基于倍福PC控制技术的智能风电场实时网络系统

　　随着近年来风力发电装机容量的不断提升，风力发电占所在电网的比例也随之持续增加。众所周知，风能具有高度的随机波动性与间歇性，所以大规模的风电接入会对电力供需平衡、电力系统的安全以及电能质量带来诸多严峻的挑战。2011年初发生在甘肃酒泉等地的多起脱网事故也说明了制定风电并网规范的紧迫性。因此,国家电网提出了风电场接入电网的技术规定，由此产生了电网友好型风机和风电场的概念：

　　1、风机具有有功无功调节和低电压穿越能力，确保电网发生波动时风机不解列；

　　2、风电场拥有风功率预测系统，能够完成风电场48小时内的短期功率预测和15分钟至4小时的超短期功率预测；

　　3、集中优化配置有功功率和无功功率控制系统，实现风机的远程调节控制。

　　基于以上几点，不少整机制造商提出了智能风电场的概念，通过风电场网络能够远程集中监控风机和风电场的运行，并能实时的对功率进行控制。这些需要有高性能的风机控制器、相应的电力测量设备和快速的现场总线。德国倍福自动化有限公司基于PC的控制技术，具有良好的开放性和灵活性，倍福系列产品包括工业PC、I/O、现场总线组件和TwinCAT自动化软件，高性能的PC和功能齐全的端子模块可为广大风电客户提供全面、优质的风力发电机和风电场电力监控解决方案。

风电场的电力监控实时网络：

该方案是基于倍福系列产品的风力发电机组和风电场的调度实时网络方案，如下图1。

图1 风电场电力监控实时网络

该方案是基于倍福的工业PC、电力测量端子模块、带光纤接口的 EtherCAT 耦合器和实时的 EtherCAT 技术。倍福工业PC上运行专用的能量管理平台，具有强大的风电场电力监控功能。该平台提供与电网调度接口，集中实时控制风电场的电压、功率等等。保证风电场与接入地区电网相互协调运行，实现高效的风电场运行和管理。EtheCAT 光电转换耦合器模块把能量管理平台与风电场内的风机连接到一起，组成风电场电力监控实时网络，可在风电场网络中实现小于 1 ms 的实时控制任务。专用的电力测量端子模块配合特有的低电压穿越控制模块监控风场电网公共接入点和单台风机并网侧的电网状况（电压、频率、有功、无功等等）。

风电场电力监控实时网络方案分为两部分：

1 单台风力发电机组的电力监控，如下图2

图2单台风力发电机组的电力监控

该方案采用了倍福嵌入式工业 PC CX5020控制器作为单台风机的主控制器，主控制程序基于TwinCAT软件，运用倍福自主开发完善、高效、成熟的风电专用功能库，集成先进的控制算法，很好的协调控制风机各部件和子系统的运行。根据当前的风况和风电场能量管理平台的控制指令，控制风机的输出电压、频率和功率等等，保证风机的稳定运行。

控制器自带的以太网接口可连接到交换机模块 EL6601，可以通过 ADS、OPC、Modbus TCP 等通讯协议与风电场的 SCADA 系统进行数据交换。通过 EtherCAT 网桥模块 EL6692 和扩展模块 EK1110 接入风电场实时控制网络，与能量管理平台进行通讯，满足对整个风电场的实时控制的需要。EK1501 作为单台风机与风电场 EtherCAT 实时网络的接入点。

EL3413 模块可直接监测单台风机并网侧的 690 V AC电压、电流、频率、有功、无功、发电量，以及21次以内的谐波等等。风机主控系统通过采集的电力数据监测风机运行状况、相关的数据可通过风场网络传送到风电场中控室的能量管理平台和 SCADA 系统。

2 风电场公共接入点电力监测，如下图3

图3 风电场公共接入点电力监测

具有XFC超采样技术的电力测量模块 EL3773 对风电场电网公共接入点进行监控。倍福工业 PC 上运行的能量管理平台通过 EtherCAT 耦合器接入到风电场实时网络，采集 公共接入点处和每台风机并网侧的电网状况，通过平台里专用的控制程序统一调控整个风电场的电压、频率、有功出力和无功等。

　　通讯架构：

　　风场实时网络为环网方式，使用单模光纤通过EtherCAT总线和相应的耦合器EK1501把风场的风机连接成通讯环网。风场中的每台风机的主控制器CX5020可通过以太网交换机模块EL6601与接入风场网络，并使用EtherCAT网桥模块EL6692实现与能量管理平台的实时通讯。

　　EtherCAT采用开放的实时以太网通讯协议，是一种高速以太网现场总线，由德国倍福自动化有限公司研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，分布于100个节点的1000个开关量刷新时间仅为30µs，同时，它还明显降低了现场总线成本。EtherCAT的特点还包括分布式时钟，可选线缆冗余和功能性安全协议(SIL3)。采用XFC（极速控制）技术后，利用时间戳可获得小于100ns的时间分辨率。

