海上風(fēng)電平臺(tái)暖通監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

林 崑

（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350000）

隨著全世界范圍內(nèi)能源需求的持續(xù)上漲，能源效率需要進(jìn)行全面碳減排工作，政府也采取了有效的激勵(lì)措施支持部署可再生能源。海上風(fēng)電平臺(tái)大部分都是無人值守的，為了促進(jìn)平臺(tái)系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備維持正常穩(wěn)定運(yùn)行，將室內(nèi)外壓差、室內(nèi)溫度以及濕度全面控制在合理范圍內(nèi)。展望“十四五”，我國(guó)將成為促進(jìn)全球范圍內(nèi)低碳排放的主要踐行者。海上風(fēng)電屬于我國(guó)新能源戰(zhàn)略力量的重要組成內(nèi)容，同時(shí)也是風(fēng)電朝陸地電網(wǎng)全面并網(wǎng)的核心樞紐，暖通監(jiān)控系統(tǒng)屬于平臺(tái)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。合理借助通信、組態(tài)、自動(dòng)化控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)海上風(fēng)電平臺(tái)暖通監(jiān)控系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高遠(yuǎn)程控制效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)暖通監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)研究，同時(shí)選擇HMI技術(shù)、PLC可編程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及冗余架構(gòu)，能夠于海上風(fēng)電平臺(tái)和陸上集控中心促進(jìn)實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)暖通裝置運(yùn)行狀態(tài)的無人監(jiān)控、控制[1]。

此暖通監(jiān)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括氫氣含量傳感裝置、電動(dòng)閥門、壓差傳感裝置、工業(yè)空調(diào)、300系列自動(dòng)化控制裝置、風(fēng)電平臺(tái)HP商用計(jì)算機(jī)、事故風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、溫濕度傳感裝置、1200系列自動(dòng)化控制模塊、西門子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、陸上集控PC等部分構(gòu)成。平臺(tái)用戶能夠借助平臺(tái)PC機(jī)內(nèi)人機(jī)界面對(duì)不同房間中的溫濕度、風(fēng)閥、壓差數(shù)值、除濕機(jī)以及空調(diào)等設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行全面檢查。除了通過人工手動(dòng)控制方式操控設(shè)備啟停，還可以由系統(tǒng)對(duì)設(shè)備啟停進(jìn)行自動(dòng)化控制。額外設(shè)置故障報(bào)警以及超限報(bào)警功能，同時(shí)還可以對(duì)歷史預(yù)警記錄進(jìn)行打印和查看。系統(tǒng)利用自動(dòng)化控制裝置以及300系列自動(dòng)化控制促進(jìn)軟冗余，假如出現(xiàn)各種故障問題，能夠直接利用自動(dòng)化控制進(jìn)行就地控制，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。針對(duì)HMI界面程序?qū)嵤┳灾鏖_發(fā)，能夠利用MODBUS TCP協(xié)議將全部可讀寫變量地址預(yù)留給陸上的集控中心，相關(guān)集控中心能夠利用MODBUS地址，針對(duì)平臺(tái)內(nèi)PC機(jī)實(shí)施有效控制和查詢，順利實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控目標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2 通信設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括三種方式，分別是MODBUS_TCP、S7TCP、MODBUS_RTU。相關(guān)通信設(shè)計(jì)結(jié)果具體如圖2所示。為了進(jìn)一步提升通信效率和穩(wěn)定性，平臺(tái)控制端以及陸基控制端以TCP為基礎(chǔ)借助MODBUS_TCP通信協(xié)議，西門子自動(dòng)化控制裝置和PC機(jī)之間利用西門子交換機(jī)，選擇以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的S7TCP協(xié)議。S7TCP協(xié)議只要借助一般網(wǎng)卡便能夠?qū)崿F(xiàn)西門子自動(dòng)化通信和上位機(jī)全面落實(shí)，無需其他西門子軟件，比如STEP7、SIMATIC NET等。因?yàn)槌凉駲C(jī)自身運(yùn)行特征，需要聯(lián)系具體的應(yīng)用場(chǎng)景合理設(shè)置工作頻率，暖通機(jī)房中的自動(dòng)化控制軟件和自動(dòng)化除濕機(jī)控制器經(jīng)過RS485總線的MODBUS_RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)施正常通信，該種通信方式下，無需額外設(shè)置其他通信模塊，單純利用兩個(gè)一般屏蔽線即可[2]。

