EDPF-CP系統在風電機組全信息采集中的應用

文 | 劉維維，張俊雄，姚慧卿，劉明佳，何煦

在風力發電技術中，風能被風力發電機組葉片吸收后轉換為動能，故槳葉控制對風力發電機組的發電效率起著決定性的作用，同時變流器對于穩定電網負荷至關重要。目前，變槳系統及變流器主要是通過CANopen等協議與主控系統進行通信，實現數據采集與風力發電機組控制，且通信數據長度基本固定。但是隨著風電技術的進一步發展，智能化大數據技術在風電系統中的應用是大勢所趨。本文在此背景下，在滿足傳統風力發電機組信息采集且不影響主控程序運行負荷的基礎上，以EDPF-CP雙引擎控制系統為平臺，主控程序依舊運行在PLC內核中，在DPU內核中應用Modbus TCP及UDP通信協議對變槳系統及變流器的共約兩千個點的全信息數據進行采集，全量數據可在上位機顯示并存儲，這將為風力發電機組預維護及智能故障診斷提供一定的可行性策略，并為風電機組的大數據信息融合技術的實現找到了有效方法。

EDPF-CP系統

EDPF-CP系統是基于最新計算機嵌入系統技術和現場總線技術開發的分布式控制系統，是在EDPF-NT+系統的基礎上，經全面優化升級而成的新一代控制系統。系統主控制器基于DCS技術研發，植入PLC組態運行環境，形成獨創的DCS/PLC雙控制引擎，工程應用中可按需配置。該控制技術充分結合了DCS和PLC各自優勢，作為DCS控制器可兼容EDPFNT+系統，作為 PLC控制器則完全兼容IEC61131-3標準，用戶通過配置不同的上位機軟件即可實現PLC或DCS的完整控制系統。這既可面向對象技術，實現模塊化封裝及圖形化顯示，又能提供二次開發環境和高級應用開發環境，為風電機組智能化研究提供了平臺。

系統控制器采用嵌入式無風扇設計的低功耗高性能計算機，內置實時多任務軟件操作系統和嵌入式組態控制軟件，將網絡通信、數據處理、連續控制、離散控制、順序控制和批量處理等有機地結合起來，形成穩定、可靠的控制系統。EDPF-CP系統可實現數據的快速掃描，用于實現各種實時任務，包括任務調度、IO管理、算法運算，同時擁有開放的結構，可以方便地與其他控制軟件實現連接和數據交換。

系統中的電源、控制器、IO模塊、通信網絡均可冗余配置，提高系統的可靠性。系統電源和檢測電源隔離，模塊通道間電氣隔離，全隔離高抗干擾設計確保了運行的可靠性。同時采用模塊化設計，維護方便，硬件和軟件都具有多重抗干擾和容錯糾錯能力。采用表面貼裝技術的 FLASH保存組態數據，無需電池，確保數據的安全可靠長期保存。抗電磁干擾符合 IEC61000標準，具有 EMC IIIA 級電磁抗干擾能力，可滿足多種工程需要。

通信方式

EDPF-CP系統平臺支持多種通信方式，且控制器采用雙引擎內核結構，即DCS內核與PLC內核。通信總線包括控制總線和信息總線，變槳系統及變流器的控制總線使用標準CANopen協議的工業通信總線；信息總線使用標準工業以太網協議的通信總線，消除變流器和變槳系統的信息孤島，所有數據在經由主控制器后上傳至SCADA。具體的通信方式如圖1所示。

從圖1中可以看出，主控制器通過CANopen協議與變槳系統和變流器進行數據通信，實現實時數據監控。為了實現對變槳系統及變流器的全部數據量的采集，在不改變及影響高速率CANopen通信控制總線的基礎上，采用另外兩種不同的通信方式與變槳系統和變流器進行通信，采集全量數據，其中，變槳系統采用Modbus TCP通信協議，變流器采用UDP通信協議，將數據全部采集后上傳至SCADA。

EDPF-CP系統通過EIO通信模塊實現與第三方系統通信，系統支持多種協議，如Modbus TCP/IP、Modbus RTU、UDP、104等。每種協議有其對應的虛擬卡件，通過組態實現對第三方系統通信數據的采集。確定好EDPFCP系統與變槳系統及變流器的通信協議和工作模式，根據通信測點表，對虛擬卡件進行組態，結合卡件組態信息配置通信任務，存儲在EIO通信配置文件中。配置內容包括通信設備個數、設備ID、通信協議、設備IP地址及端口號、通信任務周期及超時時間、緩沖區、功能碼、起始地址等，配置完成后進行數據通信。

優勢對比

與傳統風電機組相比，EDPF-CP系統存在如下優勢：

（1）傳統風電機組控制系統僅含有PLC運行程序，EDPF-CP系統采用了雙引擎結構，內置PLC及DCS兩個內核，且DCS內核的運行不會對主控程序在PLC中的運行造成影響。

