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★國能智深控制技術有限公司，北京市電站自動化工程技術研究中心，國家能源集團工控系統研究中心黃煥袍，商寧

★國家能源集團聯合動力技術有限公司申艷杰，朱海濤，董健

★國能思達技術有限公司吳小鋒，朱蓮

1　背景

“雙碳”背景下構建以新能源為主體的新型電力系統進程在加速推進，近些年來風電、光伏發電等持續快速發展，我國風電裝機容量世界第一，風電控制系統國產化替代市場空間巨大。風機PLC是風電機組運行控制的“大腦”和“神經中樞”，對風電機組的安全高效穩定運行至關重要。長期以來，國外品牌幾乎壟斷了風電機組控制系統核心產品市場，國內各大風電整機廠商的風電機組PLC控制器設備均為國外品牌，存在安全和“卡脖子”風險，因此開展風電機組PLC控制系統的國產化替代研發和應用，實現風電機組PLC控制系統的安全自主可控，對保障能源電力運行安全具有非常重要的戰略意義。

2　應用項目

應用風電場項目為國能聯合動力智慧能源（張家口）有限公司康保舊局風電場2.0/3.4MW聯合動力風機和國電科技環保集團有限公司赤峰風電公司大于營風光電場1.5MW聯合動力風機。

赤峰大于營風光電場一期（大于營）項目建設規模49.5MW，于2010年4月15日正式開工建設，安裝國電聯合動力科技有限公司生產的UP77—1500 IIA+型風電機組33臺，2011年6月29日首臺風機并網，2011年7月21日風機全部并網發電，2012年8月2日完成240小時試運行試驗。風電機組采用三葉片、上風向、水平軸、雙饋異步發電機、變流器并網等技術，輪轂高度均為65m，風輪直徑分別為77.36m，額定功率1500kW，額定風速11.1m/s，切入風速3m/s，切出風速25m/s。國能聯合動力智慧能源（張家口）有限公司康保風電場位于河北省西北部、張家口市康保縣境內。風電場中心位置距縣政府所在地大板鎮約35km，距離張家口市市政府所在地119km。一期裝機容量為50MW，由25臺聯合動力產2MW風電機組構成，于2020年12月31日投產運行。二期裝機容量為50MW，由1臺聯合動力產3MW風電機組和11臺聯合動力產3.4MW風電機組以及2臺聯合動力產4.8MW風電機組構成。風機出口電壓等級為690V，經風機箱式變壓器將電壓升至35kV后送入匯流線（舊局1線、舊局2線、舊局3線、舊局4線四條分支線），由35kV匯流線送至35kV母線，經1號主變升壓至電壓等級220kV后送入電網。

3　應用實施情況

對于新建風力發電機組的應用，則按照風力發電機組的運行環境及控制需求，進行風力發電機組主控系統的功能設計，完成硬件軟件配置、集成、測試和現場應用；對于在風力發電機組主控系統的國產化替代改造，則按照已有的風機控制系統的配置，結合新研發的主控系統特點進行柜內電氣設計和硬件集成設計并完成裝配，其中涉及到的接線的匹配、供電適應性及改造、系統的接地特點等按照原風力發電機組主控系統的相關配置進行匹配。

2.0/3.4MW風機PLC主控系統全國產替代改造：2022年8月在國能聯合動力智慧能源（張家口）有限公司康保忠義風電場13#和21#風電機組（2.0MW）、28#風電機組(3.4MW)開展了PLC主控系統全國產化替代改造（替代原巴赫曼控制器），國產化率為100%，自2022年8月9日第一臺2MW機組投入運行，2022年9月28日3.4MW機組投入運行以來，機組運行平穩，各項性能指標良好，自運行以來的發電量與改造前按照運行風況折算后相當。

