1、石油大学工程硕士专业学位论文基于多级缓存技术的风力发电数据采集监控系统设计与开发摘 要风电数据采集监控系统是在风电场各种电气设备运行维护、控制和自动化过程中逐步完善和稳定的，是充分发挥通讯、数据处理、数据分析、数据存储和专业性能指标分析等自动化优势的产物。尤其在逐步实现风电场无人值守的目标下，不仅要针对单个风电机组的远程监控，还要整合整个风电场的变电站和测风设备接入以及远程数据中心的建立等多方面的指标。通过提供完善的实时数据报表，数据处理和图形显示，使管理人员方便、快捷的做到对场内各个机组的状态查询和功能控制。在此基础上，系统遵循适应性和开放性原则，在可以适应各个风电场特殊情况的同时，也为各种
2、高级功能模块预留接口。风电数据采集监控系统将各种机组不同的控制系统进行有机的互联，使各种信息和资源有效地协调成一个整体。具备充分的灵活性和扩展性，能够及时适应内外环境的变化，同时考虑风能预测、可靠性维修和应急调度等功能模块的无缝嵌入。近些年来，我国开发了多种的风力发电数据采集监控系统，而这些监控系统中运用较多的则是 SCADA 系统，它主要是对数据采集和监控。在对本课题的研究过程中，就 SCADA 系统的运用翻阅了国内较多的风力发电案例，进而结合德国相应领域中所采取的相应的技术，设计了 SCADA 系统与网络技术相结合的风力发电网络化系统架构。SCADA 系统框架以单独的风力发电监控自动化系统
3、为基础，结合互联网技术以及数据库技术，实现多个风力发电机组之间通信数据信息采集和监控，同时，尽可能的考虑风力发电机在发生错误或者其他故障时能够进行的远程诊断等等，实现风力发电按数据采集监控系统的自动化、远程化实施。面向 SCADA 系统的爆发式数据多级缓存处理系统的设计，使用数据接收模块接收应用程序发送的数据存储请求报文，按缓存队列的状态放入缓存队列中；数据预读模块将文件缓存模块中存储的数据存储请求插入到缓存队列中；数据优化模块读取缓存队列中的数据存储请求，对数据存储请求优化后调用线程池中的空闲线程，执行数据存储操作。本课题能够较好地解决提交海量数据存储请求时，请求数据及 SCADA系统的安全
4、性问题。关键词：风力发电,数据采集,多级缓存技术,数据存储石油大学工程硕士专业学位论文The design and development of data acquisition monitoring system based on the wind power generation technology of the multistage cache ABSTRACTWind power data acquisition monitoring system is all sorts of electric equipment in the process of the wind farm r
5、unning and maintenance, control and automation gradually to be perfect and stable, is an automation advantages of the product of giving full play to the communication, data processing, data analysis, data storage, and professional performance index analysis. Especially in the realization of wind far
6、ms under the unattended goal, not only for the remote monitoring of individual wind turbines, but also integrate the entire wind power substation and wind equipment access and index of the establishment of a remote data center, etc.By providing the report of real-time data, data processing and graph
7、ic display, make management convenient and fast to do on the court state query and function of each unit. On this basis, the system according to the principle of flexibility and openness in special circumstances can adapt to various wind farm at the same time, also set aside for a variety of advance
8、d features module interface.Wind power data acquisition monitoring system will set a variety of different control systems interconnection, make all kinds of information and resources to effectively coordinate as a whole. Has sufficient flexibility and extensibility, able to adapt to the changes in t
9、he environment inside and outside, at the same time considering wind forecasts, reliability, maintenance and emergency dispatch function modules such as embedded seamlessly.In recent years, our country has carried out a variety of wind power data acquisition monitoring systems, and the SCADA system
10、is used more in monitoring and control systems, it is mainly for data acquisition and monitoring. In the process of research of this topic, we saw a lot of information about domestic case, with the corresponding areas and the corresponding technology in Germany, designed the SCADA system and the net
11、work technology with the combination of wind power system network architecture. SCADA system framework based on the single wind power monitoring automation system, combining with the Internet technology and database technology, data communication between multiple wind turbine information acquisition
12、 and monitoring, at the same time, as far as possible the consideration of wind turbines in the case of errors or other malfunction to remote diagnosis and so on, the implementation of wind power according to the data collection to implement the automation, a remote monitoring system.Explosive the d
13、esignation of the multistage cache data processing system for SCADA system, using the data receiving module receives the request message application sends data storage, according to cache state of the queue in buffer queue; Data to proofread module file cache module the data stored in the storage re
14、quest is inserted into the cache queue; Optimization module reads the data cache in the queue to requests for data storage to the optimized data storage requirements free threads in the calling thread pool, perform data 石油大学工程硕士专业学位论文storage operations. This topic can better solve submitted to mass
15、data storage request, the request data and the security of SCADA system problem.Keywords: wind power generation, data acquisition, multistage cache technology, data storage石油大学工程硕士专业学位论文目 录摘 要 .IIABSTRACT.III第一章 绪论 .11.1 研究目的和意义 .11.1.1 研究目的 .11.1.2 研究意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 国外研究现状 .11.2.2 国内研究现状 .
