1、 項目背景

預計“十四五”風(fēng)電新增規模在2.3億千瓦左右，年均裝機容量將達到4500萬(wàn)千瓦以上，風(fēng)電對我國電力能源安全的重要性日益凸顯。PLC及主控系統作為風(fēng)力發(fā)電機組的核心控制器件和電力系統數據基礎單元，對電力系統安全以及風(fēng)力發(fā)電機的安全、高效運行至關(guān)重要。

當前風(fēng)電用PLC（可編程邏輯控制器）仍依賴(lài)進(jìn)口，主要包括德國B(niǎo)eckhoff的CX系列、奧地利Bachmann的MC系列、德國Siemens S7-1500系列等，底層CPU芯片均系進(jìn)口，關(guān)鍵核心器件嚴重受制于人，對風(fēng)電行業(yè)的平穩發(fā)展和國家重要電力基礎設施的安全運行構成嚴重威脅。研制風(fēng)電領(lǐng)域自主可控工控核心產(chǎn)品，構建以新能源為主體的新型電力系統，解決關(guān)鍵技術(shù)卡脖子問(wèn)題，是貫徹新發(fā)展理念，落實(shí)國家雙碳目標的關(guān)鍵舉措。

中國電子集團與中國華能集團積極開(kāi)展關(guān)鍵基礎設施能源領(lǐng)域的國產(chǎn)化工業(yè)控制系統改造，中電智能科技有限公司和北京華能新銳控制技術(shù)有限公司聯(lián)合開(kāi)展國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機組控制系統研制。該系統采用國產(chǎn)信創(chuàng )產(chǎn)品，以飛騰芯片、國產(chǎn)PLC、邏輯組態(tài)軟件SC-Prosys、監控組態(tài)軟件SC-Proview為基礎，充分利用華能集團風(fēng)電領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，自主開(kāi)發(fā)風(fēng)電機組控制系統和控制策略，全面開(kāi)展推廣應用和產(chǎn)品迭代。項目分別在吉林同發(fā)華能風(fēng)電場(chǎng)和山東東營(yíng)華能河口風(fēng)電場(chǎng)選擇50臺主流機型進(jìn)行國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機控制系統進(jìn)行改造及示范應用(共計100臺套)，充分在不同地域、不同氣候環(huán)境進(jìn)行國產(chǎn)自主可控風(fēng)機主控系統的推廣驗證。

2、 項目目標與原則

項目設計本著(zhù)從實(shí)際出發(fā)，以充分實(shí)現自主可控、安全可信為原則，以解決風(fēng)力發(fā)電企業(yè)實(shí)際困難為目標，以提高風(fēng)機運行小時(shí)數、降低故障率、提高發(fā)電量為考核指標，完成華能集團兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)合計100臺套的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機組的主控系統國產(chǎn)化改造項目，解決因進(jìn)口PLC停產(chǎn)、風(fēng)機運行故障率高等長(cháng)期困擾風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的難題。同時(shí)也是全國首個(gè)基于安全先進(jìn)綠色計算體系，完全國產(chǎn)、自主、可控的國產(chǎn)風(fēng)機主控系統的批量示范應用。

3、 項目實(shí)施與應用情況

3.1 項目規劃

項目首次實(shí)現風(fēng)電領(lǐng)域的國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機組主控系統的批量化應用，替代原進(jìn)口產(chǎn)品，解決長(cháng)期困擾風(fēng)力發(fā)電企業(yè)無(wú)備品備件可用、風(fēng)機故障率高的難題，充分驗證國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機組主控系統的可行性和穩定性。打破長(cháng)期依賴(lài)國外廠(chǎng)家在該領(lǐng)域的壟斷地位，實(shí)現國家關(guān)鍵基礎電力設施安全、自主、可控，為面向全國的推廣和普及起到帶頭示范作用。

