基于現(xiàn)場總線的風電場監(jiān)控系統(tǒng)設計

西安鐵路職業(yè)技術學院電氣工程系 王 丹

1.引言

對綠色可再生能源的開發(fā)和利用，特別是對風能的開發(fā)利用，已經(jīng)受到全人類的普遍關注[1]。隨著我國風電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，如何保證風力發(fā)電機組安全運行，高效的利用風力資源已經(jīng)成為非常重要的一個課題擺在了我們面前。

風電場監(jiān)控系統(tǒng)是保證風電機組穩(wěn)定運行的關鍵技術之一，我國已經(jīng)把風電場微機監(jiān)控系統(tǒng)列為國產(chǎn)化的突破口。目前，大型風電場監(jiān)控系統(tǒng)在我國還處在研制、開發(fā)階段，試驗的樣品可靠性、功能等方面還不能滿足大型機組安全穩(wěn)定運行的要求。從國外引進的大型風電廠監(jiān)控系統(tǒng)技術比較完善，但價格十分昂貴。如果機組數(shù)量太大，上、下位機之間距離超過幾十公里時，這些從國外引進的監(jiān)控系統(tǒng)在通訊方面也出現(xiàn)各種各樣的問題，有待進一步解決。CAN總線技術在國內(nèi)外許多工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛運用，效果十分理想，把這項新技術應用在大型風電廠監(jiān)控系統(tǒng)中是一種新的探索。

2.風電場對監(jiān)控系統(tǒng)的要求

(1)下位機能獨立運行，完成本機組安全運行所需的各種控制要求?，F(xiàn)代微機技術發(fā)展得快，選用功能齊全、性能可靠的微機是可以完成的。這一要求比較容易實現(xiàn)。

(2)上位機和下位機可靠雙工通訊，盡量節(jié)省通訊電纜。由于風力發(fā)電組排列不一定很規(guī)則，特別是在山上建立風電場，這就決定上位機和下位機組成的通訊網(wǎng)不十分規(guī)范。即不是總線形，也不是星型或環(huán)型，確切地講，應該是分布式網(wǎng)絡，因此，一般的通訊方式很難保證通訊可靠。

(3)一般風電場有幾十臺風機組成，上、下位機之間距離較遠，有時可能超過幾公里。這就要求雙工通訊要有較強的負載能力，通訊距離較遠。

(4)能避免各種干擾，主要指工業(yè)干擾（如高壓交流電場、靜電場、電弧、可控硅）、自然界干擾（如雷電沖擊）、高頻干擾（如微波通訊、無線電信號、雷達）[2]。

3.CAN總線簡介

CAN總線是德國BOSH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測量儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，它能夠滿足分布系統(tǒng)在強電磁干擾等環(huán)境下可靠工作的要求。CAN總線協(xié)議具有下列幾個重要特點：(1)同步、串行、多主、面向通信數(shù)據(jù)塊的通信方式，網(wǎng)上節(jié)點數(shù)多達110個；(2)CAN總線上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通信方式靈活；(3)每幀數(shù)據(jù)信息為O～8個字節(jié)，具體長度由用戶決定，這樣可減少信息碰撞幾率；(4)信息有優(yōu)先級別之分，采用非破壞性總線仲裁，當總線上有兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上輸送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點繼續(xù)發(fā)送；(5)強有力的錯誤控制及錯誤重發(fā)功能，采用CRC校檢方式，每幀信息中不可檢錯概率少于3×10-5；(6)最大通信速率為1Mb/s，直接通信距離最遠可達10km，沒有物理層規(guī)定，在實際應用中可采用單線制、雙線制、同軸電纜、雙絞線和光纜、微波等傳輸介質(zhì)[3]。

綜上所述，CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡具有多主、實時、高可靠性、低成本等優(yōu)點，特別適用于在條件十分惡劣的工業(yè)現(xiàn)場進行實時數(shù)據(jù)傳輸，是大型風電場現(xiàn)場總線類型的理想選擇。

