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

王迥波

（西門子工廠自動(dòng)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(fēng)力發(fā)電場功率控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，然后提出了以西門子CPU S7-1507s Software Controller實(shí)時(shí)控制器和Linux嵌入式系統(tǒng)結(jié)合的系統(tǒng)方案。風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)之間采用PROFINET實(shí)時(shí)通信，保障了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。接著采用ODK 1500s和Target 1500s工具開發(fā)了風(fēng)場控制器的系統(tǒng)功能，為風(fēng)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(guān)鍵詞］ 風(fēng)能、風(fēng)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(xiàng)目簡介

隨著全球氣候變化加劇，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐步進(jìn)入人們的視野。近些年來，我國風(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加，電力系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電所占比重不斷擴(kuò)大，以風(fēng)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(fēng)科技股份有限公司（以下簡稱金風(fēng)科技）是從事大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yàn)收鑒定。2017年，中國風(fēng)電統(tǒng)計(jì)有新增裝機(jī)的整機(jī)制造企業(yè)共22家，新增裝機(jī)容量1966萬kW。其中，金風(fēng)科技新增裝機(jī)容量達(dá)到523萬kW，市場份額達(dá)到26.6%，位居裝機(jī)容量排行榜首位，圖1為金風(fēng)科技某風(fēng)力發(fā)電場。

圖1 金風(fēng)科技某風(fēng)力發(fā)電場

風(fēng)力發(fā)電場功率控制系統(tǒng)根據(jù)上一級電網(wǎng)調(diào)度指令，控制風(fēng)場內(nèi)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率輸出以減少風(fēng)力發(fā)電場的電網(wǎng)沖擊，最終達(dá)到智能電網(wǎng)對風(fēng)電場有功功率控制能力的要求。風(fēng)力發(fā)電場的控制和單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制有著本質(zhì)的區(qū)別，風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)的輸出是風(fēng)場內(nèi)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率總和。由于風(fēng)能具有間歇性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，使得風(fēng)力發(fā)電場的有功功率控制變得更為復(fù)雜^［2］。由于電網(wǎng)的特殊性，電網(wǎng)安全也越來越受到社會(huì)各界的重視，非Windows嵌入式系統(tǒng)將成為風(fēng)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(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)配置清單

二、控制系統(tǒng)構(gòu)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(shù)Hypervisor,將使得Windows系統(tǒng)與Software Controller完全獨(dú)立。當(dāng)Windows系統(tǒng)重啟時(shí)，Software Controller仍可繼續(xù)運(yùn)行，執(zhí)行控制任務(wù)。在虛擬化Hypervisor的基礎(chǔ)上，也可以將Windows系統(tǒng)禁止啟動(dòng)運(yùn)行，在工業(yè)PC上單獨(dú)運(yùn)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(tái)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(dòng)化解決方案的理想平臺(tái)。S7-1500 Software Controller CPU具有以下特點(diǎn):

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(fù)雜的控制算法得以輕易實(shí)現(xiàn)。

3）具有Target 1500s工具，輕松實(shí)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(yùn)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(hù)功能。

7）借助于虛擬化Hypervisor技術(shù)，然后提出了以西門子CPU S7-1507s Software Controller與Windows系統(tǒng)相互獨(dú)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(dá)到系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。

為了滿足風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)控制以及強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析功能的需求，風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)從硬件上分為兩個(gè)部分，即嵌入式設(shè)備和實(shí)時(shí)控制器。風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)接口框圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)框圖

實(shí)時(shí)控制器采用SIMATIC 機(jī)架式 PC即IPC647D，搭載西門子S7-1507s Software Controller CPU^［3］。為滿足風(fēng)力發(fā)電場安全運(yùn)行的需要，禁用了后門較多的Windows系統(tǒng)。實(shí)時(shí)控制器主要完成風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)的協(xié)同控制功能。它通過PROFINET與風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控系統(tǒng)中的倍福CX5020 控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，獲取風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)并給風(fēng)機(jī)下發(fā)控制指令。

嵌入式設(shè)備采用西門子IPC647D 工控機(jī)。安裝Linux操作系統(tǒng)，在對風(fēng)場內(nèi)各風(fēng)機(jī)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)對風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取各臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)際的風(fēng)功率曲線與設(shè)計(jì)風(fēng)功率曲線的差異以及風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間的相互影響關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化風(fēng)電場的功率控制。此外，它為風(fēng)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(diào)度系統(tǒng)之間的通信。