3.2 實(shí)施和應用詳細情況

該項目選擇在吉林同發(fā)和山東東營(yíng)兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行共計100臺套的風(fēng)力發(fā)電機組主控系統改造，同發(fā)風(fēng)場(chǎng)50臺，東營(yíng)風(fēng)場(chǎng)50臺。機組為SL1500風(fēng)力發(fā)電機組，原主控系統采用ABB風(fēng)電PLC產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)多年導致風(fēng)力發(fā)電企業(yè)備品備件緊張、價(jià)格昂貴且故障率較高。此次替換改造主要以實(shí)現全面替代原進(jìn)口PLC為目標，同時(shí)優(yōu)化風(fēng)機主控系統控制策略和控制機制，降低風(fēng)機故障率、提高風(fēng)機運行小時(shí)數、提高發(fā)電量。

圖1 國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機組主控系統架構圖

3.3 項目創(chuàng )新性

（1）研制了核心芯片全國產(chǎn)的高性能PLC，并首次實(shí)現百臺套規?；瘧?。提出了基于國產(chǎn)高性能四核處理器的多級反饋隊列調度算法和基于流固耦合傳熱模型的高效散熱方法，實(shí)現了國產(chǎn)PLC模塊在資源受限下的性能最優(yōu)，位、字節、整型、浮點(diǎn)型指令處理速度分別達到2ns、2ns、2ns、7ns，系統最小任務(wù)周期可達1ms。利用PCIE高速總線(xiàn)進(jìn)行功能轉換，擴展千兆高速以太網(wǎng)、高速存儲等接口，總線(xiàn)輪詢(xún)周期最小可達到200μs，數據存儲速率達到120Mbps，基于國產(chǎn)操作系統和QT框架開(kāi)發(fā)了可跨平臺的程序編譯軟件，實(shí)現了風(fēng)電PLC系統核心芯片、嵌入式操作系統和程序編譯軟件等全國產(chǎn)化，首次實(shí)現多機型、多場(chǎng)景規?；瘧?。

（2）首次提出風(fēng)電自主可控PLC的代碼安全及網(wǎng)絡(luò )安全方法，實(shí)現風(fēng)電自主可控產(chǎn)品的內外安全。提出了一種具有異常保護及診斷的工業(yè)代碼生成技術(shù)，通過(guò)加密校驗、身份確認等安全保護技術(shù)，實(shí)現了風(fēng)電控制系統從邏輯組態(tài)到控制邏輯編譯下載、啟動(dòng)、運行等全過(guò)程的內置安全；發(fā)明了一種基于規則描述語(yǔ)言的網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)配置過(guò)濾規則的方法，對通信數據包深度解析,通過(guò)配置白名單規則，對不滿(mǎn)足規則的數據包進(jìn)行過(guò)濾并報警，實(shí)現了風(fēng)機側控制網(wǎng)絡(luò )的安全防護。

（3）首次實(shí)現了基于自主可控PLC和操作系統的風(fēng)電場(chǎng)-機協(xié)同的載荷優(yōu)化控制策略。在國產(chǎn)PLC系統和編譯規則基礎上，自主設計了風(fēng)電機組控制底層函數庫及運行控制策略，提出了基于不同尾流效應提出多影響因素的機組載荷優(yōu)化方法，通過(guò)多目標協(xié)同降低了尾流、陣風(fēng)、葉輪不平衡度等工況對機組載荷的影響，分量載荷最大降低8.33%。設計了基于場(chǎng)站數據統計的風(fēng)電偏航偏差辨識及糾偏方法，年發(fā)電量提升1.49% 。

2022年8月，項目通過(guò)了以院士為組長(cháng)的技術(shù)鑒定，整體技術(shù)達到國際先進(jìn)水平。

圖2 科技成果鑒定證書(shū)

3.4 項目重點(diǎn)

