摘要：該文概述了風力發(fā)電設備對控制系統(tǒng)的要求，介紹了以B&R系統(tǒng)為背景的風電解決方案。重點描述了基于APROL（ DCS）的風電場監(jiān)控系統(tǒng)和基于X20 PCC及其分布式I/O模塊、POWERLINK工業(yè)實時以太網(wǎng)和WTC軟件包的風機主控系統(tǒng)。其中，對風機單機SCADA系統(tǒng)、風機仿真模型和風電安全系統(tǒng)等也進行了全面的介紹。

關鍵詞：B&R的風電解決方案；WTC風機主控系統(tǒng)；風電場監(jiān)控系統(tǒng)；風機主控軟件包；風機仿真模型

B&R’s Wind Power Master Control System  Based on WTC

1. 應用背景——日益增加的新能源需求和迅速發(fā)展的風電技術

      風力發(fā)電正在中國蓬勃發(fā)展，隨著能源環(huán)保問題的加劇，綠色的風力發(fā)電越發(fā)得到國家重視，投入不斷加大，最近幾年，風力發(fā)電保持著每年30％以上的強勁增長勢頭。

      國內(nèi)的風力發(fā)電控制技術起步較晚，目前的控制系統(tǒng)均是由歐洲專用控制方案提供商提供的專用系統(tǒng)，價格高昂且交貨周期較長。開發(fā)自主知識產(chǎn)權的控制系統(tǒng)必須要提上日程，一方面，由于缺乏差異化而使得未來競爭中的透明度過高，而造成陷入激烈的價格競爭，另一方面，尋找合適的平臺開發(fā)自主的風電控制系統(tǒng)將使得制造商在未來激烈競爭中獲得先手。
      然而，風電控制系統(tǒng)必須滿足風電行業(yè)特殊的需求和苛刻的指標要求，這一切都對風力發(fā)電的控制系統(tǒng)平臺提出了要求，而B&R的控制系統(tǒng)，在軟、硬件上均提供了適應于風力發(fā)電行業(yè)需求的設計。

2.     風力發(fā)電設備對控制系統(tǒng)的需求

2.1  高標準的現(xiàn)場環(huán)境適應性 

      當今，基于全球?qū)η鍧嵞茉吹闹匾?，各個國家都在建設風場，風機的安裝地點十分廣泛，北半球、南半球、陸地、海洋，只要有合適風資源的場所就可安裝風機，這對風機中的器件提出了很高的要求，作為風機運行的大腦——控制系統(tǒng)來說，同樣不例外：寬溫，抗震，防腐蝕、電磁兼容性好等幾方面成為了最基本的要求。

      貝加萊在風機主控系統(tǒng)中采用的X20系統(tǒng)，在產(chǎn)品設計之初就考慮了這些需求，除了通過標準的CE,C-UL-US,GOST-R等認證外，我們的產(chǎn)品在德國TUV實驗室做了HALT（高加速壽命）測試，測試結果表明，X20系統(tǒng)的操作極限溫度可達到: -70°C～100°C，振動極限可達到55g_(RMS)。此外針對海上風機對于防鹽堿、防潮氣等方面，X20所有模塊均進行了特殊處理；同時X20系統(tǒng)的MTBF時間可達到50萬個小時，這些指標從硬件方面都已完全滿足了現(xiàn)場提出的高標準要求，X20系統(tǒng)在各行各業(yè)的實際應用情況也都證明了這一點。

2.2高級語言編程能力

      由于功率控制涉及到風速變化、最佳葉尖速比的獲取、機組輸出功率、相位和功率因素，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速等諸多因素的影響，因此，它包含了復雜的控制算法設計需求，而這些，對于控制器的高級語言編程能力有較高的要求，而B&R PCC產(chǎn)品提供了高級語言編程能力，不僅僅是這些，還包括了以下一些關鍵技術：

