風電場網(wǎng)絡通訊采用光纜傳輸，風機與風機之間的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)采用可自愈式以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，風場級拓撲結(jié)構(gòu)為多環(huán)結(jié)構(gòu)。風機機艙與塔基之間的連接光纜為多模光纜。風機與風機之間及風機與監(jiān)控中心之間的連接均為單模光纜。風場通訊網(wǎng)絡環(huán)內(nèi)采用100M光纖以太網(wǎng)絡。核心交換機與風場監(jiān)控系統(tǒng)服務器的接口采用1000M以太網(wǎng)。

      硬件系統(tǒng)包括數(shù)采服務器2臺、數(shù)據(jù)服務器2臺、應用服務器2臺（應用服務器通常與數(shù)采服務器合二為一）、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(shù)據(jù)服務器存放歷史數(shù)據(jù)，具體實施過程中，甲方可根據(jù)風場規(guī)模進行服務器配置，小規(guī)模風場可將數(shù)采服務器、數(shù)據(jù)服務器、應用服務器合而為一，對于大規(guī)模風場可部署多臺數(shù)采服務器、數(shù)據(jù)服務器及應用服務器，軟件采用模塊化設計，可部署于同一臺服務器也可分別部署。

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

四、軟件設計說明

      將軟件分為三層，其組成和框架如下圖2。

      關(guān)于該系統(tǒng)開發(fā)，軟件部署主要包括風機數(shù)采服務器程序、應用服務器程序、數(shù)據(jù)服務器程序、發(fā)布機程序、I/O機程序。

      將該監(jiān)控系統(tǒng)程序根據(jù)功能結(jié)構(gòu)劃分為三層，采集層、服務層、前端網(wǎng)站，每部分均可根據(jù)服務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(zhuǎn)換及第三方接口通訊功能，主要通訊協(xié)議均部署在該服務器，在實際應用中，各技術(shù)協(xié)議是以應用的方式呈現(xiàn)的，可根據(jù)系統(tǒng)程序框架，自由添加協(xié)議，可對每個協(xié)議進程進行添加、關(guān)閉和配置。按照程序開發(fā)架構(gòu)方式，各通訊協(xié)議均可部署至任何一臺服務器。

      發(fā)布機包含了完整的網(wǎng)站服務、UI、網(wǎng)閘通訊、歷史數(shù)據(jù)記錄及查詢功能，將風機數(shù)據(jù)發(fā)布至公網(wǎng)，可遠程訪問查看該風場狀態(tài)。

（一）軟件架構(gòu)

      根據(jù)軟件的三層結(jié)構(gòu)，軟件的設計框架如圖3所示。 

1、SCADA展示層，首先需通過“檔案管理”模塊，錄入風機模塊信息，并導入模塊點表；

2、根據(jù)模塊信息組合出風機類型，配置風機相關(guān)的通信參數(shù)；

3、數(shù)據(jù)服務的部分，根據(jù)配置的風機相關(guān)信息，生成數(shù)采所需的配置信息：如鏈路配置，IO點表信息，創(chuàng)建風機通信的模塊；

4、風機配置完成后，數(shù)采的部分開始工作：各個通信模塊通過點表信息，采集風機的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入實時數(shù)據(jù)緩存；

5、實時數(shù)據(jù)rtdb緩存將數(shù)據(jù)進行整理，分發(fā)給不同的應用模塊

6、實時數(shù)據(jù)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(shù)采來控制風機；emqx主要用于SCADA頁面的實時數(shù)據(jù)訂閱/發(fā)布；redis主要用于緩存實時數(shù)據(jù)，并緩存一些統(tǒng)計信息；

7、能量管理算法模塊：處理風場本地調(diào)度、電網(wǎng)調(diào)度、集控調(diào)度；并將調(diào)度的過程進行記錄；

8、歷史數(shù)據(jù)的部分是通過實時數(shù)據(jù)的接口進行周期或者變位存盤；并定期做數(shù)據(jù)調(diào)度，處理統(tǒng)計信息；并需根據(jù)主控上傳的報警信息，處理報警數(shù)據(jù)的存盤；

9、SCADA展示層數(shù)據(jù)源從兩個方面獲?。簩崟r數(shù)據(jù)主要通過訂閱的方式從實時數(shù)據(jù)區(qū)獲??；歷史統(tǒng)計信息主要從歷史數(shù)據(jù)庫中獲??；

