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1、 項(xiàng)目背景

預(yù)計(jì)“十四五”風(fēng)電新增規(guī)模在2.3億千瓦左右，年均裝機(jī)容量將達(dá)到4500萬千瓦以上，風(fēng)電對(duì)我國電力能源安全的重要性日益凸顯。PLC及主控系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心控制器件和電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)單元，對(duì)電力系統(tǒng)安全以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全、高效運(yùn)行至關(guān)重要。

當(dāng)前風(fēng)電用PLC（可編程邏輯控制器）仍依賴進(jìn)口，主要包括德國Beckhoff的CX系列、奧地利Bachmann的MC系列、德國Siemens S7-1500系列等，底層CPU芯片均系進(jìn)口，關(guān)鍵核心器件嚴(yán)重受制于人，對(duì)風(fēng)電行業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展和國家重要電力基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。研制風(fēng)電領(lǐng)域自主可控工控核心產(chǎn)品，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，解決關(guān)鍵技術(shù)卡脖子問題，是貫徹新發(fā)展理念，落實(shí)國家雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵舉措。

中國電子集團(tuán)與中國華能集團(tuán)積極開展關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施能源領(lǐng)域的國產(chǎn)化工業(yè)控制系統(tǒng)改造，中電智能科技有限公司和北京華能新銳控制技術(shù)有限公司聯(lián)合開展國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)研制。該系統(tǒng)采用國產(chǎn)信創(chuàng)產(chǎn)品，以飛騰芯片、國產(chǎn)PLC、邏輯組態(tài)軟件SC-Prosys、監(jiān)控組態(tài)軟件SC-Proview為基礎(chǔ)，充分利用華能集團(tuán)風(fēng)電領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，自主開發(fā)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)和控制策略，全面開展推廣應(yīng)用和產(chǎn)品迭代。項(xiàng)目分別在吉林同發(fā)華能風(fēng)電場(chǎng)和山東東營華能河口風(fēng)電場(chǎng)選擇50臺(tái)主流機(jī)型進(jìn)行國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造及示范應(yīng)用(共計(jì)100臺(tái)套)，充分在不同地域、不同氣候環(huán)境進(jìn)行國產(chǎn)自主可控風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的推廣驗(yàn)證。

2、 項(xiàng)目目標(biāo)與原則

項(xiàng)目設(shè)計(jì)本著從實(shí)際出發(fā)，以充分實(shí)現(xiàn)自主可控、安全可信為原則，以解決風(fēng)力發(fā)電企業(yè)實(shí)際困難為目標(biāo)，以提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行小時(shí)數(shù)、降低故障率、提高發(fā)電量為考核指標(biāo)，完成華能集團(tuán)兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)合計(jì)100臺(tái)套的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造項(xiàng)目，解決因進(jìn)口PLC停產(chǎn)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障率高等長期困擾風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的難題。同時(shí)也是全國首個(gè)基于安全先進(jìn)綠色計(jì)算體系，完全國產(chǎn)、自主、可控的國產(chǎn)風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的批量示范應(yīng)用。

3、 項(xiàng)目實(shí)施與應(yīng)用情況

3.1 項(xiàng)目規(guī)劃

項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)風(fēng)電領(lǐng)域的國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的批量化應(yīng)用，替代原進(jìn)口產(chǎn)品，解決長期困擾風(fēng)力發(fā)電企業(yè)無備品備件可用、風(fēng)機(jī)故障率高的難題，充分驗(yàn)證國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。打破長期依賴國外廠家在該領(lǐng)域的壟斷地位，實(shí)現(xiàn)國家關(guān)鍵基礎(chǔ)電力設(shè)施安全、自主、可控，為面向全國的推廣和普及起到帶頭示范作用。

