CN104615102B - 用于风电场的风力发电机组管理系统和方法 - Google Patents

用于风电场的风力发电机组管理系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于风电场的风力发电机组管理系统和方法。该系统包括：中控平台，用于控制所有风力发电机组；一级网络，包括中控节点和多个一级节点，中控节点连接至中控平台，一级节点以一一对应的关系连接至风力发电机组；多个二级网络，分别连接至一级节点，一一对应于风力发电机组，每个二级网络连接至对应的风力发电机组的变流器的多个控制器，中控平台通过一级网络和二级网络控制所有变流器控制器；多个风机主控制器，分别用于控制风力发电机组的运行，主控制器以一一对应的关系连接至一级节点，中控平台通过一级网络控制所有风机主控制器。根据本发明的技术方案，显著提高了对于风电场的风力发电机组的变流器的分布式控制器的管理效率。

Description

用于风电场的风力发电机组管理系统和方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种用于风电场的风力发电机组管理系统和方法。
背景技术
作为清洁、可再生、有着巨大潜力的新能源，风力发电在全世界范围内获得了迅猛的发展。风力发电受风能利用效率和单机容量的限制，在一个风电场中需要布置几十至几百台风力发电机组。
随着网络技术的发展，风力发电机组中已经大量使用了网络通信，在风电场中为了便于风机的管理，也建立了局域网，用户可以通过局域网看到每台风机的运行状态、数据等信息，也可以通过局域网进行机组启停、故障诊断、程序的更新等操作。
变流器作为整个风机系统中重要部分，也有实现网络化、信息化的要求，在多使用分布式控制器的变流器中，变流器包含多块控制器，而每块控制器都含有独立的以太网通信功能，几十上百台风机的局域网对于变流器内的控制器如果都直接连接到局域网上会给IP地址的规划管理带来很大的不便，会造成每台风机变流器控制器的区分困难，还可能会造成因为区分的问题造成程序更新的错误，误操作等问题。
此外，由于风力发电用的主控制器和变流器一般来自不同的制造商，受主控制器通讯方式、容量和通讯协议的限制，主控制器所采集的变流器运行参数往往非常有限，且实时性也较低，这种管理方式对于变流器甚至整个风力发电机组的运行维护和故障诊断都形成了制约。
当变流器或相关系统出现故障时，主控制器所能提供的信息极其有限，往往需要变流器厂家派人到风电场甚至是故障风力发电机组的现场进行故障分析；由于目前风电场一般分布在比较偏远的地区，这种维护方式会造成大量的时间和费用开销，且因属于事后处理，维护质量也受到一定影响。
另一方面，变流器采集和记录了包括电网、变流器、发电机等在内的各种实时性高、内容丰富的运行参数，对整个系统具备很高的诊断价值，但长期以来，变流器采集和记录的运行参数却没有得到有效的利用，造成风电场管理效率低下。
从以上分析可知，现有的风电场管理存在诸多技术局限性，尤其对于采用分布式控制器的变流器，风电场本地集中控制以及风电场外远程控制成为管理上的关键问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于风电场的风力发电机组管理系统和方法，以解决现有技术存在的变流器控制器管理效率低下的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于风电场的风力发电机组管理系统，风电场包括多个风力发电机组，每个风力发电机组包括变流器，该系统包括：
中控平台，用于控制所有风力发电机组；
一级网络，包括中控节点和多个一级节点，中控节点连接至中控平台，一级节点以一一对应的关系连接至风力发电机组；
多个二级网络，分别连接至一级节点，一一对应于风力发电机组，每个二级网络连接至对应的风力发电机组的变流器的多个控制器，中控平台通过一级网络和二级网络控制所有变流器控制器；
多个风机主控制器，分别用于控制风力发电机组的运行，风机主控制器以一一对应的关系连接至一级节点，中控平台通过一级网络控制所有风机主控制器。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于风电场的风力发电机组管理方法，风电场包括多个风力发电机组，每个风力发电机组包括变流器，该方法包括步骤：
用于控制所有风力发电机组的中控平台通过中控节点连接到一级网络；
