1、行業(yè)背景

1.1、現(xiàn)狀

     隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭，人類越來越重視可再生能源的利用。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74X109MW，其中可利用風(fēng)能約為2X107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。中國風(fēng)能儲量很大，分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲量就約2.53億千瓦。我國的風(fēng)電發(fā)展起步較晚，但在國家政策的激勵和扶持下也取得了長足的進步，到2010年累計裝機容量可達2000萬千瓦。

1.2、需求分析

風(fēng)能資源豐富的地區(qū)一般都比較偏遠，而且環(huán)境惡劣，在風(fēng)電站中，風(fēng)電機組分布比較分散、監(jiān)控參數(shù)多，這都會給風(fēng)電系統(tǒng)的控制帶來不利影響。為充分有效地利用風(fēng)力進行發(fā)電，監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)作為自動化控制的核心具有信息完整等優(yōu)點，能提高效率，正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)，加快決策，有助于快速診斷系統(tǒng)故障狀態(tài)，對提高風(fēng)電場運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟效益具有不可替代的作用。

作為國產(chǎn)監(jiān)控組態(tài)軟件的領(lǐng)軍者，北京三維力控科技一直關(guān)注風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，結(jié)合國外著名廠商倍福（BeckHoff）的嵌入式PC控制器CX1020，總結(jié)多年來風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，開發(fā)了風(fēng)電專用版監(jiān)控組態(tài)軟件FCWP。

2、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以分為三個層次

1）       就地監(jiān)控部分:布置在每臺風(fēng)力發(fā)電機塔筒的控制柜內(nèi)，每臺風(fēng)力發(fā)電機的就地控制能夠?qū)Υ伺_風(fēng)力發(fā)電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控,并對其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行采集。

2）       中央監(jiān)控部分:一般布置在風(fēng)電場控制室內(nèi)。工作人員能夠根據(jù)畫面的切換隨時控制和了解風(fēng)電場同一型號風(fēng)力發(fā)電機的運行和操作。

3）       遠程監(jiān)控部分:根據(jù)需要布置在不同地點的遠程控制，遠程控制目前一般通過光纖或無線網(wǎng)絡(luò)等通訊方式訪問中控室主機進行控制。

3.德國BeckHoff嵌入式PC  CX1020

德國倍福高性能嵌入式PC CX1020 配備有 1 GHz 的 Intel? Celeron? M CPU，在超低內(nèi)核電壓下運行，具有低熱功耗的特點，其 TDP（熱設(shè)計功率）僅為 7W。雖然設(shè)計非常緊湊，卻不需要使用風(fēng)扇。因為它用 CF 卡作為啟動和存儲介質(zhì)，所以控制器內(nèi)無需使用旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，增加整個系統(tǒng)的MTBF（平均無故障工作時間）。精心的產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)適合在惡劣的氣候環(huán)境下正常運行，高速Ether CAT 現(xiàn)場總線結(jié)合北京三維力控科開發(fā)的風(fēng)電專用協(xié)議，使整個控制系統(tǒng)具有快速控制技術(shù)以及實時風(fēng)場網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等基本特征。

借助于倍福嵌入式PC CX1020的強大功能和風(fēng)電控制專用模塊實現(xiàn)了對風(fēng)機各參數(shù)的采集與控制：電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機組狀態(tài)參數(shù)、變槳控制、發(fā)電機運行控制和管理（機艙）等。

4.力控風(fēng)電設(shè)備SCADA監(jiān)控軟件FCWP

 力控風(fēng)電設(shè)備SCADA監(jiān)控軟件FCWP 具備風(fēng)電行業(yè)專用的設(shè)備負荷專用曲線及監(jiān)測組件，適合風(fēng)電場級監(jiān)控和風(fēng)電場運維中心的系統(tǒng)集成，采用核心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、來實現(xiàn)全國相關(guān)各風(fēng)電場的所有風(fēng)電機組、繼電保護、風(fēng)速、發(fā)電量、售電量等運行情況的遠程監(jiān)視和接收匯總，使各級部門都能及時的了解風(fēng)電機組運行狀態(tài)和發(fā)電狀況。

