EDPF-CP系統(tǒng)在風(fēng)電機(jī)組全信息采集中的應(yīng)用

文 | 劉維維，張俊雄，姚慧卿，劉明佳，何煦

在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)能被風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片吸收后轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，故槳葉控制對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率起著決定性的作用，同時(shí)變流器對(duì)于穩(wěn)定電網(wǎng)負(fù)荷至關(guān)重要。目前，變槳系統(tǒng)及變流器主要是通過CANopen等協(xié)議與主控系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制，且通信數(shù)據(jù)長(zhǎng)度基本固定。但是隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，智能化大數(shù)據(jù)技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用是大勢(shì)所趨。本文在此背景下，在滿足傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組信息采集且不影響主控程序運(yùn)行負(fù)荷的基礎(chǔ)上，以EDPF-CP雙引擎控制系統(tǒng)為平臺(tái)，主控程序依舊運(yùn)行在PLC內(nèi)核中，在DPU內(nèi)核中應(yīng)用Modbus TCP及UDP通信協(xié)議對(duì)變槳系統(tǒng)及變流器的共約兩千個(gè)點(diǎn)的全信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，全量數(shù)據(jù)可在上位機(jī)顯示并存儲(chǔ)，這將為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)維護(hù)及智能故障診斷提供一定的可行性策略，并為風(fēng)電機(jī)組的大數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)找到了有效方法。

EDPF-CP系統(tǒng)

EDPF-CP系統(tǒng)是基于最新計(jì)算機(jī)嵌入系統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開發(fā)的分布式控制系統(tǒng)，是在EDPF-NT+系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，經(jīng)全面優(yōu)化升級(jí)而成的新一代控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主控制器基于DCS技術(shù)研發(fā)，植入PLC組態(tài)運(yùn)行環(huán)境，形成獨(dú)創(chuàng)的DCS/PLC雙控制引擎，工程應(yīng)用中可按需配置。該控制技術(shù)充分結(jié)合了DCS和PLC各自優(yōu)勢(shì)，作為DCS控制器可兼容EDPFNT+系統(tǒng)，作為 PLC控制器則完全兼容IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，用戶通過配置不同的上位機(jī)軟件即可實(shí)現(xiàn)PLC或DCS的完整控制系統(tǒng)。這既可面向?qū)ο蠹夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊化封裝及圖形化顯示，又能提供二次開發(fā)環(huán)境和高級(jí)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，為風(fēng)電機(jī)組智能化研究提供了平臺(tái)。

系統(tǒng)控制器采用嵌入式無風(fēng)扇設(shè)計(jì)的低功耗高性能計(jì)算機(jī)，內(nèi)置實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件操作系統(tǒng)和嵌入式組態(tài)控制軟件，將網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理、連續(xù)控制、離散控制、順序控制和批量處理等有機(jī)地結(jié)合起來，形成穩(wěn)定、可靠的控制系統(tǒng)。EDPF-CP系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速掃描，用于實(shí)現(xiàn)各種實(shí)時(shí)任務(wù)，包括任務(wù)調(diào)度、IO管理、算法運(yùn)算，同時(shí)擁有開放的結(jié)構(gòu)，可以方便地與其他控制軟件實(shí)現(xiàn)連接和數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)中的電源、控制器、IO模塊、通信網(wǎng)絡(luò)均可冗余配置，提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)電源和檢測(cè)電源隔離，模塊通道間電氣隔離，全隔離高抗干擾設(shè)計(jì)確保了運(yùn)行的可靠性。同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)方便，硬件和軟件都具有多重抗干擾和容錯(cuò)糾錯(cuò)能力。采用表面貼裝技術(shù)的 FLASH保存組態(tài)數(shù)據(jù)，無需電池，確保數(shù)據(jù)的安全可靠長(zhǎng)期保存?？闺姶鸥蓴_符合 IEC61000標(biāo)準(zhǔn)，具有 EMC IIIA 級(jí)電磁抗干擾能力，可滿足多種工程需要。

通信方式

EDPF-CP系統(tǒng)平臺(tái)支持多種通信方式，且控制器采用雙引擎內(nèi)核結(jié)構(gòu)，即DCS內(nèi)核與PLC內(nèi)核。通信總線包括控制總線和信息總線，變槳系統(tǒng)及變流器的控制總線使用標(biāo)準(zhǔn)CANopen協(xié)議的工業(yè)通信總線；信息總線使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的通信總線，消除變流器和變槳系統(tǒng)的信息孤島，所有數(shù)據(jù)在經(jīng)由主控制器后上傳至SCADA。具體的通信方式如圖1所示。

