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★國能智深控制技術(shù)有限公司，北京市電站自動化工程技術(shù)研究中心，國家能源集團工控系統(tǒng)研究中心黃煥袍，商寧

★國家能源集團聯(lián)合動力技術(shù)有限公司申艷杰，朱海濤，董健

★國能思達技術(shù)有限公司吳小鋒，朱蓮

1　背景

“雙碳”背景下構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)進程在加速推進，近些年來風(fēng)電、光伏發(fā)電等持續(xù)快速發(fā)展，我國風(fēng)電裝機容量世界第一，風(fēng)電控制系統(tǒng)國產(chǎn)化替代市場空間巨大。風(fēng)機PLC是風(fēng)電機組運行控制的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，對風(fēng)電機組的安全高效穩(wěn)定運行至關(guān)重要。長期以來，國外品牌幾乎壟斷了風(fēng)電機組控制系統(tǒng)核心產(chǎn)品市場，國內(nèi)各大風(fēng)電整機廠商的風(fēng)電機組PLC控制器設(shè)備均為國外品牌，存在安全和“卡脖子”風(fēng)險，因此開展風(fēng)電機組PLC控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化替代研發(fā)和應(yīng)用，實現(xiàn)風(fēng)電機組PLC控制系統(tǒng)的安全自主可控，對保障能源電力運行安全具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

2　應(yīng)用項目

應(yīng)用風(fēng)電場項目為國能聯(lián)合動力智慧能源（張家口）有限公司康保舊局風(fēng)電場2.0/3.4MW聯(lián)合動力風(fēng)機和國電科技環(huán)保集團有限公司赤峰風(fēng)電公司大于營風(fēng)光電場1.5MW聯(lián)合動力風(fēng)機。

赤峰大于營風(fēng)光電場一期（大于營）項目建設(shè)規(guī)模49.5MW，于2010年4月15日正式開工建設(shè)，安裝國電聯(lián)合動力科技有限公司生產(chǎn)的UP77—1500 IIA+型風(fēng)電機組33臺，2011年6月29日首臺風(fēng)機并網(wǎng)，2011年7月21日風(fēng)機全部并網(wǎng)發(fā)電，2012年8月2日完成240小時試運行試驗。風(fēng)電機組采用三葉片、上風(fēng)向、水平軸、雙饋異步發(fā)電機、變流器并網(wǎng)等技術(shù)，輪轂高度均為65m，風(fēng)輪直徑分別為77.36m，額定功率1500kW，額定風(fēng)速11.1m/s，切入風(fēng)速3m/s，切出風(fēng)速25m/s。國能聯(lián)合動力智慧能源（張家口）有限公司康保風(fēng)電場位于河北省西北部、張家口市康保縣境內(nèi)。風(fēng)電場中心位置距縣政府所在地大板鎮(zhèn)約35km，距離張家口市市政府所在地119km。一期裝機容量為50MW，由25臺聯(lián)合動力產(chǎn)2MW風(fēng)電機組構(gòu)成，于2020年12月31日投產(chǎn)運行。二期裝機容量為50MW，由1臺聯(lián)合動力產(chǎn)3MW風(fēng)電機組和11臺聯(lián)合動力產(chǎn)3.4MW風(fēng)電機組以及2臺聯(lián)合動力產(chǎn)4.8MW風(fēng)電機組構(gòu)成。風(fēng)機出口電壓等級為690V，經(jīng)風(fēng)機箱式變壓器將電壓升至35kV后送入?yún)R流線（舊局1線、舊局2線、舊局3線、舊局4線四條分支線），由35kV匯流線送至35kV母線，經(jīng)1號主變升壓至電壓等級220kV后送入電網(wǎng)。

3　應(yīng)用實施情況

對于新建風(fēng)力發(fā)電機組的應(yīng)用，則按照風(fēng)力發(fā)電機組的運行環(huán)境及控制需求，進行風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)的功能設(shè)計，完成硬件軟件配置、集成、測試和現(xiàn)場應(yīng)用；對于在風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)的國產(chǎn)化替代改造，則按照已有的風(fēng)機控制系統(tǒng)的配置，結(jié)合新研發(fā)的主控系統(tǒng)特點進行柜內(nèi)電氣設(shè)計和硬件集成設(shè)計并完成裝配，其中涉及到的接線的匹配、供電適應(yīng)性及改造、系統(tǒng)的接地特點等按照原風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)的相關(guān)配置進行匹配。