3.2 實(shí)施和應(yīng)用詳細(xì)情況

該項(xiàng)目選擇在吉林同發(fā)和山東東營兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行共計(jì)100臺(tái)套的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)改造，同發(fā)風(fēng)場(chǎng)50臺(tái)，東營風(fēng)場(chǎng)50臺(tái)。機(jī)組為SL1500風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，原主控系統(tǒng)采用ABB風(fēng)電PLC產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)多年導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電企業(yè)備品備件緊張、價(jià)格昂貴且故障率較高。此次替換改造主要以實(shí)現(xiàn)全面替代原進(jìn)口PLC為目標(biāo)，同時(shí)優(yōu)化風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)控制策略和控制機(jī)制，降低風(fēng)機(jī)故障率、提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行小時(shí)數(shù)、提高發(fā)電量。

圖1 國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.3 項(xiàng)目創(chuàng)新性

（1）研制了核心芯片全國產(chǎn)的高性能PLC，并首次實(shí)現(xiàn)百臺(tái)套規(guī)模化應(yīng)用。提出了基于國產(chǎn)高性能四核處理器的多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法和基于流固耦合傳熱模型的高效散熱方法，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)PLC模塊在資源受限下的性能最優(yōu)，位、字節(jié)、整型、浮點(diǎn)型指令處理速度分別達(dá)到2ns、2ns、2ns、7ns，系統(tǒng)最小任務(wù)周期可達(dá)1ms。利用PCIE高速總線進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展千兆高速以太網(wǎng)、高速存儲(chǔ)等接口，總線輪詢周期最小可達(dá)到200μs，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率達(dá)到120Mbps，基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)和QT框架開發(fā)了可跨平臺(tái)的程序編譯軟件，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電PLC系統(tǒng)核心芯片、嵌入式操作系統(tǒng)和程序編譯軟件等全國產(chǎn)化，首次實(shí)現(xiàn)多機(jī)型、多場(chǎng)景規(guī)模化應(yīng)用。

（2）首次提出風(fēng)電自主可控PLC的代碼安全及網(wǎng)絡(luò)安全方法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電自主可控產(chǎn)品的內(nèi)外安全。提出了一種具有異常保護(hù)及診斷的工業(yè)代碼生成技術(shù)，通過加密校驗(yàn)、身份確認(rèn)等安全保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電控制系統(tǒng)從邏輯組態(tài)到控制邏輯編譯下載、啟動(dòng)、運(yùn)行等全過程的內(nèi)置安全；發(fā)明了一種基于規(guī)則描述語言的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)配置過濾規(guī)則的方法，對(duì)通信數(shù)據(jù)包深度解析,通過配置白名單規(guī)則，對(duì)不滿足規(guī)則的數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)側(cè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)。

（3）首次實(shí)現(xiàn)了基于自主可控PLC和操作系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)-機(jī)協(xié)同的載荷優(yōu)化控制策略。在國產(chǎn)PLC系統(tǒng)和編譯規(guī)則基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)了風(fēng)電機(jī)組控制底層函數(shù)庫及運(yùn)行控制策略，提出了基于不同尾流效應(yīng)提出多影響因素的機(jī)組載荷優(yōu)化方法，通過多目標(biāo)協(xié)同降低了尾流、陣風(fēng)、葉輪不平衡度等工況對(duì)機(jī)組載荷的影響，分量載荷最大降低8.33%。設(shè)計(jì)了基于場(chǎng)站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的風(fēng)電偏航偏差辨識(shí)及糾偏方法，年發(fā)電量提升1.49% 。

2022年8月，項(xiàng)目通過了以院士為組長的技術(shù)鑒定，整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖2 科技成果鑒定證書

3.4 項(xiàng)目重點(diǎn)

項(xiàng)目采用國產(chǎn)PLC實(shí)現(xiàn)100套SL1500風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)國外品牌PLC替代，在吉林、山東不同區(qū)域，充分驗(yàn)證國產(chǎn)自主可控PLC在風(fēng)電領(lǐng)域批量應(yīng)用的可行性。解決長期困擾風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的備品備件難題，解決該領(lǐng)域的卡脖子難題，實(shí)現(xiàn)從底層芯片硬件到頂層應(yīng)用軟件、從設(shè)計(jì)開發(fā)到實(shí)施運(yùn)行，全流程的國產(chǎn)自主可控。

