簡介
一個高速、工業級的網絡基礎設施可以為風電場運營商提供許多好處，包括改善網絡的運行管理、可視性和關鍵數據訪問。實時數據訪問使運營商能夠監控風力發電機組的正常運行時間、性能和輸出功率 - 甚至是從遠程位置。這些用來跟蹤發電效率和趨勢的數據，為“智能電網”技術提供了關鍵的預測信息。本白皮書首先描述了一個典型的風電場環境，然后將探討六個能夠幫助風電場有效運行的最佳做法，以供運營商考慮。
風電場環境
風電場的運行環境通常不適合傳統的網絡設備。因此，那些被設計用于氣溫受控的數據中心和布線室的標準商業級交換機和路由器不應該在室外場所使用。因為它們無法承受大多數與電網連接的風電場所經常見到的惡劣環境，比如溫度波動、濕度、震動、灰塵以及來自發電設備和高壓輸電線路的電磁干擾等等。
由于風力發電機所生產的每一度電都出售給消費者，網絡中斷和停機將導致運營商收入受損，這是令人無法接受的。為了避免昂貴的維修費用和收入損失的威脅，風電場運營商應該部署可靠的容錯設備，以延長平均故障間隔時間(MTBF)。平均無故障率很重要，因為野外的勞動力成本遠高于IT領域。在很難到達的邊遠地方，即使是更換最簡單的交換機，費用也非常昂貴。
要讓風電場有效運行，就必須考慮到現場的復雜性和極端條件。人們已經為極其惡劣的環境設計了工業級網絡解決方案。除了應對室外場所特有的惡劣條件和溫度波動，工業交換機還能提供高度確定的性能，這意味著數據能夠盡快地從源頭到達目的地。這樣就能夠主動防止失敗，同時最大限度地延長正常運行時間。內置的冗余有助于消除意想不到的故障點，以免其對性能產生負面影響和增加維修費用。旨在保護基礎設施投資的工業級網絡可以支持多種拓撲結構和規模，以適應需求增加所帶來的設備增長。并且，它們還很容易部署和管理。圖1描繪了一種使用冗余以太網拓撲的風電應用。
在對風電場進行聯網的時候，應考慮以下六個最佳做法，以優化風電場的部署和運行：
1. 電源冗余性
保持網絡的不間斷運行對于風電場的效率和能源生產是至關重要的。網絡哪怕是出現短暫的中斷也會導致服務中斷和收入損失。任何一件電子產品，其最常見的故障點就在于它的電源。雖然傳統的商用交換機使用廉價的壁掛式交流/直流供電器并插到標準的墻上插座，工業以太網交換機則是使用兩條冗余且獨立的供電連接，它們分別連接到直流電源總線和備用電源系統。雙電源輸入的工業交換機可以保護系統不受單點故障的影響。因此，理想的風電場的網絡配置應該將電路板級別的穩健設計與冗余式供電結合起來，以防止設備出現故障和造成停機時間，同時保護設備免遭雷電和浪涌電壓的沖擊。
因人類或自然原因所造成的電纜斷裂以及連接器或收發器故障是另一種常見的可以對網絡可靠性產生負面影響的問題。在這種情況下，冗余或“環形”網絡部署 - 如在上面的圖2所示的N-環的例子 – 可以幫助保證網絡的正常運行時間，直到派遣的維修人員修復故障。
2. 可擴展性
全球的能源需求不斷在增加。許多國家轉向可再生能源，風能產業正在經歷創紀錄的裝機容量增長。隨著需求的增加，擴展能力對于風電場的有效和富有成效的運行是必不可少的。
環形配置 – 每個環上可支持多達250個交換機 – 就提供了這種可擴展性。工業管理交換機為網絡設計提供了靈活性，使更多的發電機能夠無縫互聯，以支持經濟增長。工業交換機提供了可靠的長期解決方案，其MTBF可達超過1,000,000小時，并可以輕松地擴展以滿足不斷變化的需求。
3. 支持多種光纖
大多數工業交換機都提供多模光纖(MMF)和單模光纖(SMF)選擇。多模光纖提供了中等距離-可遠達2公里-的高帶寬解決方案，而單模光纖則用于較長距離-20至80公里。理想的交換解決方案應該具有靈活性，在同一單元同時支持MMF和SMF，使渦輪機可以在不同的距離實現連接，而無需購買單獨的光纖交換機。