2.2.1復雜控制算法設計能力

      傳統(tǒng)的機器控制多為順序邏輯控制，而隨著傳感器技術、數(shù)字技術和通信技術的發(fā)展，復雜控制將越來越多的應用于機器，而機器控制本身即是融合了邏輯、運動、傳感器、高速計數(shù)、安全、液壓等一系列復雜控制的應用，PCC的設計者們很早就注意到這個發(fā)展方向而設計了PCC產(chǎn)品來滿足這一未來的需求。

      為了滿足這種需求，PCC設計為基于Automation Runtime的實時操作系統(tǒng)(OS)上，支持高級語言編程，對于風力發(fā)電而言，變槳距、主控邏輯、功率控制單元等的算法非常復雜，這需要一個強大的控制器來實現(xiàn)對其高效的程序設計，并且，代碼安全必須事先考慮，以維護在研發(fā)領域的投資安全。

2.2.2功能塊調(diào)用

      PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic庫的調(diào)用，這對于風電這一集合了變槳運動控制、安全邏輯設計、液壓控制的綜合系統(tǒng)來說是再好不過的選擇.變槳控制將考慮多個伺服的定位和同步關系，而safety為機組提供了多種安全回路設計以保護機組的安全可靠運行，液壓控制被極其容易的集成到系統(tǒng)中而無需購置專用的液壓控制模塊。同時，PCC支持用戶自定義庫的封裝設計，用戶可以將其自身的核心算法封裝為功能塊來調(diào)用，這使得一方面代碼的安全性得到了很好的保證，而另一方面，它也提供了針對不同機組的系統(tǒng)調(diào)用，大大簡化了軟件的重構，支持快速開發(fā)。

2.2.3 All In One的設計理念——Automation Studio™集成軟件開發(fā)平臺

      Automation Studio™設計初衷是建立在一種放眼整機控制而不是局部（只關心驅(qū)動或者邏輯，獨立組件），30年的豐富OEM控制設計使得B&R深刻理解“整體”的意義，因此，其軟件包設計為面向整個機器的各個對象（邏輯、運動、測量、通信、顯示）和過程（配置、項目規(guī)劃與管理、診斷、調(diào)試、維護）。

      對于B&R Automation Studio而言，控制器的設計、變槳伺服、液壓控制、Safety技術、通信均在一個”All In One”的工具包Automation Stduio中實現(xiàn)，對于風力發(fā)電這樣的綜合多種控制需求的系統(tǒng)而言，Automation Studio提供了一個完整的工程設計與應用的平臺，它使得代碼生成、仿真分析、遠程診斷與維護集成為一體，難道還有什么需要不能滿足嗎？

      拋開技術的因素，對于用戶而言，一套軟件即可實現(xiàn)所有的應用需求，這降低工程師的學習成本，也作為一個平臺，為用戶提供了長期持續(xù)創(chuàng)新的軟件平臺基礎。

2.3  Matlab/Simulink風力發(fā)電控制器代碼自動生成

      風能利用是一個系統(tǒng)工程，涉及到了氣象學、流體力學、固體力學、電力電子、機械工程、材料工程等多種學科和專業(yè)，許多部件都能建立起相應的數(shù)學模型，而MATLAB是建模、仿真的常用工具軟件，貝加萊的Automation Studio中集成了Matlab/SIMULINK的接口，這將大大減少工程設計人員的編程調(diào)試時間，降低現(xiàn)場調(diào)試費用。

      從2008年開始，B&R與Mathworks建立了深度的合作關系，采用MATLAB/SIMULINK工具，提供針對電力行業(yè)的模型構建、仿真分析與代碼生成設計。