項(xiàng)目底層核心CPU采用國產(chǎn)飛騰4核高性能芯片，PLC-采用國產(chǎn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持4GB內(nèi)存，支持32GB外部存儲(chǔ)，支持快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用北京華能新銳控制技術(shù)有限公司自主研發(fā)的風(fēng)場(chǎng)SCADA系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)采用國產(chǎn)長城主機(jī)，保障數(shù)據(jù)的安全性、保密性。

3.5 項(xiàng)目中難點(diǎn)問題及解決思路

3.5.1 難點(diǎn)問題

（1）風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)量大，在此之前還沒有在風(fēng)電領(lǐng)域批量采用全國產(chǎn)技術(shù)的先例，該項(xiàng)目為全國首例；

（2）全流程國產(chǎn)解決方案，從底層芯片到上層應(yīng)用，從設(shè)計(jì)開發(fā)到實(shí)施應(yīng)用全部采用國產(chǎn)解決方案。尤其是國產(chǎn)操作系統(tǒng)和設(shè)計(jì)開發(fā)軟件的應(yīng)用，給風(fēng)機(jī)主控程序的設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來非常多的限制和困難，有些以前常用的設(shè)計(jì)方法、程序算法、調(diào)試手段，在國產(chǎn)生態(tài)環(huán)境中無法使用。

（3） 工期緊，項(xiàng)目施工期間不能影響風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的照常生產(chǎn)運(yùn)行。PLC是整個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的指揮中心，風(fēng)機(jī)替換PLC相當(dāng)于進(jìn)行大腦手術(shù)。既要完成PLC替換任務(wù)，又不能影響風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行，難度非常大。

（4） 機(jī)型多種多樣，雖然風(fēng)機(jī)的型號(hào)都是SL1500，但這100臺(tái)風(fēng)機(jī)并不完全相同，有的風(fēng)速風(fēng)向儀型號(hào)不同、有的變槳系統(tǒng)不同、有的偏航系統(tǒng)不同，僅風(fēng)速風(fēng)向儀就有3種型號(hào)。風(fēng)機(jī)主要設(shè)備的不統(tǒng)一，為批量應(yīng)用增加了不少難度。

（5） 國產(chǎn)芯片在風(fēng)電領(lǐng)域“水土不服”，風(fēng)機(jī)上空間狹小、電磁環(huán)境復(fù)雜，部分國產(chǎn)芯片尤其是通訊類芯片無法正常工作。

（6）風(fēng)機(jī)震動(dòng)導(dǎo)致模塊現(xiàn)場(chǎng)總線不穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)發(fā)電時(shí)、偏航時(shí)機(jī)艙震動(dòng)比普通設(shè)備大的多，導(dǎo)致模塊現(xiàn)場(chǎng)總線出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

3.5.2 解決思路

（1）對(duì)風(fēng)機(jī)情況進(jìn)行摸排，為搞清楚項(xiàng)目風(fēng)機(jī)的具體情況提前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了多次摸排確認(rèn)，對(duì)風(fēng)機(jī)類型進(jìn)行細(xì)分。發(fā)現(xiàn)除了風(fēng)機(jī)設(shè)備的不同之外，由于風(fēng)機(jī)多年的運(yùn)行老化，每臺(tái)風(fēng)機(jī)都存在不同程度的差異。在風(fēng)機(jī)根據(jù)主要設(shè)備進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，一機(jī)一策，制定處理預(yù)案提前準(zhǔn)備相關(guān)物料。

（2） 開發(fā)設(shè)計(jì)人員解放思想，群策群力。全國產(chǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境在實(shí)際應(yīng)用中還存在著非常多的不足，有很多經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的控制策略、調(diào)試手段無法實(shí)現(xiàn)，只能拋棄以往經(jīng)驗(yàn)從頭開始。根據(jù)國產(chǎn)生態(tài)環(huán)境的特性另辟蹊徑，組織專家會(huì)議，風(fēng)機(jī)主控開發(fā)人員和SC-Prosys開發(fā)人員聯(lián)合研究項(xiàng)目難題解決方案，滿足項(xiàng)目實(shí)施需要。

