風(fēng)電場(chǎng)SCADA跨平臺軟件設計說(shuō)明

      風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )通訊采用光纜傳輸，風(fēng)機與風(fēng)機之間的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用可自愈式以太環(huán)網(wǎng)結構，風(fēng)場(chǎng)級拓撲結構為多環(huán)結構。風(fēng)機機艙與塔基之間的連接光纜為多模光纜。風(fēng)機與風(fēng)機之間及風(fēng)機與監控中心之間的連接均為單模光纜。風(fēng)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò )環(huán)內采用100M光纖以太網(wǎng)絡(luò )。核心交換機與風(fēng)場(chǎng)監控系統服務(wù)器的接口采用1000M以太網(wǎng)。

      硬件系統包括數采服務(wù)器2臺、數據服務(wù)器2臺、應用服務(wù)器2臺（應用服務(wù)器通常與數采服務(wù)器合二為一）、發(fā)布機1臺、I/O機1臺，操作員站1臺、若干安全隔離設備。其中，數據服務(wù)器存放歷史數據，具體實(shí)施過(guò)程中，甲方可根據風(fēng)場(chǎng)規模進(jìn)行服務(wù)器配置，小規模風(fēng)場(chǎng)可將數采服務(wù)器、數據服務(wù)器、應用服務(wù)器合而為一，對于大規模風(fēng)場(chǎng)可部署多臺數采服務(wù)器、數據服務(wù)器及應用服務(wù)器，軟件采用模塊化設計，可部署于同一臺服務(wù)器也可分別部署。

      服務(wù)器采用龍芯3C5000L服務(wù)器處理器芯片，2.2G/16核，基于*自主的LoongArch®龍芯指令系統，支持雙路、四路機架式及塔式、高密度等多種服務(wù)器及存儲產(chǎn)品形態(tài)。雙路32核服務(wù)器具備高性?xún)r(jià)比，四路64核服務(wù)器性能好，算力強。龍芯3C5000L完善支持Docker、KVM等虛擬化應用，適合數據中心、云計算以及高性能計算等領(lǐng)域廣泛應用。詳細參數如下。
 

四、軟件設計說(shuō)明

      將軟件分為三層，其組成和框架如下圖2。

      關(guān)于該系統開(kāi)發(fā)，軟件部署主要包括風(fēng)機數采服務(wù)器程序、應用服務(wù)器程序、數據服務(wù)器程序、發(fā)布機程序、I/O機程序。

      將該監控系統程序根據功能結構劃分為三層，采集層、服務(wù)層、前端網(wǎng)站，每部分均可根據服務(wù)器分布情況獨立安裝部署，程序之間均采用標準UDP或TCP協(xié)議。

      I/O機主要完成協(xié)議轉換及第三方接口通訊功能，主要通訊協(xié)議均部署在該服務(wù)器，在實(shí)際應用中，各技術(shù)協(xié)議是以應用的方式呈現的，可根據系統程序框架，自由添加協(xié)議，可對每個(gè)協(xié)議進(jìn)程進(jìn)行添加、關(guān)閉和配置。按照程序開(kāi)發(fā)架構方式，各通訊協(xié)議均可部署至任何一臺服務(wù)器。

      發(fā)布機包含了完整的網(wǎng)站服務(wù)、UI、網(wǎng)閘通訊、歷史數據記錄及查詢(xún)功能，將風(fēng)機數據發(fā)布至公網(wǎng)，可遠程訪(fǎng)問(wèn)查看該風(fēng)場(chǎng)狀態(tài)。

（一）軟件架構

      根據軟件的三層結構，軟件的設計框架如圖3所示。 

1、SCADA展示層，首先需通過(guò)“檔案管理”模塊，錄入風(fēng)機模塊信息，并導入模塊點(diǎn)表；

2、根據模塊信息組合出風(fēng)機類(lèi)型，配置風(fēng)機相關(guān)的通信參數；

3、數據服務(wù)的部分，根據配置的風(fēng)機相關(guān)信息，生成數采所需的配置信息：如鏈路配置，IO點(diǎn)表信息，創(chuàng )建風(fēng)機通信的模塊；