（二）通信層設計

1、風機設備模型：如圖4所示。 

1）.根據(jù)不同的風機類型點表，對點表進行抽象分類，并對分類的數(shù)據(jù)點進行編碼，并生成數(shù)據(jù)點表；

2）.數(shù)據(jù)點表可以在檔案管理里面進行相關(guān)的處理；

3）.展示層所有的標量數(shù)據(jù)顯示都是根據(jù)指標碼的形式反向查詢數(shù)據(jù)檔案進行顯示；

2、數(shù)據(jù)傳輸流程：如圖5所示。 

1）.數(shù)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(qū)動，保證現(xiàn)場所有的設備能夠正常聯(lián)網(wǎng)通信；所有的數(shù)據(jù)進入實時共享內(nèi)存區(qū)，供其它接口實時訪問；

2）.在數(shù)采服務器與數(shù)據(jù)服務器分離的情況下，前置服務器用于接收數(shù)采傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，此部分需代碼重新開發(fā)調(diào)整

3）.報警引擎的部分：需在QTouch的報警體系下進行重定義代碼級開發(fā)調(diào)整；

4）.消息中間件：采集第三方emqx消息中間件，redis實時數(shù)據(jù)緩存；用做數(shù)據(jù)的實時訂閱和發(fā)布（此功能需代碼開發(fā)調(diào)整）；

5）.此部分會用到兩套emqx中間件：一套用作頁面實時展示的數(shù)據(jù)，一套用作控制下發(fā)的操作，確?？刂频膶崟r有效而不受其它模塊影響

6）.一套redis實時數(shù)據(jù)緩存服務：主要用于頁面的實時曲線數(shù)據(jù)緩存部分的數(shù)據(jù)；

7）.原始數(shù)據(jù)直接根據(jù)接收端的數(shù)據(jù)緩存直接存儲：此部分需代碼級開發(fā)

8）.根據(jù)業(yè)務邏輯，將數(shù)據(jù)進行分庫分表存儲：如，分鐘、小時、天、月、年進行分表存儲；業(yè)務邏輯存儲部分，單一個模塊，直接從實時數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)；

9）.分表策略；仍然以風機為單位，單個風機分為模擬量表、開關(guān)量表（模擬量和開關(guān)量分開，主要是因為模擬量可以按照秒級存儲，開關(guān)量按照狀態(tài)變化來存儲）；以橫向存儲為原則，即單個風機在一個時刻存儲在數(shù)據(jù)庫中為一條數(shù)據(jù)；

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

11）.與第三方數(shù)據(jù)交互主要采用OPC UA、或者104等通信協(xié)議來進行交互；

（三）服務引用層

1.系統(tǒng)服務

      整個系統(tǒng)提供七大服務：數(shù)采服務、消息中間件服務、存儲數(shù)據(jù)服務、數(shù)據(jù)服務、數(shù)據(jù)調(diào)度服務、數(shù)據(jù)推送服務、web服務，如圖6所示： 

2.服務集群部署：如圖7所示 
 

（四）數(shù)據(jù)庫層

1.功能與數(shù)據(jù)流向圖

      從原始數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)到數(shù)據(jù)輸出到前端供WEB系統(tǒng)應用，整個數(shù)據(jù)流向分為：原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)應用三個階段。 

      原始數(shù)據(jù)，即由前置通訊解析完成后所取得的設備數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)不作任何二次計算。在原始數(shù)據(jù)中，由于數(shù)據(jù)存儲的頻率到秒級、要求存儲的周期至少3個月，設備數(shù)量在300臺左右，因此在原始數(shù)據(jù)的存儲上以設備為單位進行分表。則300臺設備其原始數(shù)據(jù)為300套數(shù)據(jù)單元表。

      數(shù)據(jù)預處理：為提高系統(tǒng)訪問速度，給予前端應用良好的體驗效果，故應以最小的延時時間讓用戶盡快獲取到數(shù)據(jù)。在原始數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)庫后，再根據(jù)應用功能的要求進行數(shù)據(jù)的二次計算，包括發(fā)電量、故障統(tǒng)計、風速統(tǒng)計，也包括最大值、最小值等數(shù)據(jù)的計算。整個數(shù)據(jù)的預處理，將會在后臺以不同的頻率時行調(diào)度執(zhí)行，執(zhí)行完成的結(jié)果寫入固定的數(shù)據(jù)表中，再給其它功能調(diào)度使用。 

