基于磁盘矩阵的SCADA系统冗余改造应用研究

基于磁盘矩阵的SCADA系统冗余改造应用研究

义吉冬

大唐华银（湖南）新能源有限公司  湖南长沙  410000

摘要：近年来,我国风电行业发展迅速,装机容量逐年激增,风电场的规模不断扩大。风电SCADA系统的重要性逐渐显现,各电力公司对其重视程度也达到前所未有的高度。随着风电场的分期扩建,风电场的机型越来越多.各风电场远程监控(SCADA)系统规划不合理,硬件选型冗余不足,多种通讯规约互不兼容等问题逐步凸显出来。冗余改造技术被广泛应用于风电场SCADA系统中，以提高系统的可用性和容错能力。本文主要探讨了风电场SCADA系统冗余改造的原因、方法、实施步骤以及改造后带来的好处。

关键词：风电场；SCADA系统；冗余改造；远程监控

磁盘矩阵又叫RAID，RAID是英文Redundant Array of lndependent Disks的缩写，简单的说，RAID是一种把多块独立的硬盘物理硬盘)按不同的方式组合起来形成一个硬盘组逻辑硬盘)，从而提供比单个硬盘更高的存诸性能和提供数据备份技术。组成磁盘阵列的不同方式成为RAID级别(RAID Levels).数据备份的功能是在用户数据一旦发生损坏后，利用备份信息可以使损坏数据得以恢复，从而保障了用户数据的安全性。在用户看起来，组成的磁盘组就像是一个硬盘，用户可以对它进行分区，格式化等等。总之，对磁盘阵列的操作与单个硬盘一模一样.不同的是，磁盘阵列的存储速度要比单个硬盘高很多，而且可以提供自动数据备份。

风电场SCADA系统在监控和控制风力发电机组的同时，还负责采集和传输大量的实时数据。然而，随着风电场规模的扩大，SCADA系统的故障会对风电场的运营和维护带来严重的影响。因此，进行冗余改造成为提高风电场SCADA系统可靠性和稳定性的重要手段。

本文提出了一种基于磁盘矩阵的SCADA系统。此案例介绍了大唐邵阳某风电场的SCADA系统，改造后SCADA系统具备“双机热备”功能，SCADA系统稳定性有大幅提升。

1  风电场SCADA系统基本结构

SCADA系统是许多软件、硬件的组合，包括传感器、智能仪表、RTU、PLC、底层设备等，来自这些系统的数据被发送到中央SCADA单元。SCADA系统软件通常也称为组态软件，是上位机软件中的一种。

2  风电场SCADA系统冗余改造分析

2.1  风电场SCADA系统现状分析

大唐邵阳某风电场现场SCADA系统已运行近7年，目前SCADA系统后台配置两台DELL R930型服务器，因长时间运行，历史缓存数据增大、服务器硬件老化等原因，现场频繁出现因SCADA程序卡死导致整场风机通讯丢失的情况，且现场SCADA系统服务器不具备“双机热备”功能，系统运行稳定性、可靠性差，已经不能满足安全生产的需求。

某风电场2020年改双机互备系统（仅通过芯跳线进行连接）如图1所示，2021年因系统卡死状况频发又改成“一主一备”系统如图2所示。

图1  2020年“双机互备”网络拓扑结构

图2  2021年-2023年7月“一主一备”网络拓扑结构

2.2 冗余改造的优缺点

1.系统可用性改善：冗余配置可以确保SCADA系统在部分组件故障的情况下仍能正常运行，降低系统停运风险。

2.容错能力提升：通过引入冗余设备和备份通信链路，系统具备更好的容错能力，可以迅速切换到备份设备上，减少故障对系统的影响。

3. 技术更新和现代化：冗余改造是对老旧SCADA系统的升级和现代化改造的重要途径。

2.3 冗余改造方法

设备冗余：引入备份服务器、控制器和通信模块等设备，实现设备之间的热备份或冷备份。

通信冗余：采用冗余通信链路，通过双网冗余或环网冗余等方式，提高通信系统的可靠性。

数据存储冗余：利用冗余存储单元备份数据，确保数据的安全性和可靠性。

2.4改造实施步骤

系统评估与规划：对当前SCADA系统进行评估，确定改造需求和方案。

设备选型与采购：根据需求和方案，选择合适的冗余设备，并进行采购。

系统配置与布线：对冗余设备进行配置，确保系统顺利运行。

联调与测试：对改造后的SCADA系统进行联调和测试，确保冗余配置的有效性和可靠性。

上线与运维：改造完成后，及时上线和投入运营，加强运维管理，保证系统的长期稳定运行。

2.5改造后带来的好处

提升系统可用性：冗余改造可以大大减少系统停运时间，提高系统的可用性和稳定性。

提高故障容忍能力：冗余配置在部分设备故障的情况下，可以迅速切换到备份设备，减少故障对系统的影响。

增加系统扩展性：通过冗余改造，系统具备更好的扩展性，可以适应风电场规模的扩大和技术的发展。

风电场SCADA系统冗余改造是提高系统可靠性和稳定性的重要手段，通过设备冗余、通信冗余和数据存存冗余等方法的应用，可以显著提升系统的可用性和容错能力。改造过程中需要进行系统评估与规划、设备选型与采购、系统配置与布线、联调与测试以及上线与运维等步骤。冗余改造后，风电场SCADA系统将获得许多好处，包括提升系统可用性、增加故障容忍能力和增强系统扩展性等。

2.6冗余改造的缺点

然而，冗余改造也存在一定的挑战和考虑因素。首先，改造过程可能需要一定的投资和成本，包括设备采购和人工费用。其次，改造过程可能需要停机或减少发电量，对风电场的运营产生一定的影响。此外，改造后的系统需要进行定期的维护和监测，以确保冗余配置的有效性和可靠性。

3  成功案例

为了更好地理解风电场SCADA系统冗余改造的实际效果，可以参考一些成功的案例。以下是一些典型案例的简要描述：

案例一：某风电场完全实施了设备冗余和通信冗余的改造方案。他们引入了备份服务器和控制器，并配置了双网冗余的通信链路。改造后，系统在设备故障和通信中断情况下依然能够正常运行，可用性显著提高。

案例二：大唐邵阳某风电场通过数据存储冗余的改造方案，提高了系统的数据安全性和可靠性。他们引入了冗余存储单元，并实现了数据的实时备份。这使得系统在数据丢失或存储设备故障时，能够快速恢复并保证风电场的正常运行。拓扑图如图3所示。

图3  增加磁盘矩阵网络拓扑结构

这些案例表明，风电场SCADA系统冗余改造可以显著提高系统的可靠性和稳定性，为风电场的运营和维护提供了可靠的支持。

4  结语

风电场SCADA系统冗余改造是现代风电场发展中的重要领域之一。通过设备冗余、通信冗余和数据存储冗余等改造方法，可以大幅提升系统的可用性和容错能力。然而，在进行冗余改造时，需权衡投资成本、系统停机时间、运营影响等因素，并且定期进行维护和监测，以确保冗余配置的有效性。

未来的研究方向可以包括更先进的冗余改造技术应用、冗余改造的经济效益分析、冗余改造对系统性能的影响等方面的探索。总之，风电场SCADA系统冗余改造是提高系统可靠性和稳定性的重要方法，通过综合考虑系统需求和经济效益，合理选择冗余方案，可以为风电场运营商带来长期的利益。