4、風(fēng)機配置完成后，數采的部分開(kāi)始工作：各個(gè)通信模塊通過(guò)點(diǎn)表信息，采集風(fēng)機的數據，并將數據寫(xiě)入實(shí)時(shí)數據緩存；

5、實(shí)時(shí)數據rtdb緩存將數據進(jìn)行整理，分發(fā)給不同的應用模塊

6、實(shí)時(shí)數據模塊：指令通道，用于單獨處理SCADA下發(fā)的指令，并將指令下發(fā)給數采來(lái)控制風(fēng)機；emqx主要用于SCADA頁(yè)面的實(shí)時(shí)數據訂閱/發(fā)布；redis主要用于緩存實(shí)時(shí)數據，并緩存一些統計信息；

7、能量管理算法模塊：處理風(fēng)場(chǎng)本地調度、電網(wǎng)調度、集控調度；并將調度的過(guò)程進(jìn)行記錄；

8、歷史數據的部分是通過(guò)實(shí)時(shí)數據的接口進(jìn)行周期或者變位存盤(pán)；并定期做數據調度，處理統計信息；并需根據主控上傳的報警信息，處理報警數據的存盤(pán)；

9、SCADA展示層數據源從兩個(gè)方面獲?。簩?shí)時(shí)數據主要通過(guò)訂閱的方式從實(shí)時(shí)數據區獲??；歷史統計信息主要從歷史數據庫中獲??；

（二）通信層設計

1、風(fēng)機設備模型：如圖4所示。 

1）.根據不同的風(fēng)機類(lèi)型點(diǎn)表，對點(diǎn)表進(jìn)行抽象分類(lèi)，并對分類(lèi)的數據點(diǎn)進(jìn)行編碼，并生成數據點(diǎn)表；

2）.數據點(diǎn)表可以在檔案管理里面進(jìn)行相關(guān)的處理；

3）.展示層所有的標量數據顯示都是根據指標碼的形式反向查詢(xún)數據檔案進(jìn)行顯示；

2、數據傳輸流程：如圖5所示。 

1）.數采的部分采用成熟的QTouch采集軟件框架，里面涵蓋豐富的設備通信驅動(dòng)，保證現場(chǎng)所有的設備能夠正常聯(lián)網(wǎng)通信；所有的數據進(jìn)入實(shí)時(shí)共享內存區，供其它接口實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)；

2）.在數采服務(wù)器與數據服務(wù)器分離的情況下，前置服務(wù)器用于接收數采傳輸的實(shí)時(shí)數據，此部分需代碼重新開(kāi)發(fā)調整

3）.報警引擎的部分：需在QTouch的報警體系下進(jìn)行重定義代碼級開(kāi)發(fā)調整；

4）.消息中間件：采集第三方emqx消息中間件，redis實(shí)時(shí)數據緩存；用做數據的實(shí)時(shí)訂閱和發(fā)布（此功能需代碼開(kāi)發(fā)調整）；

5）.此部分會(huì )用到兩套emqx中間件：一套用作頁(yè)面實(shí)時(shí)展示的數據，一套用作控制下發(fā)的操作，確?？刂频膶?shí)時(shí)有效而不受其它模塊影響

6）.一套redis實(shí)時(shí)數據緩存服務(wù)：主要用于頁(yè)面的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)數據緩存部分的數據；

7）.原始數據直接根據接收端的數據緩存直接存儲：此部分需代碼級開(kāi)發(fā)

8）.根據業(yè)務(wù)邏輯，將數據進(jìn)行分庫分表存儲：如，分鐘、小時(shí)、天、月、年進(jìn)行分表存儲；業(yè)務(wù)邏輯存儲部分，單一個(gè)模塊，直接從實(shí)時(shí)數據庫中獲取數據；

9）.分表策略；仍然以風(fēng)機為單位，單個(gè)風(fēng)機分為模擬量表、開(kāi)關(guān)量表（模擬量和開(kāi)關(guān)量分開(kāi)，主要是因為模擬量可以按照秒級存儲，開(kāi)關(guān)量按照狀態(tài)變化來(lái)存儲）；以橫向存儲為原則，即單個(gè)風(fēng)機在一個(gè)時(shí)刻存儲在數據庫中為一條數據；

