风电场机组监控系统工业以太网解决方案

摘要
       随着风力发电场的大量建设，风场变电站SCADA监控系统、风场视频安防系统、风力发电机组远程监控系统也大量应用，监控系统的建设对于风机的安全监控、提高风能利用率、提高风机工作效率、风电场的安全监控都十分重要。但这些系统应用环境恶劣，需要管理型宽温工业以太网交换机进行网络支持。
关键词
       欧迈特工业以太网交换机OMATE6100、OMATE6300；OE-Ring快速环网冗余技术
一. 系统需求
风力发电场对网络设备的需求：
     1、风电应用环境恶劣，昼夜温差大，风沙严重，要求工作温度：-40～75℃ 存储温度：-45～85℃ ，存储湿度：0%～95%，无凝结。
     2、电磁环境恶劣，需要工业交换机具有较强的抗电磁干扰能力、长时间的平均无故障时间。
     3、为了保障通信的可靠性，要求建立冗余的环网，具有快速自愈功能。通信网络出故障时，能够自动平滑的切换到冗余备份线路。
     4、为了保证远程监控的数据的安全性，交换机需要有全面的网络安全设置。
二. 网络设计方案
       风电机组监控系统具有对风电机组自动启动、停机、平稳并网、双速切换、自动对风、数据检测和处理、故障记录及自动保护等就地控制功能，同时具有在中央监控室对分散运行在风电场上的各风电机组运行状态的实时显示、运行数据的统计处理、运行故障记录报警、风速－功率特性曲线的测量、开机、停机、左右偏航、修改风电机组运行参数等远程监控功能。由三部分组成：就地控制部分、中央集控部分、通信部分。根据不同风机的应用网络通信分为两部分：风机内部控制通信部分、风机与风机间或风机与控制中心的网络通信部分。
       根据风电行业即有其普遍性也有其特殊性，我们在组网方案中主要考虑以下几个方面：
     1、系统设计充分考虑多个业务子系统的系统特点，技术上遵循先进性、实用性与成熟可靠性并重的原则，形成一整套功能齐全的组网解决方案。
     2、能够满足风电场苛刻的物理环境，温度、防尘、电磁兼容性等要求
     3、因网络规模庞大，组网方案采用清晰的多层结构，从最根本的网络结构设计上简化网络的维护及管理，实现故障点的快速分离及明确，确保系统的稳定运行。
     4、组网方案自身必须具备一定的故障排除及快速自愈功能，能够针对设备故障、链路故障进行自我诊断及快速排除，并实时报警。
     5、对网络进行人工维护、扩容、或故障修复时应该做到影响最小化，做到维护及扩容对系统运行无影响；故障修复只对相关网络设备的连接终端有一定的影响。
     6、网络设备选择采用具备高实时性和稳定性的工业级设备
     7、组网方案必须具备兼容性，能够无缝连接不同厂商的网络设备，具备高性价比。
     8、考虑到工业现场对实时性要求，采用的是环网设计理念，避免单条链路故障对网络的影响。
   
       本方案基于欧迈特工业以太网交换机性价比及网络可靠性的综合考虑，针对两个部分的网络通信（可选多模或单模光缆）建议如下：
     1、风机内部控制通信部分
       主要是指风机机舱与塔基之间设备的通信，负责监控以下数据：1、电力参数包括电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、发电机功率因数等； 2、风力参数：风速、风向；3、风力发电机组状态参数：发电机转速和风轮转速、温度（发电机、控制器、轴承、增速器油温等）、电缆扭转、机械刹车状况、机舱振动、油位；4、反馈信号：回收叶间扰流器、松开机械刹车、松开偏航制动器、发电机脱网及脱网后转速降落信号等。

       目前风机内部控制通信是通过风机机舱与塔基之间的二对光纤收发器来实现的，会带来安装和维护的不便。为此北京欧迈特公司特别推出一款OMATE6100工业以太网交换机，只需一对设备很好解决了此类问题。该设备多个业务电口支持VLAN划分，可以有效隔离广播域，为风机内部控制通信提供安全可靠的业务隔离传输；同时电源输入冗余、基于端口聚合的二对光口互为冗余，从而进一步提高了风机内部通信的可靠性！
       风机机舱配置一台OMATE6100为机舱内的变浆控制器、机舱控制器等设备提供接入，通过控制器来采集风速传感器、风向传感器、双馈变频器、偏航变频器、变浆变频器等设备的数据。同时风机塔基配置一台相同的OMATE6100，通过二对互为冗余光口与机舱的OMATE6100可靠连接，然后接入塔基内的环网交换机OMATE6300，后者为塔基内的主控制器、工控机等设备提供接入，同时负责与集中控制室的通信。

