摘要：大型风电机组主控系统由于其可靠性要求高、软硬件结构复杂，一直是大型风电机组核心零部件国产化过程中的难点。本文以原湘电风能XE-105系列风电机组主控系统国产化升级改造项目为案例，详细阐述了优利泰克国产化PLC在大型风电机组主控系统改造中的技术要点，并总结了改造过程中的亮点和经验。充分的仿真实验室及真实风电场试验表明，优利泰克国产化PLC性能优越，相比同类型国外主流产品更具灵活性和可用性。
关键词：大型风电机组，主控PLC，国产化
01引言
2021年10月，我国印发《2030年前碳达峰行动方案》，将“能源绿色低碳转型行动”放在了方案的首要位置[1]。作为可再生清洁能源的重要组成部分，风能自然成为了践行和实现这一方案的主力军。我国风能资源丰富，对风资源的开发利用特别是风力发电具有得天独厚的条件。根据全球风能理事会(GWEC)的《全球风能报告2022》最新统计数据显示，2021年，我国风电新增装机30.7GW，累计达到了 3.28 亿千瓦，海上风电更是一枝独秀，增量占全球的80%，这也让中国超越英国成为全球海上风电累计装机最多的国家[2]。然而，蓬勃发展的背后，是我们依然不得不面对仍有部分核心技术依靠国外的残酷现实[3]。尤其是在作为风电核心零部件的主控PLC领域，当前国内整机产商基本使用的都是来自德国、美国以及奥地利等国家的成熟产品[4]。结合当前复杂的国际环境，这种现状给风电机组的安全稳定运行带来了极大的安全隐患。因此，为了摆脱风电核心技术遭遇的“卡脖子”现状，致力风电主控PLC国产化迫在眉睫。
然而，此前国产 PLC在大型风电机组上的应用案例欠缺，可以借鉴的工程经验较少。而主控PLC作为大型风电机组的核心部件，又直接关系到机组的运行安全，因此，对于PLC本身软硬件的设计及后期的应用实施都具有非常多的挑战，例如PLC体系结构设计、通信协议的支持、风电机组主控程序的移植以及系统稳定性等。因此，在此背景下，本文结合原湘电风能XE-105机型主控系统国产化改造经验，对风电机组国产化PLC需求、软硬件设计、主控程序移植及性能验收等方面的关键点进行了介绍，探讨了改造过程中存在的问题，并总结了改造过程中的亮点，为其它机组的主控国产化改造提供了可资借鉴的宝贵经验。
02国产化PLC设计方案
2.1.设计需求分析
大型风电机组是一种机电液高度集成的复杂一体化能源装备[5]，涉及种类繁多的传感器、执行机构以及通信协议。此外，机组中各个部件之间复杂度高且相互耦合。因此，对控制器的要求极高，设计的基本需求总结如下：
(1)风电机组控制系统要求
如图 1所示为XE-105机型现有风电机组电气控制器示意图。由图可知，系统主要由三部分组成：塔基主控系统、机舱控制系统和轮毂控制系统。其中塔基主控系统包含CPU模块，是整个系统中最为重要的部分，主要连接对象包括：交换机，触摸屏、变频器、温度、压力等；机舱控制系统承担机舱数据采集以及控制指令下发任务，并与轮毂相连实现对变桨系统的有效控制，主要连接对象：气象站、主轴承润滑系统、偏航轴承润滑系统、发电机监视、机舱温度监视、烟雾检测、风冷、故障灯、机座锁定和维修刹车；轮毂控制系统主要作用在于接收主控发送而来的控制信号，实现变桨控制，并将状态实时反馈回主控。
图1 MW级风电机组控制器构架
(2)国产化PLC功能要求
因此，针对风电机组控制系统要求，国产化PLC需具备如下功能：
• 程序执行：能满足MW级风力发电机组复杂主控程序的执行要求，通常，用户应用程序的扫描周期必须小于100ms，需保证在控制程序的调度周期内完成对所有连接设备的数据接收和输出控制。
• 模块化及可扩展性：风电机组应用环境多样，为了使机组具有较强的市场适应性，整机厂家往往需要实现机型的快速迭代。因此，控制系统需要被灵活的二次开发和快速的部署。因此，软硬件需采用模块化设计，用户可根据实际控制需求自由组态，并支持多级级联。