項目采用國產(chǎn)PLC實(shí)現100套SL1500風(fēng)機主控系統國外品牌PLC替代，在吉林、山東不同區域，充分驗證國產(chǎn)自主可控PLC在風(fēng)電領(lǐng)域批量應用的可行性。解決長(cháng)期困擾風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的備品備件難題，解決該領(lǐng)域的卡脖子難題，實(shí)現從底層芯片硬件到頂層應用軟件、從設計開(kāi)發(fā)到實(shí)施運行，全流程的國產(chǎn)自主可控。

項目底層核心CPU采用國產(chǎn)飛騰4核高性能芯片，PLC-采用國產(chǎn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，支持4GB內存，支持32GB外部存儲，支持快速數據存儲。風(fēng)場(chǎng)監控系統采用北京華能新銳控制技術(shù)有限公司自主研發(fā)的風(fēng)場(chǎng)SCADA系統，計算機采用國產(chǎn)長(cháng)城主機，保障數據的安全性、保密性。

3.5 項目中難點(diǎn)問(wèn)題及解決思路

3.5.1 難點(diǎn)問(wèn)題

（1）風(fēng)機數據量大，在此之前還沒(méi)有在風(fēng)電領(lǐng)域批量采用全國產(chǎn)技術(shù)的先例，該項目為全國首例；

（2）全流程國產(chǎn)解決方案，從底層芯片到上層應用，從設計開(kāi)發(fā)到實(shí)施應用全部采用國產(chǎn)解決方案。尤其是國產(chǎn)操作系統和設計開(kāi)發(fā)軟件的應用，給風(fēng)機主控程序的設計和開(kāi)發(fā)帶來(lái)非常多的限制和困難，有些以前常用的設計方法、程序算法、調試手段，在國產(chǎn)生態(tài)環(huán)境中無(wú)法使用。

（3） 工期緊，項目施工期間不能影響風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的照常生產(chǎn)運行。PLC是整個(gè)風(fēng)機運行的指揮中心，風(fēng)機替換PLC相當于進(jìn)行大腦手術(shù)。既要完成PLC替換任務(wù)，又不能影響風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)運行，難度非常大。

（4） 機型多種多樣，雖然風(fēng)機的型號都是SL1500，但這100臺風(fēng)機并不完全相同，有的風(fēng)速風(fēng)向儀型號不同、有的變槳系統不同、有的偏航系統不同，僅風(fēng)速風(fēng)向儀就有3種型號。風(fēng)機主要設備的不統一，為批量應用增加了不少難度。

（5） 國產(chǎn)芯片在風(fēng)電領(lǐng)域“水土不服”，風(fēng)機上空間狹小、電磁環(huán)境復雜，部分國產(chǎn)芯片尤其是通訊類(lèi)芯片無(wú)法正常工作。

（6）風(fēng)機震動(dòng)導致模塊現場(chǎng)總線(xiàn)不穩定，風(fēng)機發(fā)電時(shí)、偏航時(shí)機艙震動(dòng)比普通設備大的多，導致模塊現場(chǎng)總線(xiàn)出現不穩定的情況。

3.5.2 解決思路

（1）對風(fēng)機情況進(jìn)行摸排，為搞清楚項目風(fēng)機的具體情況提前對現場(chǎng)風(fēng)機進(jìn)行了多次摸排確認，對風(fēng)機類(lèi)型進(jìn)行細分。發(fā)現除了風(fēng)機設備的不同之外，由于風(fēng)機多年的運行老化，每臺風(fēng)機都存在不同程度的差異。在風(fēng)機根據主要設備進(jìn)行分類(lèi)的基礎上，一機一策，制定處理預案提前準備相關(guān)物料。

（2） 開(kāi)發(fā)設計人員解放思想，群策群力。全國產(chǎn)設計開(kāi)發(fā)環(huán)境在實(shí)際應用中還存在著(zhù)非常多的不足，有很多經(jīng)驗總結的控制策略、調試手段無(wú)法實(shí)現，只能拋棄以往經(jīng)驗從頭開(kāi)始。根據國產(chǎn)生態(tài)環(huán)境的特性另辟蹊徑，組織專(zhuān)家會(huì )議，風(fēng)機主控開(kāi)發(fā)人員和SC-Prosys開(kāi)發(fā)人員聯(lián)合研究項目難題解決方案，滿(mǎn)足項目實(shí)施需要。