（3） 協(xié)調(diào)芯片、通訊總線等底層開發(fā)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析解決。實(shí)驗(yàn)室就是前線，前線就是實(shí)驗(yàn)室。充分發(fā)揮央企聯(lián)合體強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手優(yōu)勢(shì)，組織協(xié)調(diào)從芯片開發(fā)、鏈路設(shè)計(jì)到應(yīng)用設(shè)計(jì)全流程專家，實(shí)驗(yàn)室和前線一體化，聯(lián)合作戰(zhàn)攻克關(guān)鍵難點(diǎn)。

（4）緊抓施工窗口期。為了既能完成PLC替換任務(wù)，又能保證不影響風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行，項(xiàng)目組根據(jù)天氣情況選擇在無風(fēng)天或小風(fēng)天進(jìn)行改造作業(yè)。天氣瞬息萬變，施工窗口期非常難得也非常難把控，項(xiàng)目組為適應(yīng)天氣的變化提前做好充足的物料和人員準(zhǔn)備，實(shí)施改造作業(yè)前把不影響風(fēng)機(jī)發(fā)電的工作先做完，窗口期到來時(shí)就全力進(jìn)行改造作業(yè)。

4、 效益分析

社會(huì)效益：

·  首次100套風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行國產(chǎn)主控系統(tǒng)應(yīng)用，為國產(chǎn)PLC在風(fēng)電領(lǐng)域的批量化應(yīng)用積攢了豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，起到良好的示范效果。

·  完成了風(fēng)電領(lǐng)域從底層芯片到上層應(yīng)用以及設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境的全流程國產(chǎn)應(yīng)用。充分發(fā)揮了央企強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了央企的國家使命，打破國外品牌的壟斷。

·  首次實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域工業(yè)控制系統(tǒng)全范圍國產(chǎn)自主安全化。

經(jīng)濟(jì)效益：

成功解決困擾風(fēng)力發(fā)電企業(yè)已久的國外PLC停產(chǎn)難題，降低風(fēng)機(jī)故障率25%，提升發(fā)電量2.3%。

我國風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量突破3億千瓦，較2016年底實(shí)現(xiàn)翻番，是2020年底歐盟風(fēng)電總裝機(jī)的1.4倍、美國的2.6倍，已連續(xù)12年穩(wěn)居全球第一。本次項(xiàng)目的順利完成并取得顯著的效果，代表風(fēng)電領(lǐng)域國產(chǎn)PLC應(yīng)用取得成功，全國推廣后存量市場(chǎng)預(yù)計(jì)可創(chuàng)造100億的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，風(fēng)機(jī)新增裝機(jī)每年預(yù)計(jì)可創(chuàng)造10億的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

吉林同發(fā)50臺(tái)實(shí)施完成

風(fēng)力發(fā)電在能源系統(tǒng)中占有非常重要的地位，是非常好的清潔可再生能源，能源基礎(chǔ)設(shè)施自主、安全、可控，對(duì)國家安全具有非常重要的意義。該項(xiàng)目是全國首個(gè)基于安全先進(jìn)綠色計(jì)算體系，完全國產(chǎn)、自主、可控的國產(chǎn)風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)的批量示范應(yīng)用，充分驗(yàn)證國產(chǎn)風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)方案的穩(wěn)定性和可推廣性，為該系統(tǒng)更大更全面的普及和推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)，在不同區(qū)域、不同氣候環(huán)境對(duì)風(fēng)電控制系統(tǒng)進(jìn)行國產(chǎn)PLC批量應(yīng)用具有非常重要的示范意義和科學(xué)價(jià)值。該項(xiàng)目案例材料真實(shí)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、內(nèi)容詳盡、完整，具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。