分布式控制系統(tǒng)在風(fēng)電機(jī)組控制中的應(yīng)用

楊衛(wèi)民，王斌，秦成虎，董勝剛，師毓佳

(國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

1 問題的提出

我國風(fēng)電發(fā)展已成為較為成熟的可再生能源，截至2009年年底，我國風(fēng)電并網(wǎng)總?cè)萘窟_(dá)16．13 GW，同比增長92．26%。其中，2009年風(fēng)電電量為269億kW·h時(shí)，同比增長105．86%，占總電量的0．75%。我國已建立起了200個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)的迅速發(fā)展帶動(dòng)了風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和風(fēng)能技術(shù)的進(jìn)步。我國已能自行研制兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組，最大功率達(dá)到3．0MW并開始規(guī)劃海上風(fēng)電項(xiàng)目。

當(dāng)前，國內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)組裝基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，機(jī)組部件諸如葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、軸承、塔筒、機(jī)艙罩等電氣和機(jī)械部件已能完全替代國外產(chǎn)品。作為風(fēng)電機(jī)組可靠穩(wěn)定運(yùn)行核心的電控系統(tǒng)(包括機(jī)組主控系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)和變漿系統(tǒng))尚不能迅速國產(chǎn)化。在主控系統(tǒng)方面，國內(nèi)整機(jī)廠家保留了所引進(jìn)原型機(jī)原配系統(tǒng)或在進(jìn)口風(fēng)電專用可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)基礎(chǔ)上進(jìn)行控制策略的應(yīng)用。

由于國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)總體處于起步階段，各配套部件廠家的設(shè)備性能需要通過長時(shí)間運(yùn)行磨合并不斷提高，可靠性程度仍然需要不斷提高，因此，采用原配系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)主控維護(hù)成本居高不下，采用進(jìn)口風(fēng)電專用PLC的主控系統(tǒng)因核心部件的局限性使其在運(yùn)行過程中無法根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制策略的優(yōu)化和完善，從而影響機(jī)組長期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

隨著國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量的持續(xù)擴(kuò)大，風(fēng)場(chǎng)規(guī)模已從50MW上升到200MW乃至300MW，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)不局限于所屬風(fēng)機(jī)的控制，而要涉及到整個(gè)風(fēng)場(chǎng)功率動(dòng)態(tài)分配的范疇，從而對(duì)機(jī)組控制系統(tǒng)提出了新的要求［1］。

2 風(fēng)機(jī)機(jī)組控制對(duì)象分布、運(yùn)行環(huán)境要求及控制需求分析

風(fēng)電機(jī)組控制主要涉及到輪轂中的變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)發(fā)電、發(fā)電機(jī)、液壓站、變速箱、盤式剎車、振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)艙內(nèi)外環(huán)境控制及供電電源質(zhì)量等監(jiān)控。上述監(jiān)控點(diǎn)分布在整個(gè)機(jī)艙內(nèi)和塔筒底部。兆瓦級(jí)機(jī)組監(jiān)控點(diǎn)一般在100～200個(gè)，且逆變系統(tǒng)具有塔頂機(jī)艙和塔底塔筒等多種安裝方式，而變槳系統(tǒng)一般安裝在機(jī)艙頭部輪轂中，因此，機(jī)組被控對(duì)象具有典型的分布式特征。

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，均為戶外安裝，在我國西北地區(qū)運(yùn)行的機(jī)組需要耐低溫風(fēng)雪的侵蝕，東南部沿海地區(qū)又需要考慮鹽霧的影響，因此，對(duì)控制系統(tǒng)的溫度特性、耐腐蝕特性均有極高的要求。

風(fēng)電機(jī)組輸入具有不可控性和波動(dòng)性，而機(jī)組輸出又需要滿足電網(wǎng)并網(wǎng)的要求，因此，對(duì)于單元機(jī)組控制系統(tǒng)要求具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以利于大規(guī)模機(jī)組群平穩(wěn)地功率輸出。

風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙及內(nèi)部設(shè)備質(zhì)量達(dá)幾十噸，因此，要求安裝在塔頂?shù)目刂乒窬哂凶钚』w積，同時(shí)控制系統(tǒng)需要便于接線和安裝維護(hù)。

除此之外，控制系統(tǒng)的HMI顯示功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控通信功能，必要的當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，完備的自診斷功能也是必不可少的。

3 風(fēng)電機(jī)組常見的幾種控制系統(tǒng)分析

目前，國內(nèi)市場(chǎng)風(fēng)機(jī)整機(jī)廠家配套的主控系統(tǒng)基本為國外進(jìn)口產(chǎn)品，主要有以下3類特征:

