智能化解决绿色能源新课题的探索

北京康拓科技有限公司 江宏

1 绿色能源概述

能源问题日益制约着经济和社会的发展，绿色能源是国家能源发展的重要战略之一，绿色能源在国民经济发展中扮演着重要角色，也在节能减排及能源结构调整中发挥着重要作用，一般来说绿色能源具有以下的特点：

· 绿色能源一般是指可再生能源，如水能、生物能、太阳能、风能和海洋能，这些能源消耗之后可以恢复补充。同时也指在能源生产、消费过程中对环境污染小的能源。

· 绿色能源发电要解决并网问题，只有并网发电才能提高发电效率和发电质量。各种能源的并网发电要克服很多技术关键点，这是摆在绿色能源面前的新课题。

总体来说，电力设备的智能化是解决这种绿色能源新课题的关键手段，也是当今智能电网的核心内容。北京康拓科技有限公司工控事业部（简称康拓工控）是电力行业智能化设备的专业供应商，为新能源并网发电、电力装备智能化做出了积极的尝试和探索，研发生产的智能化产品已在国内智能电网和高端装备中大量配套应用，受到电力用户和集成商的认可。

2 智能电网大机遇

按照国家电网公司《关于加快推进坚强智能电网建设的意见》，其中2011～2015年为智能电网全面建设阶段，投资额约2万亿元。智能电网建设直接带动高压、特高压变电站以及智能数字化配电站未来10年的快速发展。满足智能电网需求的变配电解决方案也要与时俱进，实现电网的调度和协调处理，从总体上节约用电成本。智能电网是对各种绿色能源并网发电的兼容和集成。

智能电网的本质要求就是设备智能化及其互联，主要体现在以下两个方面：

· 电流等模拟量采用光纤输出；

· 合并单元、智能终端等都采用IEC61850通讯协议互联。

通过对以上技术的实现才能满足智能电网对智能化的本质要求，才能实现智能电网“坚强、自愈、兼容、集成、优化”的特性。按照目前一座厂站级智能数字化变电站的系统架构可以划分为站控层、间隔层和过程层，通过近几年的实践和探索，笔者认为随着电网各个装备智能化程度的深入和提高，以省网为区域的系统架构会更加简洁和扁平化，提高电网装备智能化的水平关键是将高档工控机应用在各种装备的智能化配套单元中，以下介绍几种典型的智能化解决方案。

2.1 变压器智能化解决方案

变压器是电网中最基础的一次设备，一次设备智能化是大势所趋，智能电网对变压器智能化的要求体现在：

· 可以对大型电力变压器进行在线监测，具有同步采集功能，数据量大；

· 智能化装置由双系统模块构成，即高速数据处理及数据分析模块、前端数据采集及数据初步处理模块；

· 智能化装置要具有丰富的通讯接口，例如同步网口（IEEE1588/IEC61588）、同步串口、通用串口（RS485/232）和光口；

· 可靠性高，适合室外工作环境。

在实际应用时的解决方案是将变压器智能化装置进行工业控制计算机定制化设计，统称为变压器监测单元，技术特性体现在以下几个方面：

· 监测单元的数据处理模块采用Intel Pentum M处理器设计，运行windows XP Embedded 及SQL server2000数据库软件；

· 监测单元的数据采集模块采用AMD LX800处理器设计，运行RTLinux系统，执行KW组态软件下载的程序；

· 监测单元的I/O容量为16通道高速AI、8通道RTD、48通道输入节点DI和12通道继电器输出DO。

2.2 高压开关智能化的解决方案

高压开关尤其是气体绝缘全密封开关设备（GIS）对智能化程度要求越来越高，光纤传感技术和微机（工业控制计算机）处理技术的应用是当今开关设备智能化发展的主要标志，它们的结合应用可以完成高压开关设备的状态检测和故障诊断，从而能够提高高压开关设备的智能化水平。

