基于嵌入式平臺的風電機組主控系統控制器的開發

秦成虎，王斌，董勝剛，沙玉婷

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

當前，國內兆瓦級風電機組整機組裝基本實現了國產化，在國產化率政策要求的推動和扶持下得到持續的提升，其中諸如葉片、齒輪箱、發電機、軸承、塔筒、機艙罩等電氣和機械部件已經完全替代國外產品。但作為風電機組可靠、穩定運行核心的電控系統(包括機組主控系統、變頻系統和變漿系統)，尚不能迅速國產化。其中主控系統國內整機廠家或是保持了所引進原型機的原配系統，或是在進口風電專用可編程控制器(PLC)基礎上進行控制策略的應用。

由于國內風電行業總體處于起步階段，各配套部件廠家的設備性能需要通過長時間運行進行磨合和提高，可靠性仍需不斷提高。采用原配系統的風機主控系統，維護成本居高不下;采用進口風電專用PLC的主控系統，因為核心部件的局限性，在運行過程中無法根據機組實際運行狀態進行控制策略的優化和完善，從而影響機組長期運行的穩定、可靠性。

隨著國內風電場總裝機容量的持續擴大，風場等級規模已從50MW上升到200MW乃至300MW，風機控制系統已經不局限于所屬風機的控制，而是涉及整個風場功率動態分配的范疇，從而對機組控制系統提出了新的要求［1］。總之，開發出具有自主知識產權的主控系統(特別是作為主控系統核心的控制器部分)顯得十分必要。

1 主控系統組成

風電機組主控系統由主控制器及其邏輯控制軟件、I/O模件、安全鏈系統、電氣柜體和人機界面HMI(Human Machine Interface)組成。主控系統可通過主控制器的配置、邏輯軟件的調整、I/O模件的組合、主控系統柜體的電氣配合和HMI的組態調整，實現各類機組的狀態監控、變頻系統控制、變槳系統控制、偏航系統控制、齒輪箱監視、發電機監視、液壓站和安全鏈等設備的監視，實時數據、功率曲線、歷史事件的顯示，故障狀態監控及仿真調試等功能。主控系統典型配置如圖1所示。

主控制器在分析被控對象的結構、運行規律和運行環境的基礎上進行設計。針對風電機組測點分布特性和運行維護方便性的要求，主控制器安裝在塔底控制器機架上。I/O模件同時安裝在塔底控制器機架和機艙擴展機架上;塔底和機艙都配有就地HMI，便于人員調試;塔底和機艙都帶有電氣柜體，用于安裝主控制器、I/O模件等，同時還包括安全鏈系統的布置。

機艙擴展機架安裝主通信模件、第3方智能設備擴展通信模件和各種I/O模件。其中，主通信模件通過內部并行總線和I/O模件交換數據，將數據匯總后通過光纖以太網和塔底控制器進行信息交互。

塔底機架由電源模件、主CPU模件、主通信模件、擴展通信模件和各種I/O模件組成。主控制器與網關之間通過并行總線進行通信，確保數據的實時性。網關與I/O模件之間是雙CAN總線冗余通信，確保通信的可靠性。其中，控制邏輯軟件運行于主CPU模件上，用于風電機組的控制算法計算。

控制器和I/O模件的典型組成如圖2所示，控制器主要包括主CPU模件和CP通信模件。

2 控制器基本方案

2．1 控制器CPU模件設計

控制器CPU模件負責從CP通信模件讀取I/O模件數據，通過邏輯運算將控制指令通過CP通信模件發送到I/O模件，最終完成機組的控制;同時還將重要的信息送至SCADA上位監控和HMI。

控制器CPU模件采用低功耗寬溫度工業X86系列主板作為核心處理單元，可滿足工業級的溫度要求。其自帶的浮點處理器可以適應機組控制多變量、非線形的快速處理要求。CPU模件的功能接口如圖3所示。

圖3 CPU模件的功能接口

控制器CPU模件底層操作系統采用RTOS嵌入式操作系統，系統的適時性得到了很大提高，可確保風力發電機組的安全運行。操作系統具有完整的內存保護功能，同時驅動設備加載組件化，具有良好的可擴充性。支持真正的多進程“并行運行”方式。采用實時內核擴展功能的操作系統，使得執行任務時間和非RTOS相比由數十毫秒提升到數百微秒，使得控制器的實時特性得到極大提高［2］。

