OPC在MW級永磁風力發電機試驗系統中的應用

董行健，莊圣賢

（西南交通大學電氣工程學院, 成都 610031）

1 引言

在工業控制領域，經常用到大量的現場設備。OPC[1](OLE for Process Control)未出現之前，設備制造商需要開發大量的驅動程序來與設備通信，設備細微的改動就會導致驅動程序的重寫；OPC作為一種工業標準，提供了硬件設備的統一驅動，為工業控制領域提供了一種標準的數據訪問機制。硬件供應商無須考慮應用程序的多種需求和傳輸協議就可極大地簡化驅動程序與設備間的通信編程[2,3]。

在風力發電領域，永磁同步風力發電機由于具有發電功率大，控制簡單等一系列優點將成為將來的主流風力發電機[4]。永磁同步風力發電機的轉子表面嵌有釹鐵硼等永磁極，它不需要外加的勵磁線圈，也就沒有熱損耗，因而效率很高。永磁發電機的磁極對數可以做的很高，而轉速則很低，因此適用于無齒輪箱的直接驅動方式[5]。

本文對 OPC技術進行了深入的研究；并以SIMENS公司的CP5613 A2 PCI卡作為主站設備，ABB的ACS800變換器為從站設備，構建了一個MW級永磁同步風力發電機試驗系統；給出了用SIMATIC.NET[6]軟件構建系統的組態過程；并利用OPC-DA接口實現了與ACS800通信，完成了2MW大型永磁同步風力發電機的特性試驗。

2 試驗系統配置

MW 級永磁同步風力發電機試驗系統由四部分組成，圖1為系統的設備架構圖。

(1)2MW永磁同步風力發電機2臺

電機1作為電動機運行，電機2作為發電機運行。其中電機1為已分析過的永磁同步風力發電機。電機2為需要測試的永磁同步風力發電機。

(2)ABB ACS800[7]變換器3套

其中，變換器INU1作為逆變器，控制電機1（即電動機）的運行。變換器INU2作為整流器，控制電機2（即發電機）的運行，INU2從電機2（發電機）定子側吸收電能并反饋至公共直流母線側。變換器ISU為四象限整流器給 INU1和 INU2提供公共直流母線電壓。當INU2處于發電模式時，通過ISU的四象限運行，將吸收的電能反饋給電網，實現柔性并網。

(3)測量采集系統2套

其中YH-1測量電機1的電量和溫度等過程數據，YH-2測量電機2的電量和溫度等過程數據。通過工控機的USB接口將數據反饋給人機界面系統。

(4)工控機一臺

其PCI插槽中插放SIMENS CP5613A2主站卡。并利用VC++實現人機界面試驗系統的OPC接口完成工控機與CP5613A2的數據交換，控制ACS800的運行，進而完成永磁同步風力發電機的特性試驗。

圖1 永磁同步風力發電機綜合性能測試系統結構圖

3 硬件網絡的實現

3.1 硬件系統的通信連接

3臺ACS800和CP5613A2主站卡,連接時采用環形連接的方式，每個變換器作為一個站點(站點號 1～4)組成變換器光纖通訊網，具體連接如圖2所示。

圖2 硬件系統的通信連接

3.2 硬件系統的組態

在SIMATIC.NET中，導入RPBA-01的GSD文件，建立ACS800對應的軟件模塊，并將其拖放到總線中。在這個過程中，共需要拖放3個RPBA-01模塊，分別為 ISU（四象限整流器）、INU1（作為逆變器運行）、INU2（作為整流器運行）；分別定義站點地址為 11、22、33；并選定3個模塊的PPO類型為PPO5。設置完畢后，編譯正確后下載即可完成系統硬件的組態。圖3為硬件系統的組態原理圖。

4 軟件系統的實現

4.1 OPC模型與通信機制

OPC服務器由三類對象組成：服務器(Server)、組(Group)、數據項(Item)。服務器對象(Server)擁有服務器的所有信息，同時也是組對象(Group)的容器。組對象(Group)擁有本組的所有信息，同時包容并邏輯組織OPC數據項(Item)。OPC組對象(Group)提供了客戶組織數據的一種方法。

