★國(guó)能智深控制技術(shù)有限公司，北京市電站自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心，國(guó)家能源集團(tuán)工控系統(tǒng)研究中心黃煥袍，商寧

★國(guó)家能源集團(tuán)聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司申艷杰，朱海濤，董健

★國(guó)能思達(dá)技術(shù)有限公司吳小鋒，朱蓮

1　背景

“雙碳”背景下構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)進(jìn)程在加速推進(jìn)，近些年來(lái)風(fēng)電、光伏發(fā)電等持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量世界第一，風(fēng)電控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化替代市場(chǎng)空間巨大。風(fēng)機(jī)PLC是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全高效穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)外品牌幾乎壟斷了風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)核心產(chǎn)品市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)各大風(fēng)電整機(jī)廠商的風(fēng)電機(jī)組PLC控制器設(shè)備均為國(guó)外品牌，存在安全和“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，因此開(kāi)展風(fēng)電機(jī)組PLC控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化替代研發(fā)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組PLC控制系統(tǒng)的安全自主可控，對(duì)保障能源電力運(yùn)行安全具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

2　應(yīng)用項(xiàng)目

應(yīng)用風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為國(guó)能聯(lián)合動(dòng)力智慧能源（張家口）有限公司康保舊局風(fēng)電場(chǎng)2.0/3.4MW聯(lián)合動(dòng)力風(fēng)機(jī)和國(guó)電科技環(huán)保集團(tuán)有限公司赤峰風(fēng)電公司大于營(yíng)風(fēng)光電場(chǎng)1.5MW聯(lián)合動(dòng)力風(fēng)機(jī)。

赤峰大于營(yíng)風(fēng)光電場(chǎng)一期（大于營(yíng)）項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模49.5MW，于2010年4月15日正式開(kāi)工建設(shè)，安裝國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力科技有限公司生產(chǎn)的UP77—1500 IIA+型風(fēng)電機(jī)組33臺(tái)，2011年6月29日首臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)，2011年7月21日風(fēng)機(jī)全部并網(wǎng)發(fā)電，2012年8月2日完成240小時(shí)試運(yùn)行試驗(yàn)。風(fēng)電機(jī)組采用三葉片、上風(fēng)向、水平軸、雙饋異步發(fā)電機(jī)、變流器并網(wǎng)等技術(shù)，輪轂高度均為65m，風(fēng)輪直徑分別為77.36m，額定功率1500kW，額定風(fēng)速11.1m/s，切入風(fēng)速3m/s，切出風(fēng)速25m/s。國(guó)能聯(lián)合動(dòng)力智慧能源（張家口）有限公司康保風(fēng)電場(chǎng)位于河北省西北部、張家口市康保縣境內(nèi)。風(fēng)電場(chǎng)中心位置距縣政府所在地大板鎮(zhèn)約35km，距離張家口市市政府所在地119km。一期裝機(jī)容量為50MW，由25臺(tái)聯(lián)合動(dòng)力產(chǎn)2MW風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，于2020年12月31日投產(chǎn)運(yùn)行。二期裝機(jī)容量為50MW，由1臺(tái)聯(lián)合動(dòng)力產(chǎn)3MW風(fēng)電機(jī)組和11臺(tái)聯(lián)合動(dòng)力產(chǎn)3.4MW風(fēng)電機(jī)組以及2臺(tái)聯(lián)合動(dòng)力產(chǎn)4.8MW風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成。風(fēng)機(jī)出口電壓等級(jí)為690V，經(jīng)風(fēng)機(jī)箱式變壓器將電壓升至35kV后送入?yún)R流線(xiàn)（舊局1線(xiàn)、舊局2線(xiàn)、舊局3線(xiàn)、舊局4線(xiàn)四條分支線(xiàn)），由35kV匯流線(xiàn)送至35kV母線(xiàn)，經(jīng)1號(hào)主變升壓至電壓等級(jí)220kV后送入電網(wǎng)。

3　應(yīng)用實(shí)施情況

對(duì)于新建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用，則按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境及控制需求，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，完成硬件軟件配置、集成、測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；對(duì)于在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化替代改造，則按照已有的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的配置，結(jié)合新研發(fā)的主控系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行柜內(nèi)電氣設(shè)計(jì)和硬件集成設(shè)計(jì)并完成裝配，其中涉及到的接線(xiàn)的匹配、供電適應(yīng)性及改造、系統(tǒng)的接地特點(diǎn)等按照原風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的相關(guān)配置進(jìn)行匹配。

