蒲萬春，寧琨，張廣斌

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽， 618000）

風(fēng)力發(fā)電機組在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

蒲萬春，寧琨，張廣斌

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽， 618000）

利用HIL仿真，可在風(fēng)力發(fā)電機組整個產(chǎn)品尚未成型階段，對關(guān)鍵零部件進行測試和初步參數(shù)匹配，建立某些系統(tǒng)的準確數(shù)學(xué)模型，縮短設(shè)計、研發(fā)周期。文章通過對在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用的介紹，結(jié)合3 MW風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)測試，展示了這種半實物實時在環(huán)仿真的測控技術(shù)。

HIL仿真，Matlab/Simulink，模型引擎架構(gòu)，RUP

Abstract:When the wind turbine had not yet formed,the key components were tested and the preliminary parameters were mathed by HIL simulation,then accurate mathematical model for certain system was established to short the period of design and development.Based on the introduction of the development and application of the loop simulation test system,combined with the test of 3 MW wind turbine control system,this paper showed the measurement and control technology of this kind of semi-physical real-time simulation system.

Key words:HIL simulation， Matlab/Simulink， model engine architecture， RUP

0 引言

多年來，產(chǎn)品設(shè)計工程師們基于開發(fā)時間、成本和維護的考慮，使用半實物仿真設(shè)備來縮短開發(fā)周期。而在許多實際應(yīng)用中，又不可能獲得系統(tǒng)的準確模型，有時因為實際模型的復(fù)雜性，建立起來的模型也不準確，所以需要將實際系統(tǒng)模型放在仿真系統(tǒng)中進行研究。這樣的仿真稱為硬件在環(huán)回路仿真（HIL），又常稱為半實物實時仿真或混合仿真。

在產(chǎn)品開發(fā)中采用了HIL測試系統(tǒng)，其主要目的有兩個：一是用于整個產(chǎn)品關(guān)鍵部件的原型開發(fā)和性能測試，利用HIL仿真，可在整個產(chǎn)品尚未成型階段，對關(guān)鍵零部件進行測試和初步參數(shù)匹配，如有的風(fēng)機制造商可以將HIL仿真作為某一標準零部件的標準檢測流程，如果該產(chǎn)品未通過該項測試，則不會進入產(chǎn)品的下一個階段；二是在進行特定領(lǐng)域中的仿真分析時，建立某些系統(tǒng)的準確數(shù)學(xué)模型 （比如風(fēng)機控制系統(tǒng)中的風(fēng)速、液壓、溫度控制）比較困難，而將實際的物理系統(tǒng)嵌入到整個仿真系統(tǒng)中。

1 總體設(shè)計路線與功能描述

1.1 設(shè)計路線

正是由于硬件在環(huán)仿真技術(shù)的重要性，我們考慮采用NI公司開發(fā)的含有高速硬件I/O的實時PXI系統(tǒng)、基于配置的硬件仿真測試平臺Nilab。Nilab可以兼容 Matlab/Simulink、ITI/SimulationX、Tesis DYNA等多種可以導(dǎo)出為DLL格式的模型。由于Nilab測試平臺可以應(yīng)用在NI的PXI實時系統(tǒng)中，同時使用反射內(nèi)存方式布網(wǎng)，從而可以極大地提高測試的實時性和可靠性。同時Veristand具有測試流程控制、測試序列管理等功能，從而使得測試過程非常簡易。軟件上我們考慮利用實時仿真環(huán)境LabVIEW RT，構(gòu)建了包括風(fēng)機整機的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。采用圖形化軟件LabVIEW建立了風(fēng)機運行模型，并利用所搭建的試驗臺架進行了HIL仿真。

本系統(tǒng)由模型運行設(shè)備、高速硬件I/O設(shè)備、系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電機組監(jiān)控設(shè)備四部分組成。其中模型運行設(shè)備、高速硬件I/O設(shè)備是該系統(tǒng)最核心部分。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示：其中（1）為模型運行設(shè)備；（2）為高速硬件I/O設(shè)備；（3）為系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備；（4）為風(fēng)力發(fā)電機組監(jiān)控設(shè)備；（RM）為通過內(nèi)存反射；（5）為被測設(shè)備；（M1）為風(fēng)力發(fā)電機組整機模型；（M2）為風(fēng)力發(fā)電機組運行環(huán)境模型；（M3）為風(fēng)機發(fā)電機組補充模型；（M4）為風(fēng)力發(fā)電機組測控用例；（TC）為測控系統(tǒng)監(jiān)控程序。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機組在環(huán)仿真測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 功能描述

