基于倍福PC控制技術的智能風電場實時網(wǎng)絡系統(tǒng)

　　隨著近年來風力發(fā)電裝機容量的不斷提升，風力發(fā)電占所在電網(wǎng)的比例也隨之持續(xù)增加。眾所周知，風能具有高度的隨機波動性與間歇性，所以大規(guī)模的風電接入會對電力供需平衡、電力系統(tǒng)的安全以及電能質(zhì)量帶來諸多嚴峻的挑戰(zhàn)。2011年初發(fā)生在甘肅酒泉等地的多起脫網(wǎng)事故也說明了制定風電并網(wǎng)規(guī)范的緊迫性。因此,國家電網(wǎng)提出了風電場接入電網(wǎng)的技術規(guī)定，由此產(chǎn)生了電網(wǎng)友好型風機和風電場的概念：

　　1、風機具有有功無功調(diào)節(jié)和低電壓穿越能力，確保電網(wǎng)發(fā)生波動時風機不解列；

　　2、風電場擁有風功率預測系統(tǒng)，能夠完成風電場48小時內(nèi)的短期功率預測和15分鐘至4小時的超短期功率預測；

　　3、集中優(yōu)化配置有功功率和無功功率控制系統(tǒng)，實現(xiàn)風機的遠程調(diào)節(jié)控制。

　　基于以上幾點，不少整機制造商提出了智能風電場的概念，通過風電場網(wǎng)絡能夠遠程集中監(jiān)控風機和風電場的運行，并能實時的對功率進行控制。這些需要有高性能的風機控制器、相應的電力測量設備和快速的現(xiàn)場總線。德國倍福自動化有限公司基于PC的控制技術，具有良好的開放性和靈活性，倍福系列產(chǎn)品包括工業(yè)PC、I/O、現(xiàn)場總線組件和TwinCAT自動化軟件，高性能的PC和功能齊全的端子模塊可為廣大風電客戶提供全面、優(yōu)質(zhì)的風力發(fā)電機和風電場電力監(jiān)控解決方案。

風電場的電力監(jiān)控實時網(wǎng)絡：

該方案是基于倍福系列產(chǎn)品的風力發(fā)電機組和風電場的調(diào)度實時網(wǎng)絡方案，如下圖1。

圖1 風電場電力監(jiān)控實時網(wǎng)絡

該方案是基于倍福的工業(yè)PC、電力測量端子模塊、帶光纖接口的 EtherCAT 耦合器和實時的 EtherCAT 技術。倍福工業(yè)PC上運行專用的能量管理平臺，具有強大的風電場電力監(jiān)控功能。該平臺提供與電網(wǎng)調(diào)度接口，集中實時控制風電場的電壓、功率等等。保證風電場與接入地區(qū)電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)高效的風電場運行和管理。EtheCAT 光電轉(zhuǎn)換耦合器模塊把能量管理平臺與風電場內(nèi)的風機連接到一起，組成風電場電力監(jiān)控實時網(wǎng)絡，可在風電場網(wǎng)絡中實現(xiàn)小于 1 ms 的實時控制任務。專用的電力測量端子模塊配合特有的低電壓穿越控制模塊監(jiān)控風場電網(wǎng)公共接入點和單臺風機并網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)狀況（電壓、頻率、有功、無功等等）。

風電場電力監(jiān)控實時網(wǎng)絡方案分為兩部分：

1 單臺風力發(fā)電機組的電力監(jiān)控，如下圖2

圖2單臺風力發(fā)電機組的電力監(jiān)控

該方案采用了倍福嵌入式工業(yè) PC CX5020控制器作為單臺風機的主控制器，主控制程序基于TwinCAT軟件，運用倍福自主開發(fā)完善、高效、成熟的風電專用功能庫，集成先進的控制算法，很好的協(xié)調(diào)控制風機各部件和子系統(tǒng)的運行。根據(jù)當前的風況和風電場能量管理平臺的控制指令，控制風機的輸出電壓、頻率和功率等等，保證風機的穩(wěn)定運行。