(1)以丹麥Mita公司W(wǎng)P3100，WP4000系列為代表的風(fēng)電機(jī)組專用控制系統(tǒng)。

(2)以奧地利Bachmann公司M1系列和德國Beckhoff公司CX1020嵌入式PC為代表的風(fēng)電機(jī)組專用PLC控制系統(tǒng)。

(3)以 Siemens S7－300/S7－400，羅克韋爾(A－B)公司CompactLogix系列為代表的中小型通用PLC構(gòu)成的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)。

比較上述幾類系統(tǒng)，其技術(shù)特點(diǎn)為是各具特色:

(1)Mita公司作為老牌的風(fēng)電主控系統(tǒng)研究和制造廠家，過去20年間在分布于世界各地?cái)?shù)萬臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此，其控制系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)的緊湊性、運(yùn)行的穩(wěn)定性和控制策略的豐富性方面都可圈可點(diǎn)。該系統(tǒng)本地功能非常強(qiáng)大，內(nèi)部可提供診斷和控制狀態(tài)信息多達(dá)千余條，技術(shù)人員可方便地通過就地或遠(yuǎn)程進(jìn)行維護(hù)。內(nèi)部控制程序采用C++語言編制，盡管在HMI界面上預(yù)留了多種參數(shù)設(shè)定權(quán)限，但是，控制策略仍然需要廠家進(jìn)行調(diào)整，測(cè)點(diǎn)類型和數(shù)量需要在整機(jī)制造前約定，在線增加測(cè)控點(diǎn)不方便。報(bào)警信息采用代碼制，界面沒有實(shí)現(xiàn)中文化，這些因素給運(yùn)行人員維護(hù)造成了不便。該控制系統(tǒng)技術(shù)保密性很強(qiáng)，需要依賴專業(yè)廠家進(jìn)行維護(hù)。

(2)奧地利Bachmann公司和德國Beckhoff公司的風(fēng)電主控系統(tǒng)均是在通用PLC基礎(chǔ)上演變而來的，其中系統(tǒng)性能指標(biāo)為適應(yīng)風(fēng)電控制嚴(yán)酷的環(huán)境要求進(jìn)行了強(qiáng)化，均可達(dá)到在－30～60℃惡劣環(huán)境下的使用要求，I/O模塊在常規(guī)通用PLC I/O基礎(chǔ)上進(jìn)行了混合集成，對(duì)于機(jī)組控制多見的DI/DO測(cè)點(diǎn)而言，它可在模塊內(nèi)部定義信號(hào)類型，從而最大程度地減少模塊種類和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化。Bachmann公司在控制邏輯上可提供部分其自帶的控制算法功能模塊。此類PLC因?yàn)槭窃谕ㄓ肞LC基礎(chǔ)上強(qiáng)化而來的，它保留了傳統(tǒng)PLC的特點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)擴(kuò)展功能方便，通信擴(kuò)展功能豐富，邏輯組態(tài)支持符合IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)等特征。目前，國內(nèi)很多整機(jī)廠家采用這類產(chǎn)品針對(duì)自己的目標(biāo)機(jī)型進(jìn)行控制邏輯的開發(fā)，控制邏輯一般采用順序功能流程化語言SFC(Sequential Function Chart)和結(jié)構(gòu)化文本語言ST(Strutured Text)混合編制，由廠家自行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試完成后交付風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主。

(3)Siemens S7－300/S7－400;羅克韋爾(AB)公司CompactLogix系列為代表的通用PLC廠家因?yàn)槠涔┴浐褪酆缶S護(hù)的方便性、成本的相對(duì)低廉性而得到一些整機(jī)廠的青睞。

以上幾類進(jìn)口系統(tǒng)技術(shù)性能各有各的特點(diǎn)，但因?yàn)榈讓悠脚_(tái)均掌控在國外廠家手里，同時(shí)國內(nèi)整機(jī)廠因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)的需要，整機(jī)交付并完成試運(yùn)行后，機(jī)組控制策略一般不交付給運(yùn)行維護(hù)人員，而是由整機(jī)廠進(jìn)行維護(hù)，造成運(yùn)營商維護(hù)成本較高，維護(hù)響應(yīng)較慢，從而影響了有效發(fā)電時(shí)間。

以PLC為基礎(chǔ)的風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)，基本可以滿足單臺(tái)風(fēng)機(jī)的控制需要。但是，同一風(fēng)場(chǎng)中的不同機(jī)組之間可交互的信息非常少，不容易實(shí)現(xiàn)全風(fēng)場(chǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模越來越大，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中的比例也越來越大，這些都對(duì)風(fēng)電的控制提出了新的要求。例如，要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)電控制AGC(Automatic Generation Control)功能，而要實(shí)現(xiàn)這一功能，必須要對(duì)全風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。基于分散控制系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)充分利用了系統(tǒng)分散性和集中性的特點(diǎn)，將各風(fēng)電機(jī)組的控制分散到各機(jī)組的物理點(diǎn)，同時(shí)將不同機(jī)組的數(shù)據(jù)相對(duì)集中進(jìn)行綜合分析和處理，可方便地進(jìn)行機(jī)組之間的協(xié)調(diào)控制。