10）.web發(fā)布：采用成熟的apache web服務(wù)器框架進(jìn)行發(fā)布應用，前端采用的是SSM框架進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)；

11）.與第三方數據交互主要采用OPC UA、或者104等通信協(xié)議來(lái)進(jìn)行交互；

（三）服務(wù)引用層

1.系統服務(wù)

      整個(gè)系統提供七大服務(wù)：數采服務(wù)、消息中間件服務(wù)、存儲數據服務(wù)、數據服務(wù)、數據調度服務(wù)、數據推送服務(wù)、web服務(wù)，如圖6所示： 

2.服務(wù)集群部署：如圖7所示 
 

（四）數據庫層

1.功能與數據流向圖

      從原始數據進(jìn)入系統到數據輸出到前端供WEB系統應用，整個(gè)數據流向分為：原始數據、數據預處理、數據應用三個(gè)階段。 

      原始數據，即由前置通訊解析完成后所取得的設備數據，此數據不作任何二次計算。在原始數據中，由于數據存儲的頻率到秒級、要求存儲的周期至少3個(gè)月，設備數量在300臺左右，因此在原始數據的存儲上以設備為單位進(jìn)行分表。則300臺設備其原始數據為300套數據單元表。

      數據預處理：為提高系統訪(fǎng)問(wèn)速度，給予前端應用良好的體驗效果，故應以最小的延時(shí)時(shí)間讓用戶(hù)盡快獲取到數據。在原始數據進(jìn)入數據庫后，再根據應用功能的要求進(jìn)行數據的二次計算，包括發(fā)電量、故障統計、風(fēng)速統計，也包括最大值、最小值等數據的計算。整個(gè)數據的預處理，將會(huì )在后臺以不同的頻率時(shí)行調度執行，執行完成的結果寫(xiě)入固定的數據表中，再給其它功能調度使用。 

      數據應用：數據應用的直接體現為用戶(hù)前端的數據查詢(xún)。根據分表的原則，以秒級為單位，則單臺風(fēng)機的月累計數據量為：86400條，連續保存三個(gè)月，則為：26萬(wàn)條。數據應用查詢(xún)以單臺風(fēng)機查詢(xún)時(shí)，可以保持良好的體驗。

2.實(shí)體和屬性

      實(shí)體是實(shí)體-關(guān)系模型的基本對象，是現實(shí)案例中各種事物的抽象。凡是可以相互區別并可以被識別的事、物、概念等對象均可認為是實(shí)體。本系統數據庫中，以單臺風(fēng)機為基礎，按實(shí)體進(jìn)行劃分如下：

        數據分表

        2.1原始表

        ①表命名規則：

        fan_sto_風(fēng)機編號_sec_201901 : 秒級存儲(按月、風(fēng)機編號分表)

        fan_sto_風(fēng)機編號_min : 分級存儲(按月、風(fēng)機編號分表)

        fan_sto_風(fēng)機編號_hour : 時(shí)級存儲(按月、風(fēng)機編號分表)

        fan_sto_風(fēng)機編號_day : 天級存儲(按月、風(fēng)機編號分表)

        ②外鍵關(guān)聯(lián)：

        sto_field_id 風(fēng)場(chǎng)編號 >>關(guān)聯(lián)>>dwf_field風(fēng)場(chǎng)表的dwf_id

        sto_fan_id 風(fēng)機編號 >>關(guān)聯(lián)>>dgf_fan風(fēng)場(chǎng)表的dgf_id

        ③取值方案：

        原始表根據數據類(lèi)型分為：模擬量。模擬量根據數據粒度分為：秒級、分鐘級、小時(shí)級，其中，秒級存儲原始值；分鐘級存儲整分時(shí)刻原始值；小時(shí)級存儲整點(diǎn)時(shí)刻原始值；

        ④原始數據存儲及自動(dòng)創(chuàng )表原則：

        原始數據儲存單風(fēng)機一個(gè)月數據，自動(dòng)創(chuàng )建數據表。自動(dòng)創(chuàng )建數據表可以調用存儲過(guò)程，亦可以在代碼中創(chuàng )建。

        ⑤表數據容量估算：

        秒級數據單月存儲量：60秒*60分*24小時(shí)*31天=268萬(wàn)