 運維中心采用實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件。構(gòu)建統(tǒng)一的海量實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺，整合不同設(shè)備廠家的監(jiān)控系統(tǒng)，在管理層建設(shè)統(tǒng)一的管理數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)以生產(chǎn)管理和安全管理為核心的自動報表功能、生產(chǎn)裝置的監(jiān)控功能、工藝指標的考核功能和安全防范、生產(chǎn)監(jiān)督以及計量功能。建立生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)平臺，通過對風(fēng)電場設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和整理，為專業(yè)管理人員提供龐大的信息數(shù)據(jù)庫，便于對數(shù)據(jù)進行分析，形成輔助決策系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用C/S  通信效率高，易擴展，減少投資。運維中心采用雙網(wǎng)關(guān)通信，數(shù)據(jù)通道和用戶上網(wǎng)通道隔離，安全可靠。數(shù)據(jù)傳輸采用VPN方式，安全可靠，性價比高，系統(tǒng)軟件應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，可組態(tài)，便于維護和二次開發(fā)，減少投資。

5.就地監(jiān)控部分

就地監(jiān)控部分有下位數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)德國Beckhoff嵌入式PC  CX1020和上位監(jiān)控組態(tài)軟件力控風(fēng)電設(shè)備SCADA監(jiān)控軟件FCWP組成。

5.1、Beckhoff嵌入式PC CX1020控制實現(xiàn)

    主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風(fēng)機控制系統(tǒng)的主體，它實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)(變頻器)，它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風(fēng)機實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，與變頻系統(tǒng)(變頻器)接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。

變槳控制系統(tǒng)：與主控系統(tǒng)配合，通過對葉片節(jié)距角的控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運行，提高了風(fēng)力發(fā)電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制系統(tǒng)的葉片驅(qū)動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術(shù)路線及傳統(tǒng)。

變頻系統(tǒng)(變頻)器：與主控制系統(tǒng)接口，和發(fā)電機、電網(wǎng)連接，直接承擔(dān)著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標準等重要作用。

5.2、力控風(fēng)電版SCADA就地監(jiān)控功能的實現(xiàn)

1、顯示機組的運行數(shù)據(jù)，如機組的瞬時發(fā)電功率、累計發(fā)電量、發(fā)電小時數(shù)、風(fēng)輪及電機的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)向等，用風(fēng)玫瑰圖、曲線或圖表的形式直觀地顯示出來。

電網(wǎng)參數(shù)：包括電網(wǎng)三相電壓、三相電流、電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)等。電壓故障檢測：電網(wǎng)電壓閃變、過電壓、低電壓、電壓跌落、相序故障、三相不對稱等。

氣象參數(shù)：包括風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等。

機組狀態(tài)參數(shù)：包括：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機線圈溫度、發(fā)電機前后軸承溫度、齒輪箱油溫度、齒輪箱前后軸承溫度、液壓系統(tǒng)油溫、油壓、油位、機艙振動、電纜扭轉(zhuǎn)、機艙溫度等。

2、顯示風(fēng)電機組的運行狀態(tài)，如開機、停車、調(diào)向、手/自動控制以及大/小發(fā)電機工作等情況。

（1）主控系統(tǒng)檢測電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機組運行參數(shù)，當條件滿足時，啟動偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動解纜、對風(fēng)控制，釋放機組的剎車盤，調(diào)節(jié)槳距角度，風(fēng)車開始自由轉(zhuǎn)動，進入待機狀態(tài)。

（2）當外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測的風(fēng)速大于某一定值時，主控系統(tǒng)啟動變流器系統(tǒng)開始進行轉(zhuǎn)子勵磁，待發(fā)電機定子輸出電能與電網(wǎng)同頻、同相、同幅時，合閘出口斷路器實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

（3）風(fēng)力機組功率、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)根據(jù)風(fēng)力機特性，當機組處于最佳葉尖速比λ運行時，風(fēng)機機組將捕獲得最大的能量，雖理論上機組轉(zhuǎn)速可在任意轉(zhuǎn)速下運行，但受實際機組轉(zhuǎn)速限制、系統(tǒng)功率限制，不得不將該階段分為以下幾個運行區(qū)域：即變速運行區(qū)域、恒速運行區(qū)域和恒功率運行區(qū)。額定功率內(nèi)的運行狀態(tài)包括：變速運行區(qū)（最佳的λ）和恒速運行區(qū)。