基于現場總線的風電場監(jiān)控系統(tǒng)設計

西安鐵路職業(yè)技術學院電氣工程系 王 丹

1.引言

對綠色可再生能源的開發(fā)和利用，特別是對風能的開發(fā)利用，已經受到全人類的普遍關注[1]。隨著我國風電產業(yè)的飛速發(fā)展，如何保證風力發(fā)電機組安全運行，高效的利用風力資源已經成為非常重要的一個課題擺在了我們面前。

風電場監(jiān)控系統(tǒng)是保證風電機組穩(wěn)定運行的關鍵技術之一，我國已經把風電場微機監(jiān)控系統(tǒng)列為國產化的突破口。目前，大型風電場監(jiān)控系統(tǒng)在我國還處在研制、開發(fā)階段，試驗的樣品可靠性、功能等方面還不能滿足大型機組安全穩(wěn)定運行的要求。從國外引進的大型風電廠監(jiān)控系統(tǒng)技術比較完善，但價格十分昂貴。如果機組數量太大，上、下位機之間距離超過幾十公里時，這些從國外引進的監(jiān)控系統(tǒng)在通訊方面也出現各種各樣的問題，有待進一步解決。CAN總線技術在國內外許多工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛運用，效果十分理想，把這項新技術應用在大型風電廠監(jiān)控系統(tǒng)中是一種新的探索。

2.風電場對監(jiān)控系統(tǒng)的要求

(1)下位機能獨立運行，完成本機組安全運行所需的各種控制要求。現代微機技術發(fā)展得快，選用功能齊全、性能可靠的微機是可以完成的。這一要求比較容易實現。

(2)上位機和下位機可靠雙工通訊，盡量節(jié)省通訊電纜。由于風力發(fā)電組排列不一定很規(guī)則，特別是在山上建立風電場，這就決定上位機和下位機組成的通訊網不十分規(guī)范。即不是總線形，也不是星型或環(huán)型，確切地講，應該是分布式網絡，因此，一般的通訊方式很難保證通訊可靠。

(3)一般風電場有幾十臺風機組成，上、下位機之間距離較遠，有時可能超過幾公里。這就要求雙工通訊要有較強的負載能力，通訊距離較遠。

(4)能避免各種干擾，主要指工業(yè)干擾（如高壓交流電場、靜電場、電弧、可控硅）、自然界干擾（如雷電沖擊）、高頻干擾（如微波通訊、無線電信號、雷達）[2]。

3.CAN總線簡介

CAN總線是德國BOSH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測量儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種串行數據通訊協(xié)議，它能夠滿足分布系統(tǒng)在強電磁干擾等環(huán)境下可靠工作的要求。CAN總線協(xié)議具有下列幾個重要特點：(1)同步、串行、多主、面向通信數據塊的通信方式，網上節(jié)點數多達110個；(2)CAN總線上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通信方式靈活；(3)每幀數據信息為O～8個字節(jié)，具體長度由用戶決定，這樣可減少信息碰撞幾率；(4)信息有優(yōu)先級別之分，采用非破壞性總線仲裁，當總線上有兩個節(jié)點同時向網絡上輸送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點繼續(xù)發(fā)送；(5)強有力的錯誤控制及錯誤重發(fā)功能，采用CRC校檢方式，每幀信息中不可檢錯概率少于3×10-5；(6)最大通信速率為1Mb/s，直接通信距離最遠可達10km，沒有物理層規(guī)定，在實際應用中可采用單線制、雙線制、同軸電纜、雙絞線和光纜、微波等傳輸介質[3]。

綜上所述，CAN現場總線網絡具有多主、實時、高可靠性、低成本等優(yōu)點，特別適用于在條件十分惡劣的工業(yè)現場進行實時數據傳輸，是大型風電場現場總線類型的理想選擇。