PLC控制器是國能智深公司自主研發的針對風機應用環境設計開發的一款全國產化控制器P2-CU31，采用4×1.2GHz全國產ARM處理器，嵌入式操作系統采用裁剪優化的實時Linux操作系統，具有運算速度快、功耗低等優點，控制器性能得到了顯著提升與優化。主控系統I/O卡件也進行了全國產卡件替換：DI卡7塊、DO卡4塊、AI卡2塊、RTD卡4塊、SSI卡1塊、RCS卡1塊，CAN卡1塊。主控系統與變槳、變流系統及電能質量模塊通訊方式為CANOpen通訊模式，與中控平臺SCADA采用ModBusTCP協議。

1.5MW風電機組全國產PLC主控系統升級改造：2022年12月，國能智深公司完成赤峰大于營風場7臺1.5MW機組全國產PLC主控系統升級改造，機組運行平穩，自投入運行以來，硬件設備未發生故障，未因為主控系統軟硬件問題發生停機事件，風電機組運行效果良好。

升級的全國產I/O卡件包括：DI卡5塊、DO卡4塊、AI卡2塊、RTD卡4塊、SSI卡1塊、BFC卡2塊。主控系統與變槳、變流系統及電能質量模塊通訊方式為CANOpen和PROFIBUS-Dp通訊，與中控平臺SCADA采用ModBusTCP協議。

4　技術難點和創新點

風電機組控制系統核心產品與核心技術主要是PLC控制器設備、智能化控制技術及控制程序相關設計及應用調試等。風電機組控制系統PLC設備，因其應用環境條件惡劣、地域差異性大以及特殊功能需求等因素，至今國內各大風電整機廠商的風電機組批量應用的PLC控制器設備均為國外品牌，主要有巴合曼、倍福、Mita、貝加萊、西門子、丹控（福氏）等，其中巴合曼、倍福兩大國外PLC廠商幾乎壟斷了國內整個風電PLC控制設備市場。隨著風電機組運行環境從陸上到海上復雜多樣，整機設計趨向大型化，相應地，風電機組需要更先進及智能化的控制技術和軟件程序。國外風電行業發展較早，在風電機組控制技術上較為領先，一些先進的控制技術和控制程序架構國外已經進行了商業化應用。

整體上看，風電機組PLC控制系統軟硬件及控制技術國產化主要有以下技術難點：

（1）國產芯片需要達到工業級要求，與進口芯片相比，在散熱性和功能性能上還有差距。

（2）專用芯片具有集成功能少、抗干擾能力弱、線性度不足等問題。

（3）調試風機需要專用的毫秒級錄播工具和事故追憶軟件來協助調試人員調試風機設備的參數和排查故障。

（4）調試工具軟件少。

針對上述難點，經項目團隊攻關，在控制器散熱、I/O模件濾波算法和CPU低負荷高速計算、PLC軟件國產化等關鍵技術方面取得了重大突破。

國能智深全國產風機PLC主控系統具有以下主要創新特點：

（1）設計了基于主從分級控制、數據同步、端口重映射技術等核心計算的控制器系統架構，自主化深度適配openwrt嵌入式liunx操作系統，實現了控制器至簡、穩定、高效運行。通過采用服務組件最小化技術，建立用戶進程和內核線程協調調度機制，降低了國產CPU負荷。系統內核添加Preempt-rt實時補丁滿足硬實時要求。針對復雜計算、多任務、高網絡負荷場景，通過優化加解鎖技術，優化網絡包的頂半部/底半部處理機制，降低以太網通訊延時。解決了高負荷以及負荷波動超標問題，大幅提高系統性能。

（2）自屏蔽濾波算法，通過與典型的脈沖噪聲進行對比，算法加減削波權重，解決低頻擾動和高速電子脈沖對信號的影響，尤其對差共模干擾和高頻脈沖群干擾效果明顯。使用芯片大數據溫控篩選技術和溫度智能補償技術，結合大數據進行溫度階段性的線性補償，解決控制系統模擬量輸入和輸出信號在極限高低溫狀態下漂移較大的問題，從而使控制系統在-40°C到70°C時能夠可靠運行，解決了風機晝夜溫差大引起的芯片無法穩定運行問題。

