基于S7-1500 Software Controller CPU的風電場功率控制系統(tǒng)

王迥波

（西門子工廠自動化工程有限公司北京）

Wind park control system based on CPU S7-1500 software controller

［摘要］ 本文首先介紹了風力發(fā)電場功率控制系統(tǒng)的特點，然后提出了以西門子CPU S7-1507s Software Controller實時控制器和Linux嵌入式系統(tǒng)結合的系統(tǒng)方案。風電場功率控制系統(tǒng)與風機之間采用PROFINET實時通信，保障了系統(tǒng)的實時響應。接著采用ODK 1500s和Target 1500s工具開發(fā)了風場控制器的系統(tǒng)功能，為風力發(fā)電場功率控制提供了一套安全可靠的系統(tǒng)方案。

［關鍵詞］ 風能、風力發(fā)電場、場群控制、Software Controller CPU

［Abstract］ This paper introduces the characteristics of wind park controller firstly.Then the wind park controller system base on CPU s7-1500 software controller and LINUX embedded system has been proposed.In order to ensure the real-time response of the system,PROFINET has been use for communication between wind turbines and wind park controller.With the help of ODK 1500s and target 1500s,the functions of wind park controller has been developed.A safe and reliable system solution for the wind farm power has been designed.

［Key Words］ wind power、wind park、wind park controller、software controller CPU

一、項目簡介

隨著全球氣候變化加劇，風力發(fā)電技術逐步進入人們的視野。近些年來，我國風電裝機容量不斷增加，電力系統(tǒng)中風力發(fā)電所占比重不斷擴大，以風力發(fā)電場為單位的功率控制系統(tǒng)也越來越受到重視^［1］。

新疆金風科技股份有限公司（以下簡稱金風科技）是從事大型風力發(fā)電機組研究、開發(fā)與生產(chǎn)制造的企業(yè)，公司總部位于烏魯木齊。公司成立于1998年，1999年成功地完成600 kW風力發(fā)電機的研制工作，通過科技部和自治區(qū)科技廳組織的聯(lián)合驗收鑒定。2017年，中國風電統(tǒng)計有新增裝機的整機制造企業(yè)共22家，新增裝機容量1966萬kW。其中，金風科技新增裝機容量達到523萬kW，市場份額達到26.6%，位居裝機容量排行榜首位，圖1為金風科技某風力發(fā)電場。

圖1 金風科技某風力發(fā)電場

風力發(fā)電場功率控制系統(tǒng)根據(jù)上一級電網(wǎng)調度指令，控制風場內各風力發(fā)電機的有功功率輸出以減少風力發(fā)電場的電網(wǎng)沖擊，最終達到智能電網(wǎng)對風電場有功功率控制能力的要求。風力發(fā)電場的控制和單臺風力發(fā)電機的控制有著本質的區(qū)別，風力發(fā)電場控制系統(tǒng)的輸出是風場內所有風力發(fā)電機組輸出的有功功率總和。由于風能具有間歇性和隨機性等特點，使得風力發(fā)電場的有功功率控制變得更為復雜^［2］。由于電網(wǎng)的特殊性，電網(wǎng)安全也越來越受到社會各界的重視，非Windows嵌入式系統(tǒng)將成為風電場控制器的基本要求。

根據(jù)系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)主要器件清單見表1。

表1 風力發(fā)電場控制系統(tǒng)配置清單

二、控制系統(tǒng)構成

S7-1500 Software Controller CPU 是西門子公司開發(fā)的基于PC的新一代軟 PLC。S7-1500 Software Controller CPU采用革新的虛擬化技術Hypervisor,將使得Windows系統(tǒng)與Software Controller完全獨立。當Windows系統(tǒng)重啟時，Software Controller仍可繼續(xù)運行，執(zhí)行控制任務。在虛擬化Hypervisor的基礎上，也可以將Windows系統(tǒng)禁止啟動運行，在工業(yè)PC上單獨運行Software Controller。它的出現(xiàn)極大地完善了PLC產(chǎn)品系類。它將PLC 控制、數(shù)據(jù)處理、通信、可視化、工藝集成于一臺PC上，除此之外，它還集成了motion控制功能。S7-1500 Software Controller CPU 相比西門子上一代軟PLC WinAC RTX 功能更加完善，它將成為基于 PC 自動化解決方案的理想平臺。S7-1500 Software Controller CPU具有以下特點:

1）支持多種通信，包括PROFINET、PROFINET IRT、PROFIBUS、PROFIenergy、I-device、OPC UA、Open User Communication等。

