王向東

（中車山東風(fēng)電有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

目前，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模都在不斷擴(kuò)大，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正處于良好的發(fā)展機(jī)遇中。風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)主要包括三大部分主控系統(tǒng)、場(chǎng)控系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)。其中，主控系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組的核心，一方面，通過對(duì)變流器系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率的有效輸出和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定；另一方面，對(duì)機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)。場(chǎng)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)組態(tài)監(jiān)控及風(fēng)場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的控制。能量管理系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)管理自動(dòng)閉環(huán)、協(xié)調(diào)控制風(fēng)場(chǎng)內(nèi)所有有功、無功調(diào)節(jié)設(shè)備以滿足風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)綜合需求的監(jiān)控管理。因此，如何對(duì)風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面有效的測(cè)試，提高風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的質(zhì)量，為風(fēng)電機(jī)組制造商亟待解決的問題。由于風(fēng)電機(jī)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(jìn)行全面測(cè)試是不可行的。而如果采用變流器、發(fā)電機(jī)和變槳系統(tǒng)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，則經(jīng)濟(jì)性不高，不僅價(jià)格昂貴，而且占地較廣。

本文提出的基于流程的風(fēng)電主場(chǎng)控自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)是針對(duì)濟(jì)南中車風(fēng)電CW3000-131級(jí)風(fēng)電主場(chǎng)控系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的。該測(cè)試平臺(tái)包括整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的全部測(cè)點(diǎn)，能夠測(cè)試完整的主場(chǎng)控場(chǎng)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(jī)系統(tǒng)和所有的外部工IO等，場(chǎng)控系統(tǒng)的調(diào)頻控制、AGC指令控制、AVC指令控制。通過對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)存在的問題。通過對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，能夠較大程度地提高風(fēng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

從被測(cè)對(duì)象主場(chǎng)控系統(tǒng)的角度來說，需要運(yùn)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(cè)試平臺(tái)的核心部分。本文所述測(cè)試平臺(tái)分為主控測(cè)試場(chǎng)景和場(chǎng)控測(cè)試場(chǎng)景兩部分。主控測(cè)試場(chǎng)景采用Bladed仿真模型來模擬主控場(chǎng)景中電網(wǎng)、發(fā)電機(jī)、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(cè)試平臺(tái)主控測(cè)試場(chǎng)景的需求；另一方面，能夠通過自帶的TCP協(xié)議與測(cè)試平臺(tái)PLC進(jìn)行通訊。場(chǎng)控測(cè)試場(chǎng)景采用自主研發(fā)的仿真模型來仿真場(chǎng)控環(huán)境中，風(fēng)速方向、偏航、機(jī)組狀態(tài)、故障、槳距角、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)組功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、無功功率等模型，通過ModBusTCP協(xié)議與場(chǎng)控能量管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

圖1 風(fēng)電測(cè)試平臺(tái)主控測(cè)試架構(gòu)

圖2 風(fēng)電測(cè)試平臺(tái)場(chǎng)控測(cè)試架構(gòu)

2 測(cè)試平臺(tái)原理概要

2.1 自動(dòng)化流程化測(cè)試?yán)砟?/h3>

自動(dòng)化測(cè)試是把以人為驅(qū)動(dòng)的測(cè)試行為轉(zhuǎn)換為機(jī)器執(zhí)行的一種過程，即模擬手工測(cè)試步驟通過執(zhí)行程序語(yǔ)言編制的測(cè)試腳本自動(dòng)的測(cè)試軟件，包括所有測(cè)試階段，它是跨平臺(tái)兼容的，并且是進(jìn)程無關(guān)的。

隨著國(guó)家風(fēng)電發(fā)展迅速，風(fēng)機(jī)裝機(jī)量的快速提升。為了保障大裝機(jī)量下產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，為風(fēng)機(jī)場(chǎng)控系統(tǒng)和主控系統(tǒng)的測(cè)試工作帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，以往的人工測(cè)試無法滿足當(dāng)前的工作量要求以及對(duì)測(cè)試質(zhì)量的把控。所以，在風(fēng)電主控和場(chǎng)控的測(cè)試上引入自動(dòng)化測(cè)試概念。

通常的自動(dòng)化測(cè)試是有人工編寫測(cè)試腳本，由測(cè)試平臺(tái)執(zhí)行測(cè)試腳本來實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)功能的測(cè)試。但是，在實(shí)際環(huán)境中，這種方式對(duì)操作人員有著較高的編碼能力要求，同時(shí)還要對(duì)整個(gè)測(cè)試平臺(tái)有著較高的學(xué)習(xí)成本，為了使測(cè)試平臺(tái)具有更簡(jiǎn)單的使用性，本測(cè)試平臺(tái)在測(cè)試流程的設(shè)計(jì)上采用無代碼的可視化流程圖的設(shè)計(jì)模塊來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)試腳本。在流程圖的設(shè)計(jì)圖中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)獨(dú)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(cè)試流程的方向。