圖2 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)界面

暖通監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋歷史趨勢(shì)圖、歷史報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、主界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、實(shí)時(shí)警報(bào)、房間界面等部分組成。其中主界面能夠通過總覽的形式將不同房間中的濕度狀況、溫度狀況以及室內(nèi)外壓差準(zhǔn)確反映出來，同時(shí)還可以提供室外氫氣濃度以及溫濕度狀態(tài)信息。用戶利用該界面能夠準(zhǔn)確了解室內(nèi)環(huán)境狀況，進(jìn)而準(zhǔn)確把握不同房間中相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。其中主界面利用按鈕能夠順利進(jìn)入不同房間模塊，進(jìn)入故障警報(bào)界面，實(shí)時(shí)報(bào)警。各個(gè)房間當(dāng)中還專門設(shè)置了參數(shù)按鈕，想要順利進(jìn)入界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，需要率先通過權(quán)限確定，僅有特定用戶才能通過指紋方式進(jìn)入界面進(jìn)行參數(shù)修改，從而使設(shè)備維持良好的安全運(yùn)行狀態(tài)。用戶能夠借助實(shí)時(shí)警報(bào)對(duì)近期設(shè)備故障問題進(jìn)行查詢，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。此外，還可以利用歷史報(bào)警功能對(duì)相應(yīng)時(shí)間段中的報(bào)警狀況進(jìn)行查詢，其中需要注意，在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)了大量歷史報(bào)警信息，擁有較快的讀取速度，整體容量較大。各個(gè)房間中還設(shè)置了實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖入口，能夠選擇室內(nèi)外溫差、濕度、溫度以及氫氣濃度充當(dāng)基礎(chǔ)參數(shù)，圖形界面內(nèi)以5秒為間隔，聯(lián)系當(dāng)下參數(shù)值制作曲線。而相關(guān)歷史趨勢(shì)圖整體追溯時(shí)間是半年，用戶能夠選擇多個(gè)或單個(gè)變量。

3.2 程序設(shè)計(jì)

在針對(duì)上位機(jī)程序?qū)嵤┰O(shè)計(jì)方面，以電動(dòng)風(fēng)閥和空調(diào)舉例，處于手動(dòng)控制狀態(tài)下，主備空調(diào)能夠?qū)嵤﹩为?dú)設(shè)置，系統(tǒng)內(nèi)主要可以將空調(diào)分成三種形式，分別是制熱、制冷以及通風(fēng)，用戶想要調(diào)整空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，需要率先切換空調(diào)到遠(yuǎn)控狀態(tài)，隨后才能合理選擇對(duì)應(yīng)模式，處于制冷、制熱模式下，想要更好保護(hù)空調(diào)模塊，系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)Ξ?dāng)下環(huán)境溫度進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，分析是否達(dá)到開啟制熱或制冷的條件要求，主要是結(jié)合系統(tǒng)所采集的前方各種傳感器所測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行環(huán)境判斷，在某種運(yùn)行模式成功啟動(dòng)后，上位機(jī)便會(huì)自動(dòng)提示，處于自動(dòng)化運(yùn)行狀態(tài)下，上位機(jī)會(huì)強(qiáng)制兩個(gè)空調(diào)保持一致的運(yùn)行模式，而該種強(qiáng)制主要是為了在輪換主備空調(diào)中，保持空調(diào)模式的一致性[3]。

4 下位機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 空調(diào)模塊

在整個(gè)暖通系統(tǒng)中，空調(diào)模塊屬于其中控制邏輯較為復(fù)雜，且十分重要的功能模塊，空調(diào)整體運(yùn)行模式包括制熱、制冷以及通風(fēng)三種形式。其中各個(gè)房間設(shè)置兩個(gè)空調(diào)，分別是一主一備，在大部分條件下，系統(tǒng)控制具體可以分成自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制狀態(tài)，其中手動(dòng)控制模式十分簡(jiǎn)單，聯(lián)系上位機(jī)具體指令，能夠決定系統(tǒng)運(yùn)行模式。

