贝加莱风电全方案

贝加莱工业自动化贸易（上海有限公司）风电行业销售经理 刘斌

贝加莱风电全方案

贝加莱工业自动化贸易（上海有限公司）风电行业销售经理 刘斌

风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。近年，风力发电仍然保持着强劲的增长势头，Vestas、Gemsa、GE以及国内的金风科技等厂商，其订单交付已经到几年后。

国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，造成企业陷入激烈的价格竞争；另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使制造商在未来激烈竞争中占得先机。

然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软、硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计。

1 贝加莱风电方案

1.1 丰富的能源行业经验

贝加莱在能源行业拥有丰富的经验，在不同领域与多家知名公司都保持很好的合作伙伴关系。如与ALSTOM燃气电厂（单循环电厂、复合循环电厂），蒸汽涡轮机，水利发电厂，自动电压调节器，碳捕获和存储 (CCS)，地热发电厂，与CONVERTEAM水电（调速异步发电机，励磁单元变流器以及抽水蓄能启动变频器），风电及太阳能发电的变流器，船舶推进的变流器，与国家电网合作的电网监控站，与ANDRITZ水电全程方案，GE Janbacher的热电联产机组，沼气，天然气等燃气发动机与鲁能集团合作的国内第一个生物发电厂等。

丰富的能源行业应用案例使得贝加莱能够迅速及准确地抓获风电行业的需求。

1.2 鲁邦性的控制系统

当今，基于全球对清洁能源的重视，各个国家都在建设风场，风机的安装地点十分广泛，北半球、南半球、陆地、海洋，只要有合适风资源的场所就可安装风机，这对风机中的器件提出了很高的要求，作为风机运行的大脑——控制系统来说，同样不例外：宽温、抗震、防腐蚀、电磁兼容性好等几方面成为了最基本的要求。

贝加莱在风机主控系统中采用的X20系统，在产品设计之初就考虑了这些需求，除了通过标准的CE、C-UL-US、GOST-R等认证外，贝加莱的产品在德国TÜV实验室做了HALT（高加速寿命）测试，测试结果表明，X20系统的操作极限温度可达到: -70℃～100℃，振动极限可达到55g(RMS)。针对海上风机X20系统也通过了德国船级社认证（German Lloyd），适用于海上环境，同时X20系统的MTBF时间可达到50万个小时，所有硬件都经过严格的温度湿度，振动冲击，EMC及耐久性测试，100%聚焦光学检测, 100%电路测试，100%功能测试，这些指标从硬件方面都已完全满足了现场提出的高标准要求，X20系统在各行各业的实际应用情况也都证明了这一点。

与此同时，X20系统也可通过其灵活的扩展性降低客户成本，总线系统上的硬件实时时钟，1微秒精确定时的智能 I/Os，完整的远程访问，WEB调试，维护及诊断功能提高客户的效率，可大大降低维护成本，全面的兼容性及开放性（标准的软件接口，完全支持所有的总线）保证投资安全。

1.3 创新的解决方案

稳健可靠的硬件（主控、先进的安全系统、状态检测、电网检测、变桨系统）以及架构开放的行业定制的软件(主控、变桨扭矩控制算法、组态包)共同构建成贝加莱风电创新的解决方案。

包括典型拓扑结构和适用于海上风机的CPU总线及电源冗余拓扑结构。

风机典型拓扑结构，如图1所示。

图1 风机典型拓扑结构

紧凑、模块化、可扩展的 CPU 及 I/O，支持所有现场总线,支持各类模块 DI、DO、AI、AO、AT、I/O 连接，光纤，电网监控，应变计……符合 GL 2010，满足安全认证 SIL3/PLe，拥有openSAFETY技术的先进的安全系统，振动传感器模块，风轮过速安全模块等共同组成了贝加莱风电控制硬件方案。

CPU总线及电源冗余拓扑结构，如图2所示。

图2 CPU总线及电源冗余拓扑结构

贝加莱冗余系统是一套硬件冗余系统，由两个互为热备的PLC以及I/O站组成。冗余PLC与I/O站之间的连线称为I/O总线（或者现场总线），采用具有高可靠性和实时性的Ethernet POWERLINK通讯总线进行连接，传输速率可达100Mbit/s，拓扑结构可支持星形、树形、总线型或者环型，并可根据需要连接成双网冗余或者环网冗余结构。冗余PLC之间采用光纤进行数据同步，传输速度可达1000Mbit/s。

在贝加莱硬件冗余系统中，几乎所有贝加莱产品都可以作为冗余系统的I/O站，这些产品包括X20模块、X20标准型CPU、X67模块、HMI以及Safety产品。不仅如此，由第三方开发的能够支持POWERLINK通讯协议的设备也可作为冗余系统的I/O站使用。