• 通信接口：风电机组的本地控制及远程监控均涉及复杂的通信，常用的通信接口包括：CAN通信接口、光纤通信接口、RS232/RS485接口，以太网通信接口等。通常，CANopen通信接口用于连接变频器、变桨控制器等。光纤通信接口用于系统级联，而以太网接口则用于与开发环境、HMI、SCADA系统等连接。
• 协议兼容性：针对不同的物理通信接口，控制器需提供CANopen、MODBUS、OPC、RPC、TCP/IP等通信协议支持。
• 数据采集功能：控制器要求能够正确采集和输出（I/O）模拟信号（±1V、±10V、0~20mA和PT100/PT10001温度信号）和数字信号。
• 模式切换：控制器需具备可自由切换的测试及正常运行模式，当处于测试模式时，用户控制程序将不会被执行，用户可以对应用程序进行修改升级；当处于正常运行模式时，系统启动后将自动运行用户控制程序，实现对机组的有效控制。
• 存储接口：为了保障系统安全稳定运行，需提供多种类型存储区域，例如：掉电存储区、大容量数据存储区等。
• 二次开发需求：大型风电机组系统更新及升级频繁，因此，主控PLC应提供友好的二次开发环境，例如：支持IEC61131-3标准编程，支持C/C++及Simulink程序的下载执行。
(3)国产化PLC性能需求
风电场大都建于风力资源丰富的戈壁、山地或沿海，这就导致系统不得不面对严苛的工作环境。然而，大容量的风电场又极易对电网带来不利影响。因此，国产化PLC需要具备优良的性能，主要要求包括：
• 实时性要求：硬件模块IO数据扫描周期小于1ms，系统最低数据响应时间小于等于50ms，CAN通信数据系统响应响应时间小于1ms。
• 通信要求：针对CAN总线，误码率需≯5e-7(@500kbps)；针对以太网，误码率≯1e-6。
• I/O精度（常温）要求：针对±10V电压信号采集，误差≯±10mV；针对±1V电压信号采集，误差≯±1mV；针对0~20mA电流信号采集，误差≯±40uA；针对PT100温度信号采集，误差≯±1℃；针对±10V电压信号输出，误差≯±100mV。
• 抗振指标要求：满足NB/T 31018-2011《风力发电机组变桨控制器技术规范》。
• 环境适应性要求：控制器需适应的温度范围:工作温度-30℃～60℃；储存温度-40℃～85℃。同时需能够在盐雾、及空气相对湿度为5%～95%且有凝露的环境下正常稳定运行。
• 电磁兼容性指标要求：静电放电抗扰度试验（GB/T17626.2）、快速瞬变脉冲群试验（GB/T17626.4）、浪涌（冲击）抗扰度试验（GB/T17626.5）需满足残酷等级3指标要求。
2.2.总体设计
区别于已有仅对风电机组的主控系统进行升级改造不同，本文从主控PLC的软硬件设计开发及风电机组控制系统实施等全方位进行国产化改造。经过近20年的发展，现有风电机组的整机设计开发技术已经成熟，新型国产化PLC与风电机组原始适配存在诸多困难。因此，本着与现有风电机组控制系统兼容的原则，本文所设计的国产化PLC尽可能保持了软硬件接口与现有系统的兼容性和一致性。我们的目标在于保留现有控制柜的前提下，实现控制系统的快速国产化改造。所设计的国产化PLC由硬件系统和软件系统两大部分组成：
(1)硬件系统
硬件系统可根据控制器的实际需求配置不同输入输出（IO）模块，同时兼容CANopen、MODBUS、OPC、IEC61400-25、RPC、工业以太网、光纤等通讯协议或接口。
(2)软件系统
软件部分则选择VxWorks作为其操作系统，VxWorks属于硬实时操作系统，可以保证很高的实时性能，编程系统则采用符合IEC61131-3国际标准的CoDeSys软件，编程方便且性能稳定。
2.2.1.硬件系统总体设计
