姜智銳，徐少文

（上海中廣核工程科技有限公司，上海 2002411）

0 引 言

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)，能夠控制并監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組安全可靠地運(yùn)行，大多數(shù)國(guó)內(nèi)風(fēng)電主機(jī)廠利用國(guó)外的控制器產(chǎn)品做集成，而控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的核心零部件——風(fēng)機(jī)控制控制器仍然以進(jìn)口為主[1-2]。為此，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局印發(fā)關(guān)于《能源革命技術(shù)創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》的通知中，要求聚焦能源裝備制造“卡脖子”問(wèn)題，加快控制系統(tǒng)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

以往更多是研究風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的功能，而對(duì)于風(fēng)機(jī)控制器需求研究相對(duì)較少，尤其是國(guó)產(chǎn)化風(fēng)機(jī)海上控制器功能需求就更少。本文為研究適用于海上風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)需求，從海上風(fēng)電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系和主流海上風(fēng)機(jī)控制器幾個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，得出海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的關(guān)鍵需求。

1 海上風(fēng)機(jī)控制器主流產(chǎn)品分析

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)風(fēng)機(jī)整機(jī)廠家配套的海上風(fēng)機(jī)控制器為國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，如MITA公司的WP4200控制器，Beckhoff公司的CX2040嵌入式PC， BCAHMANN公司的MC220風(fēng)電專(zhuān)用PLC系統(tǒng)。主流海上風(fēng)機(jī)控制器性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 主流海上風(fēng)機(jī)控制器性能對(duì)比表

2 海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)/驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系

開(kāi)發(fā)海上風(fēng)機(jī)控制器要充分調(diào)研分析相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析，形成海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系（圖1），共分為3層。第一層：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求，主要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 設(shè)計(jì)要求》（GB/T 1845.1）；第二層：不同類(lèi)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求，主要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 控制系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》（GB/T 25386.1—2021），該標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)當(dāng)前主流的雙饋?zhàn)儤囡L(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)條件，對(duì)于老舊失速型風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，可參照《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 控制器 技術(shù)條件》（GB/T19069—2003）、《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 控制器 實(shí)驗(yàn)方法》（GB/T19070—2003）等標(biāo)準(zhǔn)；第三層：海上風(fēng)機(jī)發(fā)電控制器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，主要包括風(fēng)機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)機(jī)控制器測(cè)試驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)/驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系

將主流海上風(fēng)機(jī)控制器產(chǎn)品性能需求同海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系要求進(jìn)行對(duì)比，其中差異項(xiàng)見(jiàn)表2，表2中的主流海上風(fēng)機(jī)控制器指標(biāo)相比標(biāo)準(zhǔn)體系要更苛刻和明確。

表2 主流海上風(fēng)機(jī)控制器同標(biāo)準(zhǔn)體系需求差異

3 海上風(fēng)機(jī)控制器關(guān)鍵需求分析

按照海上風(fēng)機(jī)控制器標(biāo)準(zhǔn)體系梳理需求，同海上風(fēng)機(jī)控制器主流產(chǎn)品性能進(jìn)行綜合分析得出海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的關(guān)鍵需求。

3.1 環(huán)境適應(yīng)性需求

環(huán)境適應(yīng)性需求，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共包括環(huán)境條件、環(huán)境試驗(yàn)和耐久性評(píng)價(jià)等需求項(xiàng)，各執(zhí)行內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）環(huán)境條件包括工作溫度、貯存溫度、運(yùn)輸溫度，具體需求參見(jiàn)表2中的指標(biāo)執(zhí)行。

（2）環(huán)境試驗(yàn)包括低溫試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、溫度變化試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)，試驗(yàn)按照《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法》（GB/T 2423.1—2008—GB/ T2423.101—2008）系列標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

