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

★國家能源集團聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司申艷杰，朱海濤，董健

★國能思達技術(shù)有限公司吳小鋒，朱蓮

1　背景

“雙碳”背景下構建以新能源為主體的新型電力系統進(jìn)程在加速推進(jìn)，近些年來(lái)風(fēng)電、光伏發(fā)電等持續快速發(fā)展，我國風(fēng)電裝機容量世界第一，風(fēng)電控制系統國產(chǎn)化替代市場(chǎng)空間巨大。風(fēng)機PLC是風(fēng)電機組運行控制的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，對風(fēng)電機組的安全高效穩定運行至關(guān)重要。長(cháng)期以來(lái)，國外品牌幾乎壟斷了風(fēng)電機組控制系統核心產(chǎn)品市場(chǎng)，國內各大風(fēng)電整機廠(chǎng)商的風(fēng)電機組PLC控制器設備均為國外品牌，存在安全和“卡脖子”風(fēng)險，因此開(kāi)展風(fēng)電機組PLC控制系統的國產(chǎn)化替代研發(fā)和應用，實(shí)現風(fēng)電機組PLC控制系統的安全自主可控，對保障能源電力運行安全具有非常重要的戰略意義。

2　應用項目

應用風(fēng)電場(chǎng)項目為國能聯(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)機和國電科技環(huán)保集團有限公司赤峰風(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。

赤峰大于營(yíng)風(fēng)光電場(chǎng)一期（大于營(yíng)）項目建設規模49.5MW，于2010年4月15日正式開(kāi)工建設，安裝國電聯(lián)合動(dòng)力科技有限公司生產(chǎn)的UP77—1500 IIA+型風(fēng)電機組33臺，2011年6月29日首臺風(fēng)機并網(wǎng)，2011年7月21日風(fēng)機全部并網(wǎng)發(fā)電，2012年8月2日完成240小時(shí)試運行試驗。風(fēng)電機組采用三葉片、上風(fēng)向、水平軸、雙饋異步發(fā)電機、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?？h境內。風(fēng)電場(chǎng)中心位置距縣政府所在地大板鎮約35km，距離張家口市市政府所在地119km。一期裝機容量為50MW，由25臺聯(lián)合動(dòng)力產(chǎn)2MW風(fēng)電機組構成，于2020年12月31日投產(chǎn)運行。二期裝機容量為50MW，由1臺聯(lián)合動(dòng)力產(chǎn)3MW風(fēng)電機組和11臺聯(lián)合動(dòng)力產(chǎn)3.4MW風(fēng)電機組以及2臺聯(lián)合動(dòng)力產(chǎn)4.8MW風(fēng)電機組構成。風(fēng)機出口電壓等級為690V，經(jīng)風(fēng)機箱式變壓器將電壓升至35kV后送入匯流線(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號主變升壓至電壓等級220kV后送入電網(wǎng)。

3　應用實(shí)施情況

對于新建風(fēng)力發(fā)電機組的應用，則按照風(fēng)力發(fā)電機組的運行環(huán)境及控制需求，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機組主控系統的功能設計，完成硬件軟件配置、集成、測試和現場(chǎng)應用；對于在風(fēng)力發(fā)電機組主控系統的國產(chǎn)化替代改造，則按照已有的風(fēng)機控制系統的配置，結合新研發(fā)的主控系統特點(diǎn)進(jìn)行柜內電氣設計和硬件集成設計并完成裝配，其中涉及到的接線(xiàn)的匹配、供電適應性及改造、系統的接地特點(diǎn)等按照原風(fēng)力發(fā)電機組主控系統的相關(guān)配置進(jìn)行匹配。

2.0/3.4MW風(fēng)機PLC主控系統全國產(chǎn)替代改造：2022年8月在國能聯(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)電機組（2.0MW）、28#風(fēng)電機組(3.4MW)開(kāi)展了PLC主控系統全國產(chǎn)化替代改造（替代原巴赫曼控制器），國產(chǎn)化率為100%，自2022年8月9日第一臺2MW機組投入運行，2022年9月28日3.4MW機組投入運行以來(lái)，機組運行平穩，各項性能指標良好，自運行以來(lái)的發(fā)電量與改造前按照運行風(fēng)況折算后相當。