2.0/3.4MW風(fēng)機PLC主控系統(tǒng)全國產(chǎn)替代改造：2022年8月在國能聯(lián)合動力智慧能源（張家口）有限公司康保忠義風(fēng)電場13#和21#風(fēng)電機組（2.0MW）、28#風(fēng)電機組(3.4MW)開展了PLC主控系統(tǒng)全國產(chǎn)化替代改造（替代原巴赫曼控制器），國產(chǎn)化率為100%，自2022年8月9日第一臺2MW機組投入運行，2022年9月28日3.4MW機組投入運行以來，機組運行平穩(wěn)，各項性能指標(biāo)良好，自運行以來的發(fā)電量與改造前按照運行風(fēng)況折算后相當(dāng)。

PLC控制器是國能智深公司自主研發(fā)的針對風(fēng)機應(yīng)用環(huán)境設(shè)計開發(fā)的一款全國產(chǎn)化控制器P2-CU31，采用4×1.2GHz全國產(chǎn)ARM處理器，嵌入式操作系統(tǒng)采用裁剪優(yōu)化的實時Linux操作系統(tǒng)，具有運算速度快、功耗低等優(yōu)點，控制器性能得到了顯著提升與優(yōu)化。主控系統(tǒng)I/O卡件也進行了全國產(chǎn)卡件替換：DI卡7塊、DO卡4塊、AI卡2塊、RTD卡4塊、SSI卡1塊、RCS卡1塊，CAN卡1塊。主控系統(tǒng)與變槳、變流系統(tǒng)及電能質(zhì)量模塊通訊方式為CANOpen通訊模式，與中控平臺SCADA采用ModBusTCP協(xié)議。

1.5MW風(fēng)電機組全國產(chǎn)PLC主控系統(tǒng)升級改造：2022年12月，國能智深公司完成赤峰大于營風(fēng)場7臺1.5MW機組全國產(chǎn)PLC主控系統(tǒng)升級改造，機組運行平穩(wěn)，自投入運行以來，硬件設(shè)備未發(fā)生故障，未因為主控系統(tǒng)軟硬件問題發(fā)生停機事件，風(fēng)電機組運行效果良好。

升級的全國產(chǎn)I/O卡件包括：DI卡5塊、DO卡4塊、AI卡2塊、RTD卡4塊、SSI卡1塊、BFC卡2塊。主控系統(tǒng)與變槳、變流系統(tǒng)及電能質(zhì)量模塊通訊方式為CANOpen和PROFIBUS-Dp通訊，與中控平臺SCADA采用ModBusTCP協(xié)議。

4　技術(shù)難點和創(chuàng)新點

風(fēng)電機組控制系統(tǒng)核心產(chǎn)品與核心技術(shù)主要是PLC控制器設(shè)備、智能化控制技術(shù)及控制程序相關(guān)設(shè)計及應(yīng)用調(diào)試等。風(fēng)電機組控制系統(tǒng)PLC設(shè)備，因其應(yīng)用環(huán)境條件惡劣、地域差異性大以及特殊功能需求等因素，至今國內(nèi)各大風(fēng)電整機廠商的風(fēng)電機組批量應(yīng)用的PLC控制器設(shè)備均為國外品牌，主要有巴合曼、倍福、Mita、貝加萊、西門子、丹控（福氏）等，其中巴合曼、倍福兩大國外PLC廠商幾乎壟斷了國內(nèi)整個風(fēng)電PLC控制設(shè)備市場。隨著風(fēng)電機組運行環(huán)境從陸上到海上復(fù)雜多樣，整機設(shè)計趨向大型化，相應(yīng)地，風(fēng)電機組需要更先進及智能化的控制技術(shù)和軟件程序。國外風(fēng)電行業(yè)發(fā)展較早，在風(fēng)電機組控制技術(shù)上較為領(lǐng)先，一些先進的控制技術(shù)和控制程序架構(gòu)國外已經(jīng)進行了商業(yè)化應(yīng)用。

