦合的SCADA主设备252。SCADA主设备252使用实时采集引擎从MCAU 214、SCAU 226、TCS 234和TCS 224采集实时数据，并且提供操作者接口、报警、控制接口等。SCADA主设备252还使用例如ODBC协议从MCAU 214、SCAU 226、TCS 234和TCS 224采集历史数据(分别存储在数据库216、228、236和246中)。
SCADA主设备252也被耦合到网络数据库256，该网络数据库256提供由SCADA主设备252所采集的数据的存储。网络接口254与SCADA主设备252相耦合以向外部网络260提供接口。外部网络260可以是风电场外部的任何网络，例如因特网或企业内部网。远程设备270与外部网络260相耦合并且被配置为与SCADA主设备252进行通信。
在一个实施例中，在每个风力涡轮机、气象桅杆和/或变电站内的实时、事件驱动的数据库管理系统和SQL数据的使用提供了：从风电场内正在使用的控制器、继电器、仪表和其它智能电子设备中所采集到的数据不存在丢失。在一个实施例中，分布式数据库和辅助数据处理功能的使用在每个风力涡轮机、气象桅杆和/或风电场变电站内提供了数据压缩能力和数据库管理技术。
在一个实施例中，实时通信协议以及SCADA主机和风力涡轮机之间的非实时LAN协议的一起使用有助于提供独立地从风力涡轮机的历史数据中采集实时监测和控制数据、向系统操作者提供在操作者控制台上观察近似实时的风力涡轮机状态的能力，并且具有对从SCADA主机启动的风力涡轮机控制动作的提示确认。在一个实施例中，所述体系结构也有利于风电场内和/或风电场外的多个独立的主站。
虽然未在图2中说明，但是能够将风电场在逻辑上或物理上分成包括一个或多个风力涡轮机的多个“场(park)”。根据作为整体的场以及风电场或者各个风力涡轮机可以处理和/或提供所收集到的数据。
图3是风电场中风力涡轮机所进行的数据采集和处理的一个实施例的流程图。在310从传感器和/或风电场设备的部件中采集数据。所述风电场设备例如可以是具有发电机的风力涡轮机、变电站、或者具有带有各种传感器的桅杆的气象站点。
由本地SCADA主机所收集到的特定数据根据包含它的设备而变化。例如，在风力涡轮机中能够收集下面的数据：风力涡轮机控制器状态、风速、能量级、和/或报警等等。在另一实例中能够在气象站点中收集下面的数据：水平风速和/或方向和多个海拔、垂直风速、温度、和/或大气压等。
在320实时传送第一数据子集。使用风电场网络或其它通信介质来将所述数据传送到服务器或其它数据收集设备。在一个实施例中，使用现有技术中已知的SCADA协议来传送实时数据；然而，能够使用允许实时数据传送的任何协议。将所述数据保存在本地数据库直到成功传送到服务器。
在330将第二数据子集存储在本地数据库中。在一个实施例中，本地数据库是历史SQL数据库；然而，能够将任何数据库协议以及任何类型的信息存储在本地数据库中。在一个实施例中，在风电场设备(例如风力涡轮机、气象站点、变电站)处收集数据的设备相对于风电场设备运行为SCADA主设备。将相对于风电场SCADA主设备运行为从设备的本地SCADA主设备例如能够定位在风电场控制位置处。
在一个实施例中，本地数据库的每个具有将数据本地存储一个足以桥接服务器的预期不可用性的时间的能力，其中所述数据将被传送到该服务器。例如，从风电场设备所收集的数据能够被存储48个小时，同时服务器能够将数据在数据库中存储两个月。例如能够基于操作条件等来使用其它的时间周期。
在340，本地SCADA主机能够对在本地数据库中存储的数据执行数据处理。在350，本地数据库的数据经由风电场网络进行传送。所述数据被存储在本地数据库直到被传送到服务器。响应于服务器的请求或响应于预定条件，能够在预定时间周期的结尾传送所述数据。
在一个实施例中，以相对较高程度的时间分辨率(例如近似为实时、每一秒、每两秒、或以次秒(sub-second)的分辨率)和以相对较低程度的时间分辨率(例如几秒、几分钟)从本地SCADA主机传送数据。对于风力涡轮机而言，以相对较高程度的时间分辨率收集的数据能够包括例如有功功率生产(power production)、无功功率生产、风速、能量部分和、收集的总能量等。风力涡轮机数据可以进一步包括发电机转速、发电机温度、齿轮箱温度、环境温度、风向、功率因数、每个相位的相位电压和相位电流、工作时间等。
对于气象站点而言，以相对较高程度的时间分辨率所收集的数据可以是垂直和水平风速、风向、温度和气压。对于变电站而言，所收集的数据可以包括变电站输出的总的有功能量、变电站输出的总的无功能量、输入到变电站的总的有功能量、输入到变电站的总的无功能量等。还能够收集附加的和/或不同的数据。
图4是与风电场中多个风力涡轮机、变电站和/或气象站点相耦合的服务器所进行的数据采集和处理的一个实施例的流程图。在410从风电场设备接收数据。随着由风力涡轮机、变电站、气象站点等提供数据，连续地接收实时数据。如上所述，使用SCADA协议或任何其它合适的协议能够接收实时数据。而且如上所述周期性地收集数据。
在420对服务器所接收到的数据进行处理并且能够发出命令操作。所述数据的处理能够以现有技术中已知的任何方式来执行。能够使用由服务器或者与该服务器相耦合的其它设备所发出的命令，以控制各个风力涡轮机、风力涡轮机组、以及与风电场网络相耦合的其它设备。
在430，该服务器或者与该服务器相耦合的工作站提供经由命令和控制接口接收的数据。在一个实施例中，所述接口是图形用户接口(GUI)；然而，能够提供任何类型的用户接口。在440能够使用该接口以接收用户输入以及向用户提供数据。能够基于所述用户输入来产生发出到一个或多个风电场部件的命令。在450，所述命令被传送到风电场网络上的一个或多个目标设备。
所述服务器或与该服务器相耦合的工作站或其它设备基于接收到的数据能够提供包括产生报警的数据处理。在460，如果产生报警指示，那么能够将该报警指示传送到远程设备和/或经由用户接口进行显示。报警所传送至的设备能够经由风电场网络或经由风电场网络之外的网络进行通信。
在说明书中的引用“一个实施例”或“实施例”指的是结合实施例描述的特定特性、结构、或特征被包含于本发明的至少一个实施例中。在说明书中各种位置出现的短语“在一个实施例中”不一定指的都是相同的实施例。
在先前的说明书中，已经参考本发明的特定实施例描述了本发明。然而很明显，在不脱离本发明较宽的精神和范围的情况下能够对其进行各种修改和变化。因此，应该在说明性的而非限制性的意义上来看待本说明书和附图。