2.0/3.4MW風(fēng)機(jī)PLC主控系統(tǒng)全國(guó)產(chǎn)替代改造：2022年8月在國(guó)能聯(lián)合動(dòng)力智慧能源（張家口）有限公司康保忠義風(fēng)電場(chǎng)13#和21#風(fēng)電機(jī)組（2.0MW）、28#風(fēng)電機(jī)組(3.4MW)開(kāi)展了PLC主控系統(tǒng)全國(guó)產(chǎn)化替代改造（替代原巴赫曼控制器），國(guó)產(chǎn)化率為100%，自2022年8月9日第一臺(tái)2MW機(jī)組投入運(yùn)行，2022年9月28日3.4MW機(jī)組投入運(yùn)行以來(lái)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，自運(yùn)行以來(lái)的發(fā)電量與改造前按照運(yùn)行風(fēng)況折算后相當(dāng)。

PLC控制器是國(guó)能智深公司自主研發(fā)的針對(duì)風(fēng)機(jī)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款全國(guó)產(chǎn)化控制器P2-CU31，采用4×1.2GHz全國(guó)產(chǎn)ARM處理器，嵌入式操作系統(tǒng)采用裁剪優(yōu)化的實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)，具有運(yùn)算速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，控制器性能得到了顯著提升與優(yōu)化。主控系統(tǒng)I/O卡件也進(jìn)行了全國(guó)產(chǎn)卡件替換：DI卡7塊、DO卡4塊、AI卡2塊、RTD卡4塊、SSI卡1塊、RCS卡1塊，CAN卡1塊。主控系統(tǒng)與變槳、變流系統(tǒng)及電能質(zhì)量模塊通訊方式為CANOpen通訊模式，與中控平臺(tái)SCADA采用ModBusTCP協(xié)議。

1.5MW風(fēng)電機(jī)組全國(guó)產(chǎn)PLC主控系統(tǒng)升級(jí)改造：2022年12月，國(guó)能智深公司完成赤峰大于營(yíng)風(fēng)場(chǎng)7臺(tái)1.5MW機(jī)組全國(guó)產(chǎn)PLC主控系統(tǒng)升級(jí)改造，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，自投入運(yùn)行以來(lái)，硬件設(shè)備未發(fā)生故障，未因?yàn)橹骺叵到y(tǒng)軟硬件問(wèn)題發(fā)生停機(jī)事件，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效果良好。

升級(jí)的全國(guó)產(chǎn)I/O卡件包括：DI卡5塊、DO卡4塊、AI卡2塊、RTD卡4塊、SSI卡1塊、BFC卡2塊。主控系統(tǒng)與變槳、變流系統(tǒng)及電能質(zhì)量模塊通訊方式為CANOpen和PROFIBUS-Dp通訊，與中控平臺(tái)SCADA采用ModBusTCP協(xié)議。

4　技術(shù)難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)

風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)核心產(chǎn)品與核心技術(shù)主要是PLC控制器設(shè)備、智能化控制技術(shù)及控制程序相關(guān)設(shè)計(jì)及應(yīng)用調(diào)試等。風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)PLC設(shè)備，因其應(yīng)用環(huán)境條件惡劣、地域差異性大以及特殊功能需求等因素，至今國(guó)內(nèi)各大風(fēng)電整機(jī)廠商的風(fēng)電機(jī)組批量應(yīng)用的PLC控制器設(shè)備均為國(guó)外品牌，主要有巴合曼、倍福、Mita、貝加萊、西門(mén)子、丹控（福氏）等，其中巴合曼、倍福兩大國(guó)外PLC廠商幾乎壟斷了國(guó)內(nèi)整個(gè)風(fēng)電PLC控制設(shè)備市場(chǎng)。隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境從陸上到海上復(fù)雜多樣，整機(jī)設(shè)計(jì)趨向大型化，相應(yīng)地，風(fēng)電機(jī)組需要更先進(jìn)及智能化的控制技術(shù)和軟件程序。國(guó)外風(fēng)電行業(yè)發(fā)展較早，在風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)上較為領(lǐng)先，一些先進(jìn)的控制技術(shù)和控制程序架構(gòu)國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用。