根据大型风电机组控制器需求，风电机组控制对象主要包括塔基、机舱和轮毂三个部分。所设计的国产化PLC在塔基控制站中包括CPU模块和IO模块，通过光纤以太网与机舱相连，同时通过CAN口与变频控制器连接；机舱控制站中包括CAN模块和IO模块，通过CANopen与轮毂变桨控制器连接进行通信。其中CPU作为数据处理中心和算法执行中心，IO模块负责外部传感器数据的采集和执行机构的驱动。设计的硬件系统整体构架如图 2所示。
图2 风电机组PLC结构图
为了实现灵活的系统组态，硬件系统采用了模块化设计，包括CPU模块及IO模块。所设计的CPU模块选用MPC8280芯片作为处理器，数据处理能力极强。IO模块包括：数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、温度采集模块、网络通信模块、光纤通信模块、CAN通信模块等。所有建模均通过底板实现电气连接，并由专用的电源模块供电。
2.2.2.软件系统总体构架
为了便于维护和升级扩展，我们同样采用分层模块化的设计理念对软件系统进行设计开发。如图 3所示，根据功能的不同软件系统可以分为三个主要部分：HMI人机交互软件、基于嵌入式计算机硬件系统的开发软件以及控制器软件。
(1)控制器软件
控制器软件运行于控制器硬件平台上，主要分为：系统层、接口层、驱动层。系统层为整个软件系统的基础，包括操作系统自带的系统组件、控制器主调度程序、RPC通信服务端、网络服务及用户控制程序等。接口层承担硬件驱动与应用程序之间的数据交互任务，包括公共函数库的接口程序、CoDeSys RTS（Runtime system，实时运行系统）与系统主调度程序之间的接口程序等。驱动层则负责管理所有硬件接口的输入输出，包括IO驱动库及资源管理库等，进而实现系统层及接口层程序对IO系统及存储设备、外围设备等数据交互。
(2)基于PC的开发软件
用户可以通过多种不同的方式对风电机组控制器进行编程，其中主要有：基于IEC61131-3标准的编程、C/C++编程、MATLAB/Simulink编程。
(3)HMI人机交互软件
为原湘电现有HMI软件提供所需的通信协议及接口，支持RPC通信协议。
图3 软件系统整体架构
03真实风电场实验验证
为了验证国产化PLC功能的完备性及性能稳定性，我们对系统开展了长期实验室及风电场试运行测试。分别选取为了沿海、山地等不同环境条件下的5个风电场进行测试，这些风电场涵盖了高海拔、潮湿、冰冻、雷暴、台风、盐雾以及高温湿热等多种工作环境，较为全面地验证了国产化PLC的性能。接下来以某山地风电场2015年~2016年国产化PLC现场试运行为例，对性能进行讨论。
图 4展示了安装优利泰克国产化PLC（1#）以及进口Bachmann PLC（2#）的两台风电机组同期月可利用率曲线。由图可知，两台风电机组可利用率基本保持一致，说明国产化PLC控制器在性能上具有与主流进口产品相媲美的稳定性。在2016年1、2月中，1#风电机组可利用率有一个明显下探，主要原因是由于叶片结冰导致1#风电机组从2016年1月22日至1月31日叶片一直处于停机状态，而由于变桨驱动故障1#风电机组从2016年2月8日开始停机，到2月19日更换器件后才再次启机。
图4 1#风电机组与相邻风电机组月可利用率对比
图5展示了同期两台风电机组的月发电量，由图可知，两台风电机组的发电量走势基本一致，这表明国产化PLC实现了对风电机组的有效控制。由于1#风电机组平均风速高于2#风电机组，整体上1#风电机组发电量高于2#风电机组。
图5 1#风电机组与相邻风电机组月发电量对比