2.3.1基于建模的系統(tǒng)設計

      控制系統(tǒng)設計是基于數(shù)學建模的，這是所有工程應用的目標和基礎理論，而Matlab正是提供了建模設計架構上的系統(tǒng)仿真和分析。

      通過SIMULINK，建立模型就如同裝配物理系統(tǒng)本身一樣，模型中的組件就像實際的物理線路連接一樣方便，這些物理連接代表理想的傳導路徑，通過這個方法，可描述系統(tǒng)的物理結構，而無需推導和實現(xiàn)用于系統(tǒng)的方程，模型與原理圖非常相似，從模型中，SIMULINK可自動構造描述系統(tǒng)運行的微分代數(shù)方程，這些方程可與其它方程集成在一起。例如你可以定義線性和飽和變壓器、避雷器和斷路器以及輸電線路的模型，勵磁、液壓和風力渦輪機組，以及電力電子單元的GTO、IGBT模型，對于控制和測量單元的電壓、電流、阻抗測量，RMS測量，有功和無功功率的計算，以及abc-to dq0及dq0到abc的轉(zhuǎn)換，三相單元的RPL負載、同步或異步發(fā)電機，電動機分析和測量工具均可以被組件形式建立模型，并通過SIMULINK來連接。

利用SIMULINK可以為風力發(fā)電機組建立控制系統(tǒng)模型

2.3.2 SIMULINK的電力應用分析能力

      SIMULINK里包含了柔性輸電系統(tǒng)向量模型、風力渦輪的向量模型、電機的直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場定向控制模型等。SIMULINK為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡提供了三種解決方案，以及一種理想的切換算法，可通過高頻切換提升系統(tǒng)的仿真性能。在 Simulink中使用變步積分算法來執(zhí)行高度精確的電力系統(tǒng)模型仿真。其中一些積分算法可處理在實際電力系統(tǒng)建模中常遇到的數(shù)值剛性系統(tǒng)。

      SIMULINK提供的零點穿越檢測功能，能以十分精確的機器精度檢測并求解不連續(xù)過程。離散仿真采用固定步長梯形積分法來仿真系統(tǒng)，特別適合帶電力電子設備的電力系統(tǒng)模型。該模式還有助于實現(xiàn)模型的實時執(zhí)行。向量仿真則采用一組固定頻率代數(shù)。

2.3.3 代碼自動生成

      通過MATLAB/Simulink，系統(tǒng)建模的控制器代碼可以被生成，并經(jīng)過優(yōu)化成為真正可用的程序，而這些強大的功能也被集成到了Automation Studio中，對于開發(fā)風電控制系統(tǒng)而言，這無疑是一種非常好的選擇。

2.3.4 貝加萊仿真模型的合作伙伴---德國風能研究所（ISET）

      ISET成立于1988年，是一家同Kassel大學合作的德國非營利性研究所。主要從事可再生能源戰(zhàn)略應用方面的項目研發(fā)，目前有75%的員工集中于風電領域的項目研發(fā)，大型風電場的并網(wǎng)是其中一個重要研究內(nèi)容；他在風機模型方面也積累了豐富的知識和經(jīng)驗，貝加萊在2007年進入風電領域之初，就和ISET建立起了合作關系，通過ISET的支持，我們可以很快的對某一風機建立起真實、準確的仿真模型，并且通過MATLAB/Simulink接口，直接導入Automation Studio，在開發(fā)階段就可完成大部分的參數(shù)診定、程序測試等工作，并且通過這個模型可以自動生成變槳、扭矩控制算法。

3     基于B&R系統(tǒng)的風電解決方案

      在風電領域，貝加萊可提供包括風電場全場監(jiān)控系統(tǒng)（APROL）、風機主控系統(tǒng)(X20)、單機SCADA系統(tǒng)(JAVA)等全套解決方案。

3.1  APROL風電場監(jiān)控系統(tǒng)

3.1.1 監(jiān)控系統(tǒng)的構成

      APROL系統(tǒng)是一套早在1983年就推出的DCS系統(tǒng)，它充分利用了近年來計算機、網(wǎng)絡、數(shù)字通訊技術的發(fā)展，結合工控各行業(yè)的工藝要求，目前已在石油天然氣、石化、化學工業(yè)、電力能源、環(huán)保、軌道交通、冶金、建材等工控各個領域有了大量的應用。