客戶可對之進行讀寫，還可以設置客戶端的數據更新速率。當服務器緩沖區內的數據發生改變時，OPC將向客戶發出通知，客戶得到通知后再進行必要的處理。而無須浪費大量的時間進行查詢。

在每個組對象中，客戶可以加入多個OPC數據項(Item)。OPC數據項(Item)是服務器端定義的對象，通常指向設備的一個寄存器單元。OPC客戶對設備寄存器的操作都是通過其數據項來完成的，通過OPC數據項(Item)，OPC規范盡可能地隱藏了設備的特殊信息，也使OPC服務器的通用性大大增強。圖4為OPC服務器結構圖。

圖3 硬件系統的組態

圖4 OPC服務器架構

4.2 OPC項與變換器的關聯

組態完成后，SIMATIC.NET將會自動產生 6個OPC項，分別對應3臺變換器的輸入和輸出，表1為變換器的OPC項映射表。

表1 OPC項映射表

4.3 過程數據的映射

通過OPC接口，為了讀取和設置ACS800變換器中的參數，必須將變換器中的參數與過程數據建立映射關系。表2為變換器參數與過程數據的映射。

表2 變換器過程變量的映射

4.4 OPC客戶端的實現

本系統的OPC客戶端采用VC++平臺實現，采用OPC的CALLBACK結構完成對變換器參數的讀和寫。當變換器中的參數發生變化，系統將會發送一個CALLBACK消息，通過對PPO消息地址的分析，可以獲得更新的參數。圖5為OPC客戶端的流程圖，圖6為人機界面。

圖5 OPC客戶端流程

圖6 OPC客戶端界面

5 試驗系統的測試

為了驗證試驗系統的可行性與實用性，通過OPC接口完成了 ABB變換器對永磁同步風力發電機的自動參數識別，負載特性。表3為被試驗電機的參數。

表3 被試電機的銘牌參數

在自動參數識別過程中，通過設置參數組 99.08為1，并啟動電機，變換器將會對電機進行2次直流激勵并完成電機阻抗的自動辨識，圖7為OPC客戶端獲取的電壓，電流和轉矩實時曲線。

圖7 電機參數識別過程的特性曲線

在負載試驗中，通過OPC客戶端設置被試電機的控制方式為轉矩控制模式，陪試電機的控制方式為速度控制模式。首先,陪試電機啟動到額定空載狀態，并調節被試電機的轉矩在0.25倍到1.0倍的額定轉矩范圍里變化，記錄電壓和轉速數據，圖8為OPC客戶端采集的電機負載特性曲線。

圖8 電機的負載特性曲線

6 結論

目前，本系統已完成調試并投入到湘潭電機風電分廠使用。系統試驗表明，使用OPC的CALLBACK接口實現了與 ABB變換器的信息交換，使用 Profibus-DP網絡保障了數據的高速、可靠傳輸，實現了MW級永磁同步風力發電機的運動控制、變換器狀態控制以及電氣參量的實時采集。利用OPC技術能夠快速有效的搭建大型電機測試平臺，在工業現場總線實時通信領域具有較高的技術推廣價值和應用價值。

[1]周強, 等. 基于DATA ACCESS規范的的OPC Server研究與實現[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2007,12(2): 107-113.

[2]劉克勤, 等. 基于OPC的動態數據交換技術在工控系統集成中的應用研究[J].重慶工學院學報,2006, 20(2): 106-109.

[3]柴凱, 等. OPC技術在工業過程控制中的應用研究[J]. 工業儀表與自動化裝置, 2005 (3): 70-72.

[4]馬洪飛, 等. 幾種變速恒頻風力發電系統控制方案的對比分析[J]. 電工技術雜志, 2001, (10): 1-4.

[5]張兆強, 等. MW 級直驅永磁同步風力發電機設計[D]. 上海: 上海交通大學, 2007.

[6]北京ABB電氣傳動有限公司. ACS800固件手冊[Z]. 2007.