4.風電場監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構設計

基于上面所述風電場對監(jiān)控系統(tǒng)的要求以及CAN總線的優(yōu)點，下面采用了CAN現場總線設計了由多臺風力發(fā)電機組成大型風電場的監(jiān)控系統(tǒng)，總體結構框圖如圖1所示。

風電場監(jiān)控系統(tǒng)負責管理每臺風電機組的運行數據、狀態(tài)、保護裝置動作情況、故障類型等。為了實現上述功能，風電廠監(jiān)控系統(tǒng)由就地監(jiān)控系統(tǒng)、中央監(jiān)控系統(tǒng)、遠程監(jiān)控制系統(tǒng)三個部分的有機結合組成。

就地監(jiān)控系統(tǒng)設置在每臺風電機塔筒的控制柜內，它的下位機應能將機組的數據、狀態(tài)和故障情況等通過CAN總線與中央監(jiān)控系統(tǒng)的上位機通訊，同時上位機應能向下位機傳達控制指令，由下位機的控制系統(tǒng)執(zhí)行相應的動作，從而實現遠程監(jiān)控功能。

中央監(jiān)控系統(tǒng)一般運行在位于中央控制室的一臺通用PC機或工控機上，通過與分散在風電場上的每臺風力機就地控制系統(tǒng)進行通信，實現對全場風力機的集群監(jiān)控。風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)與風力機就地控制系統(tǒng)之間的通信屬于較遠距離的一對多通信，本文采用CAN現場總線作為數據傳輸載體。中央監(jiān)控系統(tǒng)主要職能為：能根據畫面的切換隨時監(jiān)視風電現場每一臺風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)，控制風力發(fā)電機組運行參數，對故障機組進行實時報警處理，并做出故障診斷，給出機組發(fā)生故障的具體位置、程度以及維修建議等。

遠程控制系統(tǒng)根據需要布置在不同地點的遠方監(jiān)控中心或者研究機構，實行對整個風電場的遠程調度和監(jiān)控，解決技術難題并進行科學研究等。遠程監(jiān)制系統(tǒng)一般通過調制解調器或電流環(huán)等通訊方式訪問中央控制室主機來實現。

5.CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

鑒于就地監(jiān)控系統(tǒng)下位機的重要性，可選用按照工業(yè)標準設計，并安裝CAN總線網卡的工控機（IPC486以上配置），它從元件的選用到散熱、防振、防塵、抗電磁干擾方面，都符合工業(yè)環(huán)境的要求具有很高的可靠性。

為保證中央監(jiān)控系統(tǒng)可靠性，可使用兩臺裝有CAN總線接口卡的高性能的商用PC構成上位機組，其中一臺作為主機，另一臺作為從機，主機故障時從機啟用。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置則根據經濟條件以及個人喜好進行選擇，但應具備最基本的通信以及顯示等功能。

CAN通信適配卡是整個系統(tǒng)的關鍵部件，它主要由微控制器、CAN總線收發(fā)接口和CAN通信控制器三部分，配上鎖存器、復位電路、EPROM、雙口RAM等輔助電路和元器件組成。對于微控制器、CAN收發(fā)接口和CAN通信控制器可以分別采用8051、82C250芯片和SJA1000。CAN卡接口原理圖如圖2所示[3]。

CAN通信適配卡插在上位機和工控機的擴展槽上，負責將上位機和CAN總線上的數據傳輸點聯(lián)系起來。當上位機發(fā)出信號時，通知CAN通信適配卡，CAN通信適配卡根據命令來完成數據寫入、標志位的置位等工作。反之，上位機也可以通過適配卡來接收數據采集點的數據，并將數據存放在適配卡上的雙口RAM中，上位機再通過RAM來讀取數據。

6.CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

6.1 用戶層通信協(xié)議設計

根據CAN總線技術規(guī)范和ISO11898標準，上述硬件設計已經完成了物理層和數據鏈路層設計，所以只需設計用戶層協(xié)議，其幀結構定義如圖3所示。系統(tǒng)站點之間的通信均以該協(xié)議為基礎進行數據交換。

