1、 项目背景

预计“十四五”风电新增规模在2.3亿千瓦左右，年均装机容量将达到4500万千瓦以上，风电对我国电力能源安全的重要性日益凸显。PLC及主控系统作为风力发电机组的核心控制器件和电力系统数据基础单元，对电力系统安全以及风力发电机的安全、高效运行至关重要。

当前风电用PLC（可编程逻辑控制器）仍依赖进口，主要包括德国Beckhoff的CX系列、奥地利Bachmann的MC系列、德国Siemens S7-1500系列等，底层CPU芯片均系进口，关键核心器件严重受制于人，对风电行业的平稳发展和国家重要电力基础设施的安全运行构成严重威胁。研制风电领域自主可控工控核心产品，构建以新能源为主体的新型电力系统，解决关键技术卡脖子问题，是贯彻新发展理念，落实国家双碳目标的关键举措。

中国电子集团与中国华能集团积极开展关键基础设施能源领域的国产化工业控制系统改造，中电智能科技有限公司和北京华能新锐控制技术有限公司联合开展国产风力发电机组控制系统研制。该系统采用国产信创产品，以飞腾芯片、国产PLC、逻辑组态软件SC-Prosys、监控组态软件SC-Proview为基础，充分利用华能集团风电领域的技术和产业优势，自主开发风电机组控制系统和控制策略，全面开展推广应用和产品迭代。项目分别在吉林同发华能风电场和山东东营华能河口风电场选择50台主流机型进行国产风力发电机控制系统进行改造及示范应用(共计100台套)，充分在不同地域、不同气候环境进行国产自主可控风机主控系统的推广验证。

2、 项目目标与原则

项目设计本着从实际出发，以充分实现自主可控、安全可信为原则，以解决风力发电企业实际困难为目标，以提高风机运行小时数、降低故障率、提高发电量为考核指标，完成华能集团两个风场合计100台套的1.5MW风力发电机组的主控系统国产化改造项目，解决因进口PLC停产、风机运行故障率高等长期困扰风力发电企业的难题。同时也是全国首个基于安全先进绿色计算体系，完全国产、自主、可控的国产风机主控系统的批量示范应用。

3、 项目实施与应用情况

3.1 项目规划

项目首次实现风电领域的国产风力发电机组主控系统的批量化应用，替代原进口产品，解决长期困扰风力发电企业无备品备件可用、风机故障率高的难题，充分验证国产风力发电机组主控系统的可行性和稳定性。打破长期依赖国外厂家在该领域的垄断地位，实现国家关键基础电力设施安全、自主、可控，为面向全国的推广和普及起到带头示范作用。

3.2 实施和应用详细情况

该项目选择在吉林同发和山东东营两个风场进行共计100台套的风力发电机组主控系统改造，同发风场50台，东营风场50台。机组为SL1500风力发电机组，原主控系统采用ABB风电PLC产品，该系列产品已经停产多年导致风力发电企业备品备件紧张、价格昂贵且故障率较高。此次替换改造主要以实现全面替代原进口PLC为目标，同时优化风机主控系统控制策略和控制机制，降低风机故障率、提高风机运行小时数、提高发电量。

图1 国产风力发电机组主控系统架构图

3.3 项目创新性

（1）研制了核心芯片全国产的高性能PLC，并首次实现百台套规模化应用。提出了基于国产高性能四核处理器的多级反馈队列调度算法和基于流固耦合传热模型的高效散热方法，实现了国产PLC模块在资源受限下的性能最优，位、字节、整型、浮点型指令处理速度分别达到2ns、2ns、2ns、7ns，系统最小任务周期可达1ms。利用PCIE高速总线进行功能转换，扩展千兆高速以太网、高速存储等接口，总线轮询周期最小可达到200μs，数据存储速率达到120Mbps，基于国产操作系统和QT框架开发了可跨平台的程序编译软件，实现了风电PLC系统核心芯片、嵌入式操作系统和程序编译软件等全国产化，首次实现多机型、多场景规模化应用。

（2）首次提出风电自主可控PLC的代码安全及网络安全方法，实现风电自主可控产品的内外安全。提出了一种具有异常保护及诊断的工业代码生成技术，通过加密校验、身份确认等安全保护技术，实现了风电控制系统从逻辑组态到控制逻辑编译下载、启动、运行等全过程的内置安全；发明了一种基于规则描述语言的网络动态配置过滤规则的方法，对通信数据包深度解析,通过配置白名单规则，对不满足规则的数据包进行过滤并报警，实现了风机侧控制网络的安全防护。

（3）首次实现了基于自主可控PLC和操作系统的风电场-机协同的载荷优化控制策略。在国产PLC系统和编译规则基础上，自主设计了风电机组控制底层函数库及运行控制策略，提出了基于不同尾流效应提出多影响因素的机组载荷优化方法，通过多目标协同降低了尾流、阵风、叶轮不平衡度等工况对机组载荷的影响，分量载荷最大降低8.33%。设计了基于场站数据统计的风电偏航偏差辨识及纠偏方法，年发电量提升1.49% 。