图1是高压开关配套应用的智能主机的系统架构图，主处理器采用高性能PowerPC，辅助处理器采用DSP+FPGA的模式，具有很好的应用效果。

图 1 高压开关配套应用的智能主机的系统架构图

高压开关的智能主机在技术上体现在以下几个方面：

· 合并单元提供4路FT3接口，接收电流互感器光纤数字信号，符合IEC60044-8标准；

· 合并单元提供4路光纤以太网接口，通信采用

IEC61850-9-1通讯协议，实现过程层和间隔层的快速SV值互联；

· CPU单元具有IRIG-B对时功能，通过B码脉冲和其它板卡精确对时。CPU同时也具备保护功能；

· 高压开关的执行机构也智能化，如CB单元、DS/ES单元，都通过光以太网和智能主机的I/O板卡连接，实现集成。

2.3 间隔层二次保护系统

间隔层的继电保护系统属于二次设备，二次保护系统在设计上的趋势是完全基于网络化，设备互联的通信协议遵守IEC61850标准，核心保护算法可以通过开发工具下载和配置，具体的技术需求可以体现在如下：

· 保护系统能够接收SV值、开关位置、刀闸位置、开关本体等数字信号；

· 能够接收保护跳合闸、手合/分刀闸、地刀控制的GOOSE命令，并输出相应动作接点；

· 出口动作速度快，从收到GOOSE报文到出口继电器动作＜8ms，并且基本不受GOOSE网络风暴的影响。

针对这些技术需求，在二次保护系统总体设计时采用了网络化架构，系统由多种处理器板卡构成，系统技术特点体现在：

· POWERPC板卡负责保护算法运算、完成IEC61850的通信任务；

· ARM板卡主要完成通讯协议转换、人机界面应用；

· 对时板卡，完成GPS对时/IRIG-B码对时功能，满足电力继电保护应用要求。

北京康拓科技有限公司二次保护系统总体采用了POWERPC+ARM+FPGA的集成方案，由于其结构紧凑、可靠性高、性能优越、经济实用等特点，目前已成功应用到电力继电保护装置中。

2.4 电网故障录波分析仪

录波分析仪的功能是对电网运行进行故障监测和录波回放，是智能电网下各种绿色能源（如风电、光电等）并网运行的重要测试设备，其功能特点体现如下：

· 录波装置保留了传统的模拟量采集接口，如能采集电流、电压值等；

· 同时录波装置具有FT3光接口，采集电网线路的光纤电流信号。图2是设计的故障录波分析装置的系统结构图。

图2 故障录波分析装置的系统结构图

从图上可以看出，系统采用双总线架构，数据存储采用AT96总线，信号采集采用DSP自定义总线，同时采用DSP处理器和FPGA数据传输方式，大大提高每周波数据采集量。

录波分析仪采用嵌入式工控机，6U尺寸机械结构，坚固耐用，具有大容量数据存储和通信功能，通信协议采用IEC61850标准，体现了智能电网集成、优化的特性。

3 海洋波浪发电控制

海洋波浪能的前景十分广阔，波浪能是海洋波浪在风的作用下产生的能量，是正在兴起的用于发电的绿色能源，控制系统在波浪能发电中起着非常重要的作用，海洋波浪能的控制系统具有以下特点：