2．2 控制器邏輯軟件設計

控制器控制邏輯軟件設計完全符合IEC 61131－3標準，支持 ST，LD，IL，SFC，FBD 等5種標準 PLC 編程語言。利用組態軟件，可方便地對風電機組的控制邏輯進行組態。

2．3 CP網關通信模件設計

風電中的變槳系統和變流系統產品型號眾多，通信接口類型多種多樣，目前比較常用的是CAN Open，Profibus-DP和 Modbus。主控制器針對此需求，開發專門負責通信的CP模件，可以與不同的總線接口進行通信。幾種網關模件都是基于統一的硬件和軟件平臺，接口配置靈活，如圖4所示。

圖4 網關模件的功能接口

2．4 主控制器安全鏈結點的設計

安全鏈存在的目的是作為計算機主控系統的有效后備。當主控制器對極端條件響應失敗時，它能接管主控制器，對嚴重或者潛在的致命故障迅速產生響應，及時緊急停機，以保護風電機組。安全鏈系統是獨立于主控制器的最后一級保護措施，在風電機組控制器標準中有明確要求［3］。

在安全鏈設計時，可能會對機組造成的致命傷害的故障結點串連成一個回路，一旦其中一個動作，將引起緊急停機反應。安全鏈設計的原則:

(1)盡可能獨立于主控制器。

(2)純硬結點搭建，當安全鏈作用時，沒有計算機或微處理器參與邏輯判斷和運算。

(3)采用反邏輯設計。在安全鏈中的所有硬結點，當外部條件處于安全時，硬結點閉合，一旦外部條件處于極限時或者傳感器失效時結點斷開，導致緊急停機。設計時一般將如下傳感器的信號傳接在緊急安全鏈中:手動緊急停止按鈕、主控制器結點、偏航系統結點、塑殼斷路器MCCB(Moulded Case Circuit Breaker)主回路結點、振動傳感器、風輪過轉速或發電機過轉速傳感器等。在緊急停機后，所有的繼電器和接觸器失電，發電機與電網解列(發電機主接觸器跳開)，機械剎車與氣動剎車同時動作。在緊急停機后，只能手動復位才能重新啟動［4］。

綜上所述，主控制器本身也需要向安全鏈系統提供自身的安全鏈結點，在主控制器自己因為軟件或硬件問題而產生故障，主控制器狀態結點立即輸出，以保證系統的安全。主控制器狀態結點設計基于復雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)技術，在系統正常工作時，安全鏈結點輸出正常(閉合)。在控制器出現故障或控制器電源故障時，主控制器的安全鏈結點就斷開。這樣，整個主控系統的安全鏈就斷開，緊急停止風力發電機組的運行，以保護機組的主要設備。

由于主控制器本身也需要向安全鏈系統提供自身的安全鏈結點，那么該結點就必須能正確反映主控制器自身的狀態。當主控制器失效時，主控制器的安全鏈結點將會斷開。失效條件包括以下3個:

(1)主控制器斷電;

(2)主控制器與I/O模件的通信中斷;

(3)主控制器程序出現異常，進入死循環或程序異常退出。

在主控制器正常工作時，每個運算周期對安全鏈結點進行復位，使其保持閉合。當除斷電外的其他2個條件中的任何1個條件出現時，程序將會停止對安全鏈復位，延遲時間到達后，控制器安全鏈結點就會斷開。當因供電原因導致控制器失電時，因為主控制器的結點采用了反邏輯設計，斷開后，該結點就會自動斷開，停止風機運行。

3 結論

風電機組主控制器是機組運行的核心關鍵技術，因該技術壟斷造成的高昂成本給風電運營商長期穩定持續運行造成不便，國電南京自動化股份有限公司在為大中型火力發電機組提供分散控制系統(DCS)控制器的基礎上，認真對比風電機組特性和運行要求，推出了面向風電機組控制對象的風電機組主控制器。

國電南京自動化股份有限公司通過風力發電機組主控制器的開發，現已掌握了風電機組主控制器的核心技術。隨著對風電機組認識的加深和控制策略優化能力的加強，會使自主開發的主控制器發揮更大的作用。

［1］白曉磊．風力發電功率預測及AGC機組調配的研究［D］．北京:北京交通大學，2009．

［2］齊俊生，崔杜武，黑新宏．嵌入式Linux硬實時性的研究與實現［J］．計算機應用，2003，23(6):34 －36．

［3］GB/T 19069—2003，風力發電機組控制器技術條件［S］．

［4］葉杭冶．風力發電機組的控制技術［M］．北京:機械工業出版社，2002:129－133．