      數(shù)據(jù)應用：數(shù)據(jù)應用的直接體現(xiàn)為用戶前端的數(shù)據(jù)查詢。根據(jù)分表的原則，以秒級為單位，則單臺風機的月累計數(shù)據(jù)量為：86400條，連續(xù)保存三個月，則為：26萬條。數(shù)據(jù)應用查詢以單臺風機查詢時，可以保持良好的體驗。

2.實體和屬性

      實體是實體-關(guān)系模型的基本對象，是現(xiàn)實案例中各種事物的抽象。凡是可以相互區(qū)別并可以被識別的事、物、概念等對象均可認為是實體。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以單臺風機為基礎，按實體進行劃分如下：

        數(shù)據(jù)分表

        2.1原始表

        ①表命名規(guī)則：

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

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

        fan_sto_風機編號_hour : 時級存儲(按月、風機編號分表)

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

        ②外鍵關(guān)聯(lián)：

        sto_field_id 風場編號 >>關(guān)聯(lián)>>dwf_field風場表的dwf_id

        sto_fan_id 風機編號 >>關(guān)聯(lián)>>dgf_fan風場表的dgf_id

        ③取值方案：

        原始表根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為：模擬量。模擬量根據(jù)數(shù)據(jù)粒度分為：秒級、分鐘級、小時級，其中，秒級存儲原始值；分鐘級存儲整分時刻原始值；小時級存儲整點時刻原始值；

        ④原始數(shù)據(jù)存儲及自動創(chuàng)表原則：

        原始數(shù)據(jù)儲存單風機一個月數(shù)據(jù)，自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)表可以調(diào)用存儲過程，亦可以在代碼中創(chuàng)建。

        ⑤表數(shù)據(jù)容量估算：

        秒級數(shù)據(jù)單月存儲量：60秒*60分*24小時*31天=268萬

        分鐘級數(shù)據(jù)單月存儲量：60分*24小時*31天=4.46萬

原始數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)： 

         數(shù)字量存儲：

        ①表命名規(guī)則：

        fan_std_風機編號_年份 : 開關(guān)量量化即儲存（按年、風機編號分表）

        ②外鍵關(guān)聯(lián)：

        std_field_id 風場編號 >>關(guān)聯(lián)>>dwf_field風場表的dwf_id

        std_fan_id 風機編號 >>關(guān)聯(lián)>>dgf_fan風場表的dgf_id

        ③取值方案：

        開關(guān)量量化即儲存

        ④原始數(shù)據(jù)存儲及自動創(chuàng)表原則：

        每臺風機每年一張表，自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)表可以調(diào)用存儲過程，亦可以在代碼中創(chuàng)建。

        ⑤表數(shù)據(jù)容量估算：

        單表一年數(shù)據(jù)：41次*365天*200開關(guān)量=299萬

        即每天風機的所有開關(guān)量平均變化不超過41次時，單表一年數(shù)據(jù)不超成功300萬條
 

        2.2實時表

        實時表主要用來存儲單臺風機實時數(shù)據(jù)，單臺實時數(shù)據(jù)包括：實時值、狀態(tài)值、統(tǒng)計值和靜態(tài)檔案。

        實時值：實時刷新風機的參數(shù)值由消息隊列推送于前端應用。另外一部分實時值包括氣象數(shù)據(jù)、箱變信息也一并由消息隊列推送于前端應用。

        狀態(tài)值：風機運行狀態(tài)由設備端上送風機狀態(tài)，（變化上送和存儲）主動存儲到設備狀態(tài)數(shù)據(jù)表中。

        統(tǒng)計值：由歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，包括：日發(fā)電量、月發(fā)電量，報警數(shù)據(jù)量，累計運行時間、累計維護次數(shù)等統(tǒng)計值。

        設備檔案：包括設備編號、設備類型等靜態(tài)信息。

        2.3設備狀態(tài)

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

        2.4統(tǒng)計表

        統(tǒng)計表主要針對37項統(tǒng)計項，分為自由統(tǒng)計和報表下載；自由統(tǒng)計由：普通統(tǒng)計、分段統(tǒng)計、風玫瑰圖報表、功率曲線報表組成；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、時間可利用率報表、發(fā)電量可利用率報表組成。

