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风电场箱变监控系统关键技术的研究

来源:互联网   时间:2014-08-11 09:11  阅读:0

   摘要: 结合风电场箱变监控系统的特点和实际要求, 提出了箱变监控系统的整体结构以及相 关的关键技术。详细的分析了双光纤环网技术、基于 CPLD 智能通道切换技术、基于嵌入式 Linux 技术的通讯装置以及基于红外控制技术的 LCU 装置。紧密的结合风电场箱变监控系统 的特点,满足箱变监控的实际需求。

  关键词:风电场、双光纤环网、CPLD、嵌入式 Linux、红外

  0.引言

  随着现代工业的飞速发展, 人类对能源的需求明显增加, 而现在可利用的传统能源日渐 匮乏。为了实现能源工业的可持续发展,世界各国都开始开发新能源和可再生能源。风力就 是一种可再生的自然能源。风能的利用早就被人们所关注,自上个世纪 80 年代以来,愈来 愈多的国家和地区对风力的利用和研发投入了大量的人力和物力, 尤其是欧洲已成为风力发 电发展最快,装机最多的地区。我国也在很早的时候就对风力的利用进行前期的研究,并取 得了阶段性成果。研究表明我国实际可供开发的陆地风能资源总储量高达 2.53 亿 kW,分布 在 10 多个省、市、自治区。同时我国还具有较长的海岸线,海上及滩涂的风能利用已逐渐 成为风力发电的主要来源。

  风力发电具有无污染、投资灵活、运行成本低、较少占用价值土 地等特点。并综合资源、技术、经济、环保等因素,风力发电是解决我国能源紧缺的重要战 略选择。

  近十年来,我国在风电等新能源开发和利用上发展迅速。到 2007 年底,我国并网 发电的风电总装机容量达到 600 万 kW, 据权威部门预测 2008 年年底我国的风电并网发电的 总装机容量可望达到 1000 万 kW。而且每年都会以较高的增长速度扩大装机容量。两年后, 我国的风电的总装机容量就可达到 1500 万 kW,占全国发电总量的比例大幅升高,地域遍布 我国大部分沿海地区和内蒙及西北等陆地。根据国家的中长期规划,到 2020 年,我国风力 发电规模将达到 3000 万 kW。届时我国的风力发电将成为第三大电源。 风电场一般地处人迹稀少,环境复杂的山坡、戈壁、岛屿、滩涂、近海等地,人为巡视 和监控及维护相对困难, 况且风机制造厂家也很难全面了解该系统的全部功能, 所以单独采 用一个现地控制单元来监控箱式变,同时需要单独组成一个监控系统来满足箱变监控的要 求。

  1.箱变监控系统网络结构

  对于一个风电场来说,其建设是分阶段实施的,而且风机的分布比较分散,一般来说, 距离中控室最近的有几十米或几百米, 最远的可达几十公里。 并且每个风机之间的距离也有 500 米到 1000 米。 基于风电场这样的具体情况,箱式变监控系统的网络结构就要考虑实际情况选择最经 济、最适合的光纤环网的通信方式来实施。根据风机和箱式变的具体位置,一般将 15-20 个箱式变的 LCU(或 LPCU)组成一个自愈合环的光纤网,再将每个光纤环网和箱式变监控系 统的主控级设备再组成一个主干光纤环网, 从而构成完整的箱式变监控系统。 即使当网络上 的设备出现故障时, 也不会影响环网上的设备正常运行, 环网可以在极短的时间内快速恢复, 并能够自动识别故障点。箱变监控系统的网络结构见图 1。

  图 1 箱变监控系统的网路结构 Fig.1 Network Frame of Box Transformer System 由箱式变监控系统网络结构示意图可以看出, 箱式变监控系统除了 LCU (NSC651 现地控 制单元)组成的光纤环网外,还包括当地后台计算机、音响报警、网络设备、时钟同步和打 印机等主控级设备。 箱式变电站监控系统能够迅速、准确有效地完成对各箱式变电站被控对象的安全监控。 主控制级具有数据采集与处理、实时控制和调节、参数设定、监视、记录、报表、运行参数 计算、通信控制、系统诊断、软件开发和画面生成、系统扩充(包括硬件、软件) 、运行管 理和操作指导等功能。

