★国能智深控制技术有限公司，北京市电站自动化工程技术研究中心，国家能源集团工控系统研究中心黄焕袍，商宁

★国家能源集团联合动力技术有限公司申艳杰，朱海涛，董健

★国能思达技术有限公司吴小锋，朱莲

1　背景

“双碳”背景下构建以新能源为主体的新型电力系统进程在加速推进，近些年来风电、光伏发电等持续快速发展，我国风电装机容量世界第一，风电控制系统国产化替代市场空间巨大。风机PLC是风电机组运行控制的“大脑”和“神经中枢”，对风电机组的安全高效稳定运行至关重要。长期以来，国外品牌几乎垄断了风电机组控制系统核心产品市场，国内各大风电整机厂商的风电机组PLC控制器设备均为国外品牌，存在安全和“卡脖子”风险，因此开展风电机组PLC控制系统的国产化替代研发和应用，实现风电机组PLC控制系统的安全自主可控，对保障能源电力运行安全具有非常重要的战略意义。

2　应用项目

应用风电场项目为国能联合动力智慧能源（张家口）有限公司康保旧局风电场2.0/3.4MW联合动力风机和国电科技环保集团有限公司赤峰风电公司大于营风光电场1.5MW联合动力风机。

赤峰大于营风光电场一期（大于营）项目建设规模49.5MW，于2010年4月15日正式开工建设，安装国电联合动力科技有限公司生产的UP77—1500 IIA+型风电机组33台，2011年6月29日首台风机并网，2011年7月21日风机全部并网发电，2012年8月2日完成240小时试运行试验。风电机组采用三叶片、上风向、水平轴、双馈异步发电机、变流器并网等技术，轮毂高度均为65m，风轮直径分别为77.36m，额定功率1500kW，额定风速11.1m/s，切入风速3m/s，切出风速25m/s。国能联合动力智慧能源（张家口）有限公司康保风电场位于河北省西北部、张家口市康保县境内。风电场中心位置距县政府所在地大板镇约35km，距离张家口市市政府所在地119km。一期装机容量为50MW，由25台联合动力产2MW风电机组构成，于2020年12月31日投产运行。二期装机容量为50MW，由1台联合动力产3MW风电机组和11台联合动力产3.4MW风电机组以及2台联合动力产4.8MW风电机组构成。风机出口电压等级为690V，经风机箱式变压器将电压升至35kV后送入汇流线（旧局1线、旧局2线、旧局3线、旧局4线四条分支线），由35kV汇流线送至35kV母线，经1号主变升压至电压等级220kV后送入电网。

3　应用实施情况

对于新建风力发电机组的应用，则按照风力发电机组的运行环境及控制需求，进行风力发电机组主控系统的功能设计，完成硬件软件配置、集成、测试和现场应用；对于在风力发电机组主控系统的国产化替代改造，则按照已有的风机控制系统的配置，结合新研发的主控系统特点进行柜内电气设计和硬件集成设计并完成装配，其中涉及到的接线的匹配、供电适应性及改造、系统的接地特点等按照原风力发电机组主控系统的相关配置进行匹配。

2.0/3.4MW风机PLC主控系统全国产替代改造：2022年8月在国能联合动力智慧能源（张家口）有限公司康保忠义风电场13#和21#风电机组（2.0MW）、28#风电机组(3.4MW)开展了PLC主控系统全国产化替代改造（替代原巴赫曼控制器），国产化率为100%，自2022年8月9日第一台2MW机组投入运行，2022年9月28日3.4MW机组投入运行以来，机组运行平稳，各项性能指标良好，自运行以来的发电量与改造前按照运行风况折算后相当。