從圖1中可以看出，主控制器通過CANopen協(xié)議與變槳系統(tǒng)和變流器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變槳系統(tǒng)及變流器的全部數(shù)據(jù)量的采集，在不改變及影響高速率CANopen通信控制總線的基礎(chǔ)上，采用另外兩種不同的通信方式與變槳系統(tǒng)和變流器進(jìn)行通信，采集全量數(shù)據(jù)，其中，變槳系統(tǒng)采用Modbus TCP通信協(xié)議，變流器采用UDP通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)全部采集后上傳至SCADA。

EDPF-CP系統(tǒng)通過EIO通信模塊實(shí)現(xiàn)與第三方系統(tǒng)通信，系統(tǒng)支持多種協(xié)議，如Modbus TCP/IP、Modbus RTU、UDP、104等。每種協(xié)議有其對(duì)應(yīng)的虛擬卡件，通過組態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)第三方系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的采集。確定好EDPFCP系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)及變流器的通信協(xié)議和工作模式，根據(jù)通信測(cè)點(diǎn)表，對(duì)虛擬卡件進(jìn)行組態(tài)，結(jié)合卡件組態(tài)信息配置通信任務(wù)，存儲(chǔ)在EIO通信配置文件中。配置內(nèi)容包括通信設(shè)備個(gè)數(shù)、設(shè)備ID、通信協(xié)議、設(shè)備IP地址及端口號(hào)、通信任務(wù)周期及超時(shí)時(shí)間、緩沖區(qū)、功能碼、起始地址等，配置完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

優(yōu)勢(shì)對(duì)比

與傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組相比，EDPF-CP系統(tǒng)存在如下優(yōu)勢(shì)：

（1）傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)僅含有PLC運(yùn)行程序，EDPF-CP系統(tǒng)采用了雙引擎結(jié)構(gòu)，內(nèi)置PLC及DCS兩個(gè)內(nèi)核，且DCS內(nèi)核的運(yùn)行不會(huì)對(duì)主控程序在PLC中的運(yùn)行造成影響。

（2）傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組在PLC內(nèi)部?jī)H含有變槳系統(tǒng)及變流器系統(tǒng)的控制點(diǎn)表，約三百個(gè)。而EDPF-CP系統(tǒng)中僅信息點(diǎn)表就近兩千個(gè)，從點(diǎn)表的數(shù)量上要多于傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組。

（3）變槳系統(tǒng)與變流器系統(tǒng)的信息點(diǎn)直接與EDPF-CP系統(tǒng)的DPU進(jìn)行通信，未占用主控PLC負(fù)荷，不對(duì)PLC主控程序造成影響。

（4）信息總線使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，以秒級(jí)頻率進(jìn)行全量數(shù)據(jù)采集，消除變流器和變槳的信息孤島，為風(fēng)電機(jī)組的預(yù)維護(hù)及大數(shù)據(jù)處理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖1 變槳系統(tǒng)及變流器的控制總線及信息總線數(shù)據(jù)傳輸示意圖

變槳系統(tǒng)信息采集

傳統(tǒng)變槳通信是在主控程序PLC中通過CANopen、CAN等協(xié)議進(jìn)行通信，EDPF-CP系統(tǒng)具有雙引擎結(jié)構(gòu)，在PLC主控程序中依舊支持傳統(tǒng)通信，在DPU中采用Modbus TCP協(xié)議與變槳信息網(wǎng)的一千多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行全信息通信。

一、全量數(shù)據(jù)采集通信方式——Modbus TCP

變槳系統(tǒng)全數(shù)據(jù)量的采集，不僅包括槳葉位置、溫度信息等主要數(shù)據(jù)，還采集了相關(guān)的報(bào)警數(shù)據(jù)、調(diào)試界面數(shù)據(jù)等，如PLC閉鎖、電機(jī)風(fēng)扇狀態(tài)、加熱器狀態(tài)、槳葉位置高、允許手動(dòng)控制等，為變槳系統(tǒng)的智能診斷控制提供了數(shù)據(jù)來源。

主控制器設(shè)定為主站，變槳系統(tǒng)作為從站，兩者通過Modbus TCP協(xié)議進(jìn)行通信，按照通信測(cè)點(diǎn)表將所有的變槳系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通信速率以秒級(jí)為單位，采集數(shù)據(jù)傳輸至SCADA上位機(jī)畫面顯示，供運(yùn)維人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)所有數(shù)據(jù)進(jìn)入歷史庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后期的數(shù)據(jù)導(dǎo)出及分析。

