PLC控制器在风电机组中的应用.pdf

2 0 0 9 年第1 期 中图分类号 T M 3 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 2 5 5 2 2 0 o 9 0 1 0 0 9 7 0 2 P L C控制器在风 电机组中的应用 魏 仲，晁 勤，马成兴，曹连 山 新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0 摘要结合 7 5 0 k W 风力发 电机组的控制要 求，对风 电机组 P L C控制 系统进行 了分析 ，研 究 了 P L C控制器的构成和风机运行控制方法，并对该 系统的 P L C控制 系统的软件、硬件进行 了设计。 关键词风电机组 ；P L C ；风机控制 Ap p l i c a t i o n o f PLC c o n t r o l l e r i n wi n d t u r b i n e g e n e r a t e r WE I Z h o n g ，C H A O Q i n ，M A C h e n g x i n g ，C A O L i a n s h a n S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， X a r d i a n g U n i v e r s i t y ， U r u mq i 8 3 0 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r a n a l y z e d PL C c o n t r o l s y s t e m o f wi n d p o we r g r o u p c o mb i n i n g wi t h c o n t r o l r e q u i r e me n t s o f 7 5 0k W wi n d t u r b i n e， s t u d i e d the c o mpo s i t i o n o f P LC c o n t r o l l e r an d f an c o n t rol me tho d，an d d e s i g n e d s o f twa r e a n d h a r d wa r e o f thi s P LC c o n t r o l s y s t e m ． Ke y wo r d s wi n d po we r u n i t ；P LC；f an c o n t r o l 0 引言 风能作为一种取之不尽 、 清洁无污染的可再生 能源 ， 其开发利用已经受到了世界各国的普遍重视 ， 作为风力资源丰富的国家之一 ， 我 国的风力发电水 平也取得了较快 的发展。从 2 0世纪 7 0年代开始 ， 并网型风力发电己经逐渐 开始商业化 ， 技术也 日益 成熟 ， 单机容量越来越大 ， 而失速型异步风电机 已成 为国内风电场的主要机型 。作为采集风能的主要形 式 ， 风电机组的控制 问题研究变得越来越重要。 目 前 ， 在风电机组控制运行上 ， P L C控制 已被国内外普 遍采用。 在最近几年， P L C以其诸多特点获得广泛 的使 用 ， 在工业先进 国家 已成 为工业控制 的标 准设 备。 它专为工业控制而设计 ， 集 电气 、 仪表、 控制三 电于 一 体 ， 是实现机 电一体化的理想控制设备 。P L C采 用可以编制程序的存储器 ， 除了可以执行逻辑运算 、 顺序运算、 计时、 计数和算术运算等操作的指令， 还 可以完成各种顺序或定时的闭环控制功能。通过各 类通讯接 口与模块处理 ， 进行数字式或模拟式的输 入和输出， 方便各级连接 ， 体积小 、 抗干扰能力强、 可 靠性高、 稳定性好 、 能在恶劣环境 下长 时间 、 不间断 运行 ， 且编程简单 ， 维护方便。本文就 s 73 0 0 P L C 系统在失速型并网异步风力发 电机组 中的应用进行 了说 明。 1 风机控制装置 风机控制是整个风电机组安全可靠运行 的关键 技术， 控制装置与风力发电机组的其余各部分密切 相关 ， 是风电机组运行 的大脑 ， 是整个机组正常可靠 运行以及实现最佳运行的可靠保证⋯。风机控制系 统结构 图如图 1 所示 ， 主要包括中心控制器 、 软并 网 控制系统 、 无功补偿控制系统和偏航控制系统等 J 。 1 ． 1 风机控制系统硬件结构设计 风电机组大多工作于高温、 高寒 、 高湿 、 风沙等 恶劣的 自然环境与强电磁干扰环境中， 且无人值守 ， 要求其主控制器抗干扰能力强 ， 工作可靠性高 ， 各种 运行参数测量准确， 控制策略合理 ， 对故障的判断处 理及时准确。