4 面向?qū)ο蟮腤P100系列風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)

WP100系列風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)是國電南京自動(dòng)化股份有限公司以大中型火電機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)研發(fā)和工程實(shí)施為基礎(chǔ)，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行和維護(hù)需要推出的專用控制系統(tǒng)。采用WP100系列控制系統(tǒng)構(gòu)成的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的典型配置方案如圖1所示。

圖1 采用WP100系列控制系統(tǒng)構(gòu)成的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)典型配置方案

4．1 系統(tǒng)架構(gòu)配置方案

針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組測(cè)點(diǎn)分布特性和運(yùn)行維護(hù)的方便，WP100系列控制系統(tǒng)分為塔底主控制器機(jī)架和機(jī)艙擴(kuò)展機(jī)架。圖1是采用WP100系列構(gòu)成的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)典型配置方案。

機(jī)艙機(jī)架由電源模塊、子通信模塊和各種I/O模塊組成。機(jī)艙機(jī)架實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)采集塔頂各個(gè)部件的相關(guān)狀態(tài)量;

(2)機(jī)艙機(jī)架和變槳系統(tǒng)交互，實(shí)現(xiàn)高低風(fēng)速下的控制要求。由于主要的風(fēng)電機(jī)組部件都集中在機(jī)艙中，機(jī)艙部分的測(cè)點(diǎn)相對(duì)塔底要多。機(jī)艙I/O監(jiān)控測(cè)點(diǎn)會(huì)隨著機(jī)組等級(jí)的提升、控制要求的深化進(jìn)一步增加，因此，機(jī)艙控制器機(jī)架需要預(yù)留足夠的擴(kuò)展槽位以方便后期擴(kuò)展。

塔底機(jī)架由電源模塊、主CPU模塊、主通信模塊、擴(kuò)展通信模塊和各種I/O模塊組成。塔底機(jī)架實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)采集塔底各個(gè)部分的溫度、各個(gè)供電回路的狀態(tài)等，同時(shí)通過交流采樣模塊采集網(wǎng)側(cè)三相電壓電流和有功、無功;

(2)塔底機(jī)架和逆變系統(tǒng)交互，用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)脫網(wǎng)，在發(fā)電過程中對(duì)逆變系統(tǒng)下達(dá)轉(zhuǎn)矩控制指令以優(yōu)化發(fā)電量和控制最大發(fā)電量。

在這個(gè)配置下，機(jī)艙和塔底之間信息傳輸采用光纖以太網(wǎng)連接塔底主通信模件和機(jī)艙子通信模件，子通信模塊通過內(nèi)部并行總線和I/O模塊交換數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)匯總后通過光纖以太網(wǎng)和塔底控制器CPU進(jìn)行信息交互。機(jī)艙機(jī)架與塔底機(jī)架各模塊通過以太網(wǎng)與人機(jī)界面連接，同時(shí)通過一個(gè)集群所有風(fēng)機(jī)的交換機(jī)所構(gòu)成的光纖環(huán)網(wǎng)與后臺(tái)監(jiān)控連接。

4．2 WP100控制器的特點(diǎn)

WP100控制器平臺(tái)CPU采用低功耗的工業(yè)X86系列工業(yè)控制器作為核心處理單元，采用鋁合金外殼封裝，可以有效防止機(jī)艙惡劣的電磁干擾、灰塵和風(fēng)沙的沖擊，能適應(yīng)西北地區(qū)的環(huán)境要求，其外觀如圖2所示。

圖2 WP100控制器結(jié)構(gòu)外觀

WP100控制器平臺(tái)底層操作系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)內(nèi)核擴(kuò)展的Linux RTAI開源嵌入式操作系統(tǒng)，確?？刂破鞯陌踩\(yùn)行。該操作系統(tǒng)具有完整的內(nèi)存保護(hù)功能同時(shí)驅(qū)動(dòng)設(shè)備加載組件化實(shí)現(xiàn)了良好的可擴(kuò)充性，并支持真正的多進(jìn)程工作方式。采用實(shí)時(shí)內(nèi)核擴(kuò)展功能的操作系統(tǒng)，使得執(zhí)行任務(wù)時(shí)間和非實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)相比由數(shù)十毫秒提升到數(shù)百微秒，從而使控制器實(shí)時(shí)特性得到極大提高［2］。