16、21.3 本文的主要研究内容 .3第二章 系统需求分析 .42.1 可行性分析 .42.1.1 技术可行性 .42.1.2 操作可行性 .42.1.3 经济可行性 .42.2 功能需求分析 .42.2.1 系统功能 .42.2.2 用户角色 .72.3 系统流程描述 .82.4 系统开发与运行环境 .102.5 本章小结 .10第三章 系统的通信协议与软件架构 .113.1 TCP/IP 协议 .113.2 MODBUS 协议 .133.3 客户机/服务器（C/S）模式体系结构 .143.4 数据缓存技术 .153.5 SCADA 系统 .163.6 本章小结 .17第四章 基于多级缓存的 S
17、CADA 设计 .184.1 SCADA 的架构设计 .184.1.1 风电数据采集、监控系统架构 .184.1.2 SCADA 的数据传输三级架结构 .194.2 SCADA 缓存策略设计 .204.2.1 一般的多级缓存策略 .20石油大学工程硕士专业学位论文4.2.2 SCADA 的多级缓存优化策略 .214.3 多级缓存优化算法设计 .224.3.1 多级缓存算法及配置 .224.3.2 多级缓存算法实现数据存储 .234.4 数据系统接口设计 .264.4.1 数据库类接口 .264.4.2 上行数据接口 .284.4.3 数据系统可靠性设计 .284.4.4 数据系统兼容性设计 .
18、294.4.5 数据系统扩展性设计 .294.5 SCADA 系统的爆发式数据多级缓存处理 .294.6 本章小结 .31第五章 风力发电数据采集监控系统实现 .325.1 风力发电数据采集监控系统的硬件设备 .325.1.1 风机系统硬件设备 .325.1.2 外传感器部分 .345.1.3 其他设备 .365.2 风力发电数据采集监控系统的软件平台的实现 .365.3 本章小结 .42结 论 .44参考文献 .45作者简介、发表文章及研究成果目录 .47致 谢 .48石油大学工程硕士专业学位论文1第一章 绪论1.1 研究目的和意义1.1.1 研究目的风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到
19、世界各国的重视。风力发电数据采集监控系统是风力发电的核心部分。基于多级缓存技术的风力发电数据采集监控系统主要研究的是结合通讯、数据处理、数据分析、数据存储和专业性能指标分析等自动化的技术实现风力发电数据采集监控。尤其在逐步实现风电场无人值守的目标下，不仅要针对单个风电机组的远程监控，还要整合整个风电场的变电站和测风设备接入以及远程数据中心的建立等多方面的数据指标。通过提供完善的实时数据报表，数据处理和图形显示，使管理人员方便、快捷的做到对场内各个机组的状态查询和功能控制。节省了人力和物力的开支。1.1.2 研究意义风力发电数据采集监控系统，通过先进的软、硬件技术和控制理论，提高了工作效率。由于
20、实现了风机的远程监控与控制，使得运维人员能迅速快捷的了解风机的实时运转状况，提高了突发故障的排查速度，从长远角度来看降低了整体运维成本。并为国家电网的宏观调控提供了可靠的基础数据。在电力系统中，监控数据采集系统（SCADA）应用最为广泛，技术发展也最为成熟，对现场运行的设备进行见识和控制，以实现设备控制，数据采集、测量、参数调节及事故报警等功能。针对 SCADA 系统的爆发式数据，使用多级缓存技术可以实现数据的传输收集并且安全性能较高，使得该系统具有更高的可实施性。1.2 国内外研究现状随着 Internet 的不断发展和普及以及风能源得到越来越多的重视，多级缓存技术及C/S 技术得到了广泛应