　　关键设备：

　　CX5020

　　CX50x0系列是符合标准DIN导轨安装方式、无风扇、宽温型的嵌入式控制器，CX50x0采用IntelAtom低功耗处理器，CPU主频可达1.6G。带有两个独立的千兆以太网端口和四个USB2.0接口，可以通过DVI接口与倍福控制面板或标准DVI显示器相连。根据需要，也可添加一个串口（RS232/RS422/RS485）或具有主站或从站功能的现场总线接口。位于盖板后面并可从外部拆装的可互换的CF卡作为引导和存储介质。CX5000系列还内置了一个1秒钟UPS，可确保在CF卡上安全备份持久性应用数据。

　　EK1501/EK1521

　　带光纤接口的EhterCAT耦合器和接口模块；具有EtherCAT的光电转换和耦合功能。使用带单模的光纤接口的耦合器和接口模块，可以实现EhterCAT光纤线缆冗余系统，最远的距离可达20千米。

　　EL3413

　　专为风电设计，用于单台风力发电机的电力监测，不需要电压互感器可直接接入690VAC。检测电流信号的通道是相互隔离的，可以与各种通用的电流互感器进行连接。该电力测量模块能对电压、电流、频率、有功，无功，功因、发电量，上至21次谐波等等相关指标的进行监测。

　　EL3773

　　超采样电力测量模块EL3773采用倍福XFC技术，6个通道可同时以100µs的精度进行采样，基于采样所得的电流电压，客户可以计算出真有效值及实现复杂的自定义算法。支持分布式时钟。

　　EL6692/EL6601

　　EL6692用于不同主站的EtherCAT网段之间的数据交换，同时它还可以同步各个网段的分布式时钟。

　　EL6601为以太网交换机模块，用于将以太网设备与EtherCAT端子模块网络进行分布式连接，交换机端子模块可安装在EtherCAT网段中的任意位置，无需进行任何配置。

　　倍福风电功能库为风机主控开发带来极大的便利

　　集合倍福多年风电主控系统开发的经验，为高效成熟的风电功能库。倍福风电功能库以模块化的形式组成，且源代码完全开放，帮助技术人员深入理解风机的控制。使用这些功能库能够显著缩短主控制程序的开发时间，也可对现有程序的主控制架构、控制代码和逻辑进行优化。其主要软件模块有：：

　　1LibraryWindAuxiliaries（风电辅助库）

　　2LibraryStatuscodes/StatuscodeGenerator（状态码库和生成工具）

　　3TraceLogger（状态记录文件）

　　4Mean-ValueLogger（均值记录）

　　5PowerCurveLogger（功率曲线记录）

　　6Simulation（风机模拟库）

　　7I/O-Generator（I/O生成工具）

　　8ParameterGenerator（参数生成工具）

　　9RemoteComandGenerator（远程命令生成工具）

　　倍福TwinCAT3软件

　　倍福公司早在1986年就创立了基于PC控制技术的自动化全球标准，在软件方面，以TwinCAT（TheWindowsControlandAutomationTechnology）自动化组件作为控制系统的核心软件，TwinCAT软件将任意一个基于PC的系统变成一个多PLC、NC、CNC或机器人的实时控制系统。TwinCAT3是倍福在TwinCAT2软件基础上更深入的系统性研究开发的成果，以下列举了TwinCAT3的一些特点，图4为TwinCAT3系统图：

　　编程和配置只需要一个软件

　　集成VisualStudio

　　选择编程语言更加灵活

　　支持面向对象的IEC61131-3

　　使用C/C++作为实时应用编程工具

　　支持Matlab/Simulink

　　支持多核和64位系统

　　可将TwinCAT2的方案直接移植到TwinCAT3

　　公司简介：

　　德国倍福自动化有限公司总部位于德国威尔市。公司在世界各地设有分支机构，加上全球的合作伙伴，目前公司业务已遍及60多个国家。

　　倍福始终以基于PC的自动化新技术作为公司的发展理念，所生产的工业电脑、现场总线模块、驱动产品和TwinCAT控制软件构成了一套完整的、相互兼容的控制系统，可为各个工控领域提供开放式自动化系统和完整的解决方案。近30年来，倍福公司的组件和系统解决方案在世界各地得到了广泛的应用。

　　自2001年3月德国倍福成立北京代表处以来，公司在中国的业务迅速发展，先后成立了上海代表处和广州代表处，并在宁波、武汉、成都、青岛设立了联络处。2007年8月上海代表处经转制后正式成立倍福中国公司，并将倍福中国区总部迁至上海。随着各种具有良好性价比的新产品、新技术不断进入中国市场，其勇于打破传统控制模式，倾力推广PC控制新技术的理念已被越来越多的中国用户所接受。