      目前APROL最新版本是3.6版，它充分吸收了其它家DCS系統(tǒng)的眾多優(yōu)勢，如系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性、良好的用戶界面、豐富的庫函數(shù)等，同時也克服了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的諸多不足，具有系統(tǒng)靈活開放、高效的開發(fā)環(huán)境等特點。

       風力發(fā)電場相當于一個具有多個有功功率和無功功率可調(diào)并實時變化的發(fā)電單元的系統(tǒng)，風力發(fā)電場及其各個風力發(fā)電機組是一種整體與部分、宏觀與微觀的關系。因此，在單臺風機控制系統(tǒng)的基礎上，設計合適的風電場級的DCS系統(tǒng)，監(jiān)測風電場內(nèi)各臺風機的運行數(shù)據(jù)，通過歷史運行數(shù)據(jù)預測未來不同時段風電場的功率變化，并根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令調(diào)節(jié)風電場的有功功率和無功功率輸出，以保證風電場安全、穩(wěn)定、符合要求地 運行。除風力發(fā)電機組之外，風電場DCS系統(tǒng)可以兼容或接入風電場的升壓變電站、氣象觀測站的監(jiān)控系統(tǒng)，提高風電場監(jiān)控的集成度。

      與傳統(tǒng)的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)相比，APROL風電場DCS系統(tǒng)將由以下三個功能組成部分：

（1）實時監(jiān)控（SCADA）

（2）能量調(diào)度與管理（PDM）

（3）功率預測管理（PFM）

3.1.2  監(jiān)控范圍

      在B&R的系統(tǒng)中，遠程維護不僅僅代表在軟硬件意義上可以有靈活的實現(xiàn)，而且也包含了：

（1）針對各種參數(shù)的監(jiān)控

      不僅僅是電流、電壓，事實上在風力發(fā)電場的每個參數(shù)，各個傳感器的輸入、I/O模塊、CPU、甚至軟件中的中間變量都可以被遠程監(jiān)控到。

（2）運行分析

      通過靈活的軟件平臺，B&R也能為風力發(fā)電場提供整場運行的數(shù)據(jù)分析基礎，包括設備維護、根源分析等管理級任務，這個可以由B&R APROL DCS系統(tǒng)來完成，貝加萊提供了不僅僅是整機控制、監(jiān)控、也提供面向整場的管理級服務。

3.2 風機主控系統(tǒng)

MW級風機主控系統(tǒng)的典型網(wǎng)絡拓撲圖

3.2.1 X20分布式控制系統(tǒng)

      在風機主控系統(tǒng)中貝加萊主要采用了開放性好、集成度高、配置靈活、性能突出的X20分布式系統(tǒng)，X20系統(tǒng)基于PC-Based技術，CPU單元采用最新的Intel Celeron處理器，最快的循任務環(huán)周期可達200 μs；且所有CPU單元都標配了USB、RS232以及以太網(wǎng)接口，支持各類主流的現(xiàn)場總線技術，如Profibus-dp，Modbus/tcp，Canopen等；主CPU、I/O站以及安全系統(tǒng)間均采用Ethernet powerlink工業(yè)實時以太網(wǎng)，各I/O模塊采集到的信號可以實時到傳送到主CPU進行條件判斷及處理；此外變流器設備、變槳系統(tǒng)、智能傳感器、CMS系統(tǒng)均可以通過通訊的方式實時采集到主CPU中；對上位軟件方面，X20系統(tǒng)也提供了豐富開放的接口：OPC、Dll、web、ftp等。以上所有的配置及調(diào)試均在AS3.0--一個統(tǒng)一的開發(fā)平臺下完成。

      X20系統(tǒng)中還具備了一些時候風機控制系統(tǒng)的特殊模塊，如測量有功、無功、相位角的X2OCM0985電力測量模塊；帶有示波器功能的AI/AO模塊；光纖中繼器模塊：X20BH模塊；PWM輸出模塊：針對逆變器的控制的專用模塊等。

