基于嵌入式平臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)控制器的開發(fā)

秦成虎，王斌，董勝剛，沙玉婷

(國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

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，在國產(chǎn)化率政策要求的推動(dòng)和扶持下得到持續(xù)的提升，其中諸如葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、軸承、塔筒、機(jī)艙罩等電氣和機(jī)械部件已經(jīng)完全替代國外產(chǎn)品。但作為風(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)、變頻系統(tǒng)和變漿系統(tǒng))，尚不能迅速國產(chǎn)化。其中主控系統(tǒng)國內(nèi)整機(jī)廠家或是保持了所引進(jìn)原型機(jī)的原配系統(tǒng)，或是在進(jìn)口風(fēng)電專用可編程控制器(PLC)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)行進(jìn)行磨合和提高，可靠性仍需不斷提高。采用原配系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)，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?yàn)楹诵牟考木窒扌?，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、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)等級(jí)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，而是涉及整個(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］?？傊?，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的主控系統(tǒng)(特別是作為主控系統(tǒng)核心的控制器部分)顯得十分必要。

1 主控系統(tǒng)組成

風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)由主控制器及其邏輯控制軟件、I/O模件、安全鏈系統(tǒng)、電氣柜體和人機(jī)界面HMI(Human Machine Interface)組成。主控系統(tǒng)可通過主控制器的配置、邏輯軟件的調(diào)整、I/O模件的組合、主控系統(tǒng)柜體的電氣配合和HMI的組態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)各類機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)控、變頻系統(tǒng)控制、變槳系統(tǒng)控制、偏航系統(tǒng)控制、齒輪箱監(jiān)視、發(fā)電機(jī)監(jiān)視、液壓站和安全鏈等設(shè)備的監(jiān)視，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、功率曲線、歷史事件的顯示，故障狀態(tài)監(jiān)控及仿真調(diào)試等功能。主控系統(tǒng)典型配置如圖1所示。

主控制器在分析被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行規(guī)律和運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組測(cè)點(diǎn)分布特性和運(yùn)行維護(hù)方便性的要求，主控制器安裝在塔底控制器機(jī)架上。I/O模件同時(shí)安裝在塔底控制器機(jī)架和機(jī)艙擴(kuò)展機(jī)架上;塔底和機(jī)艙都配有就地HMI，便于人員調(diào)試;塔底和機(jī)艙都帶有電氣柜體，用于安裝主控制器、I/O模件等，同時(shí)還包括安全鏈系統(tǒng)的布置。

機(jī)艙擴(kuò)展機(jī)架安裝主通信模件、第3方智能設(shè)備擴(kuò)展通信模件和各種I/O模件。其中，主通信模件通過內(nèi)部并行總線和I/O模件交換數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯總后通過光纖以太網(wǎng)和塔底控制器進(jìn)行信息交互。

塔底機(jī)架由電源模件、主CPU模件、主通信模件、擴(kuò)展通信模件和各種I/O模件組成。主控制器與網(wǎng)關(guān)之間通過并行總線進(jìn)行通信，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。網(wǎng)關(guān)與I/O模件之間是雙CAN總線冗余通信，確保通信的可靠性。其中，控制邏輯軟件運(yùn)行于主CPU模件上，用于風(fēng)電機(jī)組的控制算法計(jì)算。

控制器和I/O模件的典型組成如圖2所示，控制器主要包括主CPU模件和CP通信模件。

2 控制器基本方案

2．1 控制器CPU模件設(shè)計(jì)

控制器CPU模件負(fù)責(zé)從CP通信模件讀取I/O模件數(shù)據(jù)，通過邏輯運(yùn)算將控制指令通過CP通信模件發(fā)送到I/O模件，最終完成機(jī)組的控制;同時(shí)還將重要的信息送至SCADA上位監(jiān)控和HMI。

控制器CPU模件采用低功耗寬溫度工業(yè)X86系列主板作為核心處理單元，可滿足工業(yè)級(jí)的溫度要求。其自帶的浮點(diǎn)處理器可以適應(yīng)機(jī)組控制多變量、非線形的快速處理要求。CPU模件的功能接口如圖3所示。

圖3 CPU模件的功能接口

控制器CPU模件底層操作系統(tǒng)采用RTOS嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的適時(shí)性得到了很大提高，可確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。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，具有良好的可擴(kuò)充性。支持真正的多進(jìn)程“并行運(yùn)行”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RTOS相比由數(shù)十毫秒提升到數(shù)百微秒，使得控制器的實(shí)時(shí)特性得到極大提高［2］。

2．2 控制器邏輯軟件設(shè)計(jì)

控制器控制邏輯軟件設(shè)計(jì)完全符合IEC 61131－3標(biāo)準(zhǔn)，支持 ST，LD，IL，SFC，F(xiàn)BD 等5種標(biāo)準(zhǔn) PLC 編程語言。利用組態(tài)軟件，可方便地對(duì)風(fēng)電機(jī)組的控制邏輯進(jìn)行組態(tài)。

2．3 CP網(wǎng)關(guān)通信模件設(shè)計(jì)

風(fēng)電中的變槳系統(tǒng)和變流系統(tǒng)產(chǎn)品型號(hào)眾多，通信接口類型多種多樣，目前比較常用的是CAN Open，Profibus-DP和 Modbus。主控制器針對(duì)此需求，開發(fā)專門負(fù)責(zé)通信的CP模件，可以與不同的總線接口進(jìn)行通信。幾種網(wǎng)關(guān)模件都是基于統(tǒng)一的硬件和軟件平臺(tái)，接口配置靈活，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)模件的功能接口