1.4 智能工程

贝加莱All in one的开发软件Automation Studio™保证客户在项目的整个生命周期都只使用一个工具，包括项目开发、代码生成、仿真分析、调试、服务维护及后续改造。客户不仅可以通过Automation Studio进行编程，开闭环控制，安全链实现，人机界面，运动控制，远程诊断及维护，还可以进行项目管理，内嵌的版本控制系统及项目数据（电气图纸、说明文档等）管理，可以很好地管理程序及方便工程师接手。此外，灵活的编程方式也可满足不同客户的需求，支持IEC61131-3、ANSI C 和 C++各语言无缝集成和融合，并可通过第三方接口如Matlab/Simulink建模后自动生成系统可执行的C语言代码。开发平台默认带有的闭环控制、滤波、数据记录等标准库，模块化设计亦大大缩短了客户端的开发周期及代码复用率。开放标准的通讯平台（用户层完整的UDP/IP 和 TCP/IP、OPC、OPC-UA 服务器、SQL 数据库连接客户端、WEB-服务器，用于交互存储数据的FTP 服务器，连接到Windows 驱动CIFS 客户端、VNC-技术）及系统默认的远程维护功能（SDM）提供客户兼容性及便利。

1.5 专家知识

风能利用是一个系统工程，涉及到了气象学、流体力学、固体力学、电力电子、机械工程、材料工程等多种学科和专业，贝加莱在2007年进入风电领域之初，就和ISET建立起了合作关系，通过ISET的支持，贝加莱可以很快地对某一风机建立起真实、准确的仿真模型，并且通过MATLAB/Simulink接口，直接导入Automation Studio，在开发阶段就可完成大部分的参数诊定、程序测试等工作，并且通过这个模型可以自动生成变桨、扭矩控制算法。这将大大减少工程设计人员的编程调试时间，降低现场调试费用。

1.6 软件平台

风机主控软件包是由贝加莱公司资深算法工程师、软件工程师组成的研发小组，历时2年所完成的一套软件包，目前已有部分国内外客户在使用该软件包，获得了较好的使用反馈，以下几点是该软件包的设计理念：

（1）基于标准化IEC61131-3语言开发：结构文本（Structured text）。

（2）软件结构由一些小部分组成并接口清晰（模块化结构）:

· 便于添加/修改/移除单个部分；

· 便于维护；

· 便于测试；

· 测试过部分代码的复用；

· 适用与多种机型（双馈、直驱）。

（3）软件修改和下载无需重启。

（4）集成完整的 I/O 诊断——可以运行时维护。

（5）高度参数化——参数修改不会引起跳变 。

在深入分析了风机模型的基础上，我们将风机主控软件按对象划分为以下几个程序包：

· Brake 机械刹车操作（双馈机组）

· Cabinet 电控柜相关硬件: 灯, 按钮, 电控柜风扇…

· Communication 与组态终段，风场的通讯

· Cooling 齿轮箱，发电机等冷却水和风扇控制…

· DataLogger 生成并存储长期数据

· Environment 振动, 机舱和塔底温度…

· Gearbox 温度检测, 耐久度…

· Grid 箱变和电网 (电压, 电流, 频率…)

· Hydraulic 处理液压系统

· Lubrication 主轴承，齿轮箱，偏航等轮滑

· Pitch 变桨系统操作

· Power 变换器及发电机操作

· Rotor 风轮速度检测

· System 主流程，手动控制，变桨/扭矩控制器

偏航控制器

· Ups UPS 管理

· Weather 风速风向，室外温度 …

· Yaw 偏航操作

一个风机主控系统项目的开发会由多人参与，为了更便于团队化编程以及项目的调试和维护，我们将每个程序包又分解为相同框架结构的几个部分，利用这样的模块化结构，再加上贝加莱产品的定性分时多任务系统以及集成AS开发平台，可以快速的完成一套风机系统的主控软件设计与开发工作，这一方案的优势在国内外几个合作项目中都得到了很好的体现。

1.7 组态程序包

主要实现以下几类功能

（1）风机整机和各部件的实时数据信息：状态信息 、温度信息、转速信息、电气信息、环境信息；

（2）风机各项统计数据信息：10分钟平均数据、事件数据、分析数据；

（3）风机控制：停机、开机、复位、维护 、参数设定；有功功率调节；无功功率调节。

基于web技术的开放式单机SCADA系统，除了主控柜上的HMI可以显示和操作此界面外，任何一台可以连接到主控PLC的计算机通过IE即可调用出此界面，实现瘦客户端的SCADA系统，通过最新的IT技术实现了远程维护和管理功能，其主界面如图3所示。

图3 主界面图

1.8 CMS系统（可选）

X20系统中还将有一系列是专门针对状态检测模块，特殊的振动模块及智能的模块数据处理，用户可用于检测机舱，轴及齿轮箱的振动，方便客户进行更有效的预期维护，减少维护成本。灵活开放的接口可连接任何第三方震动分析软件进行数据详细解析。

