基于流程的風電主場控自動化測試設計與實現(xiàn)

王向東

（中車山東風電有限公司，山東 濟南 250022）

目前，我國風力發(fā)電發(fā)展迅速，單機容量和風電場規(guī)模都在不斷擴大，風電產(chǎn)業(yè)正處于良好的發(fā)展機遇中。風電機組的控制系統(tǒng)主要包括三大部分主控系統(tǒng)、場控系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)。其中，主控系統(tǒng)是風電機組的核心，一方面，通過對變流器系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)機組功率的有效輸出和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定；另一方面，對機組進行狀態(tài)監(jiān)測和安全保護。場控系統(tǒng)實現(xiàn)風場風機組態(tài)監(jiān)控及風場內(nèi)機組的控制。能量管理系統(tǒng)則是實現(xiàn)風場管理自動閉環(huán)、協(xié)調(diào)控制風場內(nèi)所有有功、無功調(diào)節(jié)設備以滿足風場并網(wǎng)綜合需求的監(jiān)控管理。因此，如何對風電機組及風場控制系統(tǒng)進行全面有效的測試，提高風電機組控制系統(tǒng)的質(zhì)量，為風電機組制造商亟待解決的問題。由于風電機組主控系統(tǒng)不僅包含控制策略，還包括總線通訊、光纖通訊、工接口和監(jiān)督控制等，因此用仿真軟件進行全面測試是不可行的。而如果采用變流器、發(fā)電機和變槳系統(tǒng)實物進行測試，則經(jīng)濟性不高，不僅價格昂貴，而且占地較廣。

本文提出的基于流程的風電主場控自動化測試平臺是針對濟南中車風電CW3000-131級風電主場控系統(tǒng)開發(fā)設計的。該測試平臺包括整個風電機組的全部測點，能夠測試完整的主場控場景，包括主控的變流器系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)和所有的外部工IO等，場控系統(tǒng)的調(diào)頻控制、AGC指令控制、AVC指令控制。通過對控制系統(tǒng)進行全面的測試，能夠及時發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)存在的問題。通過對控制系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，能夠較大程度地提高風機產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

1 測試平臺設計原理

從被測對象主場控系統(tǒng)的角度來說，需要運行完整的主控程序，就需要模擬完整的外部輸入和輸出，這是測試平臺的核心部分。本文所述測試平臺分為主控測試場景和場控測試場景兩部分。主控測試場景采用Bladed仿真模型來模擬主控場景中電網(wǎng)、發(fā)電機、變流器、變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)等部件。一方面，該模型的仿真精度最易滿足測試平臺主控測試場景的需求；另一方面，能夠通過自帶的TCP協(xié)議與測試平臺PLC進行通訊。場控測試場景采用自主研發(fā)的仿真模型來仿真場控環(huán)境中，風速方向、偏航、機組狀態(tài)、故障、槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、機組功率、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩、無功功率等模型，通過ModBusTCP協(xié)議與場控能量管理系統(tǒng)進行通訊。

圖1 風電測試平臺主控測試架構(gòu)

圖2 風電測試平臺場控測試架構(gòu)

2 測試平臺原理概要

2.1 自動化流程化測試理念

自動化測試是把以人為驅(qū)動的測試行為轉(zhuǎn)換為機器執(zhí)行的一種過程，即模擬手工測試步驟通過執(zhí)行程序語言編制的測試腳本自動的測試軟件，包括所有測試階段，它是跨平臺兼容的，并且是進程無關的。

隨著國家風電發(fā)展迅速，風機裝機量的快速提升。為了保障大裝機量下產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，為風機場控系統(tǒng)和主控系統(tǒng)的測試工作帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，以往的人工測試無法滿足當前的工作量要求以及對測試質(zhì)量的把控。所以，在風電主控和場控的測試上引入自動化測試概念。

通常的自動化測試是有人工編寫測試腳本，由測試平臺執(zhí)行測試腳本來實現(xiàn)對某個功能的測試。但是，在實際環(huán)境中，這種方式對操作人員有著較高的編碼能力要求，同時還要對整個測試平臺有著較高的學習成本，為了使測試平臺具有更簡單的使用性，本測試平臺在測試流程的設計上采用無代碼的可視化流程圖的設計模塊來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測試腳本。在流程圖的設計圖中，每個節(jié)點就是一個獨立的邏輯插件和仿真模型。通過連線的方式來表示數(shù)據(jù)流和測試流程的方向。