通过分析机组的控制要求与特点 ， 顺 序控制较多， 控制系统需要处理的输入输出信号也 大都是开关信号， 所以选用 P L C作为主控制器可以 满足风电机组对其控制系统的要求。衡量风电机的 要求需要， 选 择西 门子公 司的 s 73 0 0型 P L C模块 作为失速型并网异步风电机组 的中心控制器 。 收稿 日期 2 0 0 80 60 5 作者 简介 魏 仲 1 9 8 2一 ， 男 ， 电力 系统及 其 自动化 专业 硕 i 研 究 生 ， 研究方 向为电力系统 稳定与控 制。 - - - 9 7 - - 图 1 风机控制系统结构图 风电机组控制装置的硬件组成主要包括主控制 柜 M a i n p a n e 1 、 计算 机柜 C o m p u t e r p a n e 1 、 电容柜 P h a s e c o m p e n s a t i o n 、 顶部控制柜 T 0 p b o X 、 传感器、 执行机构 以及控制 电缆等。在 7 5 0 k W 风 电机组 中， 塔顶机舱柜 中 P L C模块主要包括数字量输入模块 S M 3 2 1 、 模 拟 量 输 入 模 块 S M3 3 1 、 高 速 记 数 模 块 F M 3 5 0 、 接 口模 块 I M1 5 3 E T 2 0 0系列 等 ； 塔底控制 柜中 P I E模块 主要包括 C P U模块 C P U一3 1 5 、 数字 量输入模块 S M3 2 1 、 数字量输出模块 S M3 2 2 、 通讯处 理器 C P 3 4 0 、 电源模块 P S 3 0 7等。塔底控制柜和塔 顶控制柜 P L C排布如图 2所示。 图2 塔底柜和机舱柜之间结构 图 1 ． 2 风机控制系统软件结构设计 结合 P L C系统的特点 ， 使用 S T E P 7 对机组控制 系统编写风机控制应用程序， 采用语句表和梯形 图 相结合的方法 ，实现 了应用程序 的模块化 、 结构化 编程 。为更加方便 、 安全地进行风电机组的控制 ， 把 一 98 一 风电机组所要实现的控制功能分成几个相对独立的 任务 ， 按照模块化的软件编程方法进行编程 ， 主程序 主要完成风电机组的机组启动 、 软并网、 大小电机切 换控制以及发电系统的功率优化等； 子程序主要包 括 停机子程序 、 紧急停机子程序 、 偏航子程序、 解缆 子程序 、 齿轮油泵启／ 停控制 、 液压油泵启／ 停控制以 及齿轮油加热与冷却子程序等 。风电机组的主流程 如 图 3所示 。 合 J 电源 i ／ o u 内部继电器清 零，所有定时器复位 检查i ／ o 单元的连接 监控定时器复位T O 检查硬件和风机控制程序存储器 故障性 ＼ I 故I 错 障I 误 报警 l 是 采样输入信号刷新I ／ O 数据更新输出信号 监控定时器复位T l 逐条执行风机控制程序的指令 是 监控 定时器复位T l 服务于外设命令 图 3 风机运行主流程图 下转第 1 0 1 页 证书签发者的签名信息 由三个部分组成 ①签 名算法标识 C A使用 S H A l 消息摘要算法和 E C D S A 签名算法对证书签名。②签名算法参数 签名算法 参数从 C A根证书的主体公钥信息中获得。③数字 签名 计算证书的 S H A I 消息摘要 和 E C D S A数字 签 名， 将签名值作为 B I T S T R I N G类型的 A S N I 编码保 存于该字段 中。 在 T L S 握手协议中 ， 客户或服务器认证需要通 过 C A证书来完成， 因此， 扩展的 C A证书需支持 E C C算法的签名与认证。实现的 X． 5 0 9 v 3证书 的 E C C扩展 ， 可根据给定的 E C C参数生成 X． 5 0 9格式 的 E C D S A签名证书 ， 应用于 T L S 握手协议中 J 。 3 ． 3 扩展椭圆曲线和曲线上点格式 在 T L S握手开始新的连接阶段 ， 新的 T L S扩展 允许使用特殊椭 圆曲线和点格式 例如压缩 ， 解压 缩 ， 以支持相应 的受限客户 。在客户 C l i e n t H e l l o消 息中， 客户端 列举 所支持 的曲线及点格式 的扩展 。 同样 ， 在服务器 S e r v e r H e l l o 消息 中， 服务器端也列举 所支持的曲线及点格式的扩展 。 T L S 客户端可选择 E C C加密组在客户 C l i e n t H e l l o 消息中包含椭圆曲线和点格式 的扩展。而 T L S服务 器在服务器 S e r v e r H e l l o消息 中必须支持这些扩展 ， 可自由选择相应 的曲线或点格式。