X20CM0985電力測量與并網(wǎng)同步專家模塊

3.2.2 風機主控軟件包（WTC Package）——核心軟件包

      風機主控軟件包是由貝加萊公司資深算法工程師、軟件工程師組成的研發(fā)小組，在分析和消化了目前的一些風機控制軟件的設計，歷時2年所完成的一套軟件包，目前已有部分國內(nèi)外客戶在使用該軟件包，獲得了很好的使用反饋，以下幾點是該軟件包的設計理念：

（1）基于 標準化IEC61131-3語言開發(fā)： 結構化文本（Structured text）

（2）軟件結構由一些小部分組成并接口清晰（模塊化結構）：

●便于添加/修改/移除單個部分

● 便于維護

●便于測試

●測試過部分代碼的復用

●適用與多種機型（雙饋、直驅(qū)）

（3）軟件修改和下載無需重啟

（4）集成完整的 I/O 診斷 – 可以運行時維護

（5）高度參數(shù)化 – 參數(shù)修改不會引起跳變

      利用模塊化的結構，再加上貝加萊產(chǎn)品的定性分時多任務系統(tǒng)以及集成AS開發(fā)平臺，可以快速的完整一套風機系統(tǒng)的主控軟件設計與開發(fā)工作，這一方案的優(yōu)勢在國內(nèi)外幾個合作項目中都得到了很好的體現(xiàn)。

3.2.3 風機單機SCADA系統(tǒng)（基于Java技術）

風機單機的SCADA系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下幾類功能

（1） 風機整機和各部件的實時數(shù)據(jù)信息

▪ 狀態(tài)信息  ▪ 溫度信息 ▪ 轉(zhuǎn)速信息▪ 電氣信息▪ 環(huán)境信息

（2）風機各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息

▪ 10分鐘平均數(shù)據(jù) ▪ 事件數(shù)據(jù)▪ 分析數(shù)據(jù)

（3）風機控制

▪ 停機、開機、復位、維護 、參數(shù)設定 ▪ 有功功率調(diào)節(jié) ▪ 無功功率調(diào)節(jié)

      基于上述需求，開發(fā)了基于web技術的開放式單機SCADA系統(tǒng)，除了主控柜上的HMI可以顯示和操作此界面外，任何一臺可以連接到主控PLC的計算機通過IE即可調(diào)用出此界面，實現(xiàn)瘦客戶端的SCADA系統(tǒng)，通過最新的IT技術實現(xiàn)了遠程維護和管理功能，其主界面如下圖所示。

3.2.4風機仿真模型

      如前所述，在獲得客戶提供的一系列有關機組的具體參數(shù)后（貝加萊會提供參數(shù)列表），貝加萊可根據(jù)這些參數(shù)提供出一套基于MATLAB/Simulink技術的仿真模型，該模型將以可運行在AS中的庫函數(shù)形式提供，同時有該模型還將自動生成和此機型有關系的變槳扭矩控制器，通過這樣的模型，可以直接對主控程序進行仿真調(diào)試。

3.2.5風電安全系統(tǒng)

      風機的安全鏈設計中可通過安全繼電器回路或者集成式的安全模塊兩種方式來實現(xiàn)，兩種模式均各有特點，但集成式的安全系統(tǒng)無疑是未來的趨勢。

      B&R safety技術是目前運行最高效率的安全系統(tǒng)，并且有完整的產(chǎn)品線如Safetylogic 、Safety I/O,Safety Motion、Powerlink Safety,滿足SIL 3級別的設計，安全邏輯的掃描周期為1ms，是目前刷新最快的Safety Logic產(chǎn)品，B&R SafetyLogic是基于POWERLINK實時通信技術而設計的，通過將系統(tǒng)中關鍵的邏輯如強風、惡劣天氣，機組的狀態(tài)變化如葉輪過速、扭纜、電源失效、制動和操作人員的緊急按鈕動作等通過黃色的X20 Safety I/O輸入到系統(tǒng)中，而Safetylogic控制器作為一個POWERLINK Controlled Node來運行，只有在Safety邏輯對應的I/O動作時才引發(fā)一個安全邏輯的執(zhí)行過程（這些過程依據(jù)引發(fā)安全的源而設計為不同），Safetylogic是獨立于標準控制單元的。