控制器自帶的以太網(wǎng)接口可連接到交換機模塊 EL6601，可以通過 ADS、OPC、Modbus TCP 等通訊協(xié)議與風電場的 SCADA 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。通過 EtherCAT 網(wǎng)橋模塊 EL6692 和擴展模塊 EK1110 接入風電場實時控制網(wǎng)絡，與能量管理平臺進行通訊，滿足對整個風電場的實時控制的需要。EK1501 作為單臺風機與風電場 EtherCAT 實時網(wǎng)絡的接入點。

EL3413 模塊可直接監(jiān)測單臺風機并網(wǎng)側(cè)的 690 V AC電壓、電流、頻率、有功、無功、發(fā)電量，以及21次以內(nèi)的諧波等等。風機主控系統(tǒng)通過采集的電力數(shù)據(jù)監(jiān)測風機運行狀況、相關的數(shù)據(jù)可通過風場網(wǎng)絡傳送到風電場中控室的能量管理平臺和 SCADA 系統(tǒng)。

2 風電場公共接入點電力監(jiān)測，如下圖3

圖3 風電場公共接入點電力監(jiān)測

具有XFC超采樣技術的電力測量模塊 EL3773 對風電場電網(wǎng)公共接入點進行監(jiān)控。倍福工業(yè) PC 上運行的能量管理平臺通過 EtherCAT 耦合器接入到風電場實時網(wǎng)絡，采集 公共接入點處和每臺風機并網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)狀況，通過平臺里專用的控制程序統(tǒng)一調(diào)控整個風電場的電壓、頻率、有功出力和無功等。

　　通訊架構：

　　風場實時網(wǎng)絡為環(huán)網(wǎng)方式，使用單模光纖通過EtherCAT總線和相應的耦合器EK1501把風場的風機連接成通訊環(huán)網(wǎng)。風場中的每臺風機的主控制器CX5020可通過以太網(wǎng)交換機模塊EL6601與接入風場網(wǎng)絡，并使用EtherCAT網(wǎng)橋模塊EL6692實現(xiàn)與能量管理平臺的實時通訊。

　　EtherCAT采用開放的實時以太網(wǎng)通訊協(xié)議，是一種高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，由德國倍福自動化有限公司研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，分布于100個節(jié)點的1000個開關量刷新時間僅為30µs，同時，它還明顯降低了現(xiàn)場總線成本。EtherCAT的特點還包括分布式時鐘，可選線纜冗余和功能性安全協(xié)議(SIL3)。采用XFC（極速控制）技術后，利用時間戳可獲得小于100ns的時間分辨率。

　　關鍵設備：

　　CX5020

　　CX50x0系列是符合標準DIN導軌安裝方式、無風扇、寬溫型的嵌入式控制器，CX50x0采用IntelAtom低功耗處理器，CPU主頻可達1.6G。帶有兩個獨立的千兆以太網(wǎng)端口和四個USB2.0接口，可以通過DVI接口與倍福控制面板或標準DVI顯示器相連。根據(jù)需要，也可添加一個串口（RS232/RS422/RS485）或具有主站或從站功能的現(xiàn)場總線接口。位于蓋板后面并可從外部拆裝的可互換的CF卡作為引導和存儲介質(zhì)。CX5000系列還內(nèi)置了一個1秒鐘UPS，可確保在CF卡上安全備份持久性應用數(shù)據(jù)。

　　EK1501/EK1521

　　帶光纖接口的EhterCAT耦合器和接口模塊；具有EtherCAT的光電轉(zhuǎn)換和耦合功能。使用帶單模的光纖接口的耦合器和接口模塊，可以實現(xiàn)EhterCAT光纖線纜冗余系統(tǒng)，最遠的距離可達20千米。

　　EL3413

　　專為風電設計，用于單臺風力發(fā)電機的電力監(jiān)測，不需要電壓互感器可直接接入690VAC。檢測電流信號的通道是相互隔離的，可以與各種通用的電流互感器進行連接。該電力測量模塊能對電壓、電流、頻率、有功，無功，功因、發(fā)電量，上至21次諧波等等相關指標的進行監(jiān)測。