一级网络通过多个一级节点连接到多个二级网络，二级网络一一对应于风力发电机组，每个二级网络连接至对应的风力发电机组的变流器的多个控制器，中控平台通过一级网络和二级网络控制所有变流器控制器；
一级网络通过多个一级节点连接到多个用于控制风力发电机组的运行的风机主控制器，风机主控制器一一对应于风力发电机组，中控平台通过一级网络控制所有风机主控制器。
与现有技术相比，根据本发明的技术方案，维护人员可以直接对风电场中变流器及其控制器进行及时维护，便于充分发挥变流器采集和记录的数据资源；变流器运行参数的选取不再受主控制器通讯方式、容量和通讯协议的限制；大大提升风力发电机组的维护效率和质量，缩减故障处理时间，甚至可以实现在日常运行中进行参数分析和故障预防，显著节省维护成本。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明实施例的风力发电机组管理系统的示意图；
图2示出了根据本发明的风力发电机组管理系统的一个具体实施例的示意图；
图3示出了根据本发明的风力发电机组管理系统的另一具体实施例的示意图；
图4示意性地示出了根据本发明实施例的风力发电机组管理方法的流程图；以及
图5示出了根据本发明的变流器控制器软件更新实施例的流程图。
附图标号说明：
102-中控平台、110-一级网络、112-中控节点、114-一级节点、120-二级网络、122-变流器控制器、130-风机主控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。
为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
通常，风电场包括多个风力发电机组，每个风力发电机组包括变流器，如图1所示，根据本发明实施例的用于风电场的风力发电机组管理系统包括：
中控平台102，用于控制所有风力发电机组；
一级网络110，包括中控节点112和多个一级节点114，中控节点112连接至中控平台102，一级节点114以一一对应的关系连接至风力发电机组；
多个二级网络120(图中示例性示出三个)，分别连接至一级节点114，一一对应于风力发电机组，每个二级网络120连接至对应的风力发电机组的变流器的多个控制器122(图中示例性示出三个)，中控平台102通过一级网络110和二级网络120控制所有变流器控制器122；
多个风机主控制器130，分别用于控制风力发电机组的运行，风机主控制器130以一一对应的关系连接至一级节点114，中控平台102通过一级网络110控制所有风机主控制器130。
优选地，一级网络110包括有线局域网，相应地，一级节点114可以包括多口交换机。
一级网络110也可以包括无线网络，相应地，中控节点112和一级节点114可以包括无线网络设备。无线网络设备可以是工业无线网卡等无线局域网通信设备，也可以是GPRS/3G/4G模块等无线广域网通信设备。
根据本发明的实施方式，可以实现在风电场局域网内实现变流器运行数据的监视，故障诊断，程序更新。也可以通过接入广域网，或者通过3G/4G移动通讯技术实现无线网络远程操作，也可以利用手持终端实现远程软件更新和监控。
优选地，二级网络120包括路由器，用于使同一风力发电机组的所有变流器控制器122使用同一IP地址。在分布式系统中也可以不使用路由器，为每块控制器分配不同的IP地址，然后连接到风场局域网。使用该方式优点在于节约购置路由器的成本，缺点在于需要为每块控制器都分配不同的IP地址，软件管理会很困难，对于风机比较多的风场，IP地址的规划会存在困难，难以区分哪些控制器属于一台机组。
可选地，每个风力发电机组的风机主控制器130的IP地址与路由器的IP地址在相同网段。替代地，所有风机主控制器130的IP地址在同一网段，所有路由器的IP地址在另一网段。
进一步，中控平台102可以连接至互联网，用于实现对风力发电机组的远程控制。
变流器控制器122一般包括闪存，闪存包括更新程序和应用程序，当变流器控制器122通过二级网络120接收到硬件复位信号时，加载和运行更新程序，当变流器控制器122未接收到硬件复位信号时，根据预置的软件更新标志，加载和运行更新程序或应用程序。
通过本发明的风电变流器分布式控制器的组网技术，控制器远程连接方式使用点对点方式，节省IP地址，可以提高现场处理变流器问题的速度，通过网络现场人员能够迅速的查看到变流器的故障；对于疑难问题，研发部门可以通过远程接入对变流器进行故障诊断，极大的提高工作效率。