1.9 安全系统（可选）

风机的安全链设计中可通过安全继电器回路或者集成式的安全模块两种方式来实现，两种模式均各有特点，但集成式的安全系统无疑是未来的趋势。

B&R safety技术是目前运行最高效率的安全系统，并且有完整的产品线如Safetylogic 、Safety I/O、Safety Motion、Powerlink Safety，满足SIL 3级别的设计，安全逻辑的扫描周期为1ms，是目前刷新最快的Safety Logic产品，B&R SafetyLogic是基于POWERLINK实时通信技术而设计的，通过将系统中关键的逻辑如强风、恶劣天气，机组的状态变化如叶轮过速、扭缆、电源失效、制动和操作人员的紧急按钮动作等通过黄色的X20 Safety I/O输入到系统中，而Safetylogic控制器作为一个POWERLINKControlled Node来运行，只有在Safety逻辑对应的I/O动作时才引发一个安全逻辑的执行过程（这些过程依据引发安全的源设计而不同），Safetylogic是独立于标准控制单元的。

贝加莱的方案可采用集成的安全系统，所有安全模块可安装在系统的任何一处。同时B&R Automation Studio工具包支持PLCopen的Safety库应用，支持20种开放的PLCopenSafety功能块，对于风力发电这样牵扯到严格的机组安全的应用而言，它不仅高效、完整并且开放，易于构建安全逻辑。

针对GL 2010保护功能的要求，贝加莱除普通安全输入输出SDI，SDO模块外，还提供一系列经过认证的特殊安全模块，如防止风轮过速的安全技术模块，可直接连接风速风向仪表的安全模拟量模块等一系列安全模块，此外还具备安全功率测量，安全发电机温度检测，安全扭缆检测，安全变桨角度检测等功能。

1.10 远程诊断及维护

（1）远程维护是系统必需的设计

对于风力发电机组而言，远程监控无疑至关重要，因为风力发电机组的安装往往是在海边、山谷风口、沙漠隔壁这样的远离市区的地方，只有这些地方才能提供较大的风力资源。如果一套系统能够提供丰富的远程维护和监控手段，将大大降低风机的调试及维护成本，而贝加莱的方案在这方面为客户提供了多样的选择。

（2）多种远程维护方案

远程诊断与维护提供了维护风电场设备和系统的便捷方案，在B&R系统中，实现远程方案灵活并且能够不增加或付出很少的成本即可。

· 基于VNC Server的远程维护

在B&R的HMI和Controller中，VNC Server和Web Server只需配置即可，这是以一个软件功能块形式存在的，无需增加任何成本，并且VNC Server的监控软件是可免费获得的，不仅完全提供现场监控级的权限，也能够提供参数修改和设置的能力。

· Web Server则提供了基于Internet远程访问的能力

通过Windows自带的IE浏览器即可实现对远程主机的数据监控，包括CPU运行、当前I/O参数等。此外基于JAVA的单机scada系统也可通过IE来做访问。

· FTP Server提供了远程的程序传输能力

通过FTP Server程序的修改可以由本地PC完成后经由Internet远程下载到控制器中。

· SNMP则提供了电子邮件发送数据的可能

E-mail可以传送如现场数据、报警信息等到监控端的电子信箱中。

· GSM支持则使得关键数据可以通过手机MMS短信形式在最快的时间里发送到监控工程师的手机上，以便及时对现场问题采取措施。

（3）监控范围

在B&R的系统中，远程维护不仅仅代表在软硬件意义上可以有灵活的实现，而且也包含了：

· 针对各种参数的监控

不仅仅是电流、电压，事实上在风力发电场的每个参数，一个传感器的输入、I/O模块、CPU，甚至软件中的中间变量都可以被远程监控到。

· 面向整场的管理级服务

通过灵活的软件平台，B&R也能为风力发电场提供整场运行的数据分析基础，包括设备维护、根源分析等管理级任务，这个可以由B&R APROL DCS系统来完成，贝加莱不仅提供了整机控制、监控，也提供面向整场的管理级服务。

2 结语

有别于市场的风电控制系统供应商，贝加莱公司推出的风电行业整体解决方案

具有以下显著特点：

（1）自主掌握的风电主控源代码，Know-how（基于欧洲专业的风机模型及主控流程算法） ；

（2）专业的技术团队及本地化服务（包括软件开发、技术支持及后续调试） ；

（3）风电全方案

· 主控；

· 基于Powerlink的变流器方案；

· 变桨算法；

· 状态监测系统；

· 安全系统（满足GL2010）等；

（4）灵活的合作模式，积极的合作态度 ；

（5）极富竞争力的综合成本控制 （硬件、软件、维护、升级、培训等） ；

（6）模块化的软件结构（WTC Package） ；

（7）集成的开发环境（Automation Studio、All in one、safety）；

（8）开放、完整的系统架构，丰富的远程维护手段；

（9）支持冗余方案（CPU冗余、网络冗余），硬件模块已通过GL认证；

（10）其他行业的经验积累。