2．4 主控制器安全鏈結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

安全鏈存在的目的是作為計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)的有效后備。當(dāng)主控制器對(duì)極端條件響應(yīng)失敗時(shí)，它能接管主控制器，對(duì)嚴(yán)重或者潛在的致命故障迅速產(chǎn)生響應(yīng)，及時(shí)緊急停機(jī)，以保護(hù)風(fēng)電機(jī)組。安全鏈系統(tǒng)是獨(dú)立于主控制器的最后一級(jí)保護(hù)措施，在風(fēng)電機(jī)組控制器標(biāo)準(zhǔn)中有明確要求［3］。

在安全鏈設(shè)計(jì)時(shí)，可能會(huì)對(duì)機(jī)組造成的致命傷害的故障結(jié)點(diǎn)串連成一個(gè)回路，一旦其中一個(gè)動(dòng)作，將引起緊急停機(jī)反應(yīng)。安全鏈設(shè)計(jì)的原則:

(1)盡可能獨(dú)立于主控制器。

(2)純硬結(jié)點(diǎn)搭建，當(dāng)安全鏈作用時(shí)，沒有計(jì)算機(jī)或微處理器參與邏輯判斷和運(yùn)算。

(3)采用反邏輯設(shè)計(jì)。在安全鏈中的所有硬結(jié)點(diǎn)，當(dāng)外部條件處于安全時(shí)，硬結(jié)點(diǎn)閉合，一旦外部條件處于極限時(shí)或者傳感器失效時(shí)結(jié)點(diǎn)斷開，導(dǎo)致緊急停機(jī)。設(shè)計(jì)時(shí)一般將如下傳感器的信號(hào)傳接在緊急安全鏈中:手動(dòng)緊急停止按鈕、主控制器結(jié)點(diǎn)、偏航系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)、塑殼斷路器MCCB(Moulded Case Circuit Breaker)主回路結(jié)點(diǎn)、振動(dòng)傳感器、風(fēng)輪過轉(zhuǎn)速或發(fā)電機(jī)過轉(zhuǎn)速傳感器等。在緊急停機(jī)后，所有的繼電器和接觸器失電，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列(發(fā)電機(jī)主接觸器跳開)，機(jī)械剎車與氣動(dòng)剎車同時(shí)動(dòng)作。在緊急停機(jī)后，只能手動(dòng)復(fù)位才能重新啟動(dòng)［4］。

綜上所述，主控制器本身也需要向安全鏈系統(tǒng)提供自身的安全鏈結(jié)點(diǎn)，在主控制器自己因?yàn)檐浖蛴布栴}而產(chǎn)生故障，主控制器狀態(tài)結(jié)點(diǎn)立即輸出，以保證系統(tǒng)的安全。主控制器狀態(tài)結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)技術(shù)，在系統(tǒng)正常工作時(shí)，安全鏈結(jié)點(diǎn)輸出正常(閉合)。在控制器出現(xiàn)故障或控制器電源故障時(shí)，主控制器的安全鏈結(jié)點(diǎn)就斷開。這樣，整個(gè)主控系統(tǒng)的安全鏈就斷開，緊急停止風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，以保護(hù)機(jī)組的主要設(shè)備。

由于主控制器本身也需要向安全鏈系統(tǒng)提供自身的安全鏈結(jié)點(diǎn)，那么該結(jié)點(diǎn)就必須能正確反映主控制器自身的狀態(tài)。當(dāng)主控制器失效時(shí)，主控制器的安全鏈結(jié)點(diǎn)將會(huì)斷開。失效條件包括以下3個(gè):

(1)主控制器斷電;

(2)主控制器與I/O模件的通信中斷;

(3)主控制器程序出現(xiàn)異常，進(jìn)入死循環(huán)或程序異常退出。

在主控制器正常工作時(shí)，每個(gè)運(yùn)算周期對(duì)安全鏈結(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)位，使其保持閉合。當(dāng)除斷電外的其他2個(gè)條件中的任何1個(gè)條件出現(xiàn)時(shí)，程序?qū)?huì)停止對(duì)安全鏈復(fù)位，延遲時(shí)間到達(dá)后，控制器安全鏈結(jié)點(diǎn)就會(huì)斷開。當(dāng)因供電原因?qū)е驴刂破魇щ姇r(shí)，因?yàn)橹骺刂破鞯慕Y(jié)點(diǎn)采用了反邏輯設(shè)計(jì)，斷開后，該結(jié)點(diǎn)就會(huì)自動(dòng)斷開，停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

3 結(jié)論

風(fēng)電機(jī)組主控制器是機(jī)組運(yùn)行的核心關(guān)鍵技術(shù)，因該技術(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)組提供分散控制系統(tǒng)(DCS)控制器的基礎(chǔ)上，認(rèn)真對(duì)比風(fēng)電機(jī)組特性和運(yùn)行要求，推出了面向風(fēng)電機(jī)組控制對(duì)象的風(fēng)電機(jī)組主控制器。

國電南京自動(dòng)化股份有限公司通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制器的開發(fā)，現(xiàn)已掌握了風(fēng)電機(jī)組主控制器的核心技術(shù)。隨著對(duì)風(fēng)電機(jī)組認(rèn)識(shí)的加深和控制策略優(yōu)化能力的加強(qiáng)，會(huì)使自主開發(fā)的主控制器發(fā)揮更大的作用。

［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，2003，23(6):34 －36．

［3］GB/T 19069—2003，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器技術(shù)條件［S］．

［4］葉杭冶．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:129－133．