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   概述

   隨著近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷提升，風(fēng)力發(fā)電占所在電網(wǎng)的比例也隨之持續(xù)增加。眾所周知，風(fēng)能具有高度的隨機(jī)波動(dòng)性與間歇性，所以大規(guī)模的風(fēng)電接入會(huì)對(duì)電力供需平衡、電力系統(tǒng)的安全以及電能質(zhì)量帶來(lái)諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。2011年初發(fā)生在甘肅酒泉等地的多起脫網(wǎng)事故也說(shuō)明了制定風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范的緊迫性。因此,國(guó)家電網(wǎng)提出了風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的技術(shù)規(guī)定，由此產(chǎn)生了電網(wǎng)友好型風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)的概念：

   1、 風(fēng)機(jī)具有有功無(wú)功調(diào)節(jié)和低電壓穿越能力，確保電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)風(fēng)機(jī)不解列；

   2、 風(fēng)電場(chǎng)擁有風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，能夠完成風(fēng)電場(chǎng)48小時(shí)內(nèi)的短期功率預(yù)測(cè)和15分鐘至4小時(shí)的超短期功率預(yù)測(cè)；

   3、 集中優(yōu)化配置有功功率和無(wú)功功率控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制。

   基于以上幾點(diǎn)，不少整機(jī)制造商提出了智能風(fēng)電場(chǎng)的概念，通過風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠遠(yuǎn)程集中監(jiān)控風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行，并能實(shí)時(shí)的對(duì)功率進(jìn)行控制。這些需要有高性能的風(fēng)機(jī)控制器、相應(yīng)的電力測(cè)量設(shè)備和快速的現(xiàn)場(chǎng)總線。德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司基于PC的控制技術(shù)，具有良好的開放性和靈活性，倍福系列產(chǎn)品包括工業(yè)PC、I/O、現(xiàn)場(chǎng)總線組件和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件，高性能的PC和功能齊全的端子模塊可為廣大風(fēng)電客戶提供全面、優(yōu)質(zhì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)電力監(jiān)控解決方案。

   風(fēng)電場(chǎng)的電力監(jiān)控實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)：

   該方案是基于倍福系列產(chǎn)品的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)度實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)方案，如下圖1。
 
                   

                                       圖1 風(fēng)電場(chǎng)電力監(jiān)控實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)

     該方案是基于倍福的工業(yè)PC、電力測(cè)量端子模塊、帶光纖接口的 EtherCAT 耦合器和實(shí)時(shí)的 EtherCAT 技術(shù)。倍福工業(yè)PC上運(yùn)行專用的能量管理平臺(tái)，具有強(qiáng)大的風(fēng)電場(chǎng)電力監(jiān)控功能。該平臺(tái)提供與電網(wǎng)調(diào)度接口，集中實(shí)時(shí)控制風(fēng)電場(chǎng)的電壓、功率等等。保證風(fēng)電場(chǎng)與接入地區(qū)電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行和管理。EtheCAT 光電轉(zhuǎn)換耦合器模塊把能量管理平臺(tái)與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)連接到一起，組成風(fēng)電場(chǎng)電力監(jiān)控實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，可在風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)小于 1 ms 的實(shí)時(shí)控制任務(wù)。專用的電力測(cè)量端子模塊配合特有的低電壓穿越控制模塊監(jiān)控風(fēng)場(chǎng)電網(wǎng)公共接入點(diǎn)和單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)狀況（電壓、頻率、有功、無(wú)功等等）。

   風(fēng)電場(chǎng)電力監(jiān)控實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)方案分為兩部分：

   1 單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電力監(jiān)控，如下圖2
  
               
                                    圖2單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電力監(jiān)控

   該方案采用了倍福嵌入式工業(yè) PC CX5020控制器作為單臺(tái)風(fēng)機(jī)的主控制器，主控制程序基于TwinCAT軟件，運(yùn)用倍福自主開發(fā)完善、高效、成熟的風(fēng)電專用功能庫(kù)，集成先進(jìn)的控制算法，很好的協(xié)調(diào)控制風(fēng)機(jī)各部件和子系統(tǒng)的運(yùn)行。根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)況和風(fēng)電場(chǎng)能量管理平臺(tái)的控制指令，控制風(fēng)機(jī)的輸出電壓、頻率和功率等等，保證風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