  2.箱变监控系统的关键技术

  2.0 双光纤环网技术 对于一个风电场来说,其建设是分阶段实施的,而且风机的分布比较分散,一般来说, 距离中控室最近的有几十米或几百米, 最远的可达几十公里。 并且每个风机之间的距离也有 500 米到 1000 米。 基于风电场这样的具体情况,箱式变监控系统的网络结构就要考虑实际情况选择最经 济、最适合的光纤环网的通信方式来实施。根据风机和箱式变的具体位置,一般将 15-20 个箱式变的 LCU(或 LPCU)组成一个自愈合环的光纤网,再将每个光纤环网和箱式变监控系 统的主控级设备再组成一个主干光纤环网, 从而构成完整的箱式变监控系统。 即使当网络上 的设备出现故障时, 也不会影响环网上的设备正常运行, 环网可以在极短的时间内快速恢复, 并能够自动识别故障点。

  箱式变监控系统主要是对箱式变内部设备的模拟信号和开关信号进行采集和控制, 并上 传到当地的监控后台和升压站的自动化系统中。也就是将箱式变的现地控制单元 LCU(有的 是带保护功能的现地保护控制单元 LPCU)通过光纤环网组成多个子网络,再通过光纤将各 个子网络和当地主控层设备组成主干环网, 并与升压站自动化系统通信。 在过去的工程实际 中, 也有少数不单独配置箱式变当地控制单元, 而是将箱式变的控制功能纳入风机控制系统 中, 但是这种功能合并的方式由于箱式变和风机的制造商为不同的厂家, 实施起来比较麻烦, 也带来了职能划分不清晰的弊端。

  事实上,风电场一般地处人迹稀少,环境复杂的山坡、戈 壁、岛屿、滩涂、近海等地,人为巡视和监控及维护相对困难,况且风机制造厂家也很难全 面了解该系统的全部功能, 所以单独采用一个现地控制单元来监控箱式变, 同时单独组成一 个系统的方式是必要的。 由箱式变监控系统网络结构示意图可以看出,箱式变监控系统除了重点解决 LCU (NSC651 现地控制单元)组成的光纤环网外,还包括当地后台计算机、音响报警、网络设 备、时钟同步和打印机等主控级设备。整个风电场箱变监控系统如见图 2。 图 2 双光纤环网结构图 由图中可以看出,每个 LCU 配置有 2 对光纤接口,可分为 A、B 网,中间通过光纤通道 控制器连接,任何一个网络出现故障时,可自动切换到另外一个通道,实现了双通道的主备 毕业设计(论文)-中国论文教育学院 www.icsv.net 运行。并且光纤环网中,非同一装置的 A 网和 B 网都出现故障时,整个网络依然可以正常运 行。 数据通过每个 LCU 和前置装置的 CPLD 控制器来实现自动故障识别和数据通道智能切换。 在 LCU 和前置装置组成的光纤环网中,可轻松构建风电场低压智能监控系统。

  2.1 基于 CPLD 智能通道切换技术 利用 CPLD 数字控制技术来实现光纤通道切换控制。CPLD(Complex Programmable Logic Device)是新一代的数字逻辑器件,具有速度快、集成度高、可靠性强、用户可重复编程或 动态重构其逻辑功能等特点。利用 CPLD 芯片和数字控制技术设计的控制电路,可将光纤通 道切换速度提高到毫秒级, 并且工作稳定, 不受温度的影响, 有利于系统通讯准确率的提高。 采用两块光纤通讯模块,通过 CPLD 可编程技术对光纤数据进行切换和控制。当通讯正 常时,CPU 接收到数据后,通过程序控制,分别将接受到的数据通过两个光纤发射口发送到 下一个光纤接收单元,同样,下一个光纤接收单元会把数据再分别转发出去。从而实现了, 只要任何一个通道中有数据发送, 另外一个通道中必然会收到同样的数据, 再通过 CPU 程序 的控制和筛选,分时复用,保证两个通道间的数据传送同步进行,只是其中一个通道处于热 备用状态,当检测到任何一个通道发生数据中断时,CPLD 立即切换通道,保证了数据的连 续性和准确性。 同样,在通讯前置终端的通讯控制板上也有 CPLD 控制芯片,CPU 发送的询问数据通过 硬件电路将该数据分别发送到两个光纤发射口。 当其中任何一根光纤通道中断时, 另一条通 道中也能够实现数据的交换。保证整个系统的通讯可靠性。具体详细流程可参考图 3、4、5 所示。 图 3 正常光纤环网图 图 4 单根光纤故障 图 5 两根光纤故障