图6及图7所示分别为2015年8月8日1#、2#风电机组运行情况，为了便于统计量的对比，图中的单位分别为轮毂转速r/min、机舱风速m/s、发电量100MW。从图中可以看出，两台风电机组在风速10m/s左右达到满发；当风速在额定风速以下时，PLC能依据风速变化情况，及时调节轮毂转速，使发电量保持最优输出；当风速在额定风速以上时，PLC能及时控制轮毂转速在额定转速附近，使功率输出保持稳定。在风速较高的情况下，1#风电机组的控制稳定，输出功率更高。总体表明优利泰克国产化 PLC控制效果良好。
图6 1#（Ulitech）风电机组2015.08.08运行情况
图7 2#（Bachmann）风电机组2015.08.08运行情况
04亮点讨论
本文所述大型风电机组国产化主控PLC改造项目中，控制器功能及性能上都达到了预期，长期的实验室及现场试运行也验证了其可行性。在改造过程中，我们还结合国内风电机组的实际控制需求及应用特点进行了很多改进，这些改进对后期风电机组的智能化同样具有重要的意义，主要包括：
(1)安全可控：基于在软硬件上的研发经验及技术积累我们支持针对未来新项目需求的深层次开发，杜绝潜在的后门。此外，针对不同的应用场景，我们可以根据自身的控制需求，定制开发专用的软件模块或硬件模块。
(2)操作便捷：我们在硬件的设计过程中，遵循了模块化的设计理念。同时，控制系统的二次开发上，兼容IEC61131-3、C/C++、MATLAB等编程方式，并提供了PLC 管理软件实现对系统的管理、监控及系统的分析诊断。
(3)数据处理：我们为PLC的CPU模块配备了可供选配的高性能处理器，并搭载了硬实时的VxWorks操作系统，满足现有大部分风电机组对主控PLC实时性及稳定性要求。
(4)数据保护：为了防止系统突然掉电等造成运行过程中的程序重要数据丢失，我们为PLC配置了程序变量及数据的掉电存储区，实时保护重要数据。
(5)兼容开放：我们设计了多种常用现场总线通信接口，可以满足MW级风力发电机组现场总线及信号接入的需求，同时可根据用户需求定制修改，如：CANopen、Modbus、RPC等现场通信协议。
(6)成本优势：相比国外PLC产品，我们在软硬件的设计过程中专门针对MW级风力发电机组控制需求进行了合理的优化，此举能够方便用户根据自身的控制需求配置最合适的控制系统，使得改造更具有成本优势。
05结语
历史的教训告诉我们，在面对核心技术上，靠单纯的引进是无法解决问题的。2018年美国商务部出台的“实体清单”；西方国家对中国的“芯片禁令”；2020年美国对我国十三所高校禁用 MATLAB 等工业基础软件，如此种种，如今依然历历在目。风电核心技术的发展同样如此，我们不应该抱有幻想。无法掌握大型风电机组PLC技术，意味着已有需要升级和更新的主控系统因为兼容性、采购成本、实施周期等问题无法顺利开展。本文通过大型风电机组国产化主控PLC设计、开发及实验，验证了大型风电机组国产化主控PLC的技术水平及产业化可行性，为该项技术的突破与长远发展积累了经验，值得借鉴推广。
参考文献:
1. 国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知(国发[2021]23号). 中华人民共和国国务院公报 2021, (31), 11.
2. Council, G. W. E., GWEC Global Wind Report 2022. Global Wind Energy Council: Bonn, Germany 2022.
3. 丁昱苇, 风力发电发展现状以及行业发展趋势研究. 光源与照明 2021.
4. 向鑫超, 张淼 and 陈若飞, MW级风电机组主控系统PLC需求研究. 电子制作 2022, 30 (2), 15-17.
5.刘德顺, 戴巨川, 胡燕平 and 沈祥兵, 现代大型风电机组现状与发展趋势. 中国机械工程 2013, 24 (01), 125-135.