對(duì)變槳系統(tǒng)全量數(shù)據(jù)的采集，用到了MDI、MAI虛擬卡件，MDI卡件用于讀取開關(guān)量，可以使用讀線圈和讀離散量方式，也可以使用讀保持寄存器和讀輸入寄存器方式。需要設(shè)置的參數(shù)包括控制區(qū)、模塊地址、卡件位置、設(shè)備ID、從站ID、起始寄存器號(hào)、起始點(diǎn)號(hào)、結(jié)束點(diǎn)號(hào)、功能碼，配置信息如圖2所示。

MAI卡件用于讀取模擬量，使用讀保持寄存器和讀輸入寄存器方式。需要設(shè)置的參數(shù)包括控制區(qū)、模塊地址、卡件位置、設(shè)備ID、從站ID、起始寄存器號(hào)、起始點(diǎn)號(hào)、結(jié)束點(diǎn)號(hào)、功能碼、數(shù)據(jù)類型、字節(jié)順序類型，配置信息如圖3所示。

二、數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)形式

按照變槳系統(tǒng)通信測(cè)點(diǎn)表配置相關(guān)文件，包括虛擬通信卡件、卡件參數(shù)設(shè)置和通信任務(wù)配置，用網(wǎng)線連接主控制器和變槳系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，通信正常情況下，在SCADA上位機(jī)畫面中可顯示變槳系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

變流器信息采集

在EDPF-CP雙引擎結(jié)構(gòu)中，PLC主控程序與變流器進(jìn)行通信，在DPU中應(yīng)用UDP通信協(xié)議與變流器信息網(wǎng)的近兩千個(gè)點(diǎn)進(jìn)行全信息通信，不影響PLC主控程序的運(yùn)行負(fù)荷。

圖2 MDI配置信息

圖3 MAI配置信息

圖4 變槳系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信至SCADA

圖5 LYEC_V3配置信息

一、全量數(shù)據(jù)采集通信方式——UDP

控制器作為主站，變流器系統(tǒng)作為從站，EDPF-CP系統(tǒng)支持多種通信方式。在此以UDP通信協(xié)議為例，將所有的變流器通信實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后在上位機(jī)畫面顯示，通信速度為秒級(jí)，同時(shí)所有數(shù)據(jù)進(jìn)入歷史庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。

對(duì)變流器全量數(shù)據(jù)的采集，使用LYEC_V3虛擬卡件。

LYEC_V3虛擬卡件需要設(shè)置的參數(shù)除控制區(qū)、模塊地址、卡件位置、設(shè)備ID以外，還要根據(jù)變流器數(shù)據(jù)特性設(shè)置網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)起始地址和通道個(gè)數(shù)，卡件配置信息如圖5所示。

二、數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)形式

按照變流器需上傳的點(diǎn)表配置相關(guān)文件后，通信正常情況下，變流器數(shù)據(jù)上傳至SCADA，數(shù)據(jù)的顯示方式與圖4相同。

結(jié)語

由于傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組私有通信協(xié)議往往無法開放，風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)形成信息孤島，無法實(shí)現(xiàn)全面互動(dòng)，運(yùn)營(yíng)期軟件升級(jí)和檢修維護(hù)十分困難。本文提出的全量數(shù)據(jù)采集技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的風(fēng)電機(jī)組信息融合技術(shù)研究基礎(chǔ)上，形成風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控的無縫通信體系，實(shí)現(xiàn)真正意義上的信息共享。

（1）采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組及其子系統(tǒng)的全信息采集與網(wǎng)絡(luò)化共享，同時(shí)配置高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器記錄所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)。這將為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)、變流系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、葉片智能監(jiān)控系統(tǒng)及關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)提供一定的思路。

（2）基于全信息數(shù)據(jù)，使SCADA系統(tǒng)不僅僅具有監(jiān)視及控制作用，同時(shí)附加周期性及累積的智能大數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)評(píng)估后處理功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)組全信息互聯(lián)監(jiān)控。

（3）增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的信息融合與狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)原有功能基礎(chǔ)上，加強(qiáng)故障診斷與預(yù)測(cè)功能，為風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)字化、信息化和智能化搭建更加先進(jìn)的軟件系統(tǒng)框架，并為模塊化靈活擴(kuò)展以及可定制化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。