倍福助力“智慧風能”發展
2016-12-20 來源：轉載 作者：-
在“互聯網+”已成為國家戰略的背景下，如何運用互聯網思維促進中國制造的質量提升，將成為制造業不可忽視的發展方向。有風電專家就此指出，融入大數據、云計算等新一代信息技術的風電機組的智能化將成風電行業的重要發展趨勢，這也是風電行業在十三五期間的重要布局著力點。智慧能源戰略，簡而言之就是充分利用物聯網、云計算、大數據、機器學習、人工智能、智能控制以及智能傳感等技術，積極構建全球能源互聯網大格局，提升能源產生、能源消費、能源交易等各個環節的效率，挑戰和顛覆傳統能源的管理和應用方式，推進數字能源革命。
智慧風能是智慧能源的重要組成部分，“智慧風能”已經成為眾多風能企業布局的“首選策略”，著眼點在于提升風機運行質量，實現風電場和能源網的智能化集成。風電設備智能化與智慧風電場建設成為行業發展的最新熱點。
“智能風機”在葉片和風機內外部加裝了傳感器和雷達，用雷達監測風的流動性、強弱，通過傳感器收集各項數據，匯總到云端計算分析，智能控制技術、先進的測量技術、數據分析專家系統、主動性能控制和基于可靠性的決策算法等，使得發電效率提升。除了智能風機外，風電場的管理其實也有非常大的提升空間。整個風電全生命周期的能源管理才是客戶最需要的。通過將風資源評估、風場設計、風場運維、資產管理、風電場協同優化控制等全生命周期透明化、數字化、信息化，結合物聯網、云計算、大數據等先進技術，可為客戶真正構建“智慧風場全生命周期管理平臺”。
智能風機對控制系統的需求
首先需要性能強大的CPU作為控制器系統的大腦。Beckhoff目前推出了新型CX2000系列，這些功能強大的CPU是風力發電機組制造商們喜愛的導軌安裝式嵌入式控制器。CX2000系列采用的是Intel Sandy Bridge處理器。除此之外，還有經濟型Sandy Bridge Celeron®、Intel® CoreTM i7處理器可供用戶選擇。甚至配備了1.5?GHz處理器（雙核）的CX2030系列采用的也是無風扇設計，因為沒有旋轉部件，因此運行也非常穩定。CX2040擁有2.1?GHz Intel®CoreTM i7處理器（4核）。
然后是高確定性的EtherCAT現場總線系統及超采樣模塊。EtherCAT作為一個高速、實時總線系統進一步完善了Beckhoff科技自動化解決方案。EtherCAT不僅是成熟的控制現場總線，而且也是測量現場總線。只有這種基于以太網且具有高度確定性的高速現場總線協議才能實現諸如狀態監測集成等復雜應用。EtherCAT功能原理決定了其有用數據傳輸率遠遠超過90%的全雙工高速以太網，且總線周期時間僅為幾微秒。
結合倍福超采樣技術將數值直接緩存在EtherCAT從站中，采樣率可遠遠超過實際的總線周期：數字量輸入端子模塊EL1262能夠以每秒高達100萬采樣點的速度掃描信號。EtherCAT端子模塊EL3702能夠以16?bit的分辨率和高達100?kHz的頻率采樣±10?V模擬量信號。EtherCAT從站中的分布式時鐘能夠確保整個網絡中的數據采樣在時間上保持同步。抖動被顯著降低到小于1?μs，甚至常常會小于100?ns。
EL3632是一種EtherCAT超采樣端子模塊。該端子模塊適合用于狀態監測應用，在實際應用中，振動必須通過加速度傳感器或麥克風進行采樣。帶IEPE（壓電集成電路）接口的壓電傳感器可直接連接到雙通道端子模塊上，無需前置放大器。基于不同等級的硬件濾波，可實現0.05?Hz～50?kHz的信號采樣頻率。
EL3773是一款電力監測端子模塊，使用超采樣技術采樣原始電網數據，采樣高達10?kHz，實時采集電網電壓電流，通過EtherCAT分布時鐘又可以滿足采集的同步。實時監測各個節點相位、頻率、幅值，對電網的波動做出快速調節。使用TwinCAT 3的功能庫，還能對電網40次以內的諧波、THD等進行分析。EL3773是一款電力監測端子模塊，用于采樣原始電網數據，而不是原始振動數據。電流和電壓采樣高達10?kHz，這使得端子模塊適合與其他網絡同步。
