摘要：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前的發(fā)展很快，通訊系統(tǒng)對于風(fēng)電系統(tǒng)的整體控制有非常重要的作用。采用羅克韋爾自動(dòng)化PLC-Controllogix實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)，研究了PLC與上位機(jī)之間的串口通訊，討論了基于VC++的串口通訊工作原理，構(gòu)建了上位機(jī)監(jiān)控軟件。通過實(shí)際運(yùn)行證實(shí)了所采用的PLC及上位監(jiān)控軟件的有效性。表明采用羅克韋爾自動(dòng)化PLC實(shí)現(xiàn)的風(fēng)電通訊系統(tǒng)，可以為風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行、控制及管理提供便利條件。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng) 羅克韋爾自動(dòng)化 PLC VC++ Cmonitor
1引言
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，裝機(jī)容量不斷增大，在世界各地都受到了廣泛重視。在目前的變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中，使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）的雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)市場份額最大，使用永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）的直驅(qū)型系統(tǒng)發(fā)展很快[1-2]。不管是雙饋型還是直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)，其整體控制都比較復(fù)雜，需要有主控系統(tǒng)來協(xié)調(diào)變槳、偏航、變流器、測量、保護(hù)和監(jiān)控等多項(xiàng)環(huán)節(jié)，且風(fēng)電系統(tǒng)通常運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間可能存在一定的距離，因此通訊問題至關(guān)重要 [3-4]。
可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)，采用可編程序的存儲(chǔ)器，在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產(chǎn)過程。PLC具有編程簡單，使用方便，抗干擾能力強(qiáng)，在特殊的環(huán)境中仍能可靠地工作，故障修復(fù)時(shí)間短，維護(hù)方便，接口功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此非常適合風(fēng)電系統(tǒng)使用。
本文首先說明了了風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇羅克韋爾自動(dòng)化的Controllogix作為主控PLC，實(shí)現(xiàn)基于PLC的風(fēng)電通訊系統(tǒng)；基于VC++實(shí)現(xiàn)通訊系統(tǒng)上位監(jiān)控，討論了VC++實(shí)現(xiàn)原理，給出了基于Controllogix的直驅(qū)風(fēng)電通訊系統(tǒng)監(jiān)控效果。
2 風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明
直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括風(fēng)電機(jī)組，永磁同步發(fā)電機(jī)，背靠背變流器，由DSP為核心構(gòu)成的變流器控制器，由PLC為核心構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電主控系統(tǒng)及上位機(jī)。通訊系統(tǒng)主要由PLC及上位機(jī)構(gòu)成，PLC還要與變流器控制DSP之間進(jìn)行通訊，由通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)的監(jiān)控，上位機(jī)與PLC之間采用串口通訊。PLC作為下位機(jī)使用，完成控制、數(shù)據(jù)采集，以及狀態(tài)判別等工作；上位機(jī)用來完成數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、信息存儲(chǔ)、狀態(tài)顯示、打印輸出等功能，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
由圖1可以看到，PLC既要與上位機(jī)連接，又要與變流器控制DSP連接，圖1中變流器采用雙DSP控制，其他還有變槳控制器等，可能涉及多個(gè)處理器，需要由PLC來進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，同時(shí)要由中央控制室的上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控，因此基于PLC的風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)作用非常重要。