WP100控制器的一個(gè)重要技術(shù)特征是糅合了DCS控制邏輯運(yùn)行在線修改并下裝執(zhí)行的功能。該功能保證機(jī)組可在不停機(jī)的情況下，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的狀況實(shí)現(xiàn)優(yōu)化、重新構(gòu)建控制邏輯和在線下裝的功能。這種邏輯優(yōu)化完全區(qū)別于目前常見風(fēng)電控制器的在線現(xiàn)有參數(shù)的修改或調(diào)整，從而使風(fēng)場(chǎng)高級(jí)運(yùn)行人員可隨時(shí)根據(jù)當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行的狀況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。同時(shí)由于不需要停機(jī)，從而極大地減少了停機(jī)對(duì)整機(jī)設(shè)備造成的沖擊磨損。

WP100控制器在控制邏輯上采用面向設(shè)備對(duì)象的圖形化處理方式。在系統(tǒng)常用的功能塊的基礎(chǔ)上，增加了風(fēng)電機(jī)組特有的設(shè)備FBD庫和算法FBD庫，如圖3所示偏航系統(tǒng)的功能塊和如圖4所示的風(fēng)速平均值計(jì)算的功能塊等?？紤]到目前國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員大部分由火電廠調(diào)配而來，所以，整個(gè)控制邏輯采用火電廠控制人員所熟悉的SAMA圖模式。SAMA組態(tài)圖能清楚地表示系統(tǒng)功能，易于運(yùn)行人員理解和修改。柜體加熱功能的SAMA組態(tài)圖如圖5所示。

圖3 偏航功能塊

WP100控制器具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可方便地根據(jù)不同整機(jī)廠家的設(shè)備配置建立對(duì)應(yīng)的設(shè)備功能塊;同時(shí)，可將核心算法封裝在控制底層，以保證邏輯運(yùn)算的高效性。WP100控制器支持風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主運(yùn)行人員采用ST結(jié)構(gòu)化語言自定義功能塊。采用這種架構(gòu)，可保證風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員通過監(jiān)控系統(tǒng)很直觀地觀察機(jī)組運(yùn)行時(shí)所有設(shè)備變量和中間變量的狀態(tài)，同時(shí)很好地保護(hù)了系統(tǒng)制造廠家的技術(shù)私密性。

圖4 風(fēng)速平均值計(jì)算功能塊

考慮到目前國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模從50MW至300 MW不等，整個(gè)風(fēng)場(chǎng)均需要配備機(jī)組群監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行中央監(jiān)控室監(jiān)控甚至遠(yuǎn)程監(jiān)控。WP100控制器在保留一些必需的當(dāng)?shù)匦畔?chǔ)存量的同時(shí)，重點(diǎn)突出其實(shí)時(shí)控制功能而將大部分的諸如報(bào)警記錄、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)信息以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央監(jiān)控系統(tǒng)處理、存儲(chǔ)和分析。這樣，一方面減少了控制器資源占用，降低了控制器CPU運(yùn)行負(fù)荷，另一方面充分利用了中央監(jiān)控系統(tǒng)成熟度高、易維護(hù)、資源擴(kuò)展方便的特點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)具有較好的功能綜合分配。

圖5 柜體加熱功能SAMA組態(tài)圖

5 結(jié)束語

風(fēng)電控制器作為機(jī)組運(yùn)行的核心技術(shù)，目前基本掌控在國外廠家手里，因?yàn)槠浼夹g(shù)壟斷造成的高昂成本給風(fēng)電運(yùn)營商長期、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行造成不便。國電南京自動(dòng)化股份有限公司在為大、中型火力發(fā)電機(jī)組提供DCS的基礎(chǔ)上，經(jīng)過認(rèn)真對(duì)比風(fēng)電機(jī)組特性和運(yùn)行要求后，推出面向風(fēng)電機(jī)組控制對(duì)象的風(fēng)電專用控制系統(tǒng)。風(fēng)電專用控制系統(tǒng)具備了上述軟、硬件優(yōu)勢(shì)及結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，且已通過了半物理拖動(dòng)仿真系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證［3］和全測(cè)點(diǎn)風(fēng)電機(jī)組仿真系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證，預(yù)計(jì)經(jīng)過后期試運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)的運(yùn)行考驗(yàn)和持續(xù)完善，可能會(huì)打破國外風(fēng)電控制系統(tǒng)在該領(lǐng)域的壟斷局面，為國家風(fēng)電新能源的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

［1］白曉磊．風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測(cè)及AGC機(jī)組調(diào)配的研究［D］．北京:北京交通大學(xué)，2009．

［2］齊俊生，崔杜武，黑新宏．嵌入式Linux硬實(shí)時(shí)性的研究與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2003，3(6):34 －36．

［3］王斌，吳焱，丁宏，等．變速變槳距風(fēng)電機(jī)組的高風(fēng)速變槳距控制研究［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(8):81－83．