2）具有S7-1500 ODK，支持高級語言編程功能，使復雜的控制算法得以輕易實現(xiàn)。

3）具有Target 1500s工具，輕松實現(xiàn)MATLAB高級語言程序集成。

4）支持Web SERVER功能。

5）支持Trace功能，對系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)視提供了極大的便利。

6）集成系統(tǒng)診斷功能和Know-How保護功能。

7）借助于虛擬化Hypervisor技術，然后提出了以西門子CPU S7-1507s Software Controller與Windows系統(tǒng)相互獨立，在一些安全等級比較高的場合，可以禁用后門比較多的Windows系統(tǒng)，以達到系統(tǒng)安全運行的目的。

為了滿足風力發(fā)電場控制系統(tǒng)對風機實時控制以及強大數(shù)據(jù)分析功能的需求，風電場功率控制系統(tǒng)從硬件上分為兩個部分，即嵌入式設備和實時控制器。風電場功率控制系統(tǒng)接口框圖如圖2所示。

圖2 風電場功率控制系統(tǒng)框圖

實時控制器采用SIMATIC 機架式 PC即IPC647D，搭載西門子S7-1507s Software Controller CPU^［3］。為滿足風力發(fā)電場安全運行的需要，禁用了后門較多的Windows系統(tǒng)。實時控制器主要完成風場內各臺風機的協(xié)同控制功能。它通過PROFINET與風場內各臺風力發(fā)電機主控系統(tǒng)中的倍福CX5020 控制器進行實時通信，獲取風機運行數(shù)據(jù)并給風機下發(fā)控制指令。

嵌入式設備采用西門子IPC647D 工控機。安裝Linux操作系統(tǒng)，在對風場內各風機歷史運行數(shù)據(jù)存儲的同時對風場內各臺風機的歷史數(shù)據(jù)進行分析，獲取各臺風機實際的風功率曲線與設計風功率曲線的差異以及風場內各臺風力發(fā)電機之間的相互影響關系，進而優(yōu)化風電場的功率控制。此外，它為風力發(fā)電場控制器提供豐富的外部數(shù)據(jù)以太網(wǎng)接口，包括與工業(yè)云的通信以及與電網(wǎng)調度系統(tǒng)之間的通信。

三、控制系統(tǒng)完成的功能

嵌入式設備中采用大數(shù)據(jù)分析的方法獲取風場內各臺風機的個體差異，以對各機組的風功率曲線進行修正，屬于數(shù)據(jù)分析處理的范疇。本文將重點討論實時控制器中的風場功率控制。

在實時控制器中軟件采用模塊化設計方式，主要包括風機通信模塊，風功率預測模塊，優(yōu)化模塊，功率分配模塊，嵌入式系統(tǒng)通信模塊。系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能框圖

風機通信模塊完成風場控制系統(tǒng)與風場內各臺風力發(fā)電機之間的通信。風場內各臺風機的主控系統(tǒng)中采用倍福嵌入式控制器CX5020對風機進行控制。倍福原有的PLC通過安裝軟協(xié)議站實現(xiàn)PROFINET的主從通信。本方案中IPC647D搭載的Software Controller作為主站，基于PROFINET通信連接倍福的嵌入式控制器。在西門子的TIA Portal環(huán)境中導入倍福嵌入式控制器的設備描述文件，在設置完從站的IP地址、站點名稱以及IO通信發(fā)送時鐘后，即可實現(xiàn)Software Controller與倍?？刂破鞯耐ㄐ?。風場功率控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡如圖4所示。

圖4 風場功率控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡

風功率預測模塊根據(jù)各臺風機處的風速以及風機的風功率曲線預測風機輸出功率最大值。風功率預測模塊開發(fā)過程如下：

1）通過S7-1500 Software Controller CPU的Web server 將風場內各臺風力發(fā)電機組的理論風功率曲線以.CSV文件的方式存儲在S7-1500 Software Controller CPU中。

2)在系統(tǒng)運行時，通過讀取.CSV文件獲取各臺風機的風功率曲線。

3)結合各臺風機的風速以及風功率曲線對風機輸出最大功率能力進行預測。

優(yōu)化模塊根據(jù)嵌入式系統(tǒng)中歷史數(shù)據(jù)的分析結果對各臺風力發(fā)電機組理論風功率曲線進行修正。優(yōu)化模塊中算法復雜，采用C++以風力發(fā)電機組為對象開發(fā)更為方便。西門子強大的ODK 1500s開發(fā)包為S7-1500 Software Controller CPU的C/C++高級語言開發(fā)提供了有力支持。采用ODK 1500s開發(fā)包開發(fā)優(yōu)化模塊包含以下3個步驟，