　　EL3773

　　超采樣電力測量模塊EL3773采用倍福XFC技術，6個通道可同時以100µs的精度進行采樣，基于采樣所得的電流電壓，客戶可以計算出真有效值及實現(xiàn)復雜的自定義算法。支持分布式時鐘。

　　EL6692/EL6601

　　EL6692用于不同主站的EtherCAT網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)交換，同時它還可以同步各個網(wǎng)段的分布式時鐘。

　　EL6601為以太網(wǎng)交換機模塊，用于將以太網(wǎng)設備與EtherCAT端子模塊網(wǎng)絡進行分布式連接，交換機端子模塊可安裝在EtherCAT網(wǎng)段中的任意位置，無需進行任何配置。

　　倍福風電功能庫為風機主控開發(fā)帶來極大的便利

　　集合倍福多年風電主控系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗，為高效成熟的風電功能庫。倍福風電功能庫以模塊化的形式組成，且源代碼完全開放，幫助技術人員深入理解風機的控制。使用這些功能庫能夠顯著縮短主控制程序的開發(fā)時間，也可對現(xiàn)有程序的主控制架構、控制代碼和邏輯進行優(yōu)化。其主要軟件模塊有：：

　　1LibraryWindAuxiliaries（風電輔助庫）

　　2LibraryStatuscodes/StatuscodeGenerator（狀態(tài)碼庫和生成工具）

　　3TraceLogger（狀態(tài)記錄文件）

　　4Mean-ValueLogger（均值記錄）

　　5PowerCurveLogger（功率曲線記錄）

　　6Simulation（風機模擬庫）

　　7I/O-Generator（I/O生成工具）

　　8ParameterGenerator（參數(shù)生成工具）

　　9RemoteComandGenerator（遠程命令生成工具）

　　倍福TwinCAT3軟件

　　倍福公司早在1986年就創(chuàng)立了基于PC控制技術的自動化全球標準，在軟件方面，以TwinCAT（TheWindowsControlandAutomationTechnology）自動化組件作為控制系統(tǒng)的核心軟件，TwinCAT軟件將任意一個基于PC的系統(tǒng)變成一個多PLC、NC、CNC或機器人的實時控制系統(tǒng)。TwinCAT3是倍福在TwinCAT2軟件基礎上更深入的系統(tǒng)性研究開發(fā)的成果，以下列舉了TwinCAT3的一些特點，圖4為TwinCAT3系統(tǒng)圖：

　　編程和配置只需要一個軟件

　　集成VisualStudio

　　選擇編程語言更加靈活

　　支持面向?qū)ο蟮腎EC61131-3

　　使用C/C++作為實時應用編程工具

　　支持Matlab/Simulink

　　支持多核和64位系統(tǒng)

　　可將TwinCAT2的方案直接移植到TwinCAT3

　　公司簡介：

　　德國倍福自動化有限公司總部位于德國威爾市。公司在世界各地設有分支機構，加上全球的合作伙伴，目前公司業(yè)務已遍及60多個國家。

　　倍福始終以基于PC的自動化新技術作為公司的發(fā)展理念，所生產(chǎn)的工業(yè)電腦、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和TwinCAT控制軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。近30年來，倍福公司的組件和系統(tǒng)解決方案在世界各地得到了廣泛的應用。

　　自2001年3月德國倍福成立北京代表處以來，公司在中國的業(yè)務迅速發(fā)展，先后成立了上海代表處和廣州代表處，并在寧波、武漢、成都、青島設立了聯(lián)絡處。2007年8月上海代表處經(jīng)轉(zhuǎn)制后正式成立倍福中國公司，并將倍福中國區(qū)總部遷至上海。隨著各種具有良好性價比的新產(chǎn)品、新技術不斷進入中國市場，其勇于打破傳統(tǒng)控制模式，傾力推廣PC控制新技術的理念已被越來越多的中國用戶所接受。