北京康拓科技有限公司 江宏

1 綠色能源概述

能源問題日益制約著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，綠色能源是國家能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一，綠色能源在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著重要角色，也在節(jié)能減排及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮著重要作用，一般來說綠色能源具有以下的特點(diǎn)：

· 綠色能源一般是指可再生能源，如水能、生物能、太陽能、風(fēng)能和海洋能，這些能源消耗之后可以恢復(fù)補(bǔ)充。同時也指在能源生產(chǎn)、消費(fèi)過程中對環(huán)境污染小的能源。

· 綠色能源發(fā)電要解決并網(wǎng)問題，只有并網(wǎng)發(fā)電才能提高發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量。各種能源的并網(wǎng)發(fā)電要克服很多技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，這是擺在綠色能源面前的新課題。

總體來說，電力設(shè)備的智能化是解決這種綠色能源新課題的關(guān)鍵手段，也是當(dāng)今智能電網(wǎng)的核心內(nèi)容。北京康拓科技有限公司工控事業(yè)部（簡稱康拓工控）是電力行業(yè)智能化設(shè)備的專業(yè)供應(yīng)商，為新能源并網(wǎng)發(fā)電、電力裝備智能化做出了積極的嘗試和探索，研發(fā)生產(chǎn)的智能化產(chǎn)品已在國內(nèi)智能電網(wǎng)和高端裝備中大量配套應(yīng)用，受到電力用戶和集成商的認(rèn)可。

2 智能電網(wǎng)大機(jī)遇

按照國家電網(wǎng)公司《關(guān)于加快推進(jìn)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的意見》，其中2011～2015年為智能電網(wǎng)全面建設(shè)階段，投資額約2萬億元。智能電網(wǎng)建設(shè)直接帶動高壓、特高壓變電站以及智能數(shù)字化配電站未來10年的快速發(fā)展。滿足智能電網(wǎng)需求的變配電解決方案也要與時俱進(jìn)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)度和協(xié)調(diào)處理，從總體上節(jié)約用電成本。智能電網(wǎng)是對各種綠色能源并網(wǎng)發(fā)電的兼容和集成。

智能電網(wǎng)的本質(zhì)要求就是設(shè)備智能化及其互聯(lián)，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

· 電流等模擬量采用光纖輸出；

· 合并單元、智能終端等都采用IEC61850通訊協(xié)議互聯(lián)。

通過對以上技術(shù)的實(shí)現(xiàn)才能滿足智能電網(wǎng)對智能化的本質(zhì)要求，才能實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)“堅強(qiáng)、自愈、兼容、集成、優(yōu)化”的特性。按照目前一座廠站級智能數(shù)字化變電站的系統(tǒng)架構(gòu)可以劃分為站控層、間隔層和過程層，通過近幾年的實(shí)踐和探索，筆者認(rèn)為隨著電網(wǎng)各個裝備智能化程度的深入和提高，以省網(wǎng)為區(qū)域的系統(tǒng)架構(gòu)會更加簡潔和扁平化，提高電網(wǎng)裝備智能化的水平關(guān)鍵是將高檔工控機(jī)應(yīng)用在各種裝備的智能化配套單元中，以下介紹幾種典型的智能化解決方案。

2.1 變壓器智能化解決方案

變壓器是電網(wǎng)中最基礎(chǔ)的一次設(shè)備，一次設(shè)備智能化是大勢所趨，智能電網(wǎng)對變壓器智能化的要求體現(xiàn)在：

· 可以對大型電力變壓器進(jìn)行在線監(jiān)測，具有同步采集功能，數(shù)據(jù)量大；

· 智能化裝置由雙系統(tǒng)模塊構(gòu)成，即高速數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析模塊、前端數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)初步處理模塊；

· 智能化裝置要具有豐富的通訊接口，例如同步網(wǎng)口（IEEE1588/IEC61588）、同步串口、通用串口（RS485/232）和光口；

· 可靠性高，適合室外工作環(huán)境。

在實(shí)際應(yīng)用時的解決方案是將變壓器智能化裝置進(jìn)行工業(yè)控制計算機(jī)定制化設(shè)計，統(tǒng)稱為變壓器監(jiān)測單元，技術(shù)特性體現(xiàn)在以下幾個方面：