1)首先在Eclipse工程環(huán)境用使用C++語言開發(fā)優(yōu)化算法生成.SO程序文件。

2)通過Web Server將.SO程序文件下載到PLC中。

3)在PLC中激活并調用此.SO程序文件即可。

有功功率分配模塊根據(jù)電網(wǎng)調度設定的風力發(fā)電場有功功率、風場內各風力發(fā)電機的運行狀態(tài)，并結合各臺風力發(fā)電機的個體特征差異控制風場內各臺風力發(fā)電機組的輸出功率。有功功率分配算法是風電場功率控制系統(tǒng)的核心，既要對風力發(fā)電機組進行優(yōu)化控制，滿足電網(wǎng)調度需求，又要滿足機組經(jīng)濟運行。本文的有功功率分配算法模塊采用MathWorks 公司推出的數(shù)學計算軟件SIMULINK進行開發(fā)。首先在SIMULINK對風場進行建模，然后在SIMULINK中開發(fā)有功功率控制算法并進行仿真，仿真完成后借助西門子的Target 1500s 工具對SIMULINK中的程序自動生成到S7-1500 Software Controller CPU中可運行的.SO文件以及SCL連接程序。有功功率模塊使用SIMULINK開發(fā)，并借助于西門子Target 1500s工具，大大縮短了有功功率模塊的開發(fā)了仿真時間，提高了效率。西門子的Target 1500s是SIMULINK仿真軟件上的插件^［4］，軟件開發(fā)過程如下，

1)在SIMULINK中建立風場模型。

2)配置模型參數(shù)，并在Code Generation中選擇Target 1500s作為系統(tǒng)目標文件。

3)調整仿真參數(shù)進行仿真，仿真完成后，通過生產(chǎn)按鈕即可在SIMULINK中自動生產(chǎn)算法的.SO執(zhí)行文件以及西門子TIA Portal中的.SO程序調用文件.SCL。

4)通過Web Server 將功率分配算法的.SO程序文件下載到Software Controller的ODK 1500S 文件夾下。

5)將生產(chǎn)的.SCL文件以外部源文件的形式導入到TIA Portal中，并生產(chǎn)程序塊。

6)在TIA Portal程序中調用第5步中生產(chǎn)的程序塊，并下載程序。

四、項目運行

本項目開始于2017年5月，歷時6個月開發(fā)完成。2018年2月完成車間調試。由于西門子CPU S7-1507s Software Controller自身的功能特點滿足了客戶的需求，得到了客戶的好評。

五、應用體會

本項目為西門子 CPU S7-1507s Software Controller控制器在風力發(fā)電場功率控制技術中的首次應用項目之一。主要有以下幾點心得，

1）由于電網(wǎng)的特殊性，電網(wǎng)安全越來越受到社會各界的重視。自2016年開始，非Windows嵌入式系統(tǒng)成為風電場控制器的基本要求。本項目提出的基于西門子CPU S7-1507s Software Controller的雙IPC結構，填補了國內非Windows系統(tǒng)風場控制器的空白。不同于其他傳統(tǒng)的基于Windows系統(tǒng)的嵌入式PLC品牌，它借助于SIEMENS Hypervisor，在場群控制器中移除了Windows系統(tǒng)，使CPU 1507s Software Controller單獨運行于IPC中，既滿足了風場控制器非Windows系統(tǒng)的安全要求，又滿足了風場控制器對風場內所有風機歷史數(shù)據(jù)分析的要求。

2）風場功率控制系統(tǒng)與風場內各臺風機之間采用PROFINET進行實時通信，相比目前行業(yè)里主流的MODBUS TCP，OPC等通信方式，具有更好的實時性，保障了風機的實時響應。

3）采用西門子ODK 1500s工具，用戶將原有的C++高級編程語言開發(fā)復雜風功率預測功能生產(chǎn)了運行于實時核中的.SO文件。不需要采用PLC的編程語言重新編寫控制程序，減少了移植過程中可能出現(xiàn)的問題，加速了項目的開發(fā)進度。

4）由于西門子Target 1500s的存在，使PLC編程與強大的數(shù)學工程軟件SIMULINK聯(lián)合開發(fā)成為可能，本項目中采用SIMULINK開發(fā)功率分配模塊功能，大大縮短了開發(fā)周期。

5）西門子CPU S7-1507s Software Controller 的 Trace 功能，用于監(jiān)視系統(tǒng)運行時的過程數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)調試提供了極大便利。

參考文獻

［1］石一輝，張毅威，閉勇，等.并網(wǎng)運行風電場有功功率控制研究綜述［J］.中國電力,2010,43(6):11-14.

［2］行舟，陳永華，陳振寰，等.大型集群風電有功智能控制系統(tǒng)控制策略：風電場之間的協(xié)調控制［J］.電力系統(tǒng)自動化,2011,35(20):20-23.

［3］ S7-1500 Software Controller CPU 1505SP (F),CPU 1507S (F) Version 2［OL］.

［4］ STEP 7 (TIA Portal) options Target 1500S^TM for Simulink^? V1.0 ［OL］.