（3）環(huán)境耐久性評(píng)價(jià)與試驗(yàn)包括耐低溫試驗(yàn)、耐高溫試驗(yàn)、耐濕熱試驗(yàn)、耐交變鹽霧試驗(yàn)、耐霉菌試驗(yàn)，試驗(yàn)按照《海上用風(fēng)力發(fā)電設(shè)備關(guān)鍵部件環(huán)境耐久性評(píng)價(jià) 控制系統(tǒng)》（NB/T 31135—2018）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.2 電磁兼容需求

風(fēng)機(jī)控制器電磁環(huán)境復(fù)雜，需要重點(diǎn)關(guān)注電磁兼容需求，PCB（印制電路板）要可靠接地，可以有效抵抗脈沖群干擾，所有控制電纜選用帶屏蔽層的多芯電纜，增強(qiáng)抗干擾能力，滿足靜電放電抗擾度試驗(yàn)、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)、浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)、振鈴波抗擾度試驗(yàn)要求，電磁兼容試驗(yàn)按照《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》（GB/T 17626.2—2018）、《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 振鈴波抗擾度試驗(yàn)》（GB/T 17626.12—2013）等系列標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.3 可靠性需求

相對(duì)于陸上風(fēng)機(jī)控制器，海上風(fēng)機(jī)控制器對(duì)于可靠性和安全性有著更高的要求，電源模塊、CPU模塊、通信模塊、信號(hào)采樣及主控模塊等都需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。為了滿足海上風(fēng)機(jī)對(duì)可靠性、高效性和安全性的要求，需要為風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余控制解決方案，從而提高風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)工作由被動(dòng)故障維修向主動(dòng)按需維護(hù)的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，控制器冗余技術(shù)中的同步特性和快速切換特性，可以實(shí)現(xiàn)在不影響風(fēng)機(jī)生產(chǎn)的情況下對(duì)海上風(fēng)機(jī)控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)和軟件更新的功能，使風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)更加高效、智能。

按照《海上風(fēng)力發(fā)電主控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2012）的要求，海上風(fēng)機(jī)控制器中與安全保護(hù)功能有關(guān)的單個(gè)元器件的失效不應(yīng)導(dǎo)致安全保護(hù)功能失效。

按照《失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 控制系統(tǒng) 技術(shù)條件》（GB/T 19069—2017）的規(guī)定要求，與安全保護(hù)系統(tǒng)功能有關(guān)的單個(gè)元器件（如傳感器或制動(dòng)器）的失效，應(yīng)不會(huì)導(dǎo)致安全保護(hù)系統(tǒng)的失效。兩個(gè)獨(dú)立元器件同時(shí)失效可歸入不可能事件，因此不予以考慮。如果兩個(gè)或多格元器件相互關(guān)聯(lián)，則它們同時(shí)失效可視為單一失效。

就可用性和可靠性而言，對(duì)安全保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)元器件應(yīng)有最高的技術(shù)要求。按照《海上風(fēng)力發(fā)電主控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2012）的要求，元器件和材料應(yīng)滿足以下要求。

（1）元器件應(yīng)盡量采用耐濕熱型元器件，其耐濕熱性能符合《船用低壓電器基本要求》（GB/T 783—2008）中第7.1.1.2條規(guī)定的要求。

（2）印制板、插件等部件，在焊接完成后，必須無(wú)脫焊、虛焊、元件松脫或緊固件松動(dòng)等現(xiàn)象。

（3）除陶瓷材料外的所有固體絕緣材料都應(yīng)具有耐燃性，即部件經(jīng)灼熱絲實(shí)驗(yàn)（或焰針試驗(yàn)）后不起燃，或即使發(fā)生起燃，燃燒及灼熱在一開(kāi)灼熱絲（或針焰）后的30 s內(nèi)能完全熄滅且指示娟紙不起燃。同時(shí)，所有塑料部件應(yīng)具有滯燃性，即經(jīng)過(guò)滯燃試驗(yàn)后，這些部件燃燒或損壞部分的長(zhǎng)度不大于60 mm。