DIR：方向位。主站向從站發(fā)送信息時為0，反之為1。

Address：地址域。主站發(fā)送信息時，該域為目的地址，從站發(fā)送信息時，該域為原地址，廣播時該域無意義。

TYPE：幀類型。當其為100時，為單幀廣播，為000時，為單幀點對點。主站發(fā)送信息時，幀類型為單幀點對點，從站發(fā)送信息時，幀類型為單幀廣播，這樣總線網上所有站點都能接收到信息。

DLC：報文長度域。給定其后數據長度，可為O～8個字節(jié)。

CmdO，Cmdl：命令功能符。根據系統(tǒng)具體情況，可有多種定義。本文給出了常用的幾種定義，如表1所示。

物理通道序號：用戶設定的輸入輸出通道的編號(0～255)，Data(O～4)，5字節(jié)長的數據[4]。

6.2 中央監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件設計

根據CAN網卡驅動程序提供的接口函數，用戶可方便地使用C，C++，VC++等語言設計上位機初始化、發(fā)送和接收程序。程序采用主動方式發(fā)送命令信息，采用中斷方式接收信息。

表1 命令功能

圖1 總體結構框圖

圖2 CAN卡接口原理圖

圖3 用戶層協(xié)議幀結構圖

圖4 CAN初始化程序框圖

圖6 從站主程序流程圖

（1）CAN初始化它主要完成模式設置（PeliCAN模式）、時鐘輸出寄存器設置、接收碼寄存器ACR設置、接收屏蔽碼寄存器AMR設置、總線定時器設置和輸出控制寄存器設置[5]。其流程圖如圖4。

（2）數據發(fā)送程序信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的，發(fā)送程序只需把被發(fā)送的信息幀送到CAN的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送命專即可。其流程圖如圖5。

（3）接收程序信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)是由CAN控制器自動完成的，接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。

6.3 就地監(jiān)控系統(tǒng)下位機軟件設計

就地監(jiān)控系統(tǒng)下位機（從站）主要完成兩項任務：一是執(zhí)行數據采集與處理和輸出控制任務。二是接收主站命令，進行相應操作。第一項任務可在主程序當中完成，第二項任務在中斷服務程序中完成。程序采用C51或ASM51匯編語言設計，程序流程圖如圖6所示。

7.結論

目前國內風電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)大多依賴從國外進口，自主開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)對于促進風電場整體國產化建設具有舉足輕重的作用。文中介紹的實時監(jiān)控系統(tǒng)在大型風電場監(jiān)控系統(tǒng)中得到了應用，原系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)，不僅工程安裝復雜，成本高，而且數據傳輸速率低，實時更新慢，經常出現跟蹤滯后現象，影響了系統(tǒng)的可靠運行，嚴重時還出現燒毀現場設備的事故。采用文中研究設計的CAN總線實時監(jiān)控系統(tǒng)后，不僅解決了老系統(tǒng)的缺點，而且提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和系統(tǒng)信息集成能力，并且具有靈活的軟硬件組態(tài)功能。實踐證明，本文提出的基于CAN總線的大型風電場監(jiān)控系統(tǒng)模型切實可行，符合未來監(jiān)控技術的發(fā)展趨勢。

[1]宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[2]張紅霞.淺談綠色能源—風力發(fā)電的發(fā)展現狀與發(fā)展趨勢[J].內蒙古科技與經濟,2012(21).

[3]李建華.基于CAN總線的風電場電能質量檢測與優(yōu)化[D].廣州工業(yè)大學,2006.

[4]段斌,林媛源,黃凌翔,于雄.風電場監(jiān)控通信安全解決方案[J].電力系統(tǒng)自動化,2009(12).

[5]曹小華,趙成,陶德馨.基于現場總線CAN的實時監(jiān)控系統(tǒng)研究與設計[J].武漢理工大學學報,2005,29(6):910-912.