当客户使用这些 扩展时 ， 服务器不必协商 E C C加密组 除非客户特 别说明选择相应的曲线和压缩技术 。因而 ， 在协商 E C C握手过程中， 不存在客户不能处理服务器椭 圆 曲线密钥而中止的可能性 。 在会话恢复阶段 ， 服务器会忽略当前 C l i e n t H e l l o 消息中所支持的椭圆曲线扩展和点格式扩展。而这 些扩展仅在握手协商新的阶段中起作用。 4 实现 T L S协议 的 E C C扩展 的安全 性分析 基于 T L S的 E C C扩展并没有改变 T L S协议 的 运行机制 ， 也没有改变 T L S 握手协议的工作过程 ， 因 此 ， 基于 E C C扩展的 T L S 协议没有产生额外的安全 机制问题。 通过 E C C的扩 展， T L S协 议 可 以选用 较长 的 E C C密钥来进行密钥交换， 也可选用更安全的 E C C 密钥尺寸的密钥来签名 和认证 ， 因此 ， 附带 E C C的 扩展的 T L S协议能提供更高级别的安全性。 5 结束语 通过实现 T L S协议 的 E C C扩展 ， 在 T L S协议 内 部实现了 E C C公钥密码算法 ， 并对 T L S协议使用 的 X． 5 0 9 证书进行支持 E C C算法 的扩展 ， 在满足 当前 应用 的基础又增强了 T L S 协议的安全性。 参 考 文 献 [ 1 ] T h e T L S P r o t o c o l E Z ] ． V e r s i o n 1 ． 1 ， R F C 4 3 4 6 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 冯飞， 方琪， 王令群． 基于椭圆曲线密码体制的系统设计[ J ] ． 计 算机时代 ， 2 O 0 5 ． [ 3 ] B l a k e - Wi l s o n S ， B o l y a r d N， G u p t a V， e t a 1 ． E l l ip t i c C u r v e C r y p t o g r a p h y E C C C i p h e r S u i t e s f o r T r a n s p o r t L a y e r S e c u r i t y T t S [ c ] ． RF C 4 4 9 2，Ma y 2 O 0 6． [ 4 ] 陆洁茹 ， 朱艳琴 ． S S L中 E C C数字证书 的设计 与实现 [ J ] ． 计算 机应用与软件 ， 2 O O 7 ， 2 4 1 2 ． [ 5 ] 吕俊文， 宋涛， 司天歌， 等． S S L 协议的E C C扩展实现[ J ] ． 计算 机工程与设计 ， 2 O 0 6 ， 2 7 1 O 1 7 1 5 1 7 2 5 ． 责任编辑 么丽苹 上接第 9 8 页 启动前 ， 主开关合闸 ， 风力发 电机组控制器准备 自动运行。首先系统初始化 ， 控制程序初始化、 检查 微控制器硬件和外设状态是否完好 ， 检测系统参数 温度 ， 液压油， 压力 ， 风 向， 风速等 ， 比较所检测 的 操作参数 ， 如果没有故障， 系统就可以正式起动。启 动时 ， 首先检查 电网 ， 检测电网的各个参数 、 设 置各 个计数器 、 输出机构初始工作状 态及 晶闸管的开通 角_ 3 J ， 之后 ， 风力发 电机组开始 自动运行 。风轮的叶 尖角由 9 O 。 恢复为 0 。 ， 风轮开始转动 ， 计算机 开始实 时监测各个参数 ， 随着风轮速度的提高 ， 风轮反馈的 转速信号作为输入的判断条件 ， 送入控制器 ， 以判断 是否可以并网。当发电系统运行 以后 ， 系统检测的 参数用以判断参数有否超过极限 、 执行偏航 、 相位补 偿 、 安全制动。 2 结束语 结合风力发 电的控制要求 ， 以 s 73 0 0型 P L C 模块为例 ， 对 7 5 0 k W风力发电机组 的控制系统进行 了概述 ， 研究 了其控制系统的构成及风机控制过程， 本文设计的 P L C控制系统， 通过测试风机 的实际控 制及运行可以实现对风电机组 的良好控制。 参 考 文 献 [ 1 ] 叶杭 冶． 风 力发 电机 组 的控 制技 术 [ M] ． 北 京 机械 工业 出版 社 ， 2 O O 2 5 9 6 3 ． [ 2 ] 叶肩明． 大型风力发电机组系统的结构与特点[ J ] ． 华中电力， 2 0 0 2 3 63 8． [ 3 ] 张福 田． 异步风力发 电机 并网运行 的理论探讨 [ J ] ． 风力发 电， 1 9 9 1 4 3 64 0 ． 责任编辑 么丽苹 一 l 0l 一