智能化解決綠色能源新課題的探索

北京康拓科技有限公司 江宏

1 綠色能源概述

能源問題日益制約著經濟和社會的發展，綠色能源是國家能源發展的重要戰略之一，綠色能源在國民經濟發展中扮演著重要角色，也在節能減排及能源結構調整中發揮著重要作用，一般來說綠色能源具有以下的特點：

· 綠色能源一般是指可再生能源，如水能、生物能、太陽能、風能和海洋能，這些能源消耗之后可以恢復補充。同時也指在能源生產、消費過程中對環境污染小的能源。

· 綠色能源發電要解決并網問題，只有并網發電才能提高發電效率和發電質量。各種能源的并網發電要克服很多技術關鍵點，這是擺在綠色能源面前的新課題。

總體來說，電力設備的智能化是解決這種綠色能源新課題的關鍵手段，也是當今智能電網的核心內容。北京康拓科技有限公司工控事業部（簡稱康拓工控）是電力行業智能化設備的專業供應商，為新能源并網發電、電力裝備智能化做出了積極的嘗試和探索，研發生產的智能化產品已在國內智能電網和高端裝備中大量配套應用，受到電力用戶和集成商的認可。

2 智能電網大機遇

按照國家電網公司《關于加快推進堅強智能電網建設的意見》，其中2011～2015年為智能電網全面建設階段，投資額約2萬億元。智能電網建設直接帶動高壓、特高壓變電站以及智能數字化配電站未來10年的快速發展。滿足智能電網需求的變配電解決方案也要與時俱進，實現電網的調度和協調處理，從總體上節約用電成本。智能電網是對各種綠色能源并網發電的兼容和集成。

智能電網的本質要求就是設備智能化及其互聯，主要體現在以下兩個方面：

· 電流等模擬量采用光纖輸出；

· 合并單元、智能終端等都采用IEC61850通訊協議互聯。

通過對以上技術的實現才能滿足智能電網對智能化的本質要求，才能實現智能電網“堅強、自愈、兼容、集成、優化”的特性。按照目前一座廠站級智能數字化變電站的系統架構可以劃分為站控層、間隔層和過程層，通過近幾年的實踐和探索，筆者認為隨著電網各個裝備智能化程度的深入和提高，以省網為區域的系統架構會更加簡潔和扁平化，提高電網裝備智能化的水平關鍵是將高檔工控機應用在各種裝備的智能化配套單元中，以下介紹幾種典型的智能化解決方案。

2.1 變壓器智能化解決方案

變壓器是電網中最基礎的一次設備，一次設備智能化是大勢所趨，智能電網對變壓器智能化的要求體現在：

· 可以對大型電力變壓器進行在線監測，具有同步采集功能，數據量大；

· 智能化裝置由雙系統模塊構成，即高速數據處理及數據分析模塊、前端數據采集及數據初步處理模塊；

· 智能化裝置要具有豐富的通訊接口，例如同步網口（IEEE1588/IEC61588）、同步串口、通用串口（RS485/232）和光口；

· 可靠性高，適合室外工作環境。

在實際應用時的解決方案是將變壓器智能化裝置進行工業控制計算機定制化設計，統稱為變壓器監測單元，技術特性體現在以下幾個方面：

· 監測單元的數據處理模塊采用Intel Pentum M處理器設計，運行windows XP Embedded 及SQL server2000數據庫軟件；

· 監測單元的數據采集模塊采用AMD LX800處理器設計，運行RTLinux系統，執行KW組態軟件下載的程序；

· 監測單元的I/O容量為16通道高速AI、8通道RTD、48通道輸入節點DI和12通道繼電器輸出DO。

2.2 高壓開關智能化的解決方案

高壓開關尤其是氣體絕緣全密封開關設備（GIS）對智能化程度要求越來越高，光纖傳感技術和微機（工業控制計算機）處理技術的應用是當今開關設備智能化發展的主要標志，它們的結合應用可以完成高壓開關設備的狀態檢測和故障診斷，從而能夠提高高壓開關設備的智能化水平。