   控制器自帶的以太網(wǎng)接口可連接到交換機(jī)模塊 EL6601，可以通過 ADS、OPC、Modbus TCP 等通訊協(xié)議與風(fēng)電場(chǎng)的 SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過 EtherCAT 網(wǎng)橋模塊 EL6692 和擴(kuò)展模塊 EK1110 接入風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，與能量管理平臺(tái)進(jìn)行通訊，滿足對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制的需要。EK1501 作為單臺(tái)風(fēng)機(jī)與風(fēng)電場(chǎng) EtherCAT 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)。
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   L3413 模塊可直接監(jiān)測(cè)單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)的 690 V AC電壓、電流、頻率、有功、無(wú)功、發(fā)電量，以及21次以內(nèi)的諧波等等。風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)通過采集的電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況、相關(guān)的數(shù)據(jù)可通過風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)傳送到風(fēng)電場(chǎng)中控室的能量管理平臺(tái)和 SCADA 系統(tǒng)。

   2 風(fēng)電場(chǎng)公共接入點(diǎn)電力監(jiān)測(cè)，如下圖3
 
                 
                                           圖3 風(fēng)電場(chǎng)公共接入點(diǎn)電力監(jiān)測(cè)

   具有XFC超采樣技術(shù)的電力測(cè)量模塊 EL3773 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)公共接入點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。倍福工業(yè) PC 上運(yùn)行的能量管理平臺(tái)通過 EtherCAT 耦合器接入到風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，采集 公共接入點(diǎn)處和每臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)側(cè)的電網(wǎng)狀況，通過平臺(tái)里專用的控制程序統(tǒng)一調(diào)控整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的電壓、頻率、有功出力和無(wú)功等。

   通訊架構(gòu)：

   1、 風(fēng)場(chǎng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)為環(huán)網(wǎng)方式，使用單模光纖通過 EtherCAT 總線和相應(yīng)的耦合器 EK1501 把風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)連接成通訊環(huán)網(wǎng)。風(fēng)場(chǎng)中的每臺(tái)風(fēng)機(jī)的主控制器CX5020可通過以太網(wǎng)交換機(jī)模塊 EL6601 與 接入風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，并使用 EtherCAT 網(wǎng)橋模塊 EL6692 實(shí)現(xiàn)與能量管理平臺(tái)的實(shí)時(shí)通訊。

   2、 EtherCAT采用開放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，是一種高速以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線，由德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司研發(fā)。EtherCAT 為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，分布于100個(gè)節(jié)點(diǎn)的1000個(gè)開關(guān)量刷新時(shí)間僅為30µs，同時(shí)，它還明顯降低了現(xiàn)場(chǎng)總線成本。EtherCAT 的特點(diǎn)還包括分布式時(shí)鐘，可選線纜冗余和功能性安全協(xié)議(SIL3)。采用 XFC （極速控制）技術(shù)后，利用時(shí)間戳可獲得小于100 ns的時(shí)間分辨率。

   關(guān)鍵設(shè)備：

   1、 CX5020 

   CX50x0系列是符合標(biāo)準(zhǔn) DIN 導(dǎo)軌安裝方式、無(wú)風(fēng)扇、寬溫型的嵌入式控制器，CX50x0采用 Intel Atom 低功耗處理器，CPU 主頻可達(dá)1.6 G。帶有兩個(gè)獨(dú)立的千兆以太網(wǎng)端口和四個(gè) USB 2.0 接口，可以通過 DVI 接口與倍福控制面板或標(biāo)準(zhǔn) DVI 顯示器相連。根據(jù)需要，也可添加一個(gè)串口（RS232/RS422/RS485）或具有主站或從站功能的現(xiàn)場(chǎng)總線接口。位于蓋板后面并可從外部拆裝的可互換的 CF 卡作為引導(dǎo)和存儲(chǔ)介質(zhì)。CX5000 系列還內(nèi)置了一個(gè) 1 秒鐘 UPS，可確保在 CF 卡上安全備份持久性應(yīng)用數(shù)據(jù)。

   2、 EK1501 /EK1521

   帶光纖接口的EhterCAT 耦合器和接口模塊；具有EtherCAT 的光電轉(zhuǎn)換和耦合功能。使用帶單模的光纖接口的耦合器和接口模塊，可以實(shí)現(xiàn)EhterCAT光纖線纜冗余系統(tǒng)，最遠(yuǎn)的距離可達(dá)20千米。

   3、 EL3413

   專為風(fēng)電設(shè)計(jì)，用于單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力監(jiān)測(cè)，不需要電壓互感器可直接接入 690 V AC。檢測(cè)電流信號(hào)的通道是相互隔離的，可以與各種通用的電流互感器進(jìn)行連接。該電力測(cè)量模塊能對(duì)電壓、電流、頻率、有功，無(wú)功，功因、發(fā)電量，上至21次諧波等等相關(guān)指標(biāo)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