圖1 直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本文選用羅克韋爾自動(dòng)化的Controllogix作為主控PLC，對直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)進(jìn)行初步探索。Controllogix是羅克韋爾公司在1998年推出AB系列的模塊化PLC，是目前世界上最具有競爭力的控制系統(tǒng)之一，Controllogix將順序控制、過程控制、傳動(dòng)控制及運(yùn)動(dòng)控制、通訊、IO技術(shù)集成在一個(gè)平臺(tái)上，可以為各種工業(yè)應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持，適用于各種場合，最大的特點(diǎn)是可以使用網(wǎng)絡(luò)將其相互連接，各個(gè)控制站之間能夠按照客戶的要求進(jìn)行信息的交換。對于Controllogix，在組建通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)，Ethernet/ip、controlnet是比較常用的通訊協(xié)議，除此之外，Controllogix還支持devicenet、DH+、RS232、DH485等，而RS-232/DF1端口分配器擴(kuò)展了控制器的通訊能力。因此，Controllogix比較適合用于構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)。
3 基于VC++實(shí)現(xiàn)的通訊系統(tǒng)上位監(jiān)控
為了更加靈活的監(jiān)控下位機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，并方便下位機(jī)功能的調(diào)試和擴(kuò)充，本文基于VC++6.0開發(fā)了與直驅(qū)型風(fēng)電通訊系統(tǒng)配套的上位機(jī)軟件 CMonitor，可以提供良好的用戶界面和工具欄、菜單等多操作途徑，并配合形象的位圖動(dòng)畫功能來實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)實(shí)際狀態(tài)和拓?fù)洌梢酝瓿蓪︼L(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)的控制、修改和監(jiān)視，完成對歷史數(shù)據(jù)的收集和分析，方便用戶對風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)試。
對下位機(jī)PLC串口通信模塊進(jìn)行相應(yīng)初始化后便可以通過PLC的SCIRX和SCITX收發(fā)數(shù)據(jù)，由于PLC接收到的數(shù)據(jù)除了包含命令字外，可能還有其他的數(shù)據(jù)信息，因此針對不同類型的命令字必須有不同的處理方法。定義一個(gè)變量cmd來保存當(dāng)前的命令字信息。
struct ｛int ID; int counter;｝ cmd;
其中ID是用來標(biāo)識(shí)當(dāng)前的命令字，counter則輔助記錄當(dāng)前命令字下總共處理過的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。利用變量cmd可以有效簡化下位機(jī)通訊功能的實(shí)現(xiàn)過程，提高通信函數(shù)的穩(wěn)定性。如圖2所示，在SCI通信服務(wù)函數(shù)中，程序根據(jù)cmd.ID的值進(jìn)入不同的分支，每個(gè)命令字的任務(wù)執(zhí)行完畢后都將cmd.ID 賦為0，使空閑時(shí)進(jìn)入0x0分支，不停檢測新的指令，功能的修改或擴(kuò)充只需要對相應(yīng)分支做修改即可，易于維護(hù)。
圖2 下位機(jī)串口通信函數(shù)流程圖
圖3中列出了幾種典型命令字的處理流程，它們均為圖2所示流程圖的一部分。圖3（a）中cmd.ID為0，表示當(dāng)前無命令字，程序?qū)L試從串口讀取數(shù)據(jù)，這樣一旦有新的命令字，程序便可以馬上獲知。圖3（b）中所示為cmd.ID為0x01時(shí)的處理流程，此時(shí)表明上位機(jī)在測試通信是否正常，如果可以向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，則程序在發(fā)送完畢表示成功的數(shù)據(jù)0x01后將cmd.ID重新賦值為0；否則，程序返回，這樣cmd.ID未被修改，中斷函數(shù)在下次運(yùn)行時(shí)仍會(huì)處理0x01命令字。圖3（c）為處理0x02命令字的流程，根據(jù)預(yù)先規(guī)定0x02對應(yīng)的指令是禁止PWM輸出，當(dāng)cmd.ID為0x02時(shí)，修改相應(yīng)的寄存器，禁止PWM輸出，之后由于要向上位機(jī)發(fā)送執(zhí)行成功的信號(hào)，也就是發(fā)送0x01，因此最后將cmd.ID的值修改為0x01（命令字0x01會(huì)在執(zhí)行完畢后將cmd.ID賦值為0）。這樣在下一次執(zhí)行通信服務(wù)函數(shù)的時(shí)候?qū)?huì)直接進(jìn)入0x01命令字分支。命令字0x03，0x04，0x05的處理流程與圖3（c）相似。
圖3 幾種典型命令字的處理流程