圖1是高壓開關配套應用的智能主機的系統架構圖，主處理器采用高性能PowerPC，輔助處理器采用DSP+FPGA的模式，具有很好的應用效果。

圖 1 高壓開關配套應用的智能主機的系統架構圖

高壓開關的智能主機在技術上體現在以下幾個方面：

· 合并單元提供4路FT3接口，接收電流互感器光纖數字信號，符合IEC60044-8標準；

· 合并單元提供4路光纖以太網接口，通信采用

IEC61850-9-1通訊協議，實現過程層和間隔層的快速SV值互聯；

· CPU單元具有IRIG-B對時功能，通過B碼脈沖和其它板卡精確對時。CPU同時也具備保護功能；

· 高壓開關的執行機構也智能化，如CB單元、DS/ES單元，都通過光以太網和智能主機的I/O板卡連接，實現集成。

2.3 間隔層二次保護系統

間隔層的繼電保護系統屬于二次設備，二次保護系統在設計上的趨勢是完全基于網絡化，設備互聯的通信協議遵守IEC61850標準，核心保護算法可以通過開發工具下載和配置，具體的技術需求可以體現在如下：

· 保護系統能夠接收SV值、開關位置、刀閘位置、開關本體等數字信號；

· 能夠接收保護跳合閘、手合/分刀閘、地刀控制的GOOSE命令，并輸出相應動作接點；

· 出口動作速度快，從收到GOOSE報文到出口繼電器動作＜8ms，并且基本不受GOOSE網絡風暴的影響。

針對這些技術需求，在二次保護系統總體設計時采用了網絡化架構，系統由多種處理器板卡構成，系統技術特點體現在：

· POWERPC板卡負責保護算法運算、完成IEC61850的通信任務；

· ARM板卡主要完成通訊協議轉換、人機界面應用；

· 對時板卡，完成GPS對時/IRIG-B碼對時功能，滿足電力繼電保護應用要求。

北京康拓科技有限公司二次保護系統總體采用了POWERPC+ARM+FPGA的集成方案，由于其結構緊湊、可靠性高、性能優越、經濟實用等特點，目前已成功應用到電力繼電保護裝置中。

2.4 電網故障錄波分析儀

錄波分析儀的功能是對電網運行進行故障監測和錄波回放，是智能電網下各種綠色能源（如風電、光電等）并網運行的重要測試設備，其功能特點體現如下：

· 錄波裝置保留了傳統的模擬量采集接口，如能采集電流、電壓值等；

· 同時錄波裝置具有FT3光接口，采集電網線路的光纖電流信號。圖2是設計的故障錄波分析裝置的系統結構圖。

圖2 故障錄波分析裝置的系統結構圖

從圖上可以看出，系統采用雙總線架構，數據存儲采用AT96總線，信號采集采用DSP自定義總線，同時采用DSP處理器和FPGA數據傳輸方式，大大提高每周波數據采集量。

錄波分析儀采用嵌入式工控機，6U尺寸機械結構，堅固耐用，具有大容量數據存儲和通信功能，通信協議采用IEC61850標準，體現了智能電網集成、優化的特性。

3 海洋波浪發電控制

海洋波浪能的前景十分廣闊，波浪能是海洋波浪在風的作用下產生的能量，是正在興起的用于發電的綠色能源，控制系統在波浪能發電中起著非常重要的作用，海洋波浪能的控制系統具有以下特點：