（2）傳統風電機組在PLC內部僅含有變槳系統及變流器系統的控制點表，約三百個。而EDPF-CP系統中僅信息點表就近兩千個，從點表的數量上要多于傳統風電機組。

（3）變槳系統與變流器系統的信息點直接與EDPF-CP系統的DPU進行通信，未占用主控PLC負荷，不對PLC主控程序造成影響。

（4）信息總線使用標準工業以太網協議，以秒級頻率進行全量數據采集，消除變流器和變槳的信息孤島，為風電機組的預維護及大數據處理提供數據依據。

圖1 變槳系統及變流器的控制總線及信息總線數據傳輸示意圖

變槳系統信息采集

傳統變槳通信是在主控程序PLC中通過CANopen、CAN等協議進行通信，EDPF-CP系統具有雙引擎結構，在PLC主控程序中依舊支持傳統通信，在DPU中采用Modbus TCP協議與變槳信息網的一千多個點進行全信息通信。

一、全量數據采集通信方式——Modbus TCP

變槳系統全數據量的采集，不僅包括槳葉位置、溫度信息等主要數據，還采集了相關的報警數據、調試界面數據等，如PLC閉鎖、電機風扇狀態、加熱器狀態、槳葉位置高、允許手動控制等，為變槳系統的智能診斷控制提供了數據來源。

主控制器設定為主站，變槳系統作為從站，兩者通過Modbus TCP協議進行通信，按照通信測點表將所有的變槳系統實時數據進行采集，通信速率以秒級為單位，采集數據傳輸至SCADA上位機畫面顯示，供運維人員實時監控，同時所有數據進入歷史庫中進行存儲，方便后期的數據導出及分析。

對變槳系統全量數據的采集，用到了MDI、MAI虛擬卡件，MDI卡件用于讀取開關量，可以使用讀線圈和讀離散量方式，也可以使用讀保持寄存器和讀輸入寄存器方式。需要設置的參數包括控制區、模塊地址、卡件位置、設備ID、從站ID、起始寄存器號、起始點號、結束點號、功能碼，配置信息如圖2所示。

MAI卡件用于讀取模擬量，使用讀保持寄存器和讀輸入寄存器方式。需要設置的參數包括控制區、模塊地址、卡件位置、設備ID、從站ID、起始寄存器號、起始點號、結束點號、功能碼、數據類型、字節順序類型，配置信息如圖3所示。

二、數據采集實現形式

按照變槳系統通信測點表配置相關文件，包括虛擬通信卡件、卡件參數設置和通信任務配置，用網線連接主控制器和變槳系統進行調試，通信正常情況下，在SCADA上位機畫面中可顯示變槳系統實時數據，如圖4所示。

變流器信息采集

在EDPF-CP雙引擎結構中，PLC主控程序與變流器進行通信，在DPU中應用UDP通信協議與變流器信息網的近兩千個點進行全信息通信，不影響PLC主控程序的運行負荷。

圖2 MDI配置信息

圖3 MAI配置信息

圖4 變槳系統數據通信至SCADA

圖5 LYEC_V3配置信息

一、全量數據采集通信方式——UDP

控制器作為主站，變流器系統作為從站，EDPF-CP系統支持多種通信方式。在此以UDP通信協議為例，將所有的變流器通信實時數據進行采集后在上位機畫面顯示，通信速度為秒級，同時所有數據進入歷史庫中進行存儲。

對變流器全量數據的采集，使用LYEC_V3虛擬卡件。

LYEC_V3虛擬卡件需要設置的參數除控制區、模塊地址、卡件位置、設備ID以外，還要根據變流器數據特性設置網側和機側起始地址和通道個數，卡件配置信息如圖5所示。

二、數據采集實現形式

按照變流器需上傳的點表配置相關文件后，通信正常情況下，變流器數據上傳至SCADA，數據的顯示方式與圖4相同。

結語

由于傳統風電場中風電機組私有通信協議往往無法開放，風電機組監控系統形成信息孤島，無法實現全面互動，運營期軟件升級和檢修維護十分困難。本文提出的全量數據采集技術，在網絡互聯的風電機組信息融合技術研究基礎上，形成風電機組監控的無縫通信體系，實現真正意義上的信息共享。

（1）采用工業以太網技術進行數據互聯，實現風電機組及其子系統的全信息采集與網絡化共享，同時配置高速數據存儲器記錄所有的運行數據。這將為風力發電機組主控系統、變流系統、變槳系統、葉片智能監控系統及關鍵部件狀態監控系統提供一定的思路。

（2）基于全信息數據，使SCADA系統不僅僅具有監視及控制作用，同時附加周期性及累積的智能大數據分析與統計評估后處理功能，實現機組全信息互聯監控。

（3）增強風電機組的信息融合與狀態統計，在實現原有功能基礎上，加強故障診斷與預測功能，為風電場的數字化、信息化和智能化搭建更加先進的軟件系統框架，并為模塊化靈活擴展以及可定制化系統的實現打下堅實的基礎。