      如主控系統(tǒng)拓撲圖所示，貝加萊的方案可采用集成的安全系統(tǒng)，所有安全模塊可安裝在系統(tǒng)的任何一處。同時B&R Automation Studio工具包支持PLCopen的Safety庫應用，支持20種開放的PLCopenSafety功能塊，對于風力發(fā)電這樣牽扯到嚴格的機組安全的應用而言，它不僅高效、完整的并且開放，易于構建安全邏輯。

3.2.6 遠程診斷和維護

（1）遠程維護是系統(tǒng)必需的設計

      對于風力發(fā)電機組而言，遠程監(jiān)控無疑至關重要，因為，風力發(fā)電機組的安裝往往是在海邊、山谷風口、沙漠隔壁這樣的遠離市區(qū)的地方，因為，只有這些地方才能提供較大的風力資源。如果一套系統(tǒng)能夠提供豐富的遠程維護和監(jiān)控手段，將大大降低風機的調(diào)試及維護成本，而貝加萊的方案在這方面為客戶提供了多樣的選擇。

（2）多種遠程維護方案

      遠程診斷與維護提供了維護風電場設備和系統(tǒng)的便捷方案，在B&R系統(tǒng)中，實現(xiàn)遠程方案靈活并且能夠不增加或很少的成本即可。

●基于VNC Server的遠程維護

在B&R的HMI和Controller中，VNC Server和Web Server只需配置即可，這是一個軟件功能塊形式存在的，無需增加任何成本，并且，VNC Server的監(jiān)控軟件是免費的可獲得的，不僅提供完全現(xiàn)場監(jiān)控級的權限，也能夠提供參數(shù)修改和設置的能力。

●Web Server則提供了基于Internet遠程訪問的能力

通過Windows自帶的IE瀏覽器即可實現(xiàn)對遠程主機的數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括CPU運行、當前I/O參數(shù)等。此外基于JAVA的單機scada系統(tǒng)也可通過IE來做訪問。

●FTP Server提供了遠程的程序傳輸能力

通過FTP Server程序的修改可以由本地PC完成后經(jīng)由Internet遠程下載到控制器中。

●SNMP則提供了電子郵件發(fā)送數(shù)據(jù)的可能

E-mail可以傳送如現(xiàn)場數(shù)據(jù)、報警信息等到監(jiān)控端的電子信箱中。

●GSM支持則使得關鍵數(shù)據(jù)可以通過手機MMS短信形式在最快的時間里發(fā)送到監(jiān)控工程師的手機上，以便及時的對現(xiàn)場問題采取措施。

3 結束語

      如今，貝加萊的WTC風電控制包已經(jīng)在多家風電設備制造商的（約數(shù)百臺）設備上運行，且穩(wěn)定可靠，同時還滿足了客戶批量化生產(chǎn)、調(diào)試以及代碼復用、移植等需求。

      WTC不僅僅是一個軟件包，更重要的它也是一個平臺，對于自主研發(fā)控制系統(tǒng)的風機制造商而言，WTC的模塊化設計為風機廠商依據(jù)自身需求而調(diào)整設備的控制提供了極大的便利，這得益于WTC的開放性代碼設計。在這個基礎平臺上，風機廠商可以根據(jù)需要增加和減少組件以適應各種應用環(huán)境的需求。WTC滿足了自主研發(fā)風電主控平臺的需求，使得國內(nèi)風電制造商可以憑此快速掌握風機控制的核心技術，為長遠的技術發(fā)展奠定基礎，并在未來的國際競爭中處于領先位置。