风电场箱变监控系统关键技术的研究

风电场箱变监控系统关键技术的研究

田昀 秦鹏 张峰

(嘉兴国电通新能源科技有限公司，浙江省嘉兴市，341000)

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。

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Window XPE，Win CE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Window XPE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Win CE，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（soft real-time）”。硬实时系统由一个刚性的，不可改变的时间限制，它不允许任何超出时限的错误，超时错误会带来损害甚至导致系统失败、或者导致系统不能实现它的预期目标。软实时系统的时限是一个柔性灵活的，它可以容忍偶然的超时错误。失败造成的后果并不严重，例如在网络中仅仅是轻微地降低了系统的吞吐量。

实时系统的应用非常广泛，几乎在每个行业的垂直市场都有大量的应用系统必须采用硬实时才能达到。例如高吞吐量以及高密度数据交换网络也会需要实时性非常高的操作系统来实现；在航空与国防应用中的指令控制、导航、安全、武器控制等，还有飞机驾驶模拟系统等应用，都需要将复杂的计算、存储、显示和机电控制系统有条不紊地协调起来；工业生产流水线，特别在化工、电力、交通等行业，都有很多精度要求极高的机电控制系统。所以这些应用，毫无疑问都必须建立在硬实时技术的基础上。

因此，基于以上几点原因，在风电场箱变控制系统中，选用经济适用，高效可靠的嵌入式Linux技术的前置终端是首选。采用嵌入式Linux技术的数据处理及通信装置，具有常规RTU的功能，全面支持开放式网络结构和通信接口，满足各种电压等级变电站自动化系统、发电厂网络控制系统的通信要求。智能性、开放性、可编程性。适合用于发电厂和变电站自动化系统中的远动通信装置、保护管理机、智能设备接口装置等。它具有两个光纤环网串行接口，可以方便的实现与LCU的环形数据通讯，满足风电箱变设备多，分布广等特点；它还具有两个光纤环网以太网接口，多个通讯管理机组成光纤环网系统，可以方便的与监控中心进行数据交互，从而在监控中心对风电场所有箱变的监控。采用LINUX嵌入式多任务操作系统和高效率的C编程语言。具备强大的驱动和通信规约开发机制，汇集丰富的工程经验，并能提供满足用户需要的通信协议以及通信驱动方式。

2.3基于红外控制技术的LCU装置

鉴于风电场长期处于潮湿、多尘、高低温等恶劣的环境中。机箱一般采用全封闭设计。液晶的寿命在这种环境下会极大的降低。因此，在这种环境下可采用无线遥控技术，面板使用红外遥控方式来实现。具体硬件电路如图6所示。

图6红外发射电路

据图6所示，发送的数据经过IR TXD端口后，由38KHz的FRQ OUT方波进行调制后发送出去。在装置上有相应的接收端接收红外数据。如图7所示：

图7 红外接收电路

图7中，IR RXD接收数据后发送到MCU的串口，进行数据处理。选用IEC103作为通讯规约，数据通过串口低波特率(提高了发送距离)发送出来，由38KHz的高频调制后经过红外发射口发射。同样DSP接收到数据后经过延时发送返回数据，延时的目的是为了防止反射回来的红外波影响通讯的可靠性。并且通过程序控制，在发送的过程中，采用单字节异步发送，发送过程中屏蔽接收口，最后还通过修改发送电阻大小，增加发送功率。使得遥控红外面板的可靠遥控距离增加到2米左右，达到设计和市场的要求。

3. 结语

基于上述关键技术的风电场箱变监控系统，不仅功能齐全、性能优越、工程配置灵活、使用方便，而且为了提高装置运行可靠性，在设计中增加了许多结合电气物理特征量的综合判据。系统完全适应各种风电场等环境恶劣、分布广泛的电力监控保护系统，某些指标已达到国际、国内同类产品的先进水平，因此具有比较理想的使用前景。

参考文献

[1]  翁国庆，陈明军，王富容．变电站本地监控嵌入式操作系统及其应用软件. 电力系统自动化, 2004，28（12）:75-77．

RESEARCH OF KEY TECHNOLOGY ABOUT BOX TRANSFORMER SYSTEM IN WIND FARM

Abstract: Base on the characteristic and requirements of wind farm box transformer monitoring system,this paper raised outlined the overall structure and key technologies of the

box transformer monitoring system. Detailed analysis of the double-fiber-optic ring-net technology, intelligent access switch technology based on CPLD, communication devicesbased on embedded Linux technology as well as infrared controled LCU device. Thus, to meet the requirement of box transformer monitoring system, through detailed analysise of the above mentioned technologies , this paper conducted a technology study of wind farm box transformer monitoring system.

KEY WORD:  Wind power; Fiber-optic ring-net; CPLD; Embedded Linux; infrared controled