風(fēng)機在環(huán)仿真測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，為設(shè)備的設(shè)計、調(diào)試、維護及升級提供了便利；在Windows系統(tǒng)下進行模型機、實時處理機及上位機的程序開發(fā)，使得用戶可以方便地進行流程化測試。測試系統(tǒng)具備以下功能：

（1）能導(dǎo)入多個軟件平臺生成的風(fēng)機部件仿真數(shù)學(xué)模型；

（2）能將風(fēng)機部件仿真數(shù)學(xué)模型的輸入輸出與風(fēng)機控制器硬件I/O的連接；

（3）能夠進行風(fēng)機仿真模型之間輸入輸出通道的映射；

（4）能夠編寫測試序列，從而按照一定的邏輯改變模型和控制器的輸入輸出參數(shù)，完成相關(guān)單個測試項的測試；

（5）能夠安排測試流程，從而以一定順序執(zhí)行多個測試序列，完成自動測試；

（6）能夠進行測試數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲和離線分析；

（7）能夠進行測試報告的配置和生成；

（8）能夠監(jiān)控數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)和算法添加。

2 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)的四個組成部分中模型運行設(shè)備、高速硬件I/O設(shè)備是系統(tǒng)最核心部分，各部分關(guān)鍵技術(shù)具體實現(xiàn)如下。

模型運行設(shè)備編程實現(xiàn)部分風(fēng)力發(fā)電機組的部分仿真參數(shù)，構(gòu)建葉片、傳動鏈、塔筒、發(fā)電機、變頻器、外界環(huán)境等風(fēng)力發(fā)電機組重要部件模型。

通過自定義通訊協(xié)議和接口，進行通訊協(xié)議編程，用內(nèi)存反射方式建立模型運行設(shè)備和高速硬件I/O設(shè)備之間的實時通訊機制。

反射內(nèi)存是一類特殊的共享內(nèi)存系統(tǒng)，可啟用多個單獨的控制器來共享一組常用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在每個控制器上接受本地存儲，但數(shù)據(jù)可在反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)上接受連續(xù)同步。反射內(nèi)存節(jié)點為分布式實時系統(tǒng)提供了一類高速、確定的數(shù)據(jù)傳輸方式。它們采用光纖電纜實現(xiàn)通信，因此網(wǎng)絡(luò)上的延遲非常低。

高速硬件I/O設(shè)備安裝實時操作系統(tǒng)（RT OS），通過編程工具使用開發(fā)工具建立測控系統(tǒng)程序，建立風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)控制原理模型、電氣行為模型、風(fēng)力發(fā)電機組傳感器響應(yīng)模型等補充風(fēng)機模型，建立風(fēng)電外部模型導(dǎo)入模塊、建立測控用例部署模塊、建立數(shù)據(jù)交互中心、建立端口映射模塊等，以實現(xiàn)機械模型、電控模型、電氣模型和真實設(shè)備的無縫連接。

高速硬件I/O設(shè)備使用實際信號線纜和通訊線纜連接被測設(shè)備，被測設(shè)備為真實風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備，例如主控制系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)、風(fēng)速儀、風(fēng)向標、振動模塊等。

在系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備上，通過編程工具建立測控用例編輯管理功能模塊、建立數(shù)據(jù)記錄功能模塊、建立數(shù)據(jù)分析對比功能模塊、建立實時數(shù)據(jù)顯現(xiàn)功能模塊、建立數(shù)據(jù)在線修改功能模塊、建立風(fēng)機軟件控制功能模塊、建立多用戶在線查看模塊等，以分擔(dān)和完善高速硬件I/O設(shè)備功能，同時通過自定義協(xié)議編程，用以太網(wǎng)線與高速硬件I/O設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電機組監(jiān)控設(shè)備進行通訊。

風(fēng)力發(fā)電機組監(jiān)控設(shè)備安裝配置被測設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，可讀取被測設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)和數(shù)據(jù)并送給系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備，系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備也可以根據(jù)實際需要發(fā)送相應(yīng)控制指令控制被測設(shè)備。

其中在線測控軟件 （TS），可在仿真運行過程中實時更改風(fēng)力發(fā)電機組整機及各個部件的模型參數(shù)，并可以實時修改風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)測控用例（M5）和發(fā)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)（M4）的所有通訊數(shù)據(jù)。從而方便模擬各種特殊的工作環(huán)境及運行條件。