· 監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)處理模塊采用Intel Pentum M處理器設(shè)計，運(yùn)行windows XP Embedded 及SQL server2000數(shù)據(jù)庫軟件；

· 監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)采集模塊采用AMD LX800處理器設(shè)計，運(yùn)行RTLinux系統(tǒng)，執(zhí)行KW組態(tài)軟件下載的程序；

· 監(jiān)測單元的I/O容量為16通道高速AI、8通道RTD、48通道輸入節(jié)點(diǎn)DI和12通道繼電器輸出DO。

2.2 高壓開關(guān)智能化的解決方案

高壓開關(guān)尤其是氣體絕緣全密封開關(guān)設(shè)備（GIS）對智能化程度要求越來越高，光纖傳感技術(shù)和微機(jī)（工業(yè)控制計算機(jī)）處理技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)今開關(guān)設(shè)備智能化發(fā)展的主要標(biāo)志，它們的結(jié)合應(yīng)用可以完成高壓開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢測和故障診斷，從而能夠提高高壓開關(guān)設(shè)備的智能化水平。

圖1是高壓開關(guān)配套應(yīng)用的智能主機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)圖，主處理器采用高性能PowerPC，輔助處理器采用DSP+FPGA的模式，具有很好的應(yīng)用效果。

圖 1 高壓開關(guān)配套應(yīng)用的智能主機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)圖

高壓開關(guān)的智能主機(jī)在技術(shù)上體現(xiàn)在以下幾個方面：

· 合并單元提供4路FT3接口，接收電流互感器光纖數(shù)字信號，符合IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)；

· 合并單元提供4路光纖以太網(wǎng)接口，通信采用

IEC61850-9-1通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)過程層和間隔層的快速SV值互聯(lián)；

· CPU單元具有IRIG-B對時功能，通過B碼脈沖和其它板卡精確對時。CPU同時也具備保護(hù)功能；

· 高壓開關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也智能化，如CB單元、DS/ES單元，都通過光以太網(wǎng)和智能主機(jī)的I/O板卡連接，實(shí)現(xiàn)集成。

2.3 間隔層二次保護(hù)系統(tǒng)

間隔層的繼電保護(hù)系統(tǒng)屬于二次設(shè)備，二次保護(hù)系統(tǒng)在設(shè)計上的趨勢是完全基于網(wǎng)絡(luò)化，設(shè)備互聯(lián)的通信協(xié)議遵守IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，核心保護(hù)算法可以通過開發(fā)工具下載和配置，具體的技術(shù)需求可以體現(xiàn)在如下：

· 保護(hù)系統(tǒng)能夠接收SV值、開關(guān)位置、刀閘位置、開關(guān)本體等數(shù)字信號；

· 能夠接收保護(hù)跳合閘、手合/分刀閘、地刀控制的GOOSE命令，并輸出相應(yīng)動作接點(diǎn)；

· 出口動作速度快，從收到GOOSE報文到出口繼電器動作＜8ms，并且基本不受GOOSE網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的影響。

針對這些技術(shù)需求，在二次保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計時采用了網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，系統(tǒng)由多種處理器板卡構(gòu)成，系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在：

· POWERPC板卡負(fù)責(zé)保護(hù)算法運(yùn)算、完成IEC61850的通信任務(wù)；

· ARM板卡主要完成通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換、人機(jī)界面應(yīng)用；

· 對時板卡，完成GPS對時/IRIG-B碼對時功能，滿足電力繼電保護(hù)應(yīng)用要求。

北京康拓科技有限公司二次保護(hù)系統(tǒng)總體采用了POWERPC+ARM+FPGA的集成方案，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、性能優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)，目前已成功應(yīng)用到電力繼電保護(hù)裝置中。

2.4 電網(wǎng)故障錄波分析儀

錄波分析儀的功能是對電網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行故障監(jiān)測和錄波回放，是智能電網(wǎng)下各種綠色能源（如風(fēng)電、光電等）并網(wǎng)運(yùn)行的重要測試設(shè)備，其功能特點(diǎn)體現(xiàn)如下：

· 錄波裝置保留了傳統(tǒng)的模擬量采集接口，如能采集電流、電壓值等；

· 同時錄波裝置具有FT3光接口，采集電網(wǎng)線路的光纖電流信號。圖2是設(shè)計的故障錄波分析裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 故障錄波分析裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖上可以看出，系統(tǒng)采用雙總線架構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲采用AT96總線，信號采集采用DSP自定義總線，同時采用DSP處理器和FPGA數(shù)據(jù)傳輸方式，大大提高每周波數(shù)據(jù)采集量。