PLC控制器是国能智深公司自主研发的针对风机应用环境设计开发的一款全国产化控制器P2-CU31，采用4×1.2GHz全国产ARM处理器，嵌入式操作系统采用裁剪优化的实时Linux操作系统，具有运算速度快、功耗低等优点，控制器性能得到了显著提升与优化。主控系统I/O卡件也进行了全国产卡件替换：DI卡7块、DO卡4块、AI卡2块、RTD卡4块、SSI卡1块、RCS卡1块，CAN卡1块。主控系统与变桨、变流系统及电能质量模块通讯方式为CANOpen通讯模式，与中控平台SCADA采用ModBusTCP协议。

1.5MW风电机组全国产PLC主控系统升级改造：2022年12月，国能智深公司完成赤峰大于营风场7台1.5MW机组全国产PLC主控系统升级改造，机组运行平稳，自投入运行以来，硬件设备未发生故障，未因为主控系统软硬件问题发生停机事件，风电机组运行效果良好。

升级的全国产I/O卡件包括：DI卡5块、DO卡4块、AI卡2块、RTD卡4块、SSI卡1块、BFC卡2块。主控系统与变桨、变流系统及电能质量模块通讯方式为CANOpen和PROFIBUS-Dp通讯，与中控平台SCADA采用ModBusTCP协议。

4　技术难点和创新点

风电机组控制系统核心产品与核心技术主要是PLC控制器设备、智能化控制技术及控制程序相关设计及应用调试等。风电机组控制系统PLC设备，因其应用环境条件恶劣、地域差异性大以及特殊功能需求等因素，至今国内各大风电整机厂商的风电机组批量应用的PLC控制器设备均为国外品牌，主要有巴合曼、倍福、Mita、贝加莱、西门子、丹控（福氏）等，其中巴合曼、倍福两大国外PLC厂商几乎垄断了国内整个风电PLC控制设备市场。随着风电机组运行环境从陆上到海上复杂多样，整机设计趋向大型化，相应地，风电机组需要更先进及智能化的控制技术和软件程序。国外风电行业发展较早，在风电机组控制技术上较为领先，一些先进的控制技术和控制程序架构国外已经进行了商业化应用。

整体上看，风电机组PLC控制系统软硬件及控制技术国产化主要有以下技术难点：

（1）国产芯片需要达到工业级要求，与进口芯片相比，在散热性和功能性能上还有差距。

（2）专用芯片具有集成功能少、抗干扰能力弱、线性度不足等问题。

（3）调试风机需要专用的毫秒级录播工具和事故追忆软件来协助调试人员调试风机设备的参数和排查故障。

（4）调试工具软件少。

针对上述难点，经项目团队攻关，在控制器散热、I/O模件滤波算法和CPU低负荷高速计算、PLC软件国产化等关键技术方面取得了重大突破。

国能智深全国产风机PLC主控系统具有以下主要创新特点：

（1）设计了基于主从分级控制、数据同步、端口重映射技术等核心计算的控制器系统架构，自主化深度适配openwrt嵌入式liunx操作系统，实现了控制器至简、稳定、高效运行。通过采用服务组件最小化技术，建立用户进程和内核线程协调调度机制，降低了国产CPU负荷。系统内核添加Preempt-rt实时补丁满足硬实时要求。针对复杂计算、多任务、高网络负荷场景，通过优化加解锁技术，优化网络包的顶半部/底半部处理机制，降低以太网通讯延时。解决了高负荷以及负荷波动超标问题，大幅提高系统性能。

（2）自屏蔽滤波算法，通过与典型的脉冲噪声进行对比，算法加减削波权重，解决低频扰动和高速电子脉冲对信号的影响，尤其对差共模干扰和高频脉冲群干扰效果明显。使用芯片大数据温控筛选技术和温度智能补偿技术，结合大数据进行温度阶段性的线性补偿，解决控制系统模拟量输入和输出信号在极限高低温状态下漂移较大的问题，从而使控制系统在-40°C到70°C时能够可靠运行，解决了风机昼夜温差大引起的芯片无法稳定运行问题。

