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倍福助力“智慧風能”發展

2016-12-20 來（lái）源：轉載作者（zhě）：-

在“互聯網+”已成為國家戰（zhàn）略的背景下，如何運用互聯網思維促進（jìn）中國製（zhì）造的質量提升，將成為製造業不可忽視的發展方（fāng）向。有風電專家就此指出，融入大數據、雲計算等新一代（dài）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（shì）風電行業（yè）在（zài）十三五期間的重要布局著力點。智慧能（néng）源（yuán）戰略，簡而言之就是充（chōng）分利用物聯網、雲計（jì）算、大數（shù）據、機器學習、人（rén）工智能、智能控製以（yǐ）及智能傳（chuán）感等技術，積極構（gòu）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（děng）各個環節的效率（lǜ），挑戰和顛（diān）覆傳統能源的管理和（hé）應用方式，推進數字能源革命（mìng）。

智慧風能是智慧能（néng）源（yuán）的重要組成部（bù）分，“智慧風能（néng）”已經成為眾（zhòng）多風能企業布局的“首選策略”，著眼點在於提升風機運行質量，實現風電場和能源網的智能化（huà）集成。風（fēng）電（diàn）設備智能化與智慧風電場建設成（chéng）為行（háng）業發展的最新熱點。

“智能風機”在葉片和風機內外部加（jiā）裝了傳感器和雷達，用雷（léi）達監測風的流動性、強弱（ruò），通過傳感器收集各（gè）項數據，匯總到雲（yún）端計算分析（xī），智（zhì）能控製技術、先進的測量（liàng）技術（shù）、數據分析專（zhuān）家係統、主動性（xìng）能控製和基於可靠（kào）性的決策算法等，使得發（fā）電效（xiào）率提升。除了智能風（fēng）機外，風電場（chǎng）的管理其實也有非常大的提升空（kōng）間。整個風電全生命周（zhōu）期的能源管理才（cái）是客（kè）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、風電場協同優化控製等全生命周期透明化、數字化、信息化，結合物聯網、雲計算、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台”。

智能風機對控製係統的需求

首先需要（yào）性能（néng）強大的CPU作為控製器（qì）係統的大腦。Beckhoff目前推出了新型CX2000係列，這些功能強大的CPU是風力發電機組製造商們喜愛的導軌安裝式嵌入式控製器。CX2000係列采用的是Intel Sandy Bridge處（chù）理器。除此（cǐ）之外，還有經濟（jì）型Sandy Bridge Celeron®、Intel® CoreTM i7處（chù）理器可供用戶選擇。甚至配備了1.5 GHz處理器（雙核）的CX2030係列采用的也是無風扇設計，因（yīn）為沒有旋轉部件，因此運（yùn）行也非常穩定。CX2040擁有2.1 GHz Intel®CoreTM i7處理器（4核）。

然後是高確定（dìng）性的EtherCAT現場總線係統（tǒng）及超采樣模塊（kuài）。EtherCAT作為一個高速、實（shí）時總線係統進一步完善了Beckhoff科技自動（dòng）化解（jiě）決方案（àn）。EtherCAT不僅是成熟的控製現場總線，而且也是測（cè）量現場總線。隻有這種基於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（jiān）測集成（chéng）等複（fù）雜應用。EtherCAT功能原理決（jué）定了其有用數（shù）據傳（chuán）輸率遠遠超過90%的全雙（shuāng）工高速以太網，且總線周期時間僅（jǐn）為幾微秒。

結合倍福超采樣技（jì）術將數值直接緩存在EtherCAT從站中，采樣率可遠遠超（chāo）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（duān）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（shì）時鍾能夠確保整個網絡中的（de）數據采樣在時間上保（bǎo）持（chí）同步（bù）。抖動被顯著降低到小於1 μs，甚至常常會小於100 ns。

EL3632是一（yī）種EtherCAT超采樣端子模塊。該端子模塊適合用（yòng）於狀態監測應用，在實際應用中（zhōng），振動必須通過加速度傳（chuán）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（shuāng）通（tōng）道端子模塊上（shàng），無需前置放大器。基於不同等級的硬（yìng）件濾波，可實現0.05 Hz～50 kHz的（de）信號采樣頻率。