        分鐘級數據單月存儲量：60分*24小時(shí)*31天=4.46萬(wàn)

原始數據表結構： 

         數字量存儲：

        ①表命名規則：

        fan_std_風(fēng)機編號_年份 : 開(kāi)關(guān)量量化即儲存（按年、風(fēng)機編號分表）

        ②外鍵關(guān)聯(lián)：

        std_field_id 風(fēng)場(chǎng)編號 >>關(guān)聯(lián)>>dwf_field風(fēng)場(chǎng)表的dwf_id

        std_fan_id 風(fēng)機編號 >>關(guān)聯(lián)>>dgf_fan風(fēng)場(chǎng)表的dgf_id

        ③取值方案：

        開(kāi)關(guān)量量化即儲存

        ④原始數據存儲及自動(dòng)創(chuàng )表原則：

        每臺風(fēng)機每年一張表，自動(dòng)創(chuàng )建數據表。自動(dòng)創(chuàng )建數據表可以調用存儲過(guò)程，亦可以在代碼中創(chuàng )建。

        ⑤表數據容量估算：

        單表一年數據：41次*365天*200開(kāi)關(guān)量=299萬(wàn)

        即每天風(fēng)機的所有開(kāi)關(guān)量平均變化不超過(guò)41次時(shí)，單表一年數據不超成功300萬(wàn)條
 

        2.2實(shí)時(shí)表

        實(shí)時(shí)表主要用來(lái)存儲單臺風(fēng)機實(shí)時(shí)數據，單臺實(shí)時(shí)數據包括：實(shí)時(shí)值、狀態(tài)值、統計值和靜態(tài)檔案。

        實(shí)時(shí)值：實(shí)時(shí)刷新風(fēng)機的參數值由消息隊列推送于前端應用。另外一部分實(shí)時(shí)值包括氣象數據、箱變信息也一并由消息隊列推送于前端應用。

        狀態(tài)值：風(fēng)機運行狀態(tài)由設備端上送風(fēng)機狀態(tài)，（變化上送和存儲）主動(dòng)存儲到設備狀態(tài)數據表中。

        統計值：由歷史數據進(jìn)行統計，包括：日發(fā)電量、月發(fā)電量，報警數據量，累計運行時(shí)間、累計維護次數等統計值。

        設備檔案：包括設備編號、設備類(lèi)型等靜態(tài)信息。

        2.3設備狀態(tài)

        設備狀態(tài)，主要記錄風(fēng)機通訊狀態(tài)變化。當風(fēng)機發(fā)生故障，通訊中斷時(shí)通知系統用戶(hù)。當風(fēng)機排除故障，通訊恢復正常后通知系統用戶(hù)。設備狀態(tài)以變位方式存儲。

        2.4統計表

        統計表主要針對37項統計項，分為自由統計和報表下載；自由統計由：普通統計、分段統計、風(fēng)玫瑰圖報表、功率曲線(xiàn)報表組成；報表下載由：日報表、月報表、年報表、日分段報表、月分段報表、年分段報表、損失電量報表、時(shí)間可利用率報表、發(fā)電量可利用率報表組成。

