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基于倍福PC控制技術的智能風電場實時網絡系統

德國倍福自動化有限公司

隨著近年來風力發電裝機容量的不斷提升，風力發電占所在電網的比例也隨之持續增加。眾所周知，風能具有高度的隨機波動性與間歇性，所以大規模的風電接入會對電力供需平衡、電力系統的安全以及電能質量帶來諸多嚴峻的挑戰。2011年初發生在甘肅酒泉等地的多起脫網事故也說明了制定風電并網規范的緊迫性。因此,國家電網提出了風電場接入電網的技術規定，由此產生了電網友好型風機和風電場的概念：

1、風機具有有功無功調節和低電壓穿越能力，確保電網發生波動時風機不解列；

2、風電場擁有風功率預測系統，能夠完成風電場48小時內的短期功率預測和15分鐘至4小時的超短期功率預測；

3、集中優化配置有功功率和無功功率控制系統，實現風機的遠程調節控制。

基于以上幾點，不少整機制造商提出了智能風電場的概念，通過風電場網絡能夠遠程集中監控風機和風電場的運行，并能實時的對功率進行控制。這些需要有高性能的風機控制器、相應的電力測量設備和快速的現場總線。德國倍福自動化有限公司基于PC的控制技術，具有良好的開放性和靈活性，倍福系列產品包括工業PC、I/O、現場總線組件和 TwinCAT 自動化軟件，高性能的PC和功能齊全的端子模塊可為廣大風電客戶提供全面、優質的風力發電機和風電場電力監控解決方案。

風電場的電力監控實時網絡：

該方案是基于倍福系列產品的風力發電機組和風電場的調度實時網絡方案，如下圖1。

圖1 風電場電力監控實時網絡

該方案是基于倍福的工業PC、電力測量端子模塊、帶光纖接口的 EtherCAT 耦合器和實時的 EtherCAT 技術。倍福工業PC上運行專用的能量管理平臺，具有強大的風電場電力監控功能。該平臺提供與電網調度接口，集中實時控制風電場的電壓、功率等等。保證風電場與接入地區電網相互協調運行，實現高效的風電場運行和管理。EtheCAT 光電轉換耦合器模塊把能量管理平臺與風電場內的風機連接到一起，組成風電場電力監控實時網絡，可在風電場網絡中實現小于 1 ms 的實時控制任務。專用的電力測量端子模塊配合特有的低電壓穿越控制模塊監控風場電網公共接入點和單臺風機并網側的電網狀況（電壓、頻率、有功、無功等等）。

風電場電力監控實時網絡方案分為兩部分：

1 單臺風力發電機組的電力監控，如下圖2

圖2單臺風力發電機組的電力監控

該方案采用了倍福嵌入式工業 PC CX5020控制器作為單臺風機的主控制器，主控制程序基于TwinCAT軟件，運用倍福自主開發完善、高效、成熟的風電專用功能庫，集成先進的控制算法，很好的協調控制風機各部件和子系統的運行。根據當前的風況和風電場能量管理平臺的控制指令，控制風機的輸出電壓、頻率和功率等等，保證風機的穩定運行。

控制器自帶的以太網接口可連接到交換機模塊 EL6601，可以通過 ADS、OPC、Modbus TCP 等通訊協議與風電場的 SCADA 系統進行數據交換。通過 EtherCAT 網橋模塊 EL6692 和擴展模塊 EK1110 接入風電場實時控制網絡，與能量管理平臺進行通訊，滿足對整個風電場的實時控制的需要。EK1501 作為單臺風機與風電場 EtherCAT 實時網絡的接入點。

EL3413 模塊可直接監測單臺風機并網側的 690 V AC電壓、電流、頻率、有功、無功、發電量，以及21次以內的諧波等等。風機主控系統通過采集的電力數據監測風機運行狀況、相關的數據可通過風場網絡傳送到風電場中控室的能量管理平臺和 SCADA 系統。

2 風電場公共接入點電力監測，如下圖3

圖3 風電場公共接入點電力監測

具有XFC超采樣技術的電力測量模塊 EL3773 對風電場電網公共接入點進行監控。倍福工業 PC 上運行的能量管理平臺通過 EtherCAT 耦合器接入到風電場實時網絡，采集公共接入點處和每臺風機并網側的電網狀況，通過平臺里專用的控制程序統一調控整個風電場的電壓、頻率、有功出力和無功等。

通訊架構：

1、風場實時網絡為環網方式，使用單模光纖通過 EtherCAT 總線和相應的耦合器 EK1501 把風場的風機連接成通訊環網。風場中的每臺風機的主控制器CX5020可通過以太網交換機模塊 EL6601 與接入風場網絡，并使用 EtherCAT 網橋模塊 EL6692 實現與能量管理平臺的實時通訊。

2、 EtherCAT采用開放的實時以太網通訊協議，是一種高速以太網現場總線，由德國倍福自動化有限公司研發。EtherCAT 為系統的實時性能和拓撲的靈活性樹立了新的標準，分布于100個節點的1000個開關量刷新時間僅為30µs，同時，它還明顯降低了現場總線成本。EtherCAT 的特點還包括分布式時鐘，可選線纜冗余和功能性安全協議(SIL3)。采用 XFC （極速控制）技術后，利用時間戳可獲得小于100 ns的時間分辨率。