整體上看，風(fēng)電機(jī)組PLC控制系統(tǒng)軟硬件及控制技術(shù)國(guó)產(chǎn)化主要有以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）國(guó)產(chǎn)芯片需要達(dá)到工業(yè)級(jí)要求，與進(jìn)口芯片相比，在散熱性和功能性能上還有差距。

（2）專(zhuān)用芯片具有集成功能少、抗干擾能力弱、線(xiàn)性度不足等問(wèn)題。

（3）調(diào)試風(fēng)機(jī)需要專(zhuān)用的毫秒級(jí)錄播工具和事故追憶軟件來(lái)協(xié)助調(diào)試人員調(diào)試風(fēng)機(jī)設(shè)備的參數(shù)和排查故障。

（4）調(diào)試工具軟件少。

針對(duì)上述難點(diǎn)，經(jīng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)攻關(guān)，在控制器散熱、I/O模件濾波算法和CPU低負(fù)荷高速計(jì)算、PLC軟件國(guó)產(chǎn)化等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破。

國(guó)能智深全國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)PLC主控系統(tǒng)具有以下主要?jiǎng)?chuàng)新特點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)了基于主從分級(jí)控制、數(shù)據(jù)同步、端口重映射技術(shù)等核心計(jì)算的控制器系統(tǒng)架構(gòu)，自主化深度適配openwrt嵌入式liunx操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制器至簡(jiǎn)、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。通過(guò)采用服務(wù)組件最小化技術(shù)，建立用戶(hù)進(jìn)程和內(nèi)核線(xiàn)程協(xié)調(diào)調(diào)度機(jī)制，降低了國(guó)產(chǎn)CPU負(fù)荷。系統(tǒng)內(nèi)核添加Preempt-rt實(shí)時(shí)補(bǔ)丁滿(mǎn)足硬實(shí)時(shí)要求。針對(duì)復(fù)雜計(jì)算、多任務(wù)、高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷場(chǎng)景，通過(guò)優(yōu)化加解鎖技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)包的頂半部/底半部處理機(jī)制，降低以太網(wǎng)通訊延時(shí)。解決了高負(fù)荷以及負(fù)荷波動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，大幅提高系統(tǒng)性能。

（2）自屏蔽濾波算法，通過(guò)與典型的脈沖噪聲進(jìn)行對(duì)比，算法加減削波權(quán)重，解決低頻擾動(dòng)和高速電子脈沖對(duì)信號(hào)的影響，尤其對(duì)差共模干擾和高頻脈沖群干擾效果明顯。使用芯片大數(shù)據(jù)溫控篩選技術(shù)和溫度智能補(bǔ)償技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度階段性的線(xiàn)性補(bǔ)償，解決控制系統(tǒng)模擬量輸入和輸出信號(hào)在極限高低溫狀態(tài)下漂移較大的問(wèn)題，從而使控制系統(tǒng)在-40°C到70°C時(shí)能夠可靠運(yùn)行，解決了風(fēng)機(jī)晝夜溫差大引起的芯片無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題。

（3）利用大氣對(duì)流原理，控制器和卡件與機(jī)箱采用一體化空氣動(dòng)力場(chǎng)設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了熱對(duì)流效應(yīng)，配合電路板的低功耗設(shè)計(jì)達(dá)到了無(wú)風(fēng)扇散熱運(yùn)行。基于彈簧端子和古代卯榫技術(shù)中的懸山梢檁、小式箍頭枋卯榫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使卡扣和刻槽之間形成90°的縱向固定力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖定，達(dá)到周期振動(dòng)3g，沖擊30g，國(guó)際領(lǐng)先水平，解決風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大、部件松動(dòng)等行業(yè)難題。

（4）開(kāi)發(fā)了基于代碼自識(shí)別、自替換及可視化調(diào)試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同廠家、不同型號(hào)風(fēng)機(jī)主控程序中的C語(yǔ)言代碼的轉(zhuǎn)換、集成化編譯、下載和調(diào)試等功能，解決了基于C語(yǔ)言編寫(xiě)的風(fēng)機(jī)主控代碼優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品，技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。開(kāi)發(fā)了毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)波形文件同步技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)10毫秒的高速數(shù)據(jù)緩沖，同時(shí)滿(mǎn)足30秒前的數(shù)據(jù)追憶需求，解決了風(fēng)機(jī)非正常停機(jī)發(fā)生后，無(wú)法根據(jù)風(fēng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)記錄排查故障的問(wèn)題。