（3）利用大气对流原理，控制器和卡件与机箱采用一体化空气动力场设计，产生了热对流效应，配合电路板的低功耗设计达到了无风扇散热运行。基于弹簧端子和古代卯榫技术中的悬山梢檩、小式箍头枋卯榫结构设计，使卡扣和刻槽之间形成90°的纵向固定力实现自动锁定，达到周期振动3g，冲击30g，国际领先水平，解决风电机组运行时振动大、部件松动等行业难题。

（4）开发了基于代码自识别、自替换及可视化调试技术，实现了不同厂家、不同型号风机主控程序中的C语言代码的转换、集成化编译、下载和调试等功能，解决了基于C语言编写的风机主控代码优于国内外同类产品，技术达到国际领先水平。开发了毫秒级的数据波形文件同步技术，可以实现10毫秒的高速数据缓冲，同时满足30秒前的数据追忆需求，解决了风机非正常停机发生后，无法根据风机关键参数记录排查故障的问题。

自主研发的全国产风机控制系统具有以下技术特点：

（1）软硬件自主研发，100%国产化；

（2）横向排列背板插槽式，模块化、无风扇设计；

（3）具有全面通信和网络功能，简便实现分布式结构；

（4）多重冗余，双机，双底座，双总线、双网，双电源；

（5）宽温设计工作温度：-40°C～+70°C；

（6）高防设计：电磁兼容满足EMC IIIA，防潮湿、防烟雾、防霉菌；

（7）完全基于IEC 61131-3国际标准进行开发的软件平台，支持5种国际标准编程语言和C语言；

（8）图形化编程和调试工具，工程组态和编程更加简便、快捷；

（9）支持在线编程、下载、调试和维护；

（10）站管理方便（支持多站和多库、树型管理），任务配置灵活（多任务类型，优先级调度）；

（11）丰富的运算控制功能（集成上百种算法块）；

（12）信息安全和日志功能（工程加密、算法加密）；

（13）智能的辅助功能（智能识别输入助手支持交叉引用列表）；

（14）完善的仿真功能，实时的在线监测功能（1ms数据采集）；

（15）支持多种通讯协议。

5　应用效果

自主研发的全国产风机PLC控制系统在国能联合动力智慧能源（张家口）有限公司康保旧局风电场13#和21#风力发电机组（2.0MW）以及28#风力发电机组（3MW）代替原巴赫曼控制器获得成功应用，自2022年8月9日第一台2MW机组投入运行和2022年9月28日3.4MW机组投入运行以来，机组运行平稳，各项性能指标良好，自运行以来的发电量与改造前按照运行风况折算后相当。实施全国产PLC主控系统替代改造后2.0MW和3.40MW风力发电机组功率曲线如图1、图2所示。

图1 2MW风力发电机组功率曲线

图2 3.4MW风力发电机组功率曲线

自主研发的全国产风机PLC控制系统在国电科技环保集团股份有限公司赤峰风电公司风光电场7台1.5MW机组替代原倍福PLC成功实现应用，自投入运行以来，机组运行平稳，硬件设备未发生故障，未因为主控系统软硬件问题发生停机事件，风力发电机组运行效果良好，风力发电机组功率曲线如图3所示。

图3 1.5MW风力发电机组功率曲线

从风力发电机组的运行功率曲线看，优于风力发电机组的设计功率曲线，风力发电机组稳定可靠运行，满足风力发电机组的各项性能指标。

自主研发的全国产PLC替代改造过程中，软件的参数不需要进行调整，对机组的机械结构不产生任何影响，改造方案简单，改造成本较低，不但提高了风力发电机组适应环境变化的能力，同时保证了后续的运维备件供应，说明自主研发的全国产化控制器满足风力发电机组运行要求，提供了风力发电机组主控系统可以复制推广的全国产化方案，具有极高的推广应用价值。

项目成果的成功示范应用，解决了风电领域核心控制系统“卡脖子”问题，实现了风电领域工控系统的自主安全可控，提高了我国风电行业安全运行水平。

摘自《自动化博览》2023年9月刊