關鍵設備：

1、 CX5020

CX50x0系列是符合標準 DIN 導軌安裝方式、無風扇、寬溫型的嵌入式控制器，CX50x0采用 Intel Atom 低功耗處理器，CPU 主頻可達1.6 G。帶有兩個獨立的千兆以太網端口和四個 USB 2.0 接口，可以通過 DVI 接口與倍福控制面板或標準 DVI 顯示器相連。根據需要，也可添加一個串口（RS232/RS422/RS485）或具有主站或從站功能的現場總線接口。位于蓋板后面并可從外部拆裝的可互換的 CF 卡作為引導和存儲介質。CX5000 系列還內置了一個 1 秒鐘 UPS，可確保在 CF 卡上安全備份持久性應用數據。

2、 EK1501 /EK1521

帶光纖接口的EhterCAT 耦合器和接口模塊；具有EtherCAT 的光電轉換和耦合功能。使用帶單模的光纖接口的耦合器和接口模塊，可以實現EhterCAT光纖線纜冗余系統，最遠的距離可達20千米。

3、 EL3413

專為風電設計，用于單臺風力發電機的電力監測，不需要電壓互感器可直接接入 690 V AC。檢測電流信號的通道是相互隔離的，可以與各種通用的電流互感器進行連接。該電力測量模塊能對電壓、電流、頻率、有功，無功，功因、發電量，上至21次諧波等等相關指標的進行監測。

4、 EL3773

超采樣電力測量模塊 EL3773 采用倍福 XFC 技術，6個通道可同時以100µs的精度進行采樣，基于采樣所得的電流電壓，客戶可以計算出真有效值及實現復雜的自定義算法。支持分布式時鐘。

5、 EL6692 /EL6601

EL6692用于不同主站的EtherCAT 網段之間的數據交換，同時它還可以同步各個網段的分布式時鐘。

EL6601 為以太網交換機模塊，用于將以太網設備與 EtherCAT 端子模塊網絡進行分布式連接，交換機端子模塊可安裝在 EtherCAT 網段中的任意位置，無需進行任何配置。

倍福風電功能庫為風機主控開發帶來極大的便利

集合倍福多年風電主控系統開發的經驗，為高效成熟的風電功能庫。倍福風電功能庫以模塊化的形式組成，且源代碼完全開放，幫助技術人員深入理解風機的控制。使用這些功能庫能夠顯著縮短主控制程序的開發時間，也可對現有程序的主控制架構、控制代碼和邏輯進行優化。其主要軟件模塊有：

1	Library Wind Auxiliaries （風電輔助庫）
2	Library Statuscodes / Statuscode Generator（狀態碼庫和生成工具）
3	Trace Logger（狀態記錄文件）
4	Mean-Value Logger（均值記錄）
5	PowerCurve Logger（功率曲線記錄）
6	Simulation（風機模擬庫）
7	I/O-Generator（I/O 生成工具）
8	Parameter Generator（參數生成工具）
9	Remote Comand Generator（遠程命令生成工具）

倍福TwinCAT3軟件

倍福公司早在1986年就創立了基于PC控制技術的自動化全球標準，在軟件方面，以TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology）自動化組件作為控制系統的核心軟件，TwinCAT 軟件將任意一個基于PC的系統變成一個多PLC、NC、CNC 或機器人的實時控制系統。TwinCAT 3 是倍福在TwinCAT 2軟件基礎上更深入的系統性研究開發的成果，以下列舉了TwinCAT 3的一些特點，圖4為TwinCAT3系統圖：

· 編程和配置只需要一個軟件

· 集成 Visual Studio

· 選擇編程語言更加靈活

· 支持面向對象的 IEC61131-3

· 使用 C/C++作為實時應用編程工具

· 支持 Matlab/Simulink

· 支持多核和 64 位系統

· 可將 TwinCAT 2 的方案直接移植到 TwinCAT 3

公司簡介：

德國倍福自動化有限公司總部位于德國威爾市。公司在世界各地設有分支機構，加上全球的合作伙伴，目前公司業務已遍及 60 多個國家。

倍福始終以基于 PC 的自動化新技術作為公司的發展理念，所生產的工業電腦、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT控制軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。近 30 年來，倍福公司的組件和系統解決方案在世界各地得到了廣泛的應用。

自 2001 年 3 月德國倍福成立北京代表處以來，公司在中國的業務迅速發展，先后成立了上海代表處和廣州代表處，并在寧波、武漢、成都、青島設立了聯絡處。2007 年 8 月上海代表處經轉制后正式成立倍福中國公司，并將倍福中國區總部遷至上海。隨著各種具有良好性價比的新產品、新技術不斷進入中國市場，其勇于打破傳統控制模式，傾力推廣 PC 控制新技術的理念已被越來越多的中國用戶所接受。

聯系方式：

www.beckhoff.com

www.beckhoff.com.cn

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