  (1)当光纤双环通信正常时(如图 3 所示), 各节点右端光发送器 LEDR 传送左端光接收器 PINL 的数据,信号顺时针传送;同理 LEDL 传送 PINR 的数据,信号逆时针传送,即发送器选择对 侧数据转发。

  (2)当单根光纤故障时(如图 4 所示),下游 C 节点接口电路实现环回,由于左 侧光接收器 PINL 无信号, 右端光发送器 LEDR 选择同侧光接收器 PINR 数据转发。

  (3)当任意 节点间两根光纤故障时(如图 5 所以),如 BC 节点间光纤被切断时,则 B、C 两个节点与光纤 切断点相连执行环回功能。此时,从 A 到 C 的信号 AC 则先经顺时针环到 B,再经逆时针环 过 A、D 后到达 C。而信号 CA 则仍经顺时针环传输。这种自愈功能保证在故障情况下仍能维 持环的连续性。故障排除后,倒换开关自动返回原来位置。

  (4)实现节点 CPLD 控制器数据选 择接收。其原则为:对于各节点接收的顺、逆时针数据,选择 PINL、PINR 中先到达的数据 接收。

  (5)实现节点数据选择发送。其原则为:当总线空闲时,选择本节点 CPLD 控制器发送 端 TX 发送数据,可消除环形光纤 CPLD 总线网络的自激现象,保证环网不被堵塞;当本节点 CPLD 控制器为接收节点时,选择对侧数据发送;当本节点 CPLD 控制器为接收节点时,且对 侧光纤通道故障,则选择同侧数据发送。

  (6)判别各通道帧起始和帧结束,鉴别总线是否空 闲,网络是否故障。如判断到左测光接收器 PINL 有数据帧正在传送时,产生左侧发送数据 标志 flag_l 和网络通信状态标志 sync_l。 这样, 通过以上所述的控制策略实现了基于 CPLD 双光纤环网的自愈功能。

  2.2 基于嵌入式 Linux 技术的通讯装置

  目前,电力系统装置中使用较多的是 WindowXPE,WinCE 操作系统甚至简单的顺序流程 控制。随着计算机技术的进一步发展,电力系统应及时更新各种前端技术,在电力系统装置 中使用 Linux 系统更具优势。Linux 系统源代码开放,可定制,安全性高,运行稳定。作为 精简版 Linux, 嵌入式 Linux 继承了 Linux 的所有优点, 而且体积小, 速度快; 相对 WindowXPE 系统,嵌入式 Linux 体系结构更优,适合长时间稳定运行,无需担心死机;相对 WinCE,嵌 入式 Linux 占用内存小,价格低廉,功能强大并可完全按用户需求定制。嵌入式 Linux 系统 可同时处理多个任务,且在一定程度上能保证实时性;如需高度实时性,可将内核实时化。

  一个进程的死锁不会造成整个系统的死锁。 本系统软件由多个模块组成, 各模块作为独立进 程或者驱动程序运行于嵌入式 Linux 系统之上,实现相应的底层数据采集与输入输出功能, 核心进程汇集输入输出数据, 实现相关控制策略以及图形显示。 进程之间通过消息队列或共 享内存通讯。 实时操作系统(Real-time OS)是相对于分时操作系统(Time-Sharing OS)的一个概 念。在一个分时操作系统中,计算机资源会被平均的分配给系统内所有的工作。

  在分时系统 中,各项任务需要花多长时间来完成,这一点并不重要;而在一个实时操作系统之中,最关 注的是每个任务在多长时间内可以完成。 简单地说, 实时和分时操作系统最大的不同在于 “时 限(deadline) ”这个概念。 在实时操作系统中,系统必须在特定的时间内完成指定的应用,具有较强的“刚性” , 而分时操作系统则注重将系统的资源平均地分配给各个应用程序,不太在意应用的进度如 何,什么时间能够完成。不过即使是实时系统,其“刚性”和“柔性”的程度也有所不同, 就 好 像 是 系 统 的 “ 硬 度 ” 有 所 不 同 , 因 而 有 了 “ 硬 实 时 ( real-time ) 和 “ 软 实 时 ” (softreal-time)。

编辑:于得水
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