命令字0x06對應(yīng)的指令是修改系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，包括有功電流參考（2個(gè)字節(jié)），無功電流參考（2個(gè)字節(jié)），是否使用載波相移和是否使用SVM（1個(gè)字節(jié)），因此共有5個(gè)附加數(shù)據(jù)，其處理流程如圖3（d）所示，程序首先判斷串口是否有數(shù)據(jù)可讀，有則讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，再將計(jì)數(shù)值加1，之后判斷計(jì)數(shù)值是否已達(dá)到5，是則說明5個(gè)附加數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢，此時(shí)根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)更新下位機(jī)程序中的相應(yīng)變量，最后將cmd.ID改為0x01，向上位機(jī)發(fā)送執(zhí)行成功的響應(yīng)信號(hào)。命令字0x07對應(yīng)的指令是采集直流電壓，其處理流程如圖3（e）所示。程序判斷是否可向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，若可以發(fā)送，則根據(jù)計(jì)數(shù)值確定發(fā)送低位或者高位，同時(shí)計(jì)數(shù)值加1，之后判斷計(jì)數(shù)值是否為2，是則表明直流電壓已經(jīng)發(fā)送完畢，遂將cmd.ID賦值為0，最后程序返回。
圖3（f）為命令字0x12的處理流程，其相應(yīng)指令為禁止PLC存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)并從PLC接收存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)共有1600個(gè)字節(jié)。程序首先判斷是否可以向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送則根據(jù)計(jì)數(shù)值來發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)并將計(jì)數(shù)值加1，之后判斷計(jì)數(shù)值是否達(dá)到1600，是則將cmd.ID賦值為0，進(jìn)入等待新指令環(huán)節(jié)。
圖3中各命令字的處理流程具有典型性，圖2中其他命令字的處理流程均可以在圖3中找到相對應(yīng)的一類，因而其實(shí)現(xiàn)過程變得簡單、直觀，模塊化程度很高。
4 實(shí)現(xiàn)效果
本節(jié)給出了上位機(jī)軟件CMonitor的界面圖形，該軟件已經(jīng)具備了較完善的功能，可以應(yīng)用于下位機(jī)程序開發(fā)、優(yōu)化和對對下位機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控中，并通過實(shí)際運(yùn)行證實(shí)了有效性。
4.1 啟動(dòng)及登陸界面
CMonitor的啟動(dòng)和登陸界面如圖4所示，啟動(dòng)界面顯示了軟件的名稱（Converter Monitor，CMonitor）、版本（V1.0）以及單位信息（中國科學(xué)院電工研究所）等；登陸后CMonitor自動(dòng)測試通信是否正確并檢測MSI的工作狀態(tài)，一切正常后才可以使用軟件的各項(xiàng)功能，防止對下位機(jī)可能出現(xiàn)的誤操作等，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
圖4 Cmonitor啟動(dòng)及登陸界面
4.2 控制面板界面
控制面板是對直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行控制的主要面板，主要包括如下三部分。
（1）拓?fù)淇刂撇糠帧ｏ@示了系統(tǒng)的電氣連接，包括永磁同步發(fā)電機(jī)，電機(jī)側(cè)PWM變流器，直流母線，電網(wǎng)側(cè)PWM變流器，脈沖開關(guān)，并網(wǎng)電感，并網(wǎng)繼電器（3-Phase Breaker），三相電網(wǎng)等。單擊拓?fù)鋱D的脈沖開關(guān)位置，可以打開或者關(guān)閉脈沖開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對控制脈沖的控制；單擊拓?fù)鋱D的并網(wǎng)繼電器位置，可以斷開或者閉合三相繼電器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電變流器的并網(wǎng)、脫網(wǎng)。脈沖開關(guān)和并網(wǎng)繼電器的圖形會(huì)隨著實(shí)際電路的變化而變化，因此可以直觀的控制和反映系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)。
（2）參數(shù)控制部分。可以修改風(fēng)電系統(tǒng)在運(yùn)行中的有功電流（Iq）和無功電流（Id），控制風(fēng)電系統(tǒng)變流器使用SVM還是SPWM調(diào)制方法。
（3）日志記錄部分。顯示用戶在當(dāng)前面板上的所有操作并給出操作結(jié)果，可以回顧用戶的各個(gè)操作步驟，監(jiān)視MSI的通信狀態(tài)并為事故分析提供借鑒和參考。
4.3 數(shù)據(jù)面板界面
數(shù)據(jù)面板的功能是對系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，它提供了兩種采集模式：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)采集，均可以對直流電壓、電網(wǎng)A相電壓、電網(wǎng)B相電壓、電網(wǎng)C相電壓、調(diào)制波A相電壓、調(diào)制波B相電壓、調(diào)制波C相電壓以及逆變器輸出的A相電流、B相電流和C相電流共計(jì)十種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