由于電力是由渦輪機產生，并通過塔內的電纜傳輸，因而塔內有相當大的電磁干擾(EMI)。這可能對專門使用Cat5e銅線電纜的網絡通信造成負面影響。銅電纜起了天線的作用，并由此可能受到EMI的不利影響。而光纖電纜則不受電磁干擾的影響。重要的是，風電場應用的工業以太網交換機有三個或更多的光纖端口。每臺交換機上的多個光纖端口可提供兩個與冗余環網的連接，另外至少還有一個額外的光纖端口。這樣可以將光纖電纜鋪設到渦輪機頂部，以確保最大的抗電磁干擾能力和網絡正常運行時間。
同樣重要的是，要確保網絡由經驗豐富的人員進行設計和安裝，他們應受過專門培訓，能夠正確處理和連接光纜。光纖的處理、安裝或連接不當會對網絡的性能和可用性產生負面影響，這最終可能導致昂貴的維修。
4. 溫度等級
功耗與溫度等級直接相關，這反過來又可能影響可靠性。根據地點和一年當中季節的不同，風力渦輪機組面臨的溫度波動可以從極熱到冰冷。這就是為什么工業交換機被設計成在沒有外部冷卻裝置的情況下，仍能夠承受從-40°C到至少75°C-(某些情況下高達85°C-)的溫度范圍的原因之一 。
請特別注意，并不是所有的制造商在設計極端溫度條件下運行的電子產品時都考慮功耗的問題。在這種情況下，有些廠商可能會試圖走捷徑以使其產品具有能夠抵御風電場所需的嚴酷溫度的假象。典型的捷徑包括在測試性能特性時選用壽命隨溫度增加而可能增加的電路板，然后將組裝的產品定位成額定工作溫度較高的產品。在這種情況下，在極端條件下使用這樣的產品時失敗的可能性較高。
另外一些制造商則是首先生產標準的產品，然后成批進行測試以找出能夠在特定溫度下工作的部件。在這種情況下，產品并不是設計在長時間高溫條件下運行的，這可能會導致產品在現場使用時過早地失效。測試一款只在短時間內使用的產品與設計一款經過工業強化的解決方案，并且證明它能夠在極端溫度下承擔多年的服務，是有很大不同的。
風扇和通風口這樣的冷卻系統也可能對設備在極端溫度下的工作帶來負面影響。風扇的典型MTBF為25000小時，比一個良好的工業以太網交換機的1-2萬小時要短許多。如果風扇停止工作，利用風扇進行冷卻的交換機就可能自動關機。另外，盡管風扇能夠通過外部循環來調節溫度，潮濕或腐蝕性空氣可能會造成問題，縮短風扇并最終縮短交換機的壽命。當使用風扇來將更多的外部空氣推進到設備內部時，這種問題就更加嚴重。在這種情況下，一個看似簡單、低成本的解決方案，可能會導致大量的網絡停機時間和維護成本。
要確保任何運行條件下的可靠性能，至關重要的是采用的風力渦輪機組基礎設施是基于信譽良好的工業級網絡技術設計，并已證明能夠應對溫度和功耗波動。
5. 易于使用
風電場運營商應選只需很少配置工作的開箱即用式工業交換機。他們應采購易于使用的交換機以提供：
即插即用的能力，可以自動檢測網絡的變化
端口速率自動協商，MDI/MDIX自動交叉，TD/RD極性自動轉換，以便無論連接的是哪個設備，都可以使用同一條電纜
全面的網絡功能如直觀式軟件和先進的管理工具
控制臺端口的用戶行界面(CLI)，以及基于網絡能夠支持網絡專家和其他用戶的圖形界面
6. 先進管理工具
作為對冗余、可擴展性、光纖支持、溫度等級和易用性的補充，通過提供方便的配置和管理以及對關鍵網絡數據的實時訪問，先進的管理工具如組播和VLAN支持、重疊式VLAN、服務質量、自動IGMP捕獲和DHCP有助于改進風電場的運行效率。有堅固包裝的工業交換機提供了確定性的網絡連接，使網絡監測自動化，網絡正常運行時間、性能、流量模式和輸出功率最大化- 甚至是人工監測費用昂貴且需要大量資源的偏遠地點。這使得運營商能夠對發電進行跟蹤，對趨勢作出分析和報告，對網絡進行優化，以確保風電場的平穩運行。
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