· 控制系统在海上封闭的空间里运行，温度和湿度变化区间都很大；

· 因工作环境长期无人值守，对控制系统的可靠性和安全性要求很高。

海浪发电控制系统架构分岸上监视系统（如图3所示）和海上执行控制系统，控制系统最为核心，包括鼻端控制模块和关节控制模块。

图3 岸上监视系统示意图

针对上述要求，我们认为控制系统的核心是采用满足要求的工业计算机，实际应用的是PXI5000系列工控机产品，形成的解决方案如图4所示。

图4 控制系统示意图

鼻端控制模块的功能如下：

· 鼻端控制模块包含双热备计算机、光纤交换机、高速路由器、鼻端控制单元、GPS模块、UHF模块和WIFI模块；

· 鼻端控制单元采集鼻端的环境信息以及变压器的信息，对变压器开关进行控制，对鼻端中的直流供电系统进行控制；

· 控制计算机单元基本采用PXI5000系列工控机，满足特定的环境和可靠性要求。

关节控制模块的功能如下：

· 关节控制模块采用PXI工控机，实现4种功能：关节环境控制、波液换能缸控制、液压马达控制、直流供电控制；

· 关节环境控制节点测量液压系统的温度、压强、直流供电系统的电流等；以及测量环境是否进水等；并控制隔离阀以及热交换通道等；

· 波液换能缸控制节点测量波液换能缸腔室的压强及位移等，控制腔室和高压舱、低压储油舱连接的电控阀门；

· 液压马达控制节点测量发电机的转速、不同相的电压和电流、发电机温度、轴承温度，调节液压马达排量；

· 直流供电控制测量液压系统的密封压强并控制直流供电。

与PXI5000工控机相互配套应用的还有高效的软件系统，包括：

· 符合OSADL标准的RTlinux实时操作系统和Proconos-ECLR实时任务调度系统；

· 岸上监控系统和海上实时控制系统的通信软件。

软件开发工具基本采用符合国际IEC61131-3的编程组态化软件，通过组态化软件可以根据控制流程开发核心控制算法，已经开发的主要包括以下软件模块：

· 鼻端工控机软件：向监控软件发送实时数据信息，接收监控软件的操作指令；

· 鼻端快速路由软件：根据监控软件指令，实现主备份切换及GPS功能；

· 鼻端控制单元软件：完成鼻端控制器和各个发电机的互锁机制；

· 关节控制单元软件：接收鼻端工控机的指令，执行要求的程序。

4 风光互补发电控制

针对大型风力发电的特点，我们在系统设计时采用PXI5000系列工控机作为控制平台，着重关注控制技术的运用，针对风力发电特点进行系统级设计，为风力及风光互补发电控制提供了切实可行的解决方案。

采用PXI5000系列工控机能够保证长时间正常运作，尤其考虑到系统的安全性，包括人身安全，同时在技术上具有以下特点：

· 充分利用成熟的PXI模板设计技术和丰富的PC资源；

· 采用标准PXI总线产品，突破总线带宽的瓶颈；

· 系统具有良好的EMC特性和环境适应性；

· 软件标准化，并且容易编程和操作。

风力发电的测量参数很多，PXI5000主要测量如下：

· 风轮转速；

· 电机电压、电机电流；

· 发电机温度、电机齿轮箱油位、控制箱温度；

· 大气压力、风向、风速、大气温度、大气湿度；

· 机舱振动；

· 舱内温度。

PXI5000对风力发电的控制参数主要如下：

· 风轮转速报警保护，过速离合控制；

· 对发电机电流录波，并进行过流保护；

· 发电机温度报警保护；

· 电机齿轮箱油位自动控制；

· 控制箱温度控制；

· 偏航控制。

除了采用PXI5000系列工控机，系统还选择适合风电应用的系列软件产品，目前包括：

· 控制算法编程软件KTPROG；

· 图形画面编程软件KTView；

· 控制器嵌入实时、多任务操作系统RTOS；

· 同其它软件交换数据的接口软件OPC Server；

· 满足风力发电行业工艺的特殊软件包KTTool。

目前在风电中的解决方案的技术特点适合风力发电的工作环境，在实际应用时可以归纳以下特点：

· 通讯能力强：具有RS232/422/485和以太网接口，满足未来智能电网对通讯能力的高要求；

· 抗震性好：板卡顶端和底部装有导轨，前面板紧固装置将前面板与周围机架安全地固定在一起；

· 板卡垂直安装，与母板间采用针孔连接器连接，具有很强的抗冲击、抗振动、利于散热的能力；

· 标准6U铝机箱，EMC、ESD性能好，抗干扰能力强。

光伏发电作为小型风力发电的补充能源，通过对逆变电源的监测和控制可以实现风光互补、并网控制，我们专门设计了工控机用作MPPT控制和逆变器并网发电控制，最大限度地挖掘太阳能电池板的能力，并安全、有效地输送到电网中。工控机的硬件平台采用PowerPC 8313+FPGA构成主电路，PowerPC 8313处理器负责上行通信、数据采集、保护逻辑处理、SPWM算法计算、PWM最大频率跟踪点算法、液晶驱动控制等，FPGA负责PWM脉冲处理及缓存、数据采集及缓存、I/O扩展等。

5 结束语

绿色能源是国家未来新型的战略能源，也是节能减排的重要手段，如何有效利用绿色能源并网发电、为社会需求提供服务是摆在目前的新课题，发电装备智能化是一种有益的探索。