EL3773是（shì）一款電力（lì）監測端子模塊，使用超采樣（yàng）技術（shù）采樣原始電網數（shù）據，采樣高達10 kHz，實時采集電網電壓電流，通過EtherCAT分布時鍾又可以滿足采集（jí）的同步。實時監測（cè）各個節點相位、頻率、幅（fú）值，對電網的波動做出快速調節。使用TwinCAT 3的（de）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（diàn）力監測端（duān）子模塊，用於采樣原始電網數據（jù），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（zhǔ）要優（yōu）點在於其具有高度靈活性。EtherCAT總線係統提供了幾乎（hū）無限的可擴展性能。這意味著實際的測量應用（yòng）程序（如（rú）齒輪箱監測）可以在新係統中實施或在現有係統中進行升級改造（zào）。由於控製器的結構非常緊湊，且TwinCAT軟件接口具有良好的開放性，獨（dú）立係統將成為主（zhǔ）流。該類獨立係統目前（qián）已在一些陸上風力發電（diàn）機組中得到應用，用於在CX5020嵌入式控製（zhì）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（hé）一個EL3413電力測量端子模塊配備（bèi）了一個終端控製櫃（guì）。UMTS調製解調器（qì）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，狀態監測係（xì）統也可集成（chéng）到現有的控製器中。

智能軟件TwinCAT 3

基於Microsoft Visual Studio的TwinCAT 3開發應用軟件，為（wéi）實（shí）現智能化（huà）的（de）軟件控製（zhì）技術提供了有（yǒu）力保證。eXtended Automation Engineering（XAE）把所有的開發（fā）工具集成在VS 2010/2012這個框（kuàng）架中，TwinCAT 3實時核能夠實現（xiàn）多任務多處理（lǐ）器的運行。

TwinCAT 3 PLC–IEC61131-3增（zēng）加麵向對象編程

利用（yòng）C和C++來進行自動化編程

在Matlab®/Simulink®環境編程並通過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（shū）組件或對原（yuán）始模型進行其他修改。Matlab®及Simulink®編譯器會自動生成C++代碼，然（rán）後C++代碼會被編譯到TwinCAT 3模型中。通過實例化，用（yòng）戶可以輕鬆地重（chóng）新使用（yòng）模塊。例如，用戶可以在TwinCAT中直接看到設置（zhì）斷（duàn）點的Simulink®框圖。

倍福基（jī）於TwinCAT 3平台開發出Tcwind

Tcwind是倍福開（kāi）發的提（tí）供基本功能的風力（lì）發電機（jī）組（zǔ）自動化軟件，具備設計（jì）支持開發、調試和（hé）維護功能。能夠實時處理和捕捉（zhuō）所有重要數據，每個組件獨立或與（yǔ）其他組件組（zǔ）合工作。能夠靈活的配置、診斷（duàn）、監控，在線監測，組態（tài）和交互（hù）適用於每一個應（yīng）用程序。實現曆史診斷（duàn）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（xīn）的TwinCAT 3狀態（tài）監測軟件庫（kù）提高了這些選項的利用率。通過快速任務記錄原始數據，然後通過慢速任務（wù）進行進一步處理。這（zhè）樣可持續記錄需（xū）測量的數（shù）據，然後通過諸如功率譜、峰態、波峰（fēng）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（wéi）狀態監測庫會自動對其進行（háng）處理。

TwinCAT Scope實（shí）現了科技自動化（huà）軟件（jiàn）所有相關信號的（de）可視化

TwinCAT Scope由兩個組件構成，其中，View組件用於（yú）以圖表的形式（shì）顯示信（xìn）號（圖1）；Server組件用於將數據記錄在目標設備中。TwinCAT 3安裝文件通常（cháng）包括基本版的Scope。這特別適合（hé）用於係統調試。Scope能（néng）夠讓用戶（hù）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（jīng）度甚至可以達到微秒級範圍。如果數值範圍較大，可切換至對數顯示。Scope產品實現（xiàn）了許（xǔ）多額外的功能，如長期記錄（lù）或集成在.NET可視化軟件中。所有級別的Scope產（chǎn）品都可顯（xiǎn）示EtherCAT測量端子（zǐ）模塊（kuài）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（kě）以（yǐ）為快速、有效的實時物（wù）聯網和（hé）工業4.0概念的實現提供完整的解（jiě）決方案。TwinCAT IoT支持標準的雲通信協議，可以發送推（tuī）送信息到智能終端。作（zuò）為傳統控製任務的擴展，通（tōng）過諸如大（dà）數據存儲、模式（shì）識別、或者狀態（tài）及功率監控等功能有（yǒu）效地提升了我們產品的（de）競爭（zhēng）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（qǐ）可以作為一個物聯（lián）網的控製器，為物聯網（wǎng）和以太網服務器提供無縫的連接。升級的軟件平台為（wéi）用戶提（tí）供了廣（guǎng）泛的功能用來實（shí）現過程數據的交（jiāo）換，例如標（biāo）準的通信協議、訪問雲（yún）服務（wù）商提供的特殊數據和（hé）雲服務器。常見的（de）公共雲係統有微軟的Microsoft AzureTM或者亞馬遜（xùn）的（de）Web ServicesTM。當然這些服務器也可以部署在（zài）本地網絡上。