2022年8月，项目通过了以院士为组长的技术鉴定，整体技术达到国际先进水平。

图2 科技成果鉴定证书

3.4 项目重点

项目采用国产PLC实现100套SL1500风机主控系统国外品牌PLC替代，在吉林、山东不同区域，充分验证国产自主可控PLC在风电领域批量应用的可行性。解决长期困扰风力发电企业的备品备件难题，解决该领域的卡脖子难题，实现从底层芯片硬件到顶层应用软件、从设计开发到实施运行，全流程的国产自主可控。

项目底层核心CPU采用国产飞腾4核高性能芯片，PLC-采用国产嵌入式实时操作系统，支持4GB内存，支持32GB外部存储，支持快速数据存储。风场监控系统采用北京华能新锐控制技术有限公司自主研发的风场SCADA系统，计算机采用国产长城主机，保障数据的安全性、保密性。

3.5 项目中难点问题及解决思路

3.5.1 难点问题

（1）风机数据量大，在此之前还没有在风电领域批量采用全国产技术的先例，该项目为全国首例；

（2）全流程国产解决方案，从底层芯片到上层应用，从设计开发到实施应用全部采用国产解决方案。尤其是国产操作系统和设计开发软件的应用，给风机主控程序的设计和开发带来非常多的限制和困难，有些以前常用的设计方法、程序算法、调试手段，在国产生态环境中无法使用。

（3） 工期紧，项目施工期间不能影响风力发电企业的照常生产运行。PLC是整个风机运行的指挥中心，风机替换PLC相当于进行大脑手术。既要完成PLC替换任务，又不能影响风力发电企业的生产运行，难度非常大。

（4） 机型多种多样，虽然风机的型号都是SL1500，但这100台风机并不完全相同，有的风速风向仪型号不同、有的变桨系统不同、有的偏航系统不同，仅风速风向仪就有3种型号。风机主要设备的不统一，为批量应用增加了不少难度。

（5） 国产芯片在风电领域“水土不服”，风机上空间狭小、电磁环境复杂，部分国产芯片尤其是通讯类芯片无法正常工作。

（6）风机震动导致模块现场总线不稳定，风机发电时、偏航时机舱震动比普通设备大的多，导致模块现场总线出现不稳定的情况。

3.5.2 解决思路

（1）对风机情况进行摸排，为搞清楚项目风机的具体情况提前对现场风机进行了多次摸排确认，对风机类型进行细分。发现除了风机设备的不同之外，由于风机多年的运行老化，每台风机都存在不同程度的差异。在风机根据主要设备进行分类的基础上，一机一策，制定处理预案提前准备相关物料。

（2） 开发设计人员解放思想，群策群力。全国产设计开发环境在实际应用中还存在着非常多的不足，有很多经验总结的控制策略、调试手段无法实现，只能抛弃以往经验从头开始。根据国产生态环境的特性另辟蹊径，组织专家会议，风机主控开发人员和SC-Prosys开发人员联合研究项目难题解决方案，满足项目实施需要。

（3） 协调芯片、通讯总线等底层开发人员到现场进行分析解决。实验室就是前线，前线就是实验室。充分发挥央企联合体强强联手优势，组织协调从芯片开发、链路设计到应用设计全流程专家，实验室和前线一体化，联合作战攻克关键难点。

（4）紧抓施工窗口期。为了既能完成PLC替换任务，又能保证不影响风力发电企业的生产运行，项目组根据天气情况选择在无风天或小风天进行改造作业。天气瞬息万变，施工窗口期非常难得也非常难把控，项目组为适应天气的变化提前做好充足的物料和人员准备，实施改造作业前把不影响风机发电的工作先做完，窗口期到来时就全力进行改造作业。

4、 效益分析

社会效益：

·  首次100套风力发电机组进行国产主控系统应用，为国产PLC在风电领域的批量化应用积攒了丰富的项目经验，起到良好的示范效果。

·  完成了风电领域从底层芯片到上层应用以及设计开发环境的全流程国产应用。充分发挥了央企强强联手的优势，体现了央企的国家使命，打破国外品牌的垄断。

·  首次实现了关键基础设施领域工业控制系统全范围国产自主安全化。

经济效益：

成功解决困扰风力发电企业已久的国外PLC停产难题，降低风机故障率25%，提升发电量2.3%。

我国风电并网装机容量突破3亿千瓦，较2016年底实现翻番，是2020年底欧盟风电总装机的1.4倍、美国的2.6倍，已连续12年稳居全球第一。本次项目的顺利完成并取得显著的效果，代表风电领域国产PLC应用取得成功，全国推广后存量市场预计可创造100亿的经济价值，风机新增装机每年预计可创造10亿的经济价值。

吉林同发50台实施完成

风力发电在能源系统中占有非常重要的地位，是非常好的清洁可再生能源，能源基础设施自主、安全、可控，对国家安全具有非常重要的意义。该项目是全国首个基于安全先进绿色计算体系，完全国产、自主、可控的国产风机主控系统的批量示范应用，充分验证国产风机主控系统方案的稳定性和可推广性，为该系统更大更全面的普及和推广奠定了坚实的基础；同时，在不同区域、不同气候环境对风电控制系统进行国产PLC批量应用具有非常重要的示范意义和科学价值。该项目案例材料真实、数据准确、内容详尽、完整，具有较高的社会效益和经济效益。