（3）利用大氣對流原理，控制器和卡件與機箱采用一體化空氣動力場設計，產生了熱對流效應，配合電路板的低功耗設計達到了無風扇散熱運行。基于彈簧端子和古代卯榫技術中的懸山梢檁、小式箍頭枋卯榫結構設計，使卡扣和刻槽之間形成90°的縱向固定力實現自動鎖定，達到周期振動3g，沖擊30g，國際領先水平，解決風電機組運行時振動大、部件松動等行業難題。

（4）開發了基于代碼自識別、自替換及可視化調試技術，實現了不同廠家、不同型號風機主控程序中的C語言代碼的轉換、集成化編譯、下載和調試等功能，解決了基于C語言編寫的風機主控代碼優于國內外同類產品，技術達到國際領先水平。開發了毫秒級的數據波形文件同步技術，可以實現10毫秒的高速數據緩沖，同時滿足30秒前的數據追憶需求，解決了風機非正常停機發生后，無法根據風機關鍵參數記錄排查故障的問題。

自主研發的全國產風機控制系統具有以下技術特點：

（1）軟硬件自主研發，100%國產化；

（2）橫向排列背板插槽式，模塊化、無風扇設計；

（3）具有全面通信和網絡功能，簡便實現分布式結構；

（4）多重冗余，雙機，雙底座，雙總線、雙網，雙電源；

（5）寬溫設計工作溫度：-40°C～+70°C；

（6）高防設計：電磁兼容滿足EMC IIIA，防潮濕、防煙霧、防霉菌；

（7）完全基于IEC 61131-3國際標準進行開發的軟件平臺，支持5種國際標準編程語言和C語言；

（8）圖形化編程和調試工具，工程組態和編程更加簡便、快捷；

（9）支持在線編程、下載、調試和維護；

（10）站管理方便（支持多站和多庫、樹型管理），任務配置靈活（多任務類型，優先級調度）；

（11）豐富的運算控制功能（集成上百種算法塊）；

（12）信息安全和日志功能（工程加密、算法加密）；

（13）智能的輔助功能（智能識別輸入助手支持交叉引用列表）；

（14）完善的仿真功能，實時的在線監測功能（1ms數據采集）；

（15）支持多種通訊協議。

5　應用效果

自主研發的全國產風機PLC控制系統在國能聯合動力智慧能源（張家口）有限公司康保舊局風電場13#和21#風力發電機組（2.0MW）以及28#風力發電機組（3MW）代替原巴赫曼控制器獲得成功應用，自2022年8月9日第一臺2MW機組投入運行和2022年9月28日3.4MW機組投入運行以來，機組運行平穩，各項性能指標良好，自運行以來的發電量與改造前按照運行風況折算后相當。實施全國產PLC主控系統替代改造后2.0MW和3.40MW風力發電機組功率曲線如圖1、圖2所示。

圖1 2MW風力發電機組功率曲線

圖2 3.4MW風力發電機組功率曲線

自主研發的全國產風機PLC控制系統在國電科技環保集團股份有限公司赤峰風電公司風光電場7臺1.5MW機組替代原倍福PLC成功實現應用，自投入運行以來，機組運行平穩，硬件設備未發生故障，未因為主控系統軟硬件問題發生停機事件，風力發電機組運行效果良好，風力發電機組功率曲線如圖3所示。

圖3 1.5MW風力發電機組功率曲線

從風力發電機組的運行功率曲線看，優于風力發電機組的設計功率曲線，風力發電機組穩定可靠運行，滿足風力發電機組的各項性能指標。

自主研發的全國產PLC替代改造過程中，軟件的參數不需要進行調整，對機組的機械結構不產生任何影響，改造方案簡單，改造成本較低，不但提高了風力發電機組適應環境變化的能力，同時保證了后續的運維備件供應，說明自主研發的全國產化控制器滿足風力發電機組運行要求，提供了風力發電機組主控系統可以復制推廣的全國產化方案，具有極高的推廣應用價值。

項目成果的成功示范應用，解決了風電領域核心控制系統“卡脖子”問題，實現了風電領域工控系統的自主安全可控，提高了我國風電行業安全運行水平。

摘自《自動化博覽》2023年9月刊