（4）所有裸露部分導(dǎo)體、連接頭、端子排均應(yīng)做相應(yīng)的防腐、防潮處理。

（5）所有裸露部分電路板、焊接點(diǎn)均應(yīng)做相應(yīng)的防腐、防潮處理。

3.4 海上風(fēng)機(jī)控制器功能需求

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的主控系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對(duì)葉片的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲及變速運(yùn)行，與變流器系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率及無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。海上風(fēng)機(jī)控制器具有以下關(guān)鍵功能需求。

3.4.1 通信需求

通信方式應(yīng)采用下列方式的一種或幾種[3]。

（1）海上風(fēng)機(jī)控制器應(yīng)能提供CANOpen、Profibus等接口，與變流器、變槳系統(tǒng)通信周期不大于20 ms。能提供100 M/1 000 M光纖以太網(wǎng)接口，支持下述一種或多種協(xié)議：IEC 61400—25、IEC 60870—5—104：2006、ModbusTCP、OPC等。

（2）按照海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)/驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系，通信按照《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2012）、《雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31017—2011）、《直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)軟件功能技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31103—2016）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.4.2 時(shí)鐘需求

海上風(fēng)機(jī)控制器應(yīng)設(shè)有硬件時(shí)鐘電路，在失去電源的情況下，硬件時(shí)鐘應(yīng)能正常工作，精度應(yīng)滿足24 h誤差不大于±5 s，并支持校時(shí)功能，時(shí)鐘功能需滿足《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2012）標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4.3 保護(hù)功能需求

風(fēng)機(jī)控制器應(yīng)具有保護(hù)功能包括過(guò)電流保護(hù)、缺項(xiàng)保護(hù)、接地故障保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)、通信故障報(bào)警、浪涌過(guò)電壓保護(hù)及防雷保護(hù)[4]，相關(guān)保護(hù)功能要符合《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2019）、《雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31017—2011）標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4.4 故障信息記錄需求

海上風(fēng)機(jī)控制器應(yīng)能自動(dòng)在本地存儲(chǔ)器記錄不少于128項(xiàng)指定的最近發(fā)生的故障信息，保留時(shí)間不少于6個(gè)月，分辨精度至少應(yīng)達(dá)到5 ms以便事后故障的再現(xiàn)和分析，故障信息記錄滿足《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2019）標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4.5 事故追憶記錄

記錄分故障前和故障后兩時(shí)段，兩個(gè)時(shí)段的長(zhǎng)短和采樣間隔應(yīng)可調(diào)整。追憶記錄采樣速率不大于1次每秒。記錄時(shí)間長(zhǎng)度不少于120 s，其中事故前不少于60 s，事故后不少于30 s。數(shù)據(jù)記錄主要條目應(yīng)滿足《直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)軟件功能技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31103—2016）、《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2019）標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4.6 冗余需求

海上風(fēng)機(jī)控制器應(yīng)采用冗余技術(shù)，具備冗余的硬件或功能模塊有電源模塊、CPU模塊、通信模塊、信號(hào)采樣及處理模塊，冗余需滿足《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31043—2019）標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4.7 供電需求

海上風(fēng)機(jī)控制器及由外部供電的I/O模塊的輸入電源的額定值和工作范圍應(yīng)滿足《可編程序控制器第2部分：設(shè)備要求和測(cè)試》（GB/T 15969.2—2008）標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4.8 數(shù)字量/模擬量輸入輸出需求

數(shù)字輸入/輸出應(yīng)按照《可編程序控制器 第2部分：設(shè)備要求和測(cè)試》（GB/T 15969.2—2008）的規(guī)定要求，數(shù)字輸入/輸出應(yīng)在給定的限值之內(nèi)工作。

模擬量輸入/輸出、信號(hào)范圍及阻抗的額定值應(yīng)符合《可編程序控制器 第2部分：設(shè)備要求和測(cè)試》（GB/T 15969.2—2008），規(guī)定的要求。

