秦成虎,王斌,董勝剛,沙玉婷
(國電南京自動化股份有限公司,江蘇 南京 210003)
當(dāng)前,國內(nèi)兆瓦級風(fēng)電機組整機組裝基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化,在國產(chǎn)化率政策要求的推動和扶持下得到持續(xù)的提升,其中諸如葉片、齒輪箱、發(fā)電機、軸承、塔筒、機艙罩等電氣和機械部件已經(jīng)完全替代國外產(chǎn)品。但作為風(fēng)電機組可靠、穩(wěn)定運行核心的電控系統(tǒng)(包括機組主控系統(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)整機廠家或是保持了所引進(jìn)原型機的原配系統(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間運行進(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),因為核心部件的局限性,在運行過程中無法根據(jù)機組實際運行狀態(tài)進(jìn)行控制策略的優(yōu)化和完善,從而影響機組長期運行的穩(wěn)定、可靠性。
隨著國內(nèi)風(fēng)電場總裝機容量的持續(xù)擴大,風(fēng)場等級規(guī)模已從50MW上升到200MW乃至300MW,風(fēng)機控制系統(tǒng)已經(jīng)不局限于所屬風(fēng)機的控制,而是涉及整個風(fēng)場功率動態(tài)分配的范疇,從而對機組控制系統(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。
風(fēng)電機組主控系統(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,實現(xiàn)各類機組的狀態(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)電機監(jiān)視、液壓站和安全鏈等設(shè)備的監(jiān)視,實時數(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象的結(jié)構(gòu)、運行規(guī)律和運行環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計。針對風(fēng)電機組測點分布特性和運行維護(hù)方便性的要求,主控制器安裝在塔底控制器機架上。I/O模件同時安裝在塔底控制器機架和機艙擴展機架上;塔底和機艙都配有就地HMI,便于人員調(diào)試;塔底和機艙都帶有電氣柜體,用于安裝主控制器、I/O模件等,同時還包括安全鏈系統(tǒng)的布置。
機艙擴展機架安裝主通信模件、第3方智能設(shè)備擴展通信模件和各種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。
塔底機架由電源模件、主CPU模件、主通信模件、擴展通信模件和各種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)的實時性。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,控制邏輯軟件運行于主CPU模件上,用于風(fēng)電機組的控制算法計算。
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。
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,最終完成機組的控制;同時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)級的溫度要求。其自帶的浮點處理器可以適應(yīng)機組控制多變量、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)的適時性得到了很大提高,可確保風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行。操作系統(tǒng)具有完整的內(nèi)存保護(hù)功能,同時驅(qū)動設(shè)備加載組件化,具有良好的可擴充性。支持真正的多進(jìn)程“并行運行”方式。采用實時內(nèi)核擴展功能的操作系統(tǒng),使得執(zhí)行任務(wù)時間和非RTOS相比由數(shù)十毫秒提升到數(shù)百微秒,使得控制器的實時特性得到極大提高[2]。
控制器控制邏輯軟件設(shè)計完全符合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,可方便地對風(fēng)電機組的控制邏輯進(jìn)行組態(tài)。
風(fēng)電中的變槳系統(tǒng)和變流系統(tǒng)產(chǎn)品型號眾多,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,接口配置靈活,如圖4所示。
圖4 網(wǎng)關(guān)模件的功能接口
安全鏈存在的目的是作為計算機主控系統(tǒng)的有效后備。當(dāng)主控制器對極端條件響應(yīng)失敗時,它能接管主控制器,對嚴(yán)重或者潛在的致命故障迅速產(chǎn)生響應(yīng),及時緊急停機,以保護(hù)風(fēng)電機組。安全鏈系統(tǒng)是獨立于主控制器的最后一級保護(hù)措施,在風(fēng)電機組控制器標(biāo)準(zhǔn)中有明確要求[3]。
在安全鏈設(shè)計時,可能會對機組造成的致命傷害的故障結(jié)點串連成一個回路,一旦其中一個動作,將引起緊急停機反應(yīng)。安全鏈設(shè)計的原則:
(1)盡可能獨立于主控制器。
(2)純硬結(jié)點搭建,當(dāng)安全鏈作用時,沒有計算機或微處理器參與邏輯判斷和運算。
(3)采用反邏輯設(shè)計。在安全鏈中的所有硬結(jié)點,當(dāng)外部條件處于安全時,硬結(jié)點閉合,一旦外部條件處于極限時或者傳感器失效時結(jié)點斷開,導(dǎo)致緊急停機。設(shè)計時一般將如下傳感器的信號傳接在緊急安全鏈中:手動緊急停止按鈕、主控制器結(jié)點、偏航系統(tǒng)結(jié)點、塑殼斷路器MCCB(Moulded Case Circuit Breaker)主回路結(jié)點、振動傳感器、風(fēng)輪過轉(zhuǎn)速或發(fā)電機過轉(zhuǎn)速傳感器等。在緊急停機后,所有的繼電器和接觸器失電,發(fā)電機與電網(wǎng)解列(發(fā)電機主接觸器跳開),機械剎車與氣動剎車同時動作。在緊急停機后,只能手動復(fù)位才能重新啟動[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,在主控制器自己因為軟件或硬件問題而產(chǎn)生故障,主控制器狀態(tài)結(jié)點立即輸出,以保證系統(tǒng)的安全。主控制器狀態(tài)結(jié)點設(shè)計基于復(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,安全鏈結(jié)點輸出正常(閉合)。在控制器出現(xiàn)故障或控制器電源故障時,主控制器的安全鏈結(jié)點就斷開。這樣,整個主控系統(tǒng)的安全鏈就斷開,緊急停止風(fēng)力發(fā)電機組的運行,以保護(hù)機組的主要設(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,那么該結(jié)點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,主控制器的安全鏈結(jié)點將會斷開。失效條件包括以下3個:
(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,每個運算周期對安全鏈結(jié)點進(jìn)行復(fù)位,使其保持閉合。當(dāng)除斷電外的其他2個條件中的任何1個條件出現(xiàn)時,程序?qū)V箤Π踩湉?fù)位,延遲時間到達(dá)后,控制器安全鏈結(jié)點就會斷開。當(dāng)因供電原因?qū)е驴刂破魇щ姇r,因為主控制器的結(jié)點采用了反邏輯設(shè)計,斷開后,該結(jié)點就會自動斷開,停止風(fēng)機運行。
風(fēng)電機組主控制器是機組運行的核心關(guān)鍵技術(shù),因該技術(shù)壟斷造成的高昂成本給風(fēng)電運營商長期穩(wěn)定持續(xù)運行造成不便,國電南京自動化股份有限公司在為大中型火力發(fā)電機組提供分散控制系統(tǒng)(DCS)控制器的基礎(chǔ)上,認(rèn)真對比風(fēng)電機組特性和運行要求,推出了面向風(fēng)電機組控制對象的風(fēng)電機組主控制器。
國電南京自動化股份有限公司通過風(fēng)力發(fā)電機組主控制器的開發(fā),現(xiàn)已掌握了風(fēng)電機組主控制器的核心技術(shù)。隨著對風(fēng)電機組認(rèn)識的加深和控制策略優(yōu)化能力的加強,會使自主開發(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)測及AGC機組調(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硬實時性的研究與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用,2003,23(6):34 -36.
[3]GB/T 19069—2003,風(fēng)力發(fā)電機組控制器技術(shù)條件[S].
[4]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002:129-133.