2.2 仿真模型

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的部件參數(shù)，在平臺(tái)中搭建風(fēng)機(jī)的模型，包括塔筒、葉片、傳動(dòng)鏈、變流器、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)以及損耗模型等，構(gòu)建虛擬風(fēng)機(jī)。仿真類型支持整體仿真和單點(diǎn)數(shù)據(jù)仿真。

整體模型仿真：支持通過設(shè)定好風(fēng)速上下限值、溫度上下限值、故障發(fā) 生時(shí)間等條件，一鍵式生成指定運(yùn)行工況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)從啟機(jī)、并網(wǎng)、故障、維護(hù)等工況的簡(jiǎn)易仿真模擬，并提供仿真運(yùn)行暫停和可視化查詢的功能。

單點(diǎn)數(shù)據(jù)仿真：對(duì)模型中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)提供累加、隨機(jī)數(shù)、限定范圍值等多種方式的仿真規(guī)則，支持每個(gè)模型點(diǎn)單獨(dú)設(shè)置仿真規(guī)則，并能夠通過流程圖連線的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模型點(diǎn)的邏輯關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)用戶自定義實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)模型的仿真。

2.2.1 風(fēng)速模型

2.2.2 氣動(dòng)模型

2.2.3 傳動(dòng)鏈模型

2.2.4 功率曲線模型

2.2.5 風(fēng)電機(jī)組模型

測(cè)試系統(tǒng)能夠根據(jù)機(jī)型構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組通訊模型，并支持根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)組模型，機(jī)組模型的創(chuàng)建、修改、管理等操作應(yīng)遵循可視化、便捷等原則。風(fēng)電機(jī)組模型與測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)生成方式，并支持快速檢索、查看當(dāng)前模型運(yùn)行值，便于同場(chǎng)控軟件測(cè)試平臺(tái)顯示結(jié)果比對(duì)等操作。

機(jī)組模型的基本描述如下：

（1）機(jī)組風(fēng)速要求從0～50m/s變化，風(fēng)速參考風(fēng)速模型，初始風(fēng)速可手動(dòng)設(shè)。（2）機(jī)組的有功功率在正常運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)組輸出理論功率可采用氣動(dòng)模型和傳動(dòng)鏈模型進(jìn)行計(jì)算，或采用功率曲線模型通過查表法計(jì)，該理論功率乘以一個(gè)80%～120%的隨機(jī)數(shù)作為當(dāng)前功率進(jìn)行輸出。（3）機(jī)組的無功功率默認(rèn)為0，只有接收到無功指令后，無功功率才變化，默認(rèn)機(jī)組無功響應(yīng)延遲時(shí)間為20ms。（4）電機(jī)轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)階段，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以由氣動(dòng)模型和傳動(dòng)鏈模型進(jìn)行計(jì)算，或設(shè)計(jì)斜坡控制方法，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，機(jī)組并網(wǎng)。（5）電網(wǎng)電壓固定為360V上下波動(dòng)不超過5V。（6）電網(wǎng)電流可根據(jù)風(fēng)機(jī)功率與電網(wǎng)電壓計(jì)算輸出，即電流=功率/電壓。（7）相關(guān)溫度信息可以根據(jù)機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)模擬，并網(wǎng)后斜坡控制上升，并可設(shè)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(shè)置環(huán)境溫度平均氣溫，環(huán)境溫度值隨機(jī)變化，數(shù)學(xué)期望為平均期望，3倍均方差的覆蓋范圍達(dá)到99%。（9）槳距角應(yīng)從0°到90°按固定速率遞增或者遞減。啟機(jī)狀態(tài)時(shí)，槳距角從90°到0°變化，停機(jī)時(shí)從0°到90°變化，直到90°方能停機(jī)。槳距角跟啟動(dòng)模型的Cp相關(guān)，Cp根據(jù)槳距角插值計(jì)算當(dāng)前Cp值，并計(jì)算風(fēng)輪吸收能量，當(dāng)吸收能量達(dá)到理論功率時(shí)（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(dòng)設(shè)置（一般為35～100kW/s）。（11）機(jī)組并網(wǎng)后，跟隨無功指令，在2s內(nèi)降低或者升高至目標(biāo)值，需實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)值上下2%范圍內(nèi)波動(dòng)。（12）下發(fā)停機(jī)指令后，機(jī)組功率以固定速率（35～50kW/s）進(jìn)行降功率，同時(shí)，開始更新槳距角和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，直到功率降至0，更新機(jī)組主控狀態(tài)碼到待機(jī)。（13）下發(fā)啟動(dòng)指令后，機(jī)組主控狀態(tài)碼應(yīng)從2開始更新，大約延時(shí)30s后，進(jìn)入啟動(dòng)階段，開始進(jìn)行槳距角變化，槳距角從90°開到0°，發(fā)電機(jī)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(dòng)設(shè)置，機(jī)組并網(wǎng)后，更新主控狀態(tài)碼。（14）下發(fā)機(jī)組調(diào)頻模式后，根據(jù)機(jī)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(duì)機(jī)組的功率按不同的變化率進(jìn)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(jìn)行降功率，慣性調(diào)頻時(shí)，要求機(jī)組功率在500ms內(nèi)變化為目標(biāo)值；同時(shí)，在不同調(diào)頻模式下，機(jī)組的轉(zhuǎn)速和槳距角應(yīng)按照程序設(shè)定的值進(jìn)行變化，轉(zhuǎn)速槳距角表對(duì)應(yīng)的表應(yīng)該是一張數(shù)據(jù)庫(kù)表，可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整。（15）支持手動(dòng)設(shè)置單臺(tái)機(jī)組發(fā)生故障、維護(hù)、大風(fēng)切出、葉片結(jié)冰等狀態(tài)。