4.2 微正壓模塊

結(jié)合功能性分析相鄰海上風(fēng)電平臺(tái)中房間的正壓要求存在某種差異性，為此需要結(jié)合模塊聯(lián)動(dòng)性進(jìn)行系統(tǒng)分析，該種模塊功能牽涉到泄壓電動(dòng)風(fēng)閥以及壓差傳感裝置，相關(guān)操作運(yùn)行原理是在室外壓差超出80PA條件下，進(jìn)一步啟動(dòng)泄壓閥，在正式啟動(dòng)泄壓閥后，相關(guān)壓差數(shù)值會(huì)進(jìn)一步降低，在下降至20PA條件下，立刻關(guān)閉泄壓閥，使用戶能夠聯(lián)系具體狀況針對(duì)壓差限值進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置，但同時(shí)應(yīng)該將其控制在傳感器指定范圍界限中。

4.3 應(yīng)急事故風(fēng)機(jī)

應(yīng)急事故的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開關(guān)具體可以分成兩種控制模式，分別是自動(dòng)化控制模式和人工手動(dòng)控制模式，而設(shè)備的默認(rèn)控制模式為自動(dòng)控制模式，應(yīng)急事故風(fēng)機(jī)相關(guān)啟動(dòng)條件包括三種情況。第一是在室內(nèi)氫氣含量超出10%的情況下會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)；第二是在主備空調(diào)裝置全部產(chǎn)生運(yùn)行故障的狀況；第三種是六氟化硫氣體出現(xiàn)外部泄漏的狀況。此外還有火災(zāi)等其他因素同樣會(huì)啟動(dòng)應(yīng)急事故風(fēng)機(jī)。

4.4 除濕機(jī)模塊

除濕機(jī)裝置和空調(diào)設(shè)備比較相像，其中同樣設(shè)置了主備裝置，具體工作運(yùn)行模式主要可以分成除濕以及通風(fēng)兩種運(yùn)行模式，其中通風(fēng)模式能夠發(fā)揮出相應(yīng)的防鹽霧效果。而微正壓系統(tǒng)對(duì)應(yīng)運(yùn)行正壓力主要是除濕機(jī)相關(guān)通風(fēng)模式負(fù)責(zé)提供。除濕機(jī)能夠順利把環(huán)境中的空氣抽至房屋內(nèi)部，隨后系統(tǒng)聯(lián)系室內(nèi)外壓差實(shí)施人工手動(dòng)控制操作，在進(jìn)行手動(dòng)操作控制中聯(lián)系上位機(jī)的具體指示命令實(shí)施各項(xiàng)操作。下位機(jī)的具體設(shè)計(jì)過程中包括兩種核心點(diǎn)，第一是不同模塊操作運(yùn)行邏輯，第二是系統(tǒng)冗余主要包括空調(diào)和自動(dòng)化控制冗余以及除濕機(jī)冗余問題。隨著我國(guó)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行水平得到了明顯提升，但依然存在較大的上升空間。為此需要針對(duì)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)實(shí)施全面改進(jìn)，例如可以借助人機(jī)界面、SCADA系統(tǒng)能夠進(jìn)行人性化操作，同時(shí)利用PID調(diào)節(jié)維護(hù)正壓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語

綜上所述，近幾年我國(guó)對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)力度不斷擴(kuò)大，與部分風(fēng)電較為發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，風(fēng)電場(chǎng)中的暖通監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)依然處于初步研發(fā)階段。參考國(guó)外同行發(fā)展?fàn)顩r分析，在具體邏輯、架構(gòu)方面依然有待改進(jìn)。為此需要不斷深入開展研發(fā)工作，改進(jìn)系統(tǒng)中的不足之處，從而進(jìn)一步提升暖通監(jiān)控技術(shù)。