其中風(fēng)力發(fā)電機組測控用例，是根據(jù)自主設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機組測控標準，在系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備上編程實現(xiàn)，最后部署到高速硬件I/O設(shè)備上。

測試主機模塊單元示意見圖2。

圖2 測試主機模塊單元示意圖

3 項目實施過程

在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)特點是智力密集，單件生產(chǎn)，整個過程采用RUP（Rational Unified Process,Rational統(tǒng)一過程）作為項目的實施規(guī)范，最大限度地提高軟件的生產(chǎn)效率、降低硬件成本并減少風(fēng)險，促進開發(fā)工作的標準化和一致性。

RUP是一種迭代開發(fā)模型，每個階段可分解為多個迭代，一個迭代是一個完整的開發(fā)循環(huán)，產(chǎn)生一個可運行的版本，它以增量方式完成最終系統(tǒng)。RUP的開發(fā)過程如圖3所示。

圖3 RUP的迭代開發(fā)過程圖

按照RUP的理論把整個項目開發(fā)過程分為：先啟階段、精化階段、構(gòu)建階段、產(chǎn)品化階段，每個階段都定義了要實現(xiàn)的里程碑即關(guān)鍵任務(wù)點，以此確保整個項目的關(guān)鍵目標都能完成。

如圖3所示，每個階段都包括：業(yè)務(wù)建模、需求、分析設(shè)計、實施、測試、部署、配置與變更管理、項目管理、環(huán)境等9個核心工作流程，在不同的階段里側(cè)重不同的工作流，各種工作流在各階段所占的比例不盡相同。根據(jù)項目實際情況對RUP規(guī)范進行定制簡化以符合項目需要，合理地按照RUP規(guī)范組織測試系統(tǒng)開發(fā)過程，保證了項目的成功。

4 在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的應(yīng)用實例

本章以3 MW自主研發(fā)主控系統(tǒng)程序的在環(huán)仿真測試中的應(yīng)用為例，闡述了如何借助本系統(tǒng)實現(xiàn)對風(fēng)電機組主控系統(tǒng)進行系統(tǒng)性檢驗，加快風(fēng)電的研發(fā)進度，進而降低研發(fā)和測試成本。

4.1 系統(tǒng)應(yīng)用背景介紹

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機組已經(jīng)變得越來越復(fù)雜。但是，缺乏一個有效的手段對風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)功能和機組組成部件從系統(tǒng)層和應(yīng)用層進行全面測控和驗證，大多數(shù)供應(yīng)商提供的設(shè)備未經(jīng)系統(tǒng)性驗證就直接投運，存在著很大的風(fēng)險，而且給現(xiàn)場調(diào)試及運行也帶來很大困難。也有部分廠家通過半實物仿真的形式實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機組某個部件的測控，但還沒有一個完備的方案對整個風(fēng)力發(fā)電機組進行測控。就公司存在的問題而言主要體現(xiàn)在如下四個方面：

（1）缺乏自主研發(fā)新機型、新方案系統(tǒng)性的對比驗證手段；

（2）缺乏問題分析處理的系統(tǒng)性對比手段和數(shù)據(jù)支持；

（3）缺乏對控制系統(tǒng)設(shè)計要求的規(guī)范標準；

（4）缺乏風(fēng)力發(fā)電機組主動優(yōu)化設(shè)計手段。

隨著公司3 MW風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)自主研發(fā)工作的開展，如何保證3 MW風(fēng)力發(fā)電機組整體設(shè)計和實施的高效性、可靠性、正確性和統(tǒng)一性，功能完備的風(fēng)力發(fā)電機組的在環(huán)仿真測控系統(tǒng)的應(yīng)用就顯得十分必要。

4.2 自主研發(fā)3 MW風(fēng)機主控系統(tǒng)的仿真測試

4.2.1 仿真測試系統(tǒng)+設(shè)備構(gòu)成

仿真測試系統(tǒng)兼容通訊方式和硬接線方式，為實現(xiàn)對風(fēng)機多種設(shè)備的實時硬件在環(huán)仿真提供應(yīng)用平臺，采用將bladed模型數(shù)據(jù)、Simulink模型數(shù)據(jù)與主控設(shè)備的實時數(shù)據(jù)結(jié)合的方式，為被測設(shè)備仿真最大程度的真實運行環(huán)境，通過被測設(shè)備的外部硬件和內(nèi)部數(shù)據(jù)的表現(xiàn)及對數(shù)據(jù)的分析達到對設(shè)備控制和測試目的。方案重點保障了測試系統(tǒng)實時性、全面性、穩(wěn)定性、真實性和便捷性。 “NI或 PC（blade+hardwareTest）+反射內(nèi)存+NI+被測設(shè)備”的仿真測試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 3 MW仿真測試系統(tǒng)圖