· 控制系統在海上封閉的空間里運行，溫度和濕度變化區間都很大；

· 因工作環境長期無人值守，對控制系統的可靠性和安全性要求很高。

海浪發電控制系統架構分岸上監視系統（如圖3所示）和海上執行控制系統，控制系統最為核心，包括鼻端控制模塊和關節控制模塊。

圖3 岸上監視系統示意圖

針對上述要求，我們認為控制系統的核心是采用滿足要求的工業計算機，實際應用的是PXI5000系列工控機產品，形成的解決方案如圖4所示。

圖4 控制系統示意圖

鼻端控制模塊的功能如下：

· 鼻端控制模塊包含雙熱備計算機、光纖交換機、高速路由器、鼻端控制單元、GPS模塊、UHF模塊和WIFI模塊；

· 鼻端控制單元采集鼻端的環境信息以及變壓器的信息，對變壓器開關進行控制，對鼻端中的直流供電系統進行控制；

· 控制計算機單元基本采用PXI5000系列工控機，滿足特定的環境和可靠性要求。

關節控制模塊的功能如下：

· 關節控制模塊采用PXI工控機，實現4種功能：關節環境控制、波液換能缸控制、液壓馬達控制、直流供電控制；

· 關節環境控制節點測量液壓系統的溫度、壓強、直流供電系統的電流等；以及測量環境是否進水等；并控制隔離閥以及熱交換通道等；

· 波液換能缸控制節點測量波液換能缸腔室的壓強及位移等，控制腔室和高壓艙、低壓儲油艙連接的電控閥門；

· 液壓馬達控制節點測量發電機的轉速、不同相的電壓和電流、發電機溫度、軸承溫度，調節液壓馬達排量；

· 直流供電控制測量液壓系統的密封壓強并控制直流供電。

與PXI5000工控機相互配套應用的還有高效的軟件系統，包括：

· 符合OSADL標準的RTlinux實時操作系統和Proconos-ECLR實時任務調度系統；

· 岸上監控系統和海上實時控制系統的通信軟件。

軟件開發工具基本采用符合國際IEC61131-3的編程組態化軟件，通過組態化軟件可以根據控制流程開發核心控制算法，已經開發的主要包括以下軟件模塊：

· 鼻端工控機軟件：向監控軟件發送實時數據信息，接收監控軟件的操作指令；

· 鼻端快速路由軟件：根據監控軟件指令，實現主備份切換及GPS功能；

· 鼻端控制單元軟件：完成鼻端控制器和各個發電機的互鎖機制；

· 關節控制單元軟件：接收鼻端工控機的指令，執行要求的程序。

4 風光互補發電控制

針對大型風力發電的特點，我們在系統設計時采用PXI5000系列工控機作為控制平臺，著重關注控制技術的運用，針對風力發電特點進行系統級設計，為風力及風光互補發電控制提供了切實可行的解決方案。

采用PXI5000系列工控機能夠保證長時間正常運作，尤其考慮到系統的安全性，包括人身安全，同時在技術上具有以下特點：

· 充分利用成熟的PXI模板設計技術和豐富的PC資源；

· 采用標準PXI總線產品，突破總線帶寬的瓶頸；

· 系統具有良好的EMC特性和環境適應性；

· 軟件標準化，并且容易編程和操作。

風力發電的測量參數很多，PXI5000主要測量如下：

· 風輪轉速；

· 電機電壓、電機電流；

· 發電機溫度、電機齒輪箱油位、控制箱溫度；

· 大氣壓力、風向、風速、大氣溫度、大氣濕度；

· 機艙振動；

· 艙內溫度。

PXI5000對風力發電的控制參數主要如下：

· 風輪轉速報警保護，過速離合控制；

· 對發電機電流錄波，并進行過流保護；

· 發電機溫度報警保護；

· 電機齒輪箱油位自動控制；

· 控制箱溫度控制；

· 偏航控制。

除了采用PXI5000系列工控機，系統還選擇適合風電應用的系列軟件產品，目前包括：

· 控制算法編程軟件KTPROG；

· 圖形畫面編程軟件KTView；

· 控制器嵌入實時、多任務操作系統RTOS；

· 同其它軟件交換數據的接口軟件OPC Server；

· 滿足風力發電行業工藝的特殊軟件包KTTool。

目前在風電中的解決方案的技術特點適合風力發電的工作環境，在實際應用時可以歸納以下特點：

· 通訊能力強：具有RS232/422/485和以太網接口，滿足未來智能電網對通訊能力的高要求；

· 抗震性好：板卡頂端和底部裝有導軌，前面板緊固裝置將前面板與周圍機架安全地固定在一起；

· 板卡垂直安裝，與母板間采用針孔連接器連接，具有很強的抗沖擊、抗振動、利于散熱的能力；

· 標準6U鋁機箱，EMC、ESD性能好，抗干擾能力強。

光伏發電作為小型風力發電的補充能源，通過對逆變電源的監測和控制可以實現風光互補、并網控制，我們專門設計了工控機用作MPPT控制和逆變器并網發電控制，最大限度地挖掘太陽能電池板的能力，并安全、有效地輸送到電網中。工控機的硬件平臺采用PowerPC 8313+FPGA構成主電路，PowerPC 8313處理器負責上行通信、數據采集、保護邏輯處理、SPWM算法計算、PWM最大頻率跟蹤點算法、液晶驅動控制等，FPGA負責PWM脈沖處理及緩存、數據采集及緩存、I/O擴展等。

5 結束語

綠色能源是國家未來新型的戰略能源，也是節能減排的重要手段，如何有效利用綠色能源并網發電、為社會需求提供服務是擺在目前的新課題，發電裝備智能化是一種有益的探索。