3.4.9 CPU和系統(tǒng)內(nèi)存需求

隨著風(fēng)電控制程序中邊緣計(jì)算的需要，主頻應(yīng)更高，內(nèi)存更大，CPU頻率達(dá)到1.6GHz左右，系統(tǒng)內(nèi)存2GB及以上，以滿足風(fēng)機(jī)控制模型仿真等計(jì)算速度要求。

3.4.10 存儲(chǔ)空間需求

海上風(fēng)機(jī)控制器具備4GB的FLASH內(nèi)存，并根據(jù)用戶需求通過(guò)CF卡擴(kuò)展存儲(chǔ)空間；海上風(fēng)機(jī)控制器具有512 KB左右的板載掉電存儲(chǔ)，甚至具有1MB的板載掉電存儲(chǔ)。

3.4.11 自檢和診斷功能

按照《可編程序控制器 第2部分：設(shè)備要求和測(cè)試》（GB/T 15969.2—2008）的規(guī)定要求，控制器應(yīng)提供系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)行自檢和診斷的手段。這種手段應(yīng)是風(fēng)機(jī)控制器的內(nèi)置服務(wù)或?yàn)閷?shí)現(xiàn)預(yù)期應(yīng)用而推薦的方法。

（1）監(jiān)控用戶應(yīng)用程序的手段[如監(jiān)視（看門(mén)狗）定時(shí)器等]。

（2）檢驗(yàn)存儲(chǔ)器完整性的硬件或軟件手段。

（3）檢驗(yàn)存儲(chǔ)器、處理單元和輸入/輸出模塊之間所交換的數(shù)據(jù)正確性的手段（如應(yīng)用程序回送檢查）。

（4）檢驗(yàn)電源單元不超過(guò)硬件設(shè)計(jì)所允許的電流限值和電壓限值的手段。

（5）監(jiān)控主處理單元（MPU）狀態(tài)的手段。

（6）永久性安裝的控制器系統(tǒng)應(yīng)能在報(bào)警輸出上給出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)“功能正常”時(shí)，該報(bào)警輸出端應(yīng)處于預(yù)先確定的狀態(tài)。在其他情況下，則應(yīng)處于相反的狀態(tài)，制造廠應(yīng)規(guī)定“功能正確狀態(tài)”的條件，以及為驅(qū)動(dòng)該報(bào)警輸出而執(zhí)行的自檢的條件。

（7）遠(yuǎn)程輸入/輸出站（RIOS）在掉電或者不能與主處理單元（MPU）正常通信的情況下，應(yīng)能在報(bào)警輸出上（例如，通過(guò)一個(gè)數(shù)字輸出模塊）給出報(bào)警信號(hào)，并進(jìn)入預(yù)先規(guī)定的狀態(tài)。

3.4.12 結(jié)構(gòu)需求

外殼溫度應(yīng)滿足《可編程序控制器 第2部分：設(shè)備要求和測(cè)試》（GB/T 15969.2—2008）標(biāo)準(zhǔn)限制條件；機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)滿足《電氣控制設(shè)備》（GB/T 3797—2016）要求，工藝防護(hù)要求滿足《熱帶電工產(chǎn)品通用技術(shù)要求》（JB/T 4159—2013）要求，防護(hù)等級(jí)至少達(dá)到IP20，滿足GB/T 15969.2—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析主流海上風(fēng)機(jī)控制器產(chǎn)品性能指標(biāo)，梳理海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系，總結(jié)出海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵需求，并有如下結(jié)論。

（1）研究得出海上風(fēng)機(jī)控制器4個(gè)方面的關(guān)鍵需求：環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容、可靠性和功能性方面的需求，分析得出海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)和驗(yàn)證關(guān)鍵需求，可作為自主化海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)的重要輸入，對(duì)國(guó)內(nèi)新能源業(yè)界開(kāi)發(fā)海上風(fēng)機(jī)控制器具有重要的指導(dǎo)作用。

（2）研究得出海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的適用標(biāo)準(zhǔn)體系，基于本文總結(jié)形成的海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)、驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)體系，可用于指導(dǎo)海上風(fēng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。