图2示出根据本发明的风力发电机组管理系统的一个具体实施例。其中，变流器路由器IP地址设置在与主控相同的网段内，这样便于主控通过以太网来实现与变流器的通讯。
在风电场的以太网环网内，每个节点对应一台风机内的一个多口交换机，每个多口交换机连接以下设备：包括一个无线设备，一个风机主控制器，一个带端口映射功能的路由器，路由器作为变流器与风机局域网的接口，此路由器下连接的是变流器的分布式控制器(CU)。
变流器内部组网：变流器的多块控制器通过以太网连接到路由器，构成变流器内部局域网，该网络可以实现变流器之间的内部数据交换，用户可以通过后台连接到变流器内部局域网上进行程序更新，变流器的数据监视，测试模式下的操作等工作。
变流器接入风场局域网：变流器内部的控制器通过路由器连接到风机的交换机上，每台风机的交换机之间进行网络连接构成风场的局域网。通过这条网络，用户可以通过风场局域网对每台风机的变流器进行访问，进行数据监控，程序更新等操作。
变流器接入广域网：将变流器内路由器或者风场局域网通过无线网络技术或者有线网络接入到广域网中，用户可以通过广域网访问到变流器的控制器，从而实现变流器的数据监视，程序更新等操作。
变流器内部IP地址：变流器内部的多块控制器使用同一网段内的IP地址，这样可以使变流器控制器的程序简单化，每台变流器的各个控制器程序统一化，便于程序管理，也对变流器内部控制器之间的以太网通信提供了通道。
风机内变流器路由器IP地址：通过风场局域访问变流器时，是通过此台风机的变流器路由器，来实现对变流器的访问的，每台路由器都配置在同一网段内，且在局域网内具有唯一的IP地址，这样路由器的IP地址就一一对应到每台变流器，从而实现对变流器的局域网访问或者广域网访问。
图3示出根据本发明的风力发电机组管理系统的另一具体实施例。其中通过设置不同的网段实现整个风场变流器系统的管理子网，实现变流系统管理子网与风机系统2个子网，其他结构与图2所示实施例相同。
如图4所示，根据本发明实施例的用于风电场的风力发电机组管理方法包括：
步骤S402，用于控制所有风力发电机组的中控平台通过中控节点连接到一级网络；
步骤S404，一级网络通过多个一级节点连接到多个二级网络，二级网络一一对应于风力发电机组，每个二级网络连接至对应的风力发电机组的变流器的多个控制器，中控平台通过一级网络和二级网络控制所有变流器控制器；
步骤S406，一级网络通过多个一级节点连接到多个用于控制风力发电机组的运行的风机主控制器，风机主控制器一一对应于风力发电机组，中控平台通过一级网络控制所有风机主控制器。
可以使每个风力发电机组的风机主控制器的IP地址与路由器的IP地址在相同网段。也可以使所有风机主控制器的IP地址在同一网段，所有路由器的IP地址在另一网段。
进一步，使中控平台连接至互联网，用于实现对风力发电机组的远程控制。
变流器控制器包括闪存，闪存包括更新程序和应用程序，当变流器控制器通过二级网络接收到硬件复位信号时，加载和运行更新程序，当变流器控制器未接收到硬件复位信号时，根据预置的软件更新标志，加载和运行更新程序或应用程序。
举例而言，采用以太网远程更新嵌入式系统flash存贮器中的程序，更新程序和应用程序分别存放在flash的固定扇区，可以通过硬件和软件操作来实现程序的加载，当有硬件复位信号时，加载更新程序，无硬件复位信号时根据软件的更新标志置，来选择CPU软件启动时加载flash中的哪段程序，程序加载如图5所示。
通过远程软件重启嵌入式系统，取代了采用仿真器本地烧写或本地断电重启的原始方法，极大的提高了软件更新效率，软件升级更为方便。程序跳转标志使用硬件和软件两种方式来判断，且硬件具有比软件更高的优先级。软件跳转标志只能在停机情况下进行操作，对变流器进行了更新保护。软件跳转标志在无应用程序情况下不能进行操作，防止在无应用程序下的软件跳转。
通过本发明的软件更新方式，软件复位重新加载程序，采用标志实现多程序切换，方便软件更新，在远程即可进行程序的更新，便于软件优化，提高软件更新效率；降低了变流器的维护和优化成本。