錄波分析儀采用嵌入式工控機(jī)，6U尺寸機(jī)械結(jié)構(gòu)，堅固耐用，具有大容量數(shù)據(jù)存儲和通信功能，通信協(xié)議采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了智能電網(wǎng)集成、優(yōu)化的特性。

3 海洋波浪發(fā)電控制

海洋波浪能的前景十分廣闊，波浪能是海洋波浪在風(fēng)的作用下產(chǎn)生的能量，是正在興起的用于發(fā)電的綠色能源，控制系統(tǒng)在波浪能發(fā)電中起著非常重要的作用，海洋波浪能的控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

· 控制系統(tǒng)在海上封閉的空間里運(yùn)行，溫度和濕度變化區(qū)間都很大；

· 因工作環(huán)境長期無人值守，對控制系統(tǒng)的可靠性和安全性要求很高。

海浪發(fā)電控制系統(tǒng)架構(gòu)分岸上監(jiān)視系統(tǒng)（如圖3所示）和海上執(zhí)行控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)最為核心，包括鼻端控制模塊和關(guān)節(jié)控制模塊。

圖3 岸上監(jiān)視系統(tǒng)示意圖

針對上述要求，我們認(rèn)為控制系統(tǒng)的核心是采用滿足要求的工業(yè)計算機(jī)，實(shí)際應(yīng)用的是PXI5000系列工控機(jī)產(chǎn)品，形成的解決方案如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)示意圖

鼻端控制模塊的功能如下：

· 鼻端控制模塊包含雙熱備計算機(jī)、光纖交換機(jī)、高速路由器、鼻端控制單元、GPS模塊、UHF模塊和WIFI模塊；

· 鼻端控制單元采集鼻端的環(huán)境信息以及變壓器的信息，對變壓器開關(guān)進(jìn)行控制，對鼻端中的直流供電系統(tǒng)進(jìn)行控制；

· 控制計算機(jī)單元基本采用PXI5000系列工控機(jī)，滿足特定的環(huán)境和可靠性要求。

關(guān)節(jié)控制模塊的功能如下：

· 關(guān)節(jié)控制模塊采用PXI工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)4種功能：關(guān)節(jié)環(huán)境控制、波液換能缸控制、液壓馬達(dá)控制、直流供電控制；

· 關(guān)節(jié)環(huán)境控制節(jié)點(diǎn)測量液壓系統(tǒng)的溫度、壓強(qiáng)、直流供電系統(tǒng)的電流等；以及測量環(huán)境是否進(jìn)水等；并控制隔離閥以及熱交換通道等；

· 波液換能缸控制節(jié)點(diǎn)測量波液換能缸腔室的壓強(qiáng)及位移等，控制腔室和高壓艙、低壓儲油艙連接的電控閥門；

· 液壓馬達(dá)控制節(jié)點(diǎn)測量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、不同相的電壓和電流、發(fā)電機(jī)溫度、軸承溫度，調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)排量；

· 直流供電控制測量液壓系統(tǒng)的密封壓強(qiáng)并控制直流供電。

與PXI5000工控機(jī)相互配套應(yīng)用的還有高效的軟件系統(tǒng)，包括：

· 符合OSADL標(biāo)準(zhǔn)的RTlinux實(shí)時操作系統(tǒng)和Proconos-ECLR實(shí)時任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)；

· 岸上監(jiān)控系統(tǒng)和海上實(shí)時控制系統(tǒng)的通信軟件。

軟件開發(fā)工具基本采用符合國際IEC61131-3的編程組態(tài)化軟件，通過組態(tài)化軟件可以根據(jù)控制流程開發(fā)核心控制算法，已經(jīng)開發(fā)的主要包括以下軟件模塊：