4.風電場監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構設計

基于上面所述風電場對監(jiān)控系統(tǒng)的要求以及CAN總線的優(yōu)點，下面采用了CAN現(xiàn)場總線設計了由多臺風力發(fā)電機組成大型風電場的監(jiān)控系統(tǒng)，總體結構框圖如圖1所示。

風電場監(jiān)控系統(tǒng)負責管理每臺風電機組的運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)、保護裝置動作情況、故障類型等。為了實現(xiàn)上述功能，風電廠監(jiān)控系統(tǒng)由就地監(jiān)控系統(tǒng)、中央監(jiān)控系統(tǒng)、遠程監(jiān)控制系統(tǒng)三個部分的有機結合組成。

就地監(jiān)控系統(tǒng)設置在每臺風電機塔筒的控制柜內(nèi)，它的下位機應能將機組的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障情況等通過CAN總線與中央監(jiān)控系統(tǒng)的上位機通訊，同時上位機應能向下位機傳達控制指令，由下位機的控制系統(tǒng)執(zhí)行相應的動作，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

中央監(jiān)控系統(tǒng)一般運行在位于中央控制室的一臺通用PC機或工控機上，通過與分散在風電場上的每臺風力機就地控制系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)對全場風力機的集群監(jiān)控。風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)與風力機就地控制系統(tǒng)之間的通信屬于較遠距離的一對多通信，本文采用CAN現(xiàn)場總線作為數(shù)據(jù)傳輸載體。中央監(jiān)控系統(tǒng)主要職能為：能根據(jù)畫面的切換隨時監(jiān)視風電現(xiàn)場每一臺風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)，控制風力發(fā)電機組運行參數(shù)，對故障機組進行實時報警處理，并做出故障診斷，給出機組發(fā)生故障的具體位置、程度以及維修建議等。

遠程控制系統(tǒng)根據(jù)需要布置在不同地點的遠方監(jiān)控中心或者研究機構，實行對整個風電場的遠程調(diào)度和監(jiān)控，解決技術難題并進行科學研究等。遠程監(jiān)制系統(tǒng)一般通過調(diào)制解調(diào)器或電流環(huán)等通訊方式訪問中央控制室主機來實現(xiàn)。

5.CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

鑒于就地監(jiān)控系統(tǒng)下位機的重要性，可選用按照工業(yè)標準設計，并安裝CAN總線網(wǎng)卡的工控機（IPC486以上配置），它從元件的選用到散熱、防振、防塵、抗電磁干擾方面，都符合工業(yè)環(huán)境的要求具有很高的可靠性。

為保證中央監(jiān)控系統(tǒng)可靠性，可使用兩臺裝有CAN總線接口卡的高性能的商用PC構成上位機組，其中一臺作為主機，另一臺作為從機，主機故障時從機啟用。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置則根據(jù)經(jīng)濟條件以及個人喜好進行選擇，但應具備最基本的通信以及顯示等功能。

CAN通信適配卡是整個系統(tǒng)的關鍵部件，它主要由微控制器、CAN總線收發(fā)接口和CAN通信控制器三部分，配上鎖存器、復位電路、EPROM、雙口RAM等輔助電路和元器件組成。對于微控制器、CAN收發(fā)接口和CAN通信控制器可以分別采用8051、82C250芯片和SJA1000。CAN卡接口原理圖如圖2所示[3]。

CAN通信適配卡插在上位機和工控機的擴展槽上，負責將上位機和CAN總線上的數(shù)據(jù)傳輸點聯(lián)系起來。當上位機發(fā)出信號時，通知CAN通信適配卡，CAN通信適配卡根據(jù)命令來完成數(shù)據(jù)寫入、標志位的置位等工作。反之，上位機也可以通過適配卡來接收數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放在適配卡上的雙口RAM中，上位機再通過RAM來讀取數(shù)據(jù)。

6.CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

6.1 用戶層通信協(xié)議設計

根據(jù)CAN總線技術規(guī)范和ISO11898標準，上述硬件設計已經(jīng)完成了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層設計，所以只需設計用戶層協(xié)議，其幀結構定義如圖3所示。系統(tǒng)站點之間的通信均以該協(xié)議為基礎進行數(shù)據(jù)交換。