综上所述，本发明技术方案可以有效应用于风力发电用变流器的远程软件更新，包括多控制器的变流器内部组网方式，风机之间变流器的组网方式，基于以太网的软件远程更新方法。如果变流器通讯网络独立于风机主控制器网络会额外增加风电场建设成本，采用GPRS无线通讯流量也无法满足变流器监控数据量要求，而根据本发明技术方案的组网架构解决了风电场多台变流器，以及每台变流器多个控制器的点对点通讯问题；解决了多控制器因IP地址不同导致软件不统一的问题；解决了变流器的多控制器远程更新的难题，大大提高软件升级效率，便于软件优化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于风电场的风力发电机组管理系统，所述风电场包括多个风力发电机组，每个风力发电机组包括变流器，其特征在于，所述风力发电机组管理系统包括：
中控平台，用于控制所有风力发电机组；
一级网络，包括中控节点和多个一级节点，所述中控节点连接至所述中控平台，所述一级节点以一一对应的关系连接至所述风力发电机组；
多个二级网络，分别连接至所述一级节点，一一对应于所述风力发电机组，每个所述二级网络连接至对应的所述风力发电机组的变流器的多个控制器，所述中控平台通过所述一级网络和所述二级网络控制所有变流器控制器；
多个风机主控制器，分别用于控制所述风力发电机组的运行，所述风机主控制器以一一对应的关系连接至所述一级节点，所述中控平台通过所述一级网络控制所有风机主控制器；
所述二级网络包括路由器，用于使同一风力发电机组的所有变流器控制器使用同一IP地址，每个所述风力发电机组的风机主控制器的IP地址与路由器的IP地址在相同网段。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组管理系统，其特征在于，所述一级网络包括有线局域网，所述一级节点包括多口交换机。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组管理系统，其特征在于，所述一级网络包括无线网络，所述中控节点和所述一级节点包括无线网络设备。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组管理系统，其特征在于，所述中控平台连接至互联网，用于实现对风力发电机组的远程控制。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的风力发电机组管理系统，其特征在于，所述变流器控制器包括闪存，所述闪存包括更新程序和应用程序，当所述变流器控制器通过所述二级网络接收到硬件复位信号时，加载和运行所述更新程序，当所述变流器控制器未接收到硬件复位信号时，根据预置的软件更新标志，加载和运行所述更新程序或所述应用程序。
6.一种用于风电场的风力发电机组管理方法，所述风电场包括多个风力发电机组，每个风力发电机组包括变流器，其特征在于，所述风力发电机组管理方法包括步骤：
用于控制所有风力发电机组的中控平台通过中控节点连接到一级网络；
所述一级网络通过多个一级节点连接到多个二级网络，所述二级网络一一对应于所述风力发电机组，每个所述二级网络连接至对应的所述风力发电机组的变流器的多个控制器，所述中控平台通过所述一级网络和所述二级网络控制所有变流器控制器；
所述一级网络通过多个一级节点连接到多个用于控制所述风力发电机组的运行的风机主控制器，所述风机主控制器一一对应于所述风力发电机组，所述中控平台通过所述一级网络控制所有风机主控制器；
所述二级网络包括路由器，用于使同一风力发电机组的所有变流器控制器使用同一IP地址，每个所述风力发电机组的风机主控制器的IP地址与路由器的IP地址在相同网段。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组管理方法，其特征在于，所述一级网络包括有线局域网，所述一级节点包括多口交换机。
8.根据权利要求6所述的风力发电机组管理方法，其特征在于，所述一级网络包括无线网络，所述中控节点和所述一级节点包括无线网络设备。
9.根据权利要求6所述的风力发电机组管理方法，其特征在于，使所述中控平台连接至互联网，用于实现对风力发电机组的远程控制。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的风力发电机组管理方法，其特征在于，所述变流器控制器包括闪存，所述闪存包括更新程序和应用程序，当所述变流器控制器通过所述二级网络接收到硬件复位信号时，加载和运行所述更新程序，当所述变流器控制器未接收到硬件复位信号时，根据预置的软件更新标志，加载和运行所述更新程序或所述应用程序。
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