三、控制系統(tǒng)完成的功能

嵌入式設(shè)備中采用大數(shù)據(jù)分析的方法獲取風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)的個(gè)體差異，以對各機(jī)組的風(fēng)功率曲線進(jìn)行修正，屬于數(shù)據(jù)分析處理的范疇。本文將重點(diǎn)討論實(shí)時(shí)控制器中的風(fēng)場功率控制。

在實(shí)時(shí)控制器中軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方式，主要包括風(fēng)機(jī)通信模塊，風(fēng)功率預(yù)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(fēng)機(jī)通信模塊完成風(fēng)場控制系統(tǒng)與風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間的通信。風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)的主控系統(tǒng)中采用倍福嵌入式控制器CX5020對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。倍福原有的PLC通過安裝軟協(xié)議站實(shí)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(dǎo)入倍福嵌入式控制器的設(shè)備描述文件，在設(shè)置完從站的IP地址、站點(diǎn)名稱以及IO通信發(fā)送時(shí)鐘后，即可實(shí)現(xiàn)Software Controller與倍?？刂破鞯耐ㄐ?。風(fēng)場功率控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 風(fēng)場功率控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

風(fēng)功率預(yù)測模塊根據(jù)各臺(tái)風(fēng)機(jī)處的風(fēng)速以及風(fēng)機(jī)的風(fēng)功率曲線預(yù)測風(fēng)機(jī)輸出功率最大值。風(fēng)功率預(yù)測模塊開發(fā)過程如下：

1）通過S7-1500 Software Controller CPU的Web server 將風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的理論風(fēng)功率曲線以.CSV文件的方式存儲(chǔ)在S7-1500 Software Controller CPU中。

2)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過讀取.CSV文件獲取各臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)功率曲線。

3)結(jié)合各臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速以及風(fēng)功率曲線對風(fēng)機(jī)輸出最大功率能力進(jìn)行預(yù)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(jié)果對各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理論風(fēng)功率曲線進(jìn)行修正。優(yōu)化模塊中算法復(fù)雜，采用C++以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為對象開發(fā)更為方便。西門子強(qiáng)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(gè)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(diào)用此.SO程序文件即可。

有功功率分配模塊根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度設(shè)定的風(fēng)力發(fā)電場有功功率、風(fēng)場內(nèi)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的個(gè)體特征差異控制風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率。有功功率分配算法是風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)的核心，既要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，滿足電網(wǎng)調(diào)度需求，又要滿足機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(xué)計(jì)算軟件SIMULINK進(jìn)行開發(fā)。首先在SIMULINK對風(fēng)場進(jìn)行建模，然后在SIMULINK中開發(fā)有功功率控制算法并進(jìn)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(dòng)生成到S7-1500 Software Controller CPU中可運(yùn)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(shí)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(fēng)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(biāo)文件。

3)調(diào)整仿真參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真完成后，通過生產(chǎn)按鈕即可在SIMULINK中自動(dòng)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(diào)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(dǎo)入到TIA Portal中，并生產(chǎn)程序塊。

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

四、項(xiàng)目運(yùn)行

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

五、應(yīng)用體會(huì)

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

1）由于電網(wǎng)的特殊性，電網(wǎng)安全越來越受到社會(huì)各界的重視。自2016年開始，非Windows嵌入式系統(tǒng)成為風(fēng)電場控制器的基本要求。本項(xiàng)目提出的基于西門子CPU S7-1507s Software Controller的雙IPC結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了國內(nèi)非Windows系統(tǒng)風(fēng)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(dú)運(yùn)行于IPC中，既滿足了風(fēng)場控制器非Windows系統(tǒng)的安全要求，又滿足了風(fēng)場控制器對風(fēng)場內(nèi)所有風(fēng)機(jī)歷史數(shù)據(jù)分析的要求。

2）風(fēng)場功率控制系統(tǒng)與風(fēng)場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)之間采用PROFINET進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性，保障了風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

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(fù)雜風(fēng)功率預(yù)測功能生產(chǎn)了運(yùn)行于實(shí)時(shí)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(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度。

4）由于西門子Target 1500s的存在，使PLC編程與強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工程軟件SIMULINK聯(lián)合開發(fā)成為可能，本項(xiàng)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(yùn)行時(shí)的過程數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)調(diào)試提供了極大便利。

參考文獻(xiàn)

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