2.2.6 風(fēng)電場(chǎng)模型

風(fēng)電場(chǎng)模型是由多臺(tái)選定型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組模型組成，測(cè)試系統(tǒng)提供可視化的、便捷的風(fēng)電場(chǎng)模型配置功能，可快速地基于選定風(fēng)機(jī)模型創(chuàng)建風(fēng)電場(chǎng)模型 。風(fēng)電場(chǎng)仿真模型通過ModbusTCP通訊接口，使得被測(cè)試的監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)能與風(fēng)電場(chǎng)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)模型接收監(jiān)控系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)下發(fā)的單臺(tái)風(fēng)機(jī)的有功指令、無功 指令、啟停機(jī)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(fēng)機(jī)的實(shí)際狀態(tài)，更新機(jī)組的實(shí)際功率等信號(hào)。

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(cè)試流程

在測(cè)試流程編寫完成后，即可對(duì)主控和場(chǎng)控程序進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試流程如圖3。

圖3 主控測(cè)試流程

圖4 場(chǎng)控測(cè)試流程

3 測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)概述

框架介紹。

為了滿足風(fēng)電主場(chǎng)控測(cè)試的自動(dòng)化、高性能和高可用要求，本文以濟(jì)南中車風(fēng)電主場(chǎng)控測(cè)試平臺(tái)項(xiàng)目為具體實(shí)例，基于流程化和低代碼理念提出并實(shí)踐了一套流程設(shè)計(jì)、用例管理和部署范式，該范式在容器技術(shù)上運(yùn)用微服務(wù)架構(gòu)，使得各模塊具備獨(dú)立部署和更新能力，同時(shí)通過消息引擎服務(wù)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試用例和測(cè)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(dòng)化配置和負(fù)載調(diào)度，具有高可用和橫向擴(kuò)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(shè)計(jì)了一套基于流程引擎、實(shí)時(shí)消息引擎、可并發(fā)復(fù)用并能最大化模擬真實(shí)環(huán)境的風(fēng)電仿真引擎，可解決多人同時(shí)測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)干擾以及測(cè)試用例對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)的污染導(dǎo)致無法重復(fù)測(cè)試的問題。結(jié)果表明，測(cè)試平臺(tái)對(duì)風(fēng)電主場(chǎng)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研究了大型風(fēng)機(jī)主場(chǎng)控仿真測(cè)試平臺(tái)，全覆蓋了主控流程測(cè)試邏輯，完整仿真模擬了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全運(yùn)行邏輯，汲取自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了可視化流程測(cè)試用例設(shè)計(jì)方案。

本文創(chuàng)新性的測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，為風(fēng)電的主場(chǎng)控系統(tǒng)測(cè)試提供了一種新的手段，完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析，為測(cè)試平臺(tái)后續(xù)的研發(fā)打下了基礎(chǔ)。經(jīng)過測(cè)試，本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了大型風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)場(chǎng)主場(chǎng)控系統(tǒng)的所有功能項(xiàng)。本平臺(tái)對(duì)提升風(fēng)電主場(chǎng)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有顯著的價(jià)值。