DIR：方向位。主站向從站發(fā)送信息時為0，反之為1。

Address：地址域。主站發(fā)送信息時，該域為目的地址，從站發(fā)送信息時，該域為原地址，廣播時該域無意義。

TYPE：幀類型。當其為100時，為單幀廣播，為000時，為單幀點對點。主站發(fā)送信息時，幀類型為單幀點對點，從站發(fā)送信息時，幀類型為單幀廣播，這樣總線網(wǎng)上所有站點都能接收到信息。

DLC：報文長度域。給定其后數(shù)據(jù)長度，可為O～8個字節(jié)。

CmdO，Cmdl：命令功能符。根據(jù)系統(tǒng)具體情況，可有多種定義。本文給出了常用的幾種定義，如表1所示。

物理通道序號：用戶設定的輸入輸出通道的編號(0～255)，Data(O～4)，5字節(jié)長的數(shù)據(jù)[4]。

6.2 中央監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件設計

根據(jù)CAN網(wǎng)卡驅動程序提供的接口函數(shù)，用戶可方便地使用C，C++，VC++等語言設計上位機初始化、發(fā)送和接收程序。程序采用主動方式發(fā)送命令信息，采用中斷方式接收信息。

表1 命令功能

圖1 總體結構框圖

圖2 CAN卡接口原理圖

圖3 用戶層協(xié)議幀結構圖

圖4 CAN初始化程序框圖

圖6 從站主程序流程圖

（1）CAN初始化它主要完成模式設置（PeliCAN模式）、時鐘輸出寄存器設置、接收碼寄存器ACR設置、接收屏蔽碼寄存器AMR設置、總線定時器設置和輸出控制寄存器設置[5]。其流程圖如圖4。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送程序信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的，發(fā)送程序只需把被發(fā)送的信息幀送到CAN的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送命專即可。其流程圖如圖5。

（3）接收程序信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)是由CAN控制器自動完成的，接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。

6.3 就地監(jiān)控系統(tǒng)下位機軟件設計

就地監(jiān)控系統(tǒng)下位機（從站）主要完成兩項任務：一是執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與處理和輸出控制任務。二是接收主站命令，進行相應操作。第一項任務可在主程序當中完成，第二項任務在中斷服務程序中完成。程序采用C51或ASM51匯編語言設計，程序流程圖如圖6所示。

7.結論

目前國內(nèi)風電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)大多依賴從國外進口，自主開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)對于促進風電場整體國產(chǎn)化建設具有舉足輕重的作用。文中介紹的實時監(jiān)控系統(tǒng)在大型風電場監(jiān)控系統(tǒng)中得到了應用，原系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)，不僅工程安裝復雜，成本高，而且數(shù)據(jù)傳輸速率低，實時更新慢，經(jīng)常出現(xiàn)跟蹤滯后現(xiàn)象，影響了系統(tǒng)的可靠運行，嚴重時還出現(xiàn)燒毀現(xiàn)場設備的事故。采用文中研究設計的CAN總線實時監(jiān)控系統(tǒng)后，不僅解決了老系統(tǒng)的缺點，而且提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和系統(tǒng)信息集成能力，并且具有靈活的軟硬件組態(tài)功能。實踐證明，本文提出的基于CAN總線的大型風電場監(jiān)控系統(tǒng)模型切實可行，符合未來監(jiān)控技術的發(fā)展趨勢。

[1]宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[2]張紅霞.淺談綠色能源—風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2012(21).

[3]李建華.基于CAN總線的風電場電能質(zhì)量檢測與優(yōu)化[D].廣州工業(yè)大學,2006.

[4]段斌,林媛源,黃凌翔,于雄.風電場監(jiān)控通信安全解決方案[J].電力系統(tǒng)自動化,2009(12).

[5]曹小華,趙成,陶德馨.基于現(xiàn)場總線CAN的實時監(jiān)控系統(tǒng)研究與設計[J].武漢理工大學學報,2005,29(6):910-912.