1、行业背景
1.1、现状
随着煤碳、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74X109MW，其中可利用风能约为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大，分布面广，仅陆地上的风能储量就约2.53亿千瓦。我国的风电发展起步较晚，但在国家政策的激励和扶持下也取得了长足的进步，到2010年累计装机容量可达2000万千瓦。
1.2、需求分析
风能资源丰富的地区一般都比较偏远，而且环境恶劣，在风电站中，风电机组分布比较分散、监控参数多，这都会给风电系统的控制带来不利影响。为充分有效地利用风力进行发电，监控与数据采集(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系统作为自动化控制的核心具有信息完整等优点，能提高效率，正确掌握系统运行状态，加快决策，有助于快速诊断系统故障状态，对提高风电场运行的可靠性、安全性与经济效益具有不可替代的作用。
作为国产监控组态软件的领军者，北京三维力控科技一直关注风电行业的发展，结合国外著名厂商倍福（BeckHoff）的嵌入式PC控制器CX1020，总结多年来风电行业的应用经验，开发了风电专用版监控组态软件FCWP。
2、系统网络拓扑图
整个监控网络可以分为三个层次
1） 就地监控部分:布置在每台风力发电机塔筒的控制柜内，每台风力发电机的就地控制能够对此台风力发电机的运行状态进行监控,并对其产生的数据进行采集。
2） 中央监控部分:一般布置在风电场控制室内。工作人员能够根据画面的切换随时控制和了解风电场同一型号风力发电机的运行和操作。
3） 远程监控部分:根据需要布置在不同地点的远程控制，远程控制目前一般通过光纤或无线网络等通讯方式访问中控室主机进行控制。
3.德国BeckHoff嵌入式PC CX1020
德国倍福高性能嵌入式PC CX1020 配备有 1 GHz 的 Intel? Celeron? M CPU，在超低内核电压下运行，具有低热功耗的特点，其 TDP（热设计功率）仅为 7W。虽然设计非常紧凑，却不需要使用风扇。因为它用 CF 卡作为启动和存储介质，所以控制器内无需使用旋转介质，增加整个系统的MTBF（平均无故障工作时间）。精心的产品设计结构适合在恶劣的气候环境下正常运行，高速Ether CAT 现场总线结合北京三维力控科开发的风电专用协议，使整个控制系统具有快速控制技术以及实时风场网络监控等基本特征。
借助于倍福嵌入式PC CX1020的强大功能和风电控制专用模块实现了对风机各参数的采集与控制：电网参数、气象参数、机组状态参数、变桨控制、发电机运行控制和管理（机舱）等。
4.力控风电设备SCADA监控软件FCWP
力控风电设备SCADA监控软件FCWP 具备风电行业专用的设备负荷专用曲线及监测组件，适合风电场级监控和风电场运维中心的系统集成，采用核心数据库系统、来实现全国相关各风电场的所有风电机组、继电保护、风速、发电量、售电量等运行情况的远程监视和接收汇总，使各级部门都能及时的了解风电机组运行状态和发电状况。
运维中心采用实时数据库系统软件。构建统一的海量实时生产数据监管平台，整合不同设备厂家的监控系统，在管理层建设统一的管理数据平台，实现以生产管理和安全管理为核心的自动报表功能、生产装置的监控功能、工艺指标的考核功能和安全防范、生产监督以及计量功能。建立生产实时数据监视系统平台，通过对风电场设备数据的采集和整理，为专业管理人员提供庞大的信息数据库，便于对数据进行分析，形成辅助决策系统。网络结构采用C/S 通信效率高，易扩展，减少投资。运维中心采用双网关通信，数据通道和用户上网通道隔离，安全可靠。数据传输采用VPN方式，安全可靠，性价比高，系统软件应该稳定、可靠，可组态，便于维护和二次开发，减少投资。
5.就地监控部分
就地监控部分有下位数据采集处理系统德国Beckhoff嵌入式PC CX1020和上位监控组态软件力控风电设备SCADA监控软件FCWP组成。
5.1、Beckhoff嵌入式PC CX1020控制实现
主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统(变频器)，它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统(变频器)接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。
变桨控制系统：与主控系统配合，通过对叶片节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前来看，变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式中又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。究竟采用何种方式主要取决于制造厂家多年来形成的技术路线及传统。
变频系统(变频)器：与主控制系统接口，和发电机、电网连接，直接承担着保证供电品质、提高功率因素，满足电网兼容性标准等重要作用。
5.2、力控风电版SCADA就地监控功能的实现
1、显示机组的运行数据，如机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，用风玫瑰图、曲线或图表的形式直观地显示出来。
电网参数：包括电网三相电压、三相电流、电网频率、功率因数等。电压故障检测：电网电压闪变、过电压、低电压、电压跌落、相序故障、三相不对称等。
气象参数：包括风速、风向、环境温度等。
机组状态参数：包括：风轮转速、发电机转速、发电机线圈温度、发电机前后轴承温度、齿轮箱油温度、齿轮箱前后轴承温度、液压系统油温、油压、油位、机舱振动、电缆扭转、机舱温度等。
2、显示风电机组的运行状态，如开机、停车、调向、手/自动控制以及大/小发电机工作等情况。
（1）主控系统检测电网参数、气象参数、机组运行参数，当条件满足时，启动偏航系统执行自动解缆、对风控制，释放机组的刹车盘，调节桨距角度，风车开始自由转动，进入待机状态。
（2）当外部气象系统监测的风速大于某一定值时，主控系统启动变流器系统开始进行转子励磁，待发电机定子输出电能与电网同频、同相、同幅时，合闸出口断路器实现并网发电。
（3）风力机组功率、转速调节根据风力机特性，当机组处于最佳叶尖速比λ运行时，风机机组将捕获得最大的能量，虽理论上机组转速可在任意转速下运行，但受实际机组转速限制、系统功率限制，不得不将该阶段分为以下几个运行区域：即变速运行区域、恒速运行区域和恒功率运行区。额定功率内的运行状态包括：变速运行区（最佳的λ）和恒速运行区。