21、用。进入 Web2.0 时代以来，基于多级缓存的风力发电数据采集监控系统的开发也越来受到重视。1.2.1 国外研究现状世界上第 1 台用于发电的风力机于 1891 年在丹麦建成，但由于技术和经济等方面原因，风力发电一直未成为电网中的电源。直到 1973 年发生石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，研制现代风力发电机组，80 年代开始建立示范风电场，风电从此成为电网新电源 1。美国和加拿大是北美利用风能最好的国家。在美国的 50 个州中，大约有 30 个州已经开始利用风能资源，德克萨斯州、加利福尼来州、明尼苏达州等州的风力发电居美国风力发电的主导地位。2004 年
22、美国风力发电的总装机容量已经超过 6740MW，可石油大学工程硕士专业学位论文2满足 160 万个美国中等家庭的日常用电需求。 在亚洲，利用风能资源最好的国家是印度。2004 年印度新装风力发电容量为875MW，累计装机容量达到 3000MW，位居世界第 4 位。据估计，印度风能资源大约为 45000MW，可利用的风能大约为 13595MW。印度政府正通过一定的财政支持政策，鼓励多种方式开发利用可再生能源。这包括鼓励大型私营企业与上市企业共同在印度本土投资风力发电工业，鼓励以本土为基础开发制造风力发电设备。目前，印度风电设备国产化率已达 80%2，这不仅使风力发电设备生产厂家获得了丰厚的回报，
23、也为本国提供了很多就业机会。据印度政府有关部门预测，到 2012 年印度经济增长将需要新增电力 240000MW，其中 10%将来自于可再生能源，新增可再生能源的 50%将由风力发电提供。目前国外远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有监控系统，而将数据采集后直接送到远程计算机处理。这种远程监控与一般的现场监控没有太大的区别，只是数据传输距离比现场监控更远，其他部分和现场监控系统几乎相同。另一种是现场监控和远程监控相并存，一般采用现场总线技术将分布于各个区域的设备如：传感器、监控器等连接在一起，从分级单元阶段进入了集成单元阶段，各管理站点的服务器运用局域网连接在一起，这样就形成了企业内部网，
24、由于基本网络信息的基础结构、设备监测、维护技术组件成了集成系统，在一个单位内部基本实现了资源和信息的共享。1.2.2 国内研究现状我国幅员辽阔，风能资源丰富。根据气象部门的资料，可开发的陆地风能资源10m 高层大约为 253GW，可利用的海洋风能资源大约为 750GW。东南沿海一带和附近的岛屿以及内蒙古、新疆、甘肃等地区都蕴藏着丰富的风能资源，年平均风速达6ms 以上的内陆地区约占全国总面积的 1%，仅次于美国和俄罗斯，居世界第 3 位 3。目前全国风力发电占总发电量的五分之一，以成为继煤电和水电后的第三大能源。以欧洲、北美和亚洲为主要风能发电市场推动世界风力发电装机容量逐年增长，而中国在 2
25、012 年在新增装机容量上与美国，德国名列，中国风能在世界占有重要地位，拥有多个“第一”，如风电发电量第一，风力发电 GDP 第一等；但也存在不足，须向外国学习技术，吸收长处。前三甲，中国亦是世界上的三大海上风电装机大国之一。我国对风能的重视程度不断加强，国家对风能的财政补贴也不断增多。接着田教授还详细分析了中国各地区、各省风力发电装机容量的增长状况，特别强调我国内蒙古，甘肃以及沿海等地风能发展势头较突出。可以说，随着信息技术的不断发展，我国的风力发电数据采集监控系统的研究也在不断的增强，以理论界为例，通过万方数据库、知网数据库输入关键词“风力发电数据采集监控系统”都可以搜到百余篇的学术论文，
