1、行業(yè)背景
隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭，人類(lèi)越來(lái)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(lái)越受到世界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)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(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大，分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量就約2.53億千瓦。我國(guó)的風(fēng)電發(fā)展起步較晚，但在國(guó)家政策的激勵(lì)和扶持下也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，到2010年累計(jì)裝機(jī)容量可達(dá)2000萬(wàn)千瓦。
風(fēng)能資源豐富的地區(qū)一般都比較偏遠(yuǎn)，而且環(huán)境惡劣，在風(fēng)電站中，風(fēng)電機(jī)組分布比較分散、監(jiān)控參數(shù)多，這都會(huì)給風(fēng)電系統(tǒng)的控制帶來(lái)不利影響。為充分有效地利用風(fēng)力進(jìn)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(dòng)化控制的核心具有信息完整等優(yōu)點(diǎn)，能提高效率，正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，加快決策，有助于快速診斷系統(tǒng)故障狀態(tài)，對(duì)提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益具有不可替代的作用。
作為國(guó)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(guó)外著名廠(chǎng)商倍福（BeckHoff）的嵌入式PC控制器CX1020，總結(jié)多年來(lái)風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了風(fēng)電專(zhuān)用版監(jiān)控組態(tài)軟件FCWP。
整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以分為三個(gè)層次
1） 就地監(jiān)控部分:布置在每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的控制柜內(nèi)，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的就地控制能夠?qū)Υ伺_(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并對(duì)其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
2） 中央監(jiān)控部分:一般布置在風(fēng)電場(chǎng)控制室內(nèi)。工作人員能夠根據(jù)畫(huà)面的切換隨時(shí)控制和了解風(fēng)電場(chǎng)同一型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和操作。
3） 遠(yuǎn)程監(jiān)控部分:根據(jù)需要布置在不同地點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程控制目前一般通過(guò)光纖或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等通訊方式訪(fǎng)問(wèn)中控室主機(jī)進(jìn)行控制。
德國(guó)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(yùn)行，具有低熱功耗的特點(diǎn)，其 TDP（熱設(shè)計(jì)功率）僅為 7W。雖然設(shè)計(jì)非常緊湊，卻不需要使用風(fēng)扇。因?yàn)樗?CF 卡作為啟動(dòng)和存儲(chǔ)介質(zhì)，所以控制器內(nèi)無(wú)需使用旋轉(zhuǎn)介質(zhì)，增加整個(gè)系統(tǒng)的MTBF（平均無(wú)故障工作時(shí)間）。精心的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)適合在惡劣的氣候環(huán)境下正常運(yùn)行，高速Ether CAT 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)結(jié)合北京三維力控科開(kāi)發(fā)的風(fēng)電專(zhuān)用協(xié)議，使整個(gè)控制系統(tǒng)具有快速控制技術(shù)以及實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等基本特征。
借助于倍福嵌入式PC CX1020的強(qiáng)大功能和風(fēng)電控制專(zhuān)用模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)各參數(shù)的采集與控制：電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機(jī)組狀態(tài)參數(shù)、變槳控制、發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制和管理（機(jī)艙）等。
力控風(fēng)電設(shè)備SCADA監(jiān)控軟件FCWP 具備風(fēng)電行業(yè)專(zhuān)用的設(shè)備負(fù)荷專(zhuān)用曲線(xiàn)及監(jiān)測(cè)組件，適合風(fēng)電場(chǎng)級(jí)監(jiān)控和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維中心的系統(tǒng)集成，采用核心數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、來(lái)實(shí)現(xiàn)全國(guó)相關(guān)各風(fēng)電場(chǎng)的所有風(fēng)電機(jī)組、繼電保護(hù)、風(fēng)速、發(fā)電量、售電量等運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)視和接收匯總，使各級(jí)部門(mén)都能及時(shí)的了解風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)電狀況。
運(yùn)維中心采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件。構(gòu)建統(tǒng)一的海量實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)，整合不同設(shè)備廠(chǎng)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(tái)，實(shí)現(xiàn)以生產(chǎn)管理和安全管理為核心的自動(dòng)報(bào)表功能、生產(chǎn)裝置的監(jiān)控功能、工藝指標(biāo)的考核功能和安全防范、生產(chǎn)監(jiān)督以及計(jì)量功能。建立生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和整理，為專(zhuān)業(yè)管理人員提供龐大的信息數(shù)據(jù)庫(kù)，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(kuò)展，減少投資。運(yùn)維中心采用雙網(wǎng)關(guān)通信，數(shù)據(jù)通道和用戶(hù)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?xún)r(jià)比高，系統(tǒng)軟件應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，可組態(tài)，便于維護(hù)和二次開(kāi)發(fā)，減少投資。
就地監(jiān)控部分有下位數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)德國(guó)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。
主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主體，它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、故障自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)電纜解繞及自動(dòng)記錄與監(jiān)控等重要控制、保護(hù)功能。它對(duì)外的三個(gè)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(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對(duì)葉片的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，與變頻系統(tǒng)(變頻器)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率以及無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
變槳控制系統(tǒng)：與主控系統(tǒng)配合，通過(guò)對(duì)葉片節(jié)距角的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行靈活性。目前來(lái)看，變槳控制系統(tǒng)的葉片驅(qū)動(dòng)有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動(dòng)方式中又有采用交流電機(jī)和直流電機(jī)兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠(chǎng)家多年來(lái)形成的技術(shù)路線(xiàn)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(jī)、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(mǎn)足電網(wǎng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)等重要作用。
1、顯示機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如機(jī)組的瞬時(shí)發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量、發(fā)電小時(shí)數(shù)、風(fēng)輪及電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速、風(fēng)向等，用風(fēng)玫瑰圖、曲線(xiàn)或圖表的形式直觀地顯示出來(lái)。
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(cè)：電網(wǎng)電壓閃變、過(guò)電壓、低電壓、電壓跌落、相序故障、三相不對(duì)稱(chēng)等。
氣象參數(shù)：包括風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等。
機(jī)組狀態(tài)參數(shù)：包括：風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈溫度、發(fā)電機(jī)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(jī)艙振動(dòng)、電纜扭轉(zhuǎn)、機(jī)艙溫度等。
2、顯示風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，如開(kāi)機(jī)、停車(chē)、調(diào)向、手/自動(dòng)控制以及大/小發(fā)電機(jī)工作等情況。
（1）主控系統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)，啟動(dòng)偏航系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)解纜、對(duì)風(fēng)控制，釋放機(jī)組的剎車(chē)盤(pán)，調(diào)節(jié)槳距角度，風(fēng)車(chē)開(kāi)始自由轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
（2）當(dāng)外部氣象系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速大于某一定值時(shí)，主控系統(tǒng)啟動(dòng)變流器系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，待發(fā)電機(jī)定子輸出電能與電網(wǎng)同頻、同相、同幅時(shí)，合閘出口斷路器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
（3）風(fēng)力機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性，當(dāng)機(jī)組處于最佳葉尖速比λ運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)機(jī)組將捕獲得最大的能量，雖理論上機(jī)組轉(zhuǎn)速可在任意轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，但受實(shí)際機(jī)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(gè)運(yùn)行區(qū)域：即變速運(yùn)行區(qū)域、恒速運(yùn)行區(qū)域和恒功率運(yùn)行區(qū)。額定功率內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)包括：變速運(yùn)行區(qū)（最佳的λ）和恒速運(yùn)行區(qū)。