圖5所示數(shù)據(jù)采集面板界面中，左側(cè)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集部分，點(diǎn)擊相應(yīng)的采集按鈕即會(huì)完成采集并顯示出來；右側(cè)為歷史數(shù)據(jù)采集部分，點(diǎn)擊右上方指示燈下的人形按鈕即可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)采集并繪制相應(yīng)的波形。當(dāng)圖5（a）所示的數(shù)據(jù)采集過程完畢后，虛擬示波器便會(huì)將采集到的波形顯示出來，如圖5（b）所示的數(shù)據(jù)面板的虛擬示波器界面，用戶可以將多達(dá)十種變量的波形進(jìn)行顯示、隱藏、移動(dòng)、放縮等操作，可以用來監(jiān)視程序運(yùn)行、驗(yàn)證程序功能，了解程序的工作狀態(tài)。
圖5 數(shù)據(jù)采集面板界面
4.4 工具面板界面
CMonitor的工具面板界面如圖6所示，它可以將Tek示波器波形捕獲的波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并可以設(shè)置虛擬示波器各通道波形的顏色。程序的封面顯示了軟件的作者和版權(quán)等信息，其功能示意圖如圖6（a）、（b）所示。圖6（a）所示為工具面板打開的一個(gè)實(shí)驗(yàn)波形文件，可以看出該圖形底色為黑色，各波形為彩色（明暗程度不同），經(jīng)過工具面板處理后的波形如圖6（b）所示。對比圖6（a）和圖6（b）可以看出，圖6（a）保持了各通道波形與圖6（b）相同，但底色卻變?yōu)榱税咨ぞ呙姘逋瓿闪藢⑹静ㄆ鞑ㄐ无D(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)波形的功能，方便了對波形的分析。
圖6 工具面板界面
5結(jié)束語
本文基于羅克韋爾自動(dòng)化PLC-Controllogix實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)，主要研究了PLC與上位機(jī)之間的串口通訊，基于VC++構(gòu)建了上位監(jiān)控軟件，可以有效地對風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，顯示運(yùn)行狀態(tài)，記錄歷史數(shù)據(jù)及操作，繪制測試波形，并對實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行處理；可以提供有好的人機(jī)界面，通過進(jìn)一步優(yōu)化及完善功能，可以為直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)的調(diào)試、監(jiān)控提供便利。
＊基金資助項(xiàng)目：中科院電工研究所所長基金（0710141CS1）。
參考文獻(xiàn)
[1]Carrasco J.M., Franquelo L.G., Bialasiewicz J.T., etal. Power- Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Energy Sources: A Survey[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53（4）: 1002-1016.
[2]胡書舉，李建林，許洪華. 永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)變流器拓?fù)錅\析. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（4）：77-81.
[3]Haas O., Ausburg O., Palensky P. Communication with and within Distributed Energy Resources[C]. 2006 IEEE International Conference on Industrial Informatics, Aug.,2006, Page（s）: 352-356.
[4]Anaya- Lara O., Jenkins N., McDonald J. R. Communications Requirements and Technology for Wind Farm Operation and Maintenance[C]. First International Conference on Industrial and Information Systems, 8-11 Aug., 2006, Page（s）: 173-178.
[5]崔曉會(huì)，董峰，王曉遠(yuǎn)，等. 基于串行通訊的平臺(tái)電力網(wǎng)測試系統(tǒng). 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2005，17（4）：28-30.
作者簡介
胡書舉（1978—）男，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。
李建林（1976—）男，副研究員/博士，研究方向?yàn)樽兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。