超采樣模塊寬度僅為12?mm的模塊的主要優點在于其具有高度靈活性。EtherCAT總線系統提供了幾乎無限的可擴展性能。這意味著實際的測量應用程序（如齒輪箱監測）可以在新系統中實施或在現有系統中進行升級改造。由于控制器的結構非常緊湊，且TwinCAT軟件接口具有良好的開放性，獨立系統將成為主流。該類獨立系統目前已在一些陸上風力發電機組中得到應用，用于在CX5020嵌入式控制器的基礎上監測主軸承和齒輪箱。為此，使用5個EL3632超采樣端子模塊和一個EL3413電力測量端子模塊配備了一個終端控制柜。UMTS調制解調器和緊湊型加熱器可以作為附加選項集成。視可用的接口而定，狀態監測系統也可集成到現有的控制器中。
智能軟件TwinCAT 3
基于Microsoft Visual Studio的TwinCAT 3開發應用軟件，為實現智能化的軟件控制技術提供了有力保證。eXtended Automation Engineering（XAE）把所有的開發工具集成在VS 2010/2012這個框架中，TwinCAT 3實時核能夠實現多任務多處理器的運行。
TwinCAT 3 PLC–IEC61131-3增加面向對象編程
利用C和C++來進行自動化編程
在Matlab®/Simulink®環境編程并通過WORKSHOP產生C代碼
在為TwinCAT 3 Run-Time環境創建Matlab®/Simulink®模型時，無需使用Beckhoff的特殊組件或對原始模型進行其他修改。Matlab®及Simulink®編譯器會自動生成C++代碼，然后C++代碼會被編譯到TwinCAT 3模型中。通過實例化，用戶可以輕松地重新使用模塊。例如，用戶可以在TwinCAT中直接看到設置斷點的Simulink®框圖。
倍福基于TwinCAT 3平臺開發出Tcwind
Tcwind是倍福開發的提供基本功能的風力發電機組自動化軟件，具備設計支持開發、調試和維護功能。能夠實時處理和捕捉所有重要數據，每個組件獨立或與其他組件組合工作。能夠靈活的配置、診斷、監控，在線監測，組態和交互適用于每一個應用程序。實現歷史診斷的連續記錄和評估及保存，實現數據上傳和下載。
TwinCAT 3狀態監測軟件庫
最新的TwinCAT 3狀態監測軟件庫提高了這些選項的利用率。通過快速任務記錄原始數據，然后通過慢速任務進行進一步處理。這樣可持續記錄需測量的數據，然后通過諸如功率譜、峰態、波峰因數及包絡譜等算法進行分析。用戶無須擔心任務間的通信，因為狀態監測庫會自動對其進行處理。
TwinCAT Scope實現了科技自動化軟件所有相關信號的可視化
TwinCAT Scope由兩個組件構成，其中，View組件用于以圖表的形式顯示信號（圖1）；Server組件用于將數據記錄在目標設備中。TwinCAT 3安裝文件通常包括基本版的Scope。這特別適合用于系統調試。Scope能夠讓用戶以圖形化方式快速概覽設備狀態。使用不同的光標可以精確讀取測量數據，其精度甚至可以達到微秒級范圍。如果數值范圍較大，可切換至對數顯示。Scope產品實現了許多額外的功能，如長期記錄或集成在.NET可視化軟件中。所有級別的Scope產品都可顯示EtherCAT測量端子模塊的超采樣值。
圖1 使用TwinCAT Scope顯示對數信號分析
TwinCAT IoT
TwinCAT 3還可以為快速、有效的實時物聯網和工業4.0概念的實現提供完整的解決方案。TwinCAT IoT支持標準的云通信協議，可以發送推送信息到智能終端。作為傳統控制任務的擴展，通過諸如大數據存儲、模式識別、或者狀態及功率監控等功能有效地提升了我們產品的競爭力。TwinCAT 3 IoT可以很簡單地進行配置。它和嵌入式PC或者IPC一起可以作為一個物聯網的控制器，為物聯網和以太網服務器提供無縫的連接。升級的軟件平臺為用戶提供了廣泛的功能用來實現過程數據的交換，例如標準的通信協議、訪問云服務商提供的特殊數據和云服務器。常見的公共云系統有微軟的Microsoft AzureTM或者亞馬遜的Web ServicesTM。當然這些服務器也可以部署在本地網絡上。