（3） 協(xié)調芯片、通訊總線(xiàn)等底層開(kāi)發(fā)人員到現場(chǎng)進(jìn)行分析解決。實(shí)驗室就是前線(xiàn)，前線(xiàn)就是實(shí)驗室。充分發(fā)揮央企聯(lián)合體強強聯(lián)手優(yōu)勢，組織協(xié)調從芯片開(kāi)發(fā)、鏈路設計到應用設計全流程專(zhuān)家，實(shí)驗室和前線(xiàn)一體化，聯(lián)合作戰攻克關(guān)鍵難點(diǎn)。

（4）緊抓施工窗口期。為了既能完成PLC替換任務(wù)，又能保證不影響風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)運行，項目組根據天氣情況選擇在無(wú)風(fēng)天或小風(fēng)天進(jìn)行改造作業(yè)。天氣瞬息萬(wàn)變，施工窗口期非常難得也非常難把控，項目組為適應天氣的變化提前做好充足的物料和人員準備，實(shí)施改造作業(yè)前把不影響風(fēng)機發(fā)電的工作先做完，窗口期到來(lái)時(shí)就全力進(jìn)行改造作業(yè)。

4、 效益分析

社會(huì )效益：

·  首次100套風(fēng)力發(fā)電機組進(jìn)行國產(chǎn)主控系統應用，為國產(chǎn)PLC在風(fēng)電領(lǐng)域的批量化應用積攢了豐富的項目經(jīng)驗，起到良好的示范效果。

·  完成了風(fēng)電領(lǐng)域從底層芯片到上層應用以及設計開(kāi)發(fā)環(huán)境的全流程國產(chǎn)應用。充分發(fā)揮了央企強強聯(lián)手的優(yōu)勢，體現了央企的國家使命，打破國外品牌的壟斷。

·  首次實(shí)現了關(guān)鍵基礎設施領(lǐng)域工業(yè)控制系統全范圍國產(chǎn)自主安全化。

經(jīng)濟效益：

成功解決困擾風(fēng)力發(fā)電企業(yè)已久的國外PLC停產(chǎn)難題，降低風(fēng)機故障率25%，提升發(fā)電量2.3%。

我國風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量突破3億千瓦，較2016年底實(shí)現翻番，是2020年底歐盟風(fēng)電總裝機的1.4倍、美國的2.6倍，已連續12年穩居全球第一。本次項目的順利完成并取得顯著(zhù)的效果，代表風(fēng)電領(lǐng)域國產(chǎn)PLC應用取得成功，全國推廣后存量市場(chǎng)預計可創(chuàng )造100億的經(jīng)濟價(jià)值，風(fēng)機新增裝機每年預計可創(chuàng )造10億的經(jīng)濟價(jià)值。

吉林同發(fā)50臺實(shí)施完成

風(fēng)力發(fā)電在能源系統中占有非常重要的地位，是非常好的清潔可再生能源，能源基礎設施自主、安全、可控，對國家安全具有非常重要的意義。該項目是全國首個(gè)基于安全先進(jìn)綠色計算體系，完全國產(chǎn)、自主、可控的國產(chǎn)風(fēng)機主控系統的批量示范應用，充分驗證國產(chǎn)風(fēng)機主控系統方案的穩定性和可推廣性，為該系統更大更全面的普及和推廣奠定了堅實(shí)的基礎；同時(shí)，在不同區域、不同氣候環(huán)境對風(fēng)電控制系統進(jìn)行國產(chǎn)PLC批量應用具有非常重要的示范意義和科學(xué)價(jià)值。該項目案例材料真實(shí)、數據準確、內容詳盡、完整，具有較高的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。