2.2 仿真模型

根據(jù)風電機組的部件參數(shù)，在平臺中搭建風機的模型，包括塔筒、葉片、傳動鏈、變流器、發(fā)電機、電網(wǎng)以及損耗模型等，構(gòu)建虛擬風機。仿真類型支持整體仿真和單點數(shù)據(jù)仿真。

整體模型仿真：支持通過設定好風速上下限值、溫度上下限值、故障發(fā) 生時間等條件，一鍵式生成指定運行工況下的風機運行數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)對風機從啟機、并網(wǎng)、故障、維護等工況的簡易仿真模擬，并提供仿真運行暫停和可視化查詢的功能。

單點數(shù)據(jù)仿真：對模型中每個數(shù)據(jù)點應提供累加、隨機數(shù)、限定范圍值等多種方式的仿真規(guī)則，支持每個模型點單獨設置仿真規(guī)則，并能夠通過流程圖連線的方式實現(xiàn)對不同模型點的邏輯關聯(lián)，實現(xiàn)用戶自定義實現(xiàn)風機模型的仿真。

2.2.1 風速模型

2.2.2 氣動模型

2.2.3 傳動鏈模型

2.2.4 功率曲線模型

2.2.5 風電機組模型

測試系統(tǒng)能夠根據(jù)機型構(gòu)建風電機組通訊模型，并支持根據(jù)業(yè)務發(fā)展動態(tài)調(diào)整機組模型，機組模型的創(chuàng)建、修改、管理等操作應遵循可視化、便捷等原則。風電機組模型與測試用例相適配，提供包含歷史數(shù)據(jù)回放、模擬仿真和按規(guī)則生成等3種以上測試數(shù)據(jù)生成方式，并支持快速檢索、查看當前模型運行值，便于同場控軟件測試平臺顯示結(jié)果比對等操作。

機組模型的基本描述如下：

（1）機組風速要求從0～50m/s變化，風速參考風速模型，初始風速可手動設。（2）機組的有功功率在正常運行狀態(tài)下，機組輸出理論功率可采用氣動模型和傳動鏈模型進行計算，或采用功率曲線模型通過查表法計，該理論功率乘以一個80%～120%的隨機數(shù)作為當前功率進行輸出。（3）機組的無功功率默認為0，只有接收到無功指令后，無功功率才變化，默認機組無功響應延遲時間為20ms。（4）電機轉(zhuǎn)速在啟動階段，發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以由氣動模型和傳動鏈模型進行計算，或設計斜坡控制方法，直到轉(zhuǎn)速達到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，機組并網(wǎng)。（5）電網(wǎng)電壓固定為360V上下波動不超過5V。（6）電網(wǎng)電流可根據(jù)風機功率與電網(wǎng)電壓計算輸出，即電流=功率/電壓。（7）相關溫度信息可以根據(jù)機組并網(wǎng)狀態(tài)模擬，并網(wǎng)后斜坡控制上升，并可設置最大和最小值，不能超限。（8）環(huán)境溫度為-30～50℃的值，可以設置環(huán)境溫度平均氣溫，環(huán)境溫度值隨機變化，數(shù)學期望為平均期望，3倍均方差的覆蓋范圍達到99%。（9）槳距角應從0°到90°按固定速率遞增或者遞減。啟機狀態(tài)時，槳距角從90°到0°變化，停機時從0°到90°變化，直到90°方能停機。槳距角跟啟動模型的Cp相關，Cp根據(jù)槳距角插值計算當前Cp值，并計算風輪吸收能量，當吸收能量達到理論功率時（功率曲線），槳距角不再變化。（10）功率升降的變化的速率可手動設置（一般為35～100kW/s）。（11）機組并網(wǎng)后，跟隨無功指令，在2s內(nèi)降低或者升高至目標值，需實現(xiàn)在目標值上下2%范圍內(nèi)波動。（12）下發(fā)停機指令后，機組功率以固定速率（35～50kW/s）進行降功率，同時，開始更新槳距角和發(fā)電機轉(zhuǎn)速，直到功率降至0，更新機組主控狀態(tài)碼到待機。（13）下發(fā)啟動指令后，機組主控狀態(tài)碼應從2開始更新，大約延時30s后，進入啟動階段，開始進行槳距角變化，槳距角從90°開到0°，發(fā)電機轉(zhuǎn)速開始從0上升至并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速可手動設置，機組并網(wǎng)后，更新主控狀態(tài)碼。（14）下發(fā)機組調(diào)頻模式后，根據(jù)機組調(diào)頻模式（0不調(diào)頻，1槳距角調(diào)頻，2慣性調(diào)頻，3組合調(diào)頻），對機組的功率按不同的變化率進行調(diào)整，槳距角調(diào)頻模式下按照固定功率調(diào)節(jié)速率進行降功率，慣性調(diào)頻時，要求機組功率在500ms內(nèi)變化為目標值；同時，在不同調(diào)頻模式下，機組的轉(zhuǎn)速和槳距角應按照程序設定的值進行變化，轉(zhuǎn)速槳距角表對應的表應該是一張數(shù)據(jù)庫表，可根據(jù)需求進行調(diào)整。（15）支持手動設置單臺機組發(fā)生故障、維護、大風切出、葉片結(jié)冰等狀態(tài)。