PLC控制器是國能智深公司自主研發(fā)的針對風(fēng)機應用環(huán)境設計開(kāi)發(fā)的一款全國產(chǎn)化控制器P2-CU31，采用4×1.2GHz全國產(chǎn)ARM處理器，嵌入式操作系統采用裁剪優(yōu)化的實(shí)時(shí)Linux操作系統，具有運算速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，控制器性能得到了顯著(zhù)提升與優(yōu)化。主控系統I/O卡件也進(jìn)行了全國產(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。主控系統與變槳、變流系統及電能質(zhì)量模塊通訊方式為CANOpen通訊模式，與中控平臺SCADA采用ModBusTCP協(xié)議。

1.5MW風(fēng)電機組全國產(chǎn)PLC主控系統升級改造：2022年12月，國能智深公司完成赤峰大于營(yíng)風(fēng)場(chǎng)7臺1.5MW機組全國產(chǎn)PLC主控系統升級改造，機組運行平穩，自投入運行以來(lái)，硬件設備未發(fā)生故障，未因為主控系統軟硬件問(wèn)題發(fā)生停機事件，風(fēng)電機組運行效果良好。

升級的全國產(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。主控系統與變槳、變流系統及電能質(zhì)量模塊通訊方式為CANOpen和PROFIBUS-Dp通訊，與中控平臺SCADA采用ModBusTCP協(xié)議。

4　技術(shù)難點(diǎn)和創(chuàng )新點(diǎn)

風(fēng)電機組控制系統核心產(chǎn)品與核心技術(shù)主要是PLC控制器設備、智能化控制技術(shù)及控制程序相關(guān)設計及應用調試等。風(fēng)電機組控制系統PLC設備，因其應用環(huán)境條件惡劣、地域差異性大以及特殊功能需求等因素，至今國內各大風(fēng)電整機廠(chǎng)商的風(fēng)電機組批量應用的PLC控制器設備均為國外品牌，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、倍福兩大國外PLC廠(chǎng)商幾乎壟斷了國內整個(gè)風(fēng)電PLC控制設備市場(chǎng)。隨著(zhù)風(fēng)電機組運行環(huán)境從陸上到海上復雜多樣，整機設計趨向大型化，相應地，風(fēng)電機組需要更先進(jìn)及智能化的控制技術(shù)和軟件程序。國外風(fēng)電行業(yè)發(fā)展較早，在風(fēng)電機組控制技術(shù)上較為領(lǐng)先，一些先進(jìn)的控制技術(shù)和控制程序架構國外已經(jīng)進(jìn)行了商業(yè)化應用。

整體上看，風(fēng)電機組PLC控制系統軟硬件及控制技術(shù)國產(chǎn)化主要有以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）國產(chǎn)芯片需要達到工業(yè)級要求，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）調試風(fēng)機需要專(zhuān)用的毫秒級錄播工具和事故追憶軟件來(lái)協(xié)助調試人員調試風(fēng)機設備的參數和排查故障。

（4）調試工具軟件少。

針對上述難點(diǎn)，經(jīng)項目團隊攻關(guān)，在控制器散熱、I/O模件濾波算法和CPU低負荷高速計算、PLC軟件國產(chǎn)化等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破。

國能智深全國產(chǎn)風(fēng)機PLC主控系統具有以下主要創(chuàng )新特點(diǎn)：

（1）設計了基于主從分級控制、數據同步、端口重映射技術(shù)等核心計算的控制器系統架構，自主化深度適配openwrt嵌入式liunx操作系統，實(shí)現了控制器至簡(jiǎn)、穩定、高效運行。通過(guò)采用服務(wù)組件最小化技術(shù)，建立用戶(hù)進(jìn)程和內核線(xiàn)程協(xié)調調度機制，降低了國產(chǎn)CPU負荷。系統內核添加Preempt-rt實(shí)時(shí)補丁滿(mǎn)足硬實(shí)時(shí)要求。針對復雜計算、多任務(wù)、高網(wǎng)絡(luò )負荷場(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/底半部處理機制，降低以太網(wǎng)通訊延時(shí)。解決了高負荷以及負荷波動(dòng)超標問(wèn)題，大幅提高系統性能。