整體上看，風(fēng)電機組PLC控制系統(tǒng)軟硬件及控制技術(shù)國產(chǎn)化主要有以下技術(shù)難點：

（1）國產(chǎn)芯片需要達到工業(yè)級要求，與進口芯片相比，在散熱性和功能性能上還有差距。

（2）專用芯片具有集成功能少、抗干擾能力弱、線性度不足等問題。

（3）調(diào)試風(fēng)機需要專用的毫秒級錄播工具和事故追憶軟件來協(xié)助調(diào)試人員調(diào)試風(fēng)機設(shè)備的參數(shù)和排查故障。

（4）調(diào)試工具軟件少。

針對上述難點，經(jīng)項目團隊攻關(guān)，在控制器散熱、I/O模件濾波算法和CPU低負(fù)荷高速計算、PLC軟件國產(chǎn)化等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破。

國能智深全國產(chǎn)風(fēng)機PLC主控系統(tǒng)具有以下主要創(chuàng)新特點：

（1）設(shè)計了基于主從分級控制、數(shù)據(jù)同步、端口重映射技術(shù)等核心計算的控制器系統(tǒng)架構(gòu)，自主化深度適配openwrt嵌入式liunx操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制器至簡、穩(wěn)定、高效運行。通過采用服務(wù)組件最小化技術(shù)，建立用戶進程和內(nèi)核線程協(xié)調(diào)調(diào)度機制，降低了國產(chǎn)CPU負(fù)荷。系統(tǒng)內(nèi)核添加Preempt-rt實時補丁滿足硬實時要求。針對復(fù)雜計算、多任務(wù)、高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷場景，通過優(yōu)化加解鎖技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)包的頂半部/底半部處理機制，降低以太網(wǎng)通訊延時。解決了高負(fù)荷以及負(fù)荷波動超標(biāo)問題，大幅提高系統(tǒng)性能。

（2）自屏蔽濾波算法，通過與典型的脈沖噪聲進行對比，算法加減削波權(quán)重，解決低頻擾動和高速電子脈沖對信號的影響，尤其對差共模干擾和高頻脈沖群干擾效果明顯。使用芯片大數(shù)據(jù)溫控篩選技術(shù)和溫度智能補償技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)進行溫度階段性的線性補償，解決控制系統(tǒng)模擬量輸入和輸出信號在極限高低溫狀態(tài)下漂移較大的問題，從而使控制系統(tǒng)在-40°C到70°C時能夠可靠運行，解決了風(fēng)機晝夜溫差大引起的芯片無法穩(wěn)定運行問題。

（3）利用大氣對流原理，控制器和卡件與機箱采用一體化空氣動力場設(shè)計，產(chǎn)生了熱對流效應(yīng)，配合電路板的低功耗設(shè)計達到了無風(fēng)扇散熱運行。基于彈簧端子和古代卯榫技術(shù)中的懸山梢檁、小式箍頭枋卯榫結(jié)構(gòu)設(shè)計，使卡扣和刻槽之間形成90°的縱向固定力實現(xiàn)自動鎖定，達到周期振動3g，沖擊30g，國際領(lǐng)先水平，解決風(fēng)電機組運行時振動大、部件松動等行業(yè)難題。

（4）開發(fā)了基于代碼自識別、自替換及可視化調(diào)試技術(shù)，實現(xiàn)了不同廠家、不同型號風(fēng)機主控程序中的C語言代碼的轉(zhuǎn)換、集成化編譯、下載和調(diào)試等功能，解決了基于C語言編寫的風(fēng)機主控代碼優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品，技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。開發(fā)了毫秒級的數(shù)據(jù)波形文件同步技術(shù)，可以實現(xiàn)10毫秒的高速數(shù)據(jù)緩沖，同時滿足30秒前的數(shù)據(jù)追憶需求，解決了風(fēng)機非正常停機發(fā)生后，無法根據(jù)風(fēng)機關(guān)鍵參數(shù)記錄排查故障的問題。