        37項統(tǒng)計方法說明如下：

        發(fā)電量：查詢首尾時間的總發(fā)電量相減；

        耗電量：查詢首尾時間的耗電量相減；

        風機可以用率：1-（風機自身故障小時數(shù)/統(tǒng)計小時數(shù)）；

        最小風速：查詢時間段內(nèi)的瞬時風速取最小值；

        最大風速：查詢時間段內(nèi)的瞬時風速取最大值；

        平均風速：查詢時間段內(nèi)的瞬時風速進行累加/查詢到的記錄條數(shù)；

        最小有功功率：查詢時間段內(nèi)的有功功率取最小值；

        最大有功功率：查詢時間段內(nèi)的有功功率取最大值；

        平均有功功率：查詢時間段內(nèi)的有功功率累加/查詢到的記錄條數(shù)

        最小無功功率：查詢時間段內(nèi)的無功功率取最小值；

        最大無功功率：查詢時間段內(nèi)的無功功率取最大值；

        平均無功功率：查詢時間段內(nèi)的無功功率累加/查詢到的記錄條數(shù)

        低環(huán)境溫度：查詢時間段內(nèi)的環(huán)境溫度取最小值；

        最高環(huán)境溫度：查詢時間段內(nèi)的環(huán)境溫度取最大值；

        平均環(huán)境溫度：查詢時間段內(nèi)的環(huán)境溫度進行累加/查詢到的記錄條數(shù)；

        有效風小時數(shù)：查詢首尾時間的有效風小時數(shù)相減；

        有效風時率：有效風小時數(shù)/統(tǒng)計小時數(shù)*100%；

        風機可用小時數(shù)：風機正常運行小時數(shù)+非風機自身故障停機小時數(shù)；

        風機正常運行小時數(shù)：查詢首尾時間的風機正常運行時間相減；

        發(fā)電小時數(shù)：查詢首尾時間的發(fā)電小時相減；

        停運小時數(shù)：統(tǒng)計總時間-統(tǒng)計時間段的風機正常運行小時數(shù)；

        故障停機小時數(shù)；查詢首尾時間的故障停機時間相減；

        風機自身故障停機小時數(shù)：查詢首尾時間的風機自身故障停機時間相減；

        非風機自身故障停機小時數(shù)：故障停機小時數(shù)-風機自身故障停機小時數(shù)；

        維護小時數(shù)：查詢首尾時間的服務時間相減；

        故障停機次數(shù)：查詢時間段內(nèi)的故障為TRUE的記錄條數(shù)；

        風機自身故障停機次數(shù)：查詢時間段內(nèi)的風機自身故障停機為TRUE的記錄條數(shù)；

        非風機自身故障停機次數(shù)：故障停機次數(shù)-風機自身故障停機次數(shù)；

        維護次數(shù)：查詢時間段內(nèi)的工作模式為維護的記錄條數(shù)；

        并網(wǎng)次數(shù)：查詢時間段內(nèi)的并網(wǎng)為TRUE的記錄條數(shù)；

        偏航次數(shù)：左偏次數(shù)+右偏次數(shù)；

        左偏次數(shù)：偏航在逆時針運行模式為TRUE的記錄條數(shù)；

        右偏次數(shù)：偏航在順時針運行模式為TRUE的記錄條數(shù)；

        滿發(fā)小時數(shù)：統(tǒng)計周期內(nèi)風機發(fā)電量/風機容量；

        人工停機小時數(shù)：查詢首尾時間的人工停機時間相減；

        環(huán)境溫度過低停機小時數(shù)：查詢首尾時間的環(huán)境溫度過低停機時間相減；

        風暴停機小時數(shù)：查詢首尾時間的風暴停機時間相減；

        3.數(shù)據(jù)庫主從熱備

        數(shù)據(jù)庫主從熱備目前行業(yè)通用的工具是使用:keepalive實現(xiàn)主從熱備，無縫切換。其配置簡單，實用性高。keepalived的作用是檢測后端TCP服務的狀態(tài)，如果有一臺提供TCP服務的后端節(jié)點死機，或者工作出現(xiàn)故障，keepalived會及時檢測到，并將有故障的節(jié)點從系統(tǒng)中剔除，當提供TCP服務的節(jié)點恢復并且正常提供服務后keepalived會自動將TCP服務的節(jié)點加入到集群中。這些工作都是keepalived自動完成，不需要人工干涉。

        KeepAlive主機配置： 

 KeepAlive從機配置：