· 鼻端工控機(jī)軟件：向監(jiān)控軟件發(fā)送實(shí)時數(shù)據(jù)信息，接收監(jiān)控軟件的操作指令；

· 鼻端快速路由軟件：根據(jù)監(jiān)控軟件指令，實(shí)現(xiàn)主備份切換及GPS功能；

· 鼻端控制單元軟件：完成鼻端控制器和各個發(fā)電機(jī)的互鎖機(jī)制；

· 關(guān)節(jié)控制單元軟件：接收鼻端工控機(jī)的指令，執(zhí)行要求的程序。

4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制

針對大型風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)，我們在系統(tǒng)設(shè)計時采用PXI5000系列工控機(jī)作為控制平臺，著重關(guān)注控制技術(shù)的運(yùn)用，針對風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)級設(shè)計，為風(fēng)力及風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制提供了切實(shí)可行的解決方案。

采用PXI5000系列工控機(jī)能夠保證長時間正常運(yùn)作，尤其考慮到系統(tǒng)的安全性，包括人身安全，同時在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)：

· 充分利用成熟的PXI模板設(shè)計技術(shù)和豐富的PC資源；

· 采用標(biāo)準(zhǔn)PXI總線產(chǎn)品，突破總線帶寬的瓶頸；

· 系統(tǒng)具有良好的EMC特性和環(huán)境適應(yīng)性；

· 軟件標(biāo)準(zhǔn)化，并且容易編程和操作。

風(fēng)力發(fā)電的測量參數(shù)很多，PXI5000主要測量如下：

· 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；

· 電機(jī)電壓、電機(jī)電流；

· 發(fā)電機(jī)溫度、電機(jī)齒輪箱油位、控制箱溫度；

· 大氣壓力、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣溫度、大氣濕度；

· 機(jī)艙振動；

· 艙內(nèi)溫度。

PXI5000對風(fēng)力發(fā)電的控制參數(shù)主要如下：

· 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速報警保護(hù)，過速離合控制；

· 對發(fā)電機(jī)電流錄波，并進(jìn)行過流保護(hù)；

· 發(fā)電機(jī)溫度報警保護(hù)；

· 電機(jī)齒輪箱油位自動控制；

· 控制箱溫度控制；

· 偏航控制。

除了采用PXI5000系列工控機(jī)，系統(tǒng)還選擇適合風(fēng)電應(yīng)用的系列軟件產(chǎn)品，目前包括：

· 控制算法編程軟件KTPROG；

· 圖形畫面編程軟件KTView；

· 控制器嵌入實(shí)時、多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS；

· 同其它軟件交換數(shù)據(jù)的接口軟件OPC Server；

· 滿足風(fēng)力發(fā)電行業(yè)工藝的特殊軟件包KTTool。

目前在風(fēng)電中的解決方案的技術(shù)特點(diǎn)適合風(fēng)力發(fā)電的工作環(huán)境，在實(shí)際應(yīng)用時可以歸納以下特點(diǎn)：

· 通訊能力強(qiáng)：具有RS232/422/485和以太網(wǎng)接口，滿足未來智能電網(wǎng)對通訊能力的高要求；

· 抗震性好：板卡頂端和底部裝有導(dǎo)軌，前面板緊固裝置將前面板與周圍機(jī)架安全地固定在一起；

· 板卡垂直安裝，與母板間采用針孔連接器連接，具有很強(qiáng)的抗沖擊、抗振動、利于散熱的能力；

· 標(biāo)準(zhǔn)6U鋁機(jī)箱，EMC、ESD性能好，抗干擾能力強(qiáng)。

光伏發(fā)電作為小型風(fēng)力發(fā)電的補(bǔ)充能源，通過對逆變電源的監(jiān)測和控制可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)、并網(wǎng)控制，我們專門設(shè)計了工控機(jī)用作MPPT控制和逆變器并網(wǎng)發(fā)電控制，最大限度地挖掘太陽能電池板的能力，并安全、有效地輸送到電網(wǎng)中。工控機(jī)的硬件平臺采用PowerPC 8313+FPGA構(gòu)成主電路，PowerPC 8313處理器負(fù)責(zé)上行通信、數(shù)據(jù)采集、保護(hù)邏輯處理、SPWM算法計算、PWM最大頻率跟蹤點(diǎn)算法、液晶驅(qū)動控制等，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)PWM脈沖處理及緩存、數(shù)據(jù)采集及緩存、I/O擴(kuò)展等。

5 結(jié)束語

綠色能源是國家未來新型的戰(zhàn)略能源，也是節(jié)能減排的重要手段，如何有效利用綠色能源并網(wǎng)發(fā)電、為社會需求提供服務(wù)是擺在目前的新課題，發(fā)電裝備智能化是一種有益的探索。