自主研發(fā)的全國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）軟硬件自主研發(fā)，100%國(guó)產(chǎn)化；

（2）橫向排列背板插槽式，模塊化、無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)；

（3）具有全面通信和網(wǎng)絡(luò)功能，簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)；

（4）多重冗余，雙機(jī)，雙底座，雙總線(xiàn)、雙網(wǎng)，雙電源；

（5）寬溫設(shè)計(jì)工作溫度：-40°C～+70°C；

（6）高防設(shè)計(jì)：電磁兼容滿(mǎn)足EMC IIIA，防潮濕、防煙霧、防霉菌；

（7）完全基于IEC 61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)，支持5種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言和C語(yǔ)言；

（8）圖形化編程和調(diào)試工具，工程組態(tài)和編程更加簡(jiǎn)便、快捷；

（9）支持在線(xiàn)編程、下載、調(diào)試和維護(hù)；

（10）站管理方便（支持多站和多庫(kù)、樹(shù)型管理），任務(wù)配置靈活（多任務(wù)類(lèi)型，優(yōu)先級(jí)調(diào)度）；

（11）豐富的運(yùn)算控制功能（集成上百種算法塊）；

（12）信息安全和日志功能（工程加密、算法加密）；

（13）智能的輔助功能（智能識(shí)別輸入助手支持交叉引用列表）；

（14）完善的仿真功能，實(shí)時(shí)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能（1ms數(shù)據(jù)采集）；

（15）支持多種通訊協(xié)議。

5　應(yīng)用效果

自主研發(fā)的全國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)PLC控制系統(tǒng)在國(guó)能聯(lián)合動(dòng)力智慧能源（張家口）有限公司康保舊局風(fēng)電場(chǎng)13#和21#風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（2.0MW）以及28#風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（3MW）代替原巴赫曼控制器獲得成功應(yīng)用，自2022年8月9日第一臺(tái)2MW機(jī)組投入運(yùn)行和2022年9月28日3.4MW機(jī)組投入運(yùn)行以來(lái)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，自運(yùn)行以來(lái)的發(fā)電量與改造前按照運(yùn)行風(fēng)況折算后相當(dāng)。實(shí)施全國(guó)產(chǎn)PLC主控系統(tǒng)替代改造后2.0MW和3.40MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線(xiàn)如圖1、圖2所示。

圖1 2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線(xiàn)

圖2 3.4MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線(xiàn)

自主研發(fā)的全國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)PLC控制系統(tǒng)在國(guó)電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司赤峰風(fēng)電公司風(fēng)光電場(chǎng)7臺(tái)1.5MW機(jī)組替代原倍福PLC成功實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，自投入運(yùn)行以來(lái)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，硬件設(shè)備未發(fā)生故障，未因?yàn)橹骺叵到y(tǒng)軟硬件問(wèn)題發(fā)生停機(jī)事件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效果良好，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線(xiàn)

從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功率曲線(xiàn)看，優(yōu)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)功率曲線(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定可靠運(yùn)行，滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

自主研發(fā)的全國(guó)產(chǎn)PLC替代改造過(guò)程中，軟件的參數(shù)不需要進(jìn)行調(diào)整，對(duì)機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何影響，改造方案簡(jiǎn)單，改造成本較低，不但提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組適應(yīng)環(huán)境變化的能力，同時(shí)保證了后續(xù)的運(yùn)維備件供應(yīng)，說(shuō)明自主研發(fā)的全國(guó)產(chǎn)化控制器滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行要求，提供了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)可以復(fù)制推廣的全國(guó)產(chǎn)化方案，具有極高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

項(xiàng)目成果的成功示范應(yīng)用，解決了風(fēng)電領(lǐng)域核心控制系統(tǒng)“卡脖子”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電領(lǐng)域工控系統(tǒng)的自主安全可控，提高了我國(guó)風(fēng)電行業(yè)安全運(yùn)行水平。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年9月刊