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

（3）利用大氣對流原理，控制器和卡件與機箱采用一體化空氣動(dòng)力場(chǎng)設計，產(chǎn)生了熱對流效應，配合電路板的低功耗設計達到了無(wú)風(fēng)扇散熱運行?；趶椈啥俗雍凸糯炯夹g(shù)中的懸山梢檁、小式箍頭枋卯榫結構設計，使卡扣和刻槽之間形成90°的縱向固定力實(shí)現自動(dòng)鎖定，達到周期振動(dòng)3g，沖擊30g，國際領(lǐng)先水平，解決風(fēng)電機組運行時(shí)振動(dòng)大、部件松動(dòng)等行業(yè)難題。

（4）開(kāi)發(fā)了基于代碼自識別、自替換及可視化調試技術(shù)，實(shí)現了不同廠(chǎng)家、不同型號風(fēng)機主控程序中的C語(yǔ)言代碼的轉換、集成化編譯、下載和調試等功能，解決了基于C語(yǔ)言編寫(xiě)的風(fēng)機主控代碼優(yōu)于國內外同類(lèi)產(chǎn)品，技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。開(kāi)發(fā)了毫秒級的數據波形文件同步技術(shù)，可以實(shí)現10毫秒的高速數據緩沖，同時(shí)滿(mǎn)足30秒前的數據追憶需求，解決了風(fēng)機非正常停機發(fā)生后，無(wú)法根據風(fēng)機關(guān)鍵參數記錄排查故障的問(wèn)題。

自主研發(fā)的全國產(chǎn)風(fēng)機控制系統具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）軟硬件自主研發(fā)，100%國產(chǎn)化；

（2）橫向排列背板插槽式，模塊化、無(wú)風(fēng)扇設計；

（3）具有全面通信和網(wǎng)絡(luò )功能，簡(jiǎn)便實(shí)現分布式結構；

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

（5）寬溫設計工作溫度：-40°C～+70°C；

（6）高防設計：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國際標準進(jìn)行開(kāi)發(fā)的軟件平臺，支持5種國際標準編程語(yǔ)言和C語(yǔ)言；

（8）圖形化編程和調試工具，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、調試和維護；

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

（11）豐富的運算控制功能（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)監測功能（1ms數據采集）；

（15）支持多種通訊協(xié)議。

5　應用效果

自主研發(fā)的全國產(chǎn)風(fēng)機PLC控制系統在國能聯(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)電機組（2.0MW）以及28#風(fēng)力發(fā)電機組（3MW）代替原巴赫曼控制器獲得成功應用，自2022年8月9日第一臺2MW機組投入運行和2022年9月28日3.4MW機組投入運行以來(lái)，機組運行平穩，各項性能指標良好，自運行以來(lái)的發(fā)電量與改造前按照運行風(fēng)況折算后相當。實(shí)施全國產(chǎn)PLC主控系統替代改造后2.0MW和3.40MW風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線(xiàn)如圖1、圖2所示。

圖1 2MW風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線(xiàn)

圖2 3.4MW風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線(xiàn)

自主研發(fā)的全國產(chǎn)風(fēng)機PLC控制系統在國電科技環(huán)保集團股份有限公司赤峰風(fēng)電公司風(fēng)光電場(chǎng)7臺1.5MW機組替代原倍福PLC成功實(shí)現應用，自投入運行以來(lái)，機組運行平穩，硬件設備未發(fā)生故障，未因為主控系統軟硬件問(wèn)題發(fā)生停機事件，風(fēng)力發(fā)電機組運行效果良好，風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 1.5MW風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線(xiàn)

從風(fēng)力發(fā)電機組的運行功率曲線(xiàn)看，優(yōu)于風(fēng)力發(fā)電機組的設計功率曲線(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機組穩定可靠運行，滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機組的各項性能指標。

自主研發(fā)的全國產(chǎn)PLC替代改造過(guò)程中，軟件的參數不需要進(jìn)行調整，對機組的機械結構不產(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)電機組適應環(huán)境變化的能力，同時(shí)保證了后續的運維備件供應，說(shuō)明自主研發(fā)的全國產(chǎn)化控制器滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電機組運行要求，提供了風(fēng)力發(fā)電機組主控系統可以復制推廣的全國產(chǎn)化方案，具有極高的推廣應用價(jià)值。

項目成果的成功示范應用，解決了風(fēng)電領(lǐng)域核心控制系統“卡脖子”問(wèn)題，實(shí)現了風(fēng)電領(lǐng)域工控系統的自主安全可控，提高了我國風(fēng)電行業(yè)安全運行水平。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年9月刊