        37項統計方法說(shuō)明如下：

        發(fā)電量：查詢(xún)首尾時(shí)間的總發(fā)電量相減；

        耗電量：查詢(xún)首尾時(shí)間的耗電量相減；

        風(fēng)機可以用率：1-（風(fēng)機自身故障小時(shí)數/統計小時(shí)數）；

        最小風(fēng)速：查詢(xún)時(shí)間段內的瞬時(shí)風(fēng)速取最小值；

        最大風(fēng)速：查詢(xún)時(shí)間段內的瞬時(shí)風(fēng)速取最大值；

        平均風(fēng)速：查詢(xún)時(shí)間段內的瞬時(shí)風(fēng)速進(jìn)行累加/查詢(xún)到的記錄條數；

        最小有功功率：查詢(xún)時(shí)間段內的有功功率取最小值；

        最大有功功率：查詢(xún)時(shí)間段內的有功功率取最大值；

        平均有功功率：查詢(xún)時(shí)間段內的有功功率累加/查詢(xún)到的記錄條數

        最小無(wú)功功率：查詢(xún)時(shí)間段內的無(wú)功功率取最小值；

        最大無(wú)功功率：查詢(xún)時(shí)間段內的無(wú)功功率取最大值；

        平均無(wú)功功率：查詢(xún)時(shí)間段內的無(wú)功功率累加/查詢(xún)到的記錄條數

        低環(huán)境溫度：查詢(xún)時(shí)間段內的環(huán)境溫度取最小值；

        最高環(huán)境溫度：查詢(xún)時(shí)間段內的環(huán)境溫度取最大值；

        平均環(huán)境溫度：查詢(xún)時(shí)間段內的環(huán)境溫度進(jìn)行累加/查詢(xún)到的記錄條數；

        有效風(fēng)小時(shí)數：查詢(xún)首尾時(shí)間的有效風(fēng)小時(shí)數相減；

        有效風(fēng)時(shí)率：有效風(fēng)小時(shí)數/統計小時(shí)數*100%；

        風(fēng)機可用小時(shí)數：風(fēng)機正常運行小時(shí)數+非風(fēng)機自身故障停機小時(shí)數；

        風(fēng)機正常運行小時(shí)數：查詢(xún)首尾時(shí)間的風(fēng)機正常運行時(shí)間相減；

        發(fā)電小時(shí)數：查詢(xún)首尾時(shí)間的發(fā)電小時(shí)相減；

        停運小時(shí)數：統計總時(shí)間-統計時(shí)間段的風(fēng)機正常運行小時(shí)數；

        故障停機小時(shí)數；查詢(xún)首尾時(shí)間的故障停機時(shí)間相減；

        風(fēng)機自身故障停機小時(shí)數：查詢(xún)首尾時(shí)間的風(fēng)機自身故障停機時(shí)間相減；

        非風(fēng)機自身故障停機小時(shí)數：故障停機小時(shí)數-風(fēng)機自身故障停機小時(shí)數；

        維護小時(shí)數：查詢(xún)首尾時(shí)間的服務(wù)時(shí)間相減；

        故障停機次數：查詢(xún)時(shí)間段內的故障為T(mén)RUE的記錄條數；

        風(fēng)機自身故障停機次數：查詢(xún)時(shí)間段內的風(fēng)機自身故障停機為T(mén)RUE的記錄條數；

        非風(fēng)機自身故障停機次數：故障停機次數-風(fēng)機自身故障停機次數；

        維護次數：查詢(xún)時(shí)間段內的工作模式為維護的記錄條數；

        并網(wǎng)次數：查詢(xún)時(shí)間段內的并網(wǎng)為T(mén)RUE的記錄條數；

        偏航次數：左偏次數+右偏次數；

        左偏次數：偏航在逆時(shí)針運行模式為T(mén)RUE的記錄條數；

        右偏次數：偏航在順時(shí)針運行模式為T(mén)RUE的記錄條數；

        滿(mǎn)發(fā)小時(shí)數：統計周期內風(fēng)機發(fā)電量/風(fēng)機容量；

        人工停機小時(shí)數：查詢(xún)首尾時(shí)間的人工停機時(shí)間相減；

        環(huán)境溫度過(guò)低停機小時(shí)數：查詢(xún)首尾時(shí)間的環(huán)境溫度過(guò)低停機時(shí)間相減；

        風(fēng)暴停機小時(shí)數：查詢(xún)首尾時(shí)間的風(fēng)暴停機時(shí)間相減；

        3.數據庫主從熱備

        數據庫主從熱備目前行業(yè)通用的工具是使用:keepalive實(shí)現主從熱備，無(wú)縫切換。其配置簡(jiǎn)單，實(shí)用性高。keepalived的作用是檢測后端TCP服務(wù)的狀態(tài)，如果有一臺提供TCP服務(wù)的后端節點(diǎn)死機，或者工作出現故障，keepalived會(huì )及時(shí)檢測到，并將有故障的節點(diǎn)從系統中剔除，當提供TCP服務(wù)的節點(diǎn)恢復并且正常提供服務(wù)后keepalived會(huì )自動(dòng)將TCP服務(wù)的節點(diǎn)加入到集群中。這些工作都是keepalived自動(dòng)完成，不需要人工干涉。

        KeepAlive主機配置： 

 KeepAlive從機配置：