自主研發(fā)的全國產(chǎn)風(fēng)機控制系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點：

（1）軟硬件自主研發(fā)，100%國產(chǎn)化；

（2）橫向排列背板插槽式，模塊化、無風(fēng)扇設(shè)計；

（3）具有全面通信和網(wǎng)絡(luò)功能，簡便實現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)；

（4）多重冗余，雙機，雙底座，雙總線、雙網(wǎng)，雙電源；

（5）寬溫設(shè)計工作溫度：-40°C～+70°C；

（6）高防設(shè)計：電磁兼容滿足EMC IIIA，防潮濕、防煙霧、防霉菌；

（7）完全基于IEC 61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)進行開發(fā)的軟件平臺，支持5種國際標(biāo)準(zhǔn)編程語言和C語言；

（8）圖形化編程和調(diào)試工具，工程組態(tài)和編程更加簡便、快捷；

（9）支持在線編程、下載、調(diào)試和維護；

（10）站管理方便（支持多站和多庫、樹型管理），任務(wù)配置靈活（多任務(wù)類型，優(yōu)先級調(diào)度）；

（11）豐富的運算控制功能（集成上百種算法塊）；

（12）信息安全和日志功能（工程加密、算法加密）；

（13）智能的輔助功能（智能識別輸入助手支持交叉引用列表）；

（14）完善的仿真功能，實時的在線監(jiān)測功能（1ms數(shù)據(jù)采集）；

（15）支持多種通訊協(xié)議。

5　應(yīng)用效果

自主研發(fā)的全國產(chǎn)風(fēng)機PLC控制系統(tǒng)在國能聯(lián)合動力智慧能源（張家口）有限公司康保舊局風(fēng)電場13#和21#風(fēng)力發(fā)電機組（2.0MW）以及28#風(fēng)力發(fā)電機組（3MW）代替原巴赫曼控制器獲得成功應(yīng)用，自2022年8月9日第一臺2MW機組投入運行和2022年9月28日3.4MW機組投入運行以來，機組運行平穩(wěn)，各項性能指標(biāo)良好，自運行以來的發(fā)電量與改造前按照運行風(fēng)況折算后相當(dāng)。實施全國產(chǎn)PLC主控系統(tǒng)替代改造后2.0MW和3.40MW風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線如圖1、圖2所示。

圖1 2MW風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線

圖2 3.4MW風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線

自主研發(fā)的全國產(chǎn)風(fēng)機PLC控制系統(tǒng)在國電科技環(huán)保集團股份有限公司赤峰風(fēng)電公司風(fēng)光電場7臺1.5MW機組替代原倍福PLC成功實現(xiàn)應(yīng)用，自投入運行以來，機組運行平穩(wěn)，硬件設(shè)備未發(fā)生故障，未因為主控系統(tǒng)軟硬件問題發(fā)生停機事件，風(fēng)力發(fā)電機組運行效果良好，風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線如圖3所示。

圖3 1.5MW風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線

從風(fēng)力發(fā)電機組的運行功率曲線看，優(yōu)于風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計功率曲線，風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定可靠運行，滿足風(fēng)力發(fā)電機組的各項性能指標(biāo)。

自主研發(fā)的全國產(chǎn)PLC替代改造過程中，軟件的參數(shù)不需要進行調(diào)整，對機組的機械結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何影響，改造方案簡單，改造成本較低，不但提高了風(fēng)力發(fā)電機組適應(yīng)環(huán)境變化的能力，同時保證了后續(xù)的運維備件供應(yīng)，說明自主研發(fā)的全國產(chǎn)化控制器滿足風(fēng)力發(fā)電機組運行要求，提供了風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)可以復(fù)制推廣的全國產(chǎn)化方案，具有極高的推廣應(yīng)用價值。

項目成果的成功示范應(yīng)用，解決了風(fēng)電領(lǐng)域核心控制系統(tǒng)“卡脖子”問題，實現(xiàn)了風(fēng)電領(lǐng)域工控系統(tǒng)的自主安全可控，提高了我國風(fēng)電行業(yè)安全運行水平。

摘自《自動化博覽》2023年9月刊