2.2.6 風電場模型

風電場模型是由多臺選定型號的風電機組模型組成，測試系統(tǒng)提供可視化的、便捷的風電場模型配置功能，可快速地基于選定風機模型創(chuàng)建風電場模型 。風電場仿真模型通過ModbusTCP通訊接口，使得被測試的監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)能與風電場模型進行數(shù)據(jù)交互。同時風電場模型接收監(jiān)控系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)下發(fā)的單臺風機的有功指令、無功 指令、啟停機指令等遙調(diào)數(shù)據(jù)，并根據(jù)指令數(shù)據(jù)模擬仿真風機的實際狀態(tài)，更新機組的實際功率等信號。

2.2.7 電網(wǎng)調(diào)度模型

2.2.8 AGC指令模型

2.2.9 AVC指令模型

2.2.10 一次調(diào)頻指令模型

2.3 測試流程

在測試流程編寫完成后，即可對主控和場控程序進行測試，測試流程如圖3。

圖3 主控測試流程

圖4 場控測試流程

3 測試平臺架構(gòu)概述

框架介紹。

為了滿足風電主場控測試的自動化、高性能和高可用要求，本文以濟南中車風電主場控測試平臺項目為具體實例，基于流程化和低代碼理念提出并實踐了一套流程設計、用例管理和部署范式，該范式在容器技術上運用微服務架構(gòu)，使得各模塊具備獨立部署和更新能力，同時通過消息引擎服務實現(xiàn)了測試用例和測試流程的隔離和解耦。整套系統(tǒng)在nocos集群環(huán)境中可完成自動化配置和負載調(diào)度，具有高可用和橫向擴展能力。為了支撐軟件迭代過程中持續(xù)集成和發(fā)布的正確性，設計了一套基于流程引擎、實時消息引擎、可并發(fā)復用并能最大化模擬真實環(huán)境的風電仿真引擎，可解決多人同時測試時的數(shù)據(jù)干擾以及測試用例對于測試數(shù)據(jù)的污染導致無法重復測試的問題。結(jié)果表明，測試平臺對風電主場控軟件的迭代速度、軟件質(zhì)量和發(fā)布可靠性均有顯著提升。

4 結(jié)語

本文設計研究了大型風機主場控仿真測試平臺，全覆蓋了主控流程測試邏輯，完整仿真模擬了風機運行的全運行邏輯，汲取自動化測試平臺的優(yōu)點，創(chuàng)新性地提出了可視化流程測試用例設計方案。

本文創(chuàng)新性的測試平臺設計方案，為風電的主場控系統(tǒng)測試提供了一種新的手段，完整的結(jié)構(gòu)設計與強度分析，為測試平臺后續(xù)的研發(fā)打下了基礎。經(jīng)過測試，本平臺實現(xiàn)了大型風電機組和風場主場控系統(tǒng)的所有功能項。本平臺對提升風電主場控系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有顯著的價值。