26、单独的搜多“多缓存技术”可以石油大学工程硕士专业学位论文3搜索到上千篇的研究，但是就多级缓存技术的风力发电数据采集监控系统设计与开发，理论界成型的研究很少，可以说，在这方面我国的理论还处于空白，有着很大的发展空间，这也是选择此课题的原因，也是今后风力发电研究的主要方向。1.3 本文的主要研究内容本文针对风力发电数据采集监控系统平台设计、建设工作等的实际情况，进行的主要研究内容如下：第一章主要介绍风电数据采集监控系统的概况，介绍了研究该系统的背景和意义，以及国内外有关风力发电数据采集监控系统的发展状况。第二章按照软件工程开发流程对系统进行可行性分析，分别在技术可行性，操作可行性和经济可行性方面做
27、了展开说明。对系统的功能总体需求和开发环境、开发语言做了详细描述。第三章介绍实现此系统相关技术的理论知识。包括：TCP/IP 协议，MODBUS 数据协议和客户机/服务器（C/S ）模式体系结构，数据缓存技术，SCADA 系统等方面的内容。第四章详细的描述了基于多级缓存技术的 SCADA 系统设计，描述了风电数据采集监控系统 SCADA 总体构架,SCADA 的数据传输三级构架，以及对 SCADA 的缓存策略，设计多级缓存优化算法，对风电系统的数据接口设计进行了分析，介绍了 SCADA系统的爆发式数据多级缓存处理。第五章介绍风力发电数据采集监控系统的实现，从硬件和软件两方面分析，重点阐述软件平
28、台的实现。 最后总结在设计和开发系统过程中有哪些经验和不足。石油大学工程硕士专业学位论文4第二章 系统需求分析2.1 可行性分析2.1.1 技术可行性多级缓存技术的风力发电采用的是较为熟悉的计算机软件协会，并运用其优势特点以数据库系统为基准建立一定的 C/S4结构网络通信应用程序，只需要通过相应的计算机编程语言就能够有效的实现。多级缓存技术作为较为成熟的系统，它的开发和设计在现如今的时代背景下通信和信息管理系统都是便捷的、实效的，因此，在技术上是具有一定的可行性的。2.1.2 操作可行性多级缓存技术下的风力发电数据采集监控系统设计采取的是可视化的界面，其界面较为简洁，便于人们选择和操作，在操作
29、过程中，操作员只需结合需求点击一定的按钮就能够进行操作，不需要特别专业的计算机专业人才，一般的只要能够对计算机进行基本的操作，那么稍微提点和练习就能够操作这个系统，简单、便捷。2.1.3 经济可行性多级缓存技术下的风力发电数据采集监控系统的设计与开发属于是网络通讯系统范畴，在硬件的要求方面也较为简单，可以采取自动化过程来进行数据采集，进而对风电运行情况进行及时的查看等等，能够代替人工对风力发电数据采集监控的相关运行参数进行检测，从这方面来说，大大的提升了工作效率；在软件运行方面，运用的是 C/S 结构软件，能够很好的对外网的攻击进行抵御，防止外界不良因素对此系统的影响，这样一来，对于信息安全管
30、理则可以针性的进行降低投入 5。风力发电数据采集监控系统采取的风机管理，是全自动化的，人们需要一定的参数设置即可以完成对数据采集的监控任务，而当系统达到一定的负载时，则通过服务器可以实现缓存、调整，对设备来说也是一种特殊的保护措施。从这几个角度来说，在经济上是具有可行性的 6。2.2 功能需求分析随着风力发电技术的推广和应用，针对风能本身的不稳定性，风力发电数据采集系统对各种实时数据（如天气，机组设备运行参数等）的准确性要求严格，因此基于多级缓存技术的风力发电数据采集监控系统主要研究的是结合通讯、数据处理、数据分析、数据存储和专业性能指标分析等自动化的技术实现风力发电数据采集监控 7。2.2.1 系统功能 从整体布局上来说，系统可以分为四个模块内容，即：数据采集模块、数据存储