根據(jù)3 MW風(fēng)機控制器的實際測試需求以及模型的現(xiàn)有情況，系統(tǒng)由被測設(shè)備 （主控制器）、模型運行設(shè)備、模型運行顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、控制PC、SCADA PC組成。系統(tǒng)設(shè)備各部件構(gòu)架示意圖如圖5所示。

圖5 仿真測試系統(tǒng)設(shè)備部件構(gòu)架圖

4.2.2 3 MW主控系統(tǒng)仿真測試內(nèi)容

基于該測試系統(tǒng)完成了對3 MW自主研發(fā)主控系統(tǒng)程序的仿真測試，內(nèi)容包括：

（1）全流程測試：包括啟動流程、升轉(zhuǎn)速流程、空轉(zhuǎn)流程、并網(wǎng)、發(fā)電、限負荷、低電壓穿越流程等；

（2）全功能測試：包括安全鏈系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、變頻器系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、齒輪箱系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、主軸剎車、潤滑系統(tǒng)；

（3）全故障三百多個各個等級的狀態(tài)碼邏輯測試；

（4）全3 MW程序代碼檢測；

（5）系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性測試等。

4.2.3 技術(shù)創(chuàng)新點

（1）實現(xiàn)高精度在線實時仿真測試；

（2）一個平臺，多個應(yīng)用；

（3）結(jié)合載荷報告，實現(xiàn)全邏輯系統(tǒng)性測試；

（4）制定標準，實現(xiàn)自動測試；

（5）電控系統(tǒng)的行為建模；

（6）電控系統(tǒng)與Bladed風(fēng)機模型的無縫連接;

（7）實現(xiàn)黑盒測試。

4.2.4 3 MW仿真測試的作用及成果

在環(huán)仿真測試系統(tǒng)首次在3 MW主控系統(tǒng)研發(fā)階段實現(xiàn)了自主研發(fā)保護邏輯、控制邏輯、狀態(tài)碼、統(tǒng)計功能等全方位全邏輯綜合測試，保證了3 MW風(fēng)力發(fā)電機組主控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和正確性。減少了設(shè)計開發(fā)、車間調(diào)試、風(fēng)場調(diào)試的研發(fā)總體時間。降低了出現(xiàn)事故和不可預(yù)知故障的幾率，保證了研發(fā)和調(diào)試各階段工作的順利進行。為進一步開發(fā)通用型的基于硬接線方式的測試平臺打下了堅實的基礎(chǔ)。并且基于在環(huán)仿真試驗方法和成果取得了 《一種風(fēng)力發(fā)電機組在環(huán)仿真測控系統(tǒng)及測試方法》國家發(fā)明專利。

5 結(jié)束語

具有自主知識產(chǎn)權(quán)的在環(huán)仿真測試系統(tǒng)開發(fā)與實際應(yīng)用，便于公司掌握風(fēng)機運行和控制的核心技術(shù)。有效地發(fā)現(xiàn)長久存在的隱性頑固問題，并為問題的進一步處理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。新機型研發(fā)過程中的迭代測試，高效地發(fā)現(xiàn)并處理較多關(guān)鍵問題，同比縮短研發(fā)周期六個月以上。本項目有利于降本增效，在提高風(fēng)機質(zhì)量、加強管理和控制、提升市場競爭力等方面都具有顯著的經(jīng)濟效益。

[1]王亞民.組態(tài)軟件設(shè)計與開發(fā)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

[2]中國國家標準化管理委員會.數(shù)據(jù)流程圖的詳細規(guī)定:GB1526 1989[S].北京:中國標準化出版社,1990.

[3]D V Witcher.GH Bladed Usermanual(版本 3.67)[Z]2003.

Development and Application for Loop Simulation of Wind Turbine

Pu Wanchun， Ning Kun， Zhang Guangbin
（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK83

A

1674-9987（2017）03-0071-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.016

蒲萬春 （1971-），男，本科，高級工程師，長期從事汽輪機控制系統(tǒng)、電站DCS控制系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計工作，現(xiàn)主要從事風(fēng)電主控系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計工作。