     2、风机与风机间或风机与控制中心的网络通信部分
       风机间通信网络采用以就地监控中心为汇聚点的互联百兆光纤环网。采用OMATE6300系列工业以太网交换机（基于OE-RING快速环网冗余技术）构建，能有效保障网络的安全性、可靠性、稳定性，以及网络通信的无扰动切换，切换时间小于30ms（网络自愈时间）。
       风机塔基内的环网交换机OMATE6300（提供6个10/100M电口，2个100M光口），通过光纤与其它风机内的交换机OMATE6300构建百兆冗余网络，保障网络快速自愈，提高数据传输的安全性、可靠性、抗干扰能力。
       在就地监控中心配置一台多光口OMATE6300系列交换机，为风电场各个百兆光纤环网提供汇聚接入支持，并为现场的控制设备提供接入支持。与远程的中央监控中心采用光纤方式连接，为提高链路可靠性建议以光端口聚合方式连接，即提高通信带宽，又为光纤链路提供了冗余保护。
       考虑到风电场其他系统业务的接入及统一管理，例如风电场视频监控系统，不同系统业务将会采用VLAN技术隔离，在核心需要进行三层路由交换，建议在中央监控中心配置一台三层工业级以太网交换机GOE324系列（支持静态路由、动态路由RIP/OSPF/BGP、组播路由PIM-SM/PIM-DM/DVMRP），为整个监控系统网络提供高效率的硬件路由处理功能。
   
   三、OMATE产品优势：
     1、良好的设备特性&安装方式灵活性，宽温、防尘、防潮设计：
       工作温度：-40～80 ℃，存储温度：-45～85 ℃，工作湿度：5 ～ 95 % （无凝露）；金属外壳无风扇散热技术，IP40以上等级防护；可定制机架、导轨、壁挂安装；
     2、在严酷电磁环境可靠稳定工作：
       通过工业四级电磁兼容性检测，有效防御工业干扰：高压交流电场、静电场、电弧、可控硅等；自然界干扰：雷电冲击、各种静电放电、磁暴等；
     3、设备平均无故障时间超过30万小时，长年提供备品备件；
     4、快速冗余：
       支持OE-Ring以及RSTP等环网冗余技术，保障了网络通信的无扰动切换，前者网络自愈时间小于30ms。
     5、安全优势：
       1）支持VLAN（虚拟局域网）技术
       VLAN是安全交换机必不可少的功能。VLAN可能跨越一个或多个交换机，与它们的物理位置无关，设备之间好像在同一个网络间通信一样。VLAN可以在交换机上实现广播域的隔离，它可以把网络分成一个一个独立的区域，可以控制这些区域是否可以通讯。
       2）流量控制功能（traffic control）
       交换机的流量控制可以预防因为广播数据包、组播数据包及因目的地址错误的单播数据包数据流量过大造成交换机带宽的异常负荷，并可提高系统的整体效能，保持网络安全稳定的运行。
       另外欧迈特交换机还可针对每个端口提供双向（in/out）分别限制功能。
       3）支持端口聚合
       多个的端口的聚合即提高链路传输带宽，又为链路提供了冗余保护；
       4）IEEE802.1x身份验证机制
       IEEE 802协议集的局域网接入控制协议，是基于端口的访问控制协议。它能够在利用IEEE 802局域网优势的基础上提供一种对连接到局域网的用户进行认证和授权的手段，达到了接受合法用户接入，拒绝非授权用户的访问，保护网络安全的目的。
       5）QoS机制
       欧迈特工业以太网交换机采用了IEEE802.p QoS CoS/TOS/DSCP优先级策略，保障了数据关键数据的实时可靠传输。
       6）支持广播风暴抑制、IGMP-Snooping组播协议，提高网络传输效率
       7）系统日志
       交换机的日志功能可以将系统错误、系统配置、状态变化、状态定期报告等信息传送给日志服务器，网管人员依据这些信息掌握设备的运行状况，及早发现问题，及时进行配置设定和排障，保障网络安全稳定地运行。
       8）统一网管：
       除提供方便的Web等访问外，还支持SNMP、RMON管理，方便与第三方设备实现全网统一管理。
四、小结
       北京欧迈特公司作为工业以太网设备的专业制造商，为风电场提供专家级解决方案：采用先进的工业以太网通信技术实现风电场的有效监控，保障了整个的系统安全性、可靠性、稳定性，提高了风机的发电效率，标准的通信协议也为其他业务的接入提供了便利。