TwinCAT OPC UA

OPC Unified Architecture（UA）是下一代（dài）經典的OPC標準，它描述了全球（qiú）標準的通信（xìn）協議，允許基於不同平台的設備之間傳（chuán）輸（shū）數據實現通信。OPC UA符合工業4.0和物聯網的需求（qiú），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（zhǔ）要（yào）的特點是在通信堆棧中標準集成（chéng）了安全機製。TwinCAT OPC UA運行（háng）訪問TwinCAT的實時核，也可以和其（qí）他UA設備直接進行（háng）通信，它（tā）包含了客戶端和服務器功能，進（jìn）一步提高了係統通信的靈活（huó）性。通過基於PC的控製技術（shù），TwinCAT自（zì）動化軟件支持（chí）OPC通信（服務器和客戶（hù）端）。

智能變槳（jiǎng）係（xì）統

智能風機最重要的組成部分應該是（shì）變槳係統，智能變槳係統（tǒng）包括：超級電容或電池的性能（néng）檢測功能、變槳驅動器及電機的性能檢測、各部件的溫度（dù）、供電係統電壓、電流檢測、滑環性能檢測、輪（lún）轂振動監測、葉片振動、應變檢測以及除冰功能，並且實現變槳係統的遠程維護功能，故障日誌文件記錄讀取，與主（zhǔ）控係統的無線冗餘功能（圖2）。

圖2 變槳係統數據（jù）采集處理模型

葉片是風電機組（zǔ）的主要部（bù）件，其結構強度直接影響到風電機組的工作效（xiào）率和運行可靠性。風電機組（zǔ）葉片的工（gōng）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（hé），很容易發生振動。風電機組的葉片上安裝振（zhèn）動加速度傳（chuán）感器。由於風速變化而引起葉片在（zài）軸向方向上產（chǎn）生振動，該振動加速度傳感器能夠對（duì）葉片振動的加速度數（shù）值進行采集測量，反應葉片振動的運動（dòng）性質。

在（zài）智能變（biàn）槳係統控製（zhì）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（liú）係（xì）統（tǒng）

BECKHOFF推出基於EtherCAT通信的變流器（qì）IPC控製平台，當然也推廣到中高（gāo）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（shí）時、同步、可靠特點；變流器內部（bù）EtherCAT線路冗餘。采用與（yǔ）主控係統統一主站通過（guò）EtherCAT連（lián）接IO模塊，以及PIB（功率接口板）IGBT控製板可以高效的實現變流器的實時控製。

智能化的風場網絡

基於Beckhoff技術的（de）實時風場網絡控製，整個風場網絡的響應時間小於1 ms（圖3）。

圖3 基於Beckhoff技術的實時風場網絡控製，整（zhěng）個（gè）風場網絡的響應時（shí）間小於1ms

電（diàn）網波動的快速響應

電網波動的快速采（cǎi）集，低電壓穿越（yuè）和高電壓穿越的命令快速下（xià）發。

整個（gè）風場（chǎng）網絡有功功率的控製

通過優化算法（fǎ）計算得到每一台風機的有功功率數值，整個網絡作為一個整體控製（zhì）。

整個風場網絡無功功率的控製（電壓控製）

通過優化算法（fǎ）計算得到每一台風（fēng）機的無功功率（無功電流）數值，整個網絡作為一個整體控製。協調整個風場網絡的無功功率，確保並網點的電壓恒（héng）定。

頻率控製（zhì）

確保並網點（diǎn）的頻率恒定。

Beckhoff 科技（jì）自動化技術將高性能工業PC或嵌入式（shì）控製器、高確定性的（de）EtherCAT現場總線係統和智（zhì）能軟件完美整（zhěng）合於一體，為將來智慧風能作出應有的貢獻。智慧（huì）風機的單機運行數據收集、積累、計算，總（zǒng）結各種型號風機的共性缺陷和風資源利用率（lǜ），為現（xiàn）有風機的技術創新、工（gōng）程項目後評價工作及（jí）未來新建（jiàn）場站風機選型提供強有力（lì）的數據支持，確保投資效益最大化。智慧風機通過功（gōng）率曲線擬合、功率（lǜ）曲線對比（bǐ）、單（dān）機橫向對比、單（dān）機縱向對比、單（dān）機監（jiān）視及報警關聯部件、單機性能分析、曲（qǔ）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（de）實現（xiàn），基（jī）本完（wán）成了對風場電站運行（háng）指導、運行建議的全覆蓋，實現最（zuì）大程度提高發電量的目的（de），並尋找到利潤增長點。

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