   4、 EL3773

   超采樣電力測(cè)量模塊 EL3773 采用倍福 XFC 技術(shù)，6個(gè)通道可同時(shí)以100µs的精度進(jìn)行采樣，基于采樣所得的電流電壓，客戶可以計(jì)算出真有效值及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自定義算法。支持分布式時(shí)鐘。

   5、 EL6692 /EL6601

   EL6692用于不同主站的EtherCAT 網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)它還可以同步各個(gè)網(wǎng)段的分布式時(shí)鐘。

   EL6601 為以太網(wǎng)交換機(jī)模塊，用于將以太網(wǎng)設(shè)備與 EtherCAT 端子模塊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式連接，交換機(jī)端子模塊可安裝在 EtherCAT 網(wǎng)段中的任意位置，無(wú)需進(jìn)行任何配置。

   倍福風(fēng)電功能庫(kù)為風(fēng)機(jī)主控開發(fā)帶來(lái)極大的便利

  集合倍福多年風(fēng)電主控系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，為高效成熟的風(fēng)電功能庫(kù)。倍福風(fēng)電功能庫(kù)以模塊化的形式組成，且源代碼完全開放，幫助技術(shù)人員深入理解風(fēng)機(jī)的控制。使用這些功能庫(kù)能夠顯著縮短主控制程序的開發(fā)時(shí)間，也可對(duì)現(xiàn)有程序的主控制架構(gòu)、控制代碼和邏輯進(jìn)行優(yōu)化。其主要軟件模塊有：：

   1 Library Wind Auxiliaries （風(fēng)電輔助庫(kù)）

   2 Library Statuscodes / Statuscode Generator（狀態(tài)碼庫(kù)和生成工具）

   3 Trace Logger（狀態(tài)記錄文件）

   4 Mean-Value Logger（均值記錄）

   5 PowerCurve Logger（功率曲線記錄）

   6 Simulation（風(fēng)機(jī)模擬庫(kù)）

   7 I/O-Generator（I/O 生成工具）

   8 Parameter Generator（參數(shù)生成工具）

   9 Remote Comand Generator（遠(yuǎn)程命令生成工具）

  倍福TwinCAT3軟件

   倍福公司早在1986年就創(chuàng)立了基于PC控制技術(shù)的自動(dòng)化全球標(biāo)準(zhǔn)，在軟件方面，以TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology）自動(dòng)化組件作為控制系統(tǒng)的核心軟件，TwinCAT 軟件將任意一個(gè)基于PC的系統(tǒng)變成一個(gè)多PLC、NC、CNC 或機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。TwinCAT 3 是倍福在TwinCAT 2軟件基礎(chǔ)上更深入的系統(tǒng)性研究開發(fā)的成果，以下列舉了TwinCAT 3的一些特點(diǎn)，圖4為TwinCAT3系統(tǒng)圖：
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   編程和配置只需要一個(gè)軟件
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   集成 Visual Studio
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   選擇編程語(yǔ)言更加靈活
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   支持面向?qū)ο蟮?IEC61131-3
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   使用 C/C++作為實(shí)時(shí)應(yīng)用編程工具
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   支持 Matlab/Simulink
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   支持多核和 64 位系統(tǒng)
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   可將 TwinCAT 2 的方案直接移植到 TwinCAT 3
 
                   
                                               圖4

   公司簡(jiǎn)介：

   德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司總部位于德國(guó)威爾市。公司在世界各地設(shè)有分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，目前公司業(yè)務(wù)已遍及 60 多個(gè)國(guó)家。

   倍福始終以基于 PC 的自動(dòng)化新技術(shù)作為公司的發(fā)展理念，所生產(chǎn)的工業(yè)電腦、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT控制軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。近 30 年來(lái)，倍福公司的組件和系統(tǒng)解決方案在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。

   自 2001 年 3 月德國(guó)倍福成立北京代表處以來(lái)，公司在中國(guó)的業(yè)務(wù)迅速發(fā)展，先后成立了上海代表處和廣州代表處，并在寧波、武漢、成都、青島設(shè)立了聯(lián)絡(luò)處。2007 年 8 月上海代表處經(jīng)轉(zhuǎn)制后正式成立倍福中國(guó)公司，并將倍福中國(guó)區(qū)總部遷至上海。隨著各種具有良好性價(jià)比的新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，其勇于打破傳統(tǒng)控制模式，傾力推廣 PC 控制新技術(shù)的理念已被越來(lái)越多的中國(guó)用戶所接受。

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