TwinCAT OPC UA
OPC Unified Architecture（UA）是下一代經典的OPC標準，它描述了全球標準的通信協議，允許基于不同平臺的設備之間傳輸數據實現通信。OPC UA符合工業4.0和物聯網的需求，這正是它成為工業4.0官方通信協議的原因。
OPC UA一個最主要的特點是在通信堆棧中標準集成了安全機制。TwinCAT OPC UA運行訪問TwinCAT的實時核，也可以和其他UA設備直接進行通信，它包含了客戶端和服務器功能，進一步提高了系統通信的靈活性。通過基于PC的控制技術，TwinCAT自動化軟件支持OPC通信（服務器和客戶端）。
智能變槳系統
智能風機最重要的組成部分應該是變槳系統，智能變槳系統包括：超級電容或電池的性能檢測功能、變槳驅動器及電機的性能檢測、各部件的溫度、供電系統電壓、電流檢測、滑環性能檢測、輪轂振動監測、葉片振動、應變檢測以及除冰功能，并且實現變槳系統的遠程維護功能，故障日志文件記錄讀取，與主控系統的無線冗余功能（圖2）。
圖2 變槳系統數據采集處理模型
葉片是風電機組的主要部件，其結構強度直接影響到風電機組的工作效率和運行可靠性。風電機組葉片的工作環境除了承受變化的空氣動力外，還受到本身慣性力以及機艙帶來的負荷，很容易發生振動。風電機組的葉片上安裝振動加速度傳感器。由于風速變化而引起葉片在軸向方向上產生振動，該振動加速度傳感器能夠對葉片振動的加速度數值進行采集測量，反應葉片振動的運動性質。
在智能變槳系統控制器中，實時采集各振動數據，在程序中加入對振動數據的實時采集實時濾波計算FFT處理，可以高效的配合主控實現最佳葉尖速比的獲取，最大性能的提升風機利用率。
智能變流系統
BECKHOFF推出基于EtherCAT通信的變流器IPC控制平臺，當然也推廣到中高壓變頻器；EtherCAT滿足變流器內部快速實時通信的要求，可以實現循環時間在50?μs；EtherCAT具有實時、同步、可靠特點；變流器內部EtherCAT線路冗余。采用與主控系統統一主站通過EtherCAT連接IO模塊，以及PIB（功率接口板）IGBT控制板可以高效的實現變流器的實時控制。
智能化的風場網絡
基于Beckhoff技術的實時風場網絡控制，整個風場網絡的響應時間小于1?ms（圖3）。
圖3 基于Beckhoff技術的實時風場網絡控制，整個風場網絡的響應時間小于1ms
電網波動的快速響應
電網波動的快速采集，低電壓穿越和高電壓穿越的命令快速下發。
整個風場網絡有功功率的控制
通過優化算法計算得到每一臺風機的有功功率數值，整個網絡作為一個整體控制。
整個風場網絡無功功率的控制（電壓控制）
通過優化算法計算得到每一臺風機的無功功率（無功電流）數值，整個網絡作為一個整體控制。協調整個風場網絡的無功功率，確保并網點的電壓恒定。
頻率控制
確保并網點的頻率恒定。
Beckhoff 科技自動化技術將高性能工業PC或嵌入式控制器、高確定性的EtherCAT現場總線系統和智能軟件完美整合于一體，為將來智慧風能作出應有的貢獻。智慧風機的單機運行數據收集、積累、計算，總結各種型號風機的共性缺陷和風資源利用率，為現有風機的技術創新、工程項目后評價工作及未來新建場站風機選型提供強有力的數據支持，確保投資效益最大化。智慧風機通過功率曲線擬合、功率曲線對比、單機橫向對比、單機縱向對比、單機監視及報警關聯部件、單機性能分析、曲線偏差率排行榜、風機切入切出風速對比、單機績效榜等功能的實現，基本完成了對風場電站運行指導、運行建議的全覆蓋，實現最大程度提高發電量的目的，并尋找到利潤增長點。
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