一种风电机组仿真系统

技术领域

本发明涉及风电机组技术领域，具体涉及一种风电机组仿真系统。

背景技术

风力发电机仿真测试系统是在分析风机各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真测试系统模型。采用实时仿真系统搭建风力发电机组所需的外接物理或电气环境，进行电控系统的开发和测试，可以避免直接在实际风力发电机设备上做实验，使控制系统的开发和测试更加便利。

中国专利为CN104865845A的发明所述一种大型风电机组实时运行控制联合仿真平台及其构建方法。该发明中所述仿真平台采用了Bladed和RTDS结合的构架，使得仿真系统可以进行实时动态仿真，算法上得到了互补，但是由于该发明硬件接口设计并没有做到兼容化设计，使该发明中所述仿真平台与风电机组实物联合测试不便。

中国发明专利CN102749853A，公开了一种基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台。该发明包括变流器电网模拟部分、电机对拖平台、信号模拟部分、变桨和偏航模拟部分等其他相关部分。但该发明的实质是对拖机平台，只适用于小容量风电机组仿真，若依靠对拖平台进行大容量风电机组仿真，则准确度会下降，且该发明便携性和易用性较差。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种风电机组仿真系统，解决现有风电机组仿真系统，与风电机组实物联合测试不便或者仅适用于小容量风电机组仿真的问题。

本发明通过如下技术方案实现：

本发明的风电机组仿真系统，包括风电机组仿真软件、风电机组仿真硬件、PLC控制模块和连接端口，所述连接端口包括风电机组实物连接端口，所述风电机组仿真软件内配置风电机组实物端口通讯模块，所述风电机组实物端口通讯模块控制风电机组实物连接端口与风电机组实物之间的数据通讯。

进一步的，所述风电机组实物端口通讯模块通过TCP/IP协议经以太网口写入风电机组仿真软件内。

进一步的，所述风电机组仿真软件内包含风电机组仿真程序，所述风电机组仿真程序内写入对实际风电机组进行仿真的风电机组数学模型。

进一步的，所述风电机组数学模型由MATLAB编译成DLL文件，所述DLL文件以及DLL文件的I/O接口信息写入所述风电机组仿真程序内。

进一步的，还包括外部PC端，由所述外部PC端操作发送指令向所述风电机组仿真软件注入模拟故障信息，所述风电机组仿真软件根据所述模拟故障信息进行故障仿真。

进一步的，所述风电机组仿真软件还包括网络接口程序，所述连接端口还包括网络接口，所述网络接口程序一端与风机仿真程序连接，所述网络接口程序另一端与所述网络接口连接。

进一步的，还包括交换机，所述交换机一端与所述网络接口连接，另一端与多个子终端连接。

进一步的，所述风电机组仿真硬件包括硬件逻辑，NI功能板卡箱以及总线仿真模块；

所述硬件逻辑一端与所述风电机组仿真程序连接，所述硬件逻辑另一端与所述NI功能板卡箱连接；

所述PLC控制模块一端与所述NI功能板卡箱连接，所述PLC控制模块另一端与所述总线仿真模块连接，所述总线仿真模块与硬件逻辑连接。

进一步的，还包括三相电源模块，用以模拟电网端的运行状态；所述三相电源模块与所述PLC控制模块的电源检测板卡通过对应通道连接；

还包括备用电源模块，所述备用电源模块与用电部件连接；所述用电部件包括NI功能板卡箱，三相电源模块以及交换机。

进一步的，所述风电机组仿真软件还包括界面程序，所述连接端口还包括显示器接口；

所述界面程序一端与所述风电机组仿真程序连接，所述界面程序另一端与所述显示器接口连接。

和最接近的现有技术比，本发明的技术方案具备如下有益效果：

本发明提供的风电机组仿真系统，风电机组仿真软件内配置风电机组实物端口通讯模块，风电机组实物端口通讯模块控制风电机组实物连接端口与风电机组实物之间的数据通讯，使得风电机组实物连接端口与风电机组仿真软件能够很好的兼容，从而便于风电机组仿真系统柜体与风电机组实物联合测试。

本发明提供的风电机组仿真系统，通过基于LabView开发的软件架构和包括NI功能板卡箱的硬件架构，搭建了数字化和程序化的仿真逻辑，配合客制化的PLC控制模块和相应的控制程序，取代之前的半实物对托平台，提高准确度，客制化地进行各种容量的风机机组仿真。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的风电机组仿真系统的立体结构示意图；

图2为本发明的风电机组仿真系统的结构框图；

图3为本发明的风电机组仿真系统的参数配置界面示意图；

图4为本发明的风电机组仿真系统的数据查看界面示意图；

图5为本发明的风电机组仿真系统的故障注入界面示意图；

其中，1-电源开关，2-电源指示灯，3-显示器，4-键盘，5-Profibus DP接口，6-SSI接口，7-预留扩展接口，8-PLC控制模块连接端口，9-三相电源模块，10-三相电源信息界面，11-三相电源端口，12三相电源操作按钮，13-备用电源模块。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本实施例提供一种风电机组仿真系统，具体是一种风电机组仿真系统柜体，风电机组仿真系统柜体包括风电机组仿真软件，风电机组仿真硬件，PLC控制模块，连接端口，电源开关1，电源指示灯2，显示器3，键盘4；具体的是，风电机组仿真系统柜体内安装风电机组仿真软件以及风电机组仿真硬件，风电机组仿真软件与外部PC主机连接，风电机组仿真系统柜体的柜壁上设置连接端口，电源开关1，电源指示灯2，显示器3以及键盘4，连接端口包括但不限于风电机组实物连接端口，网络接口，显示器接口，显示器接口包括PC主机的显示器接口和系统柜体的显示器接口。

上述风电机组仿真软件内包含风电机组仿真程序，风电机组仿真程序内写入对实际风电机组进行仿真的风电机组数学模型，具体的，风电机组数学模型是变量运算基于MATLAB/Simulink中构建的风电机组数学模型，具体的，风电机组数学模型由MATLAB编译成DLL文件，DLL文件以及DLL文件的I/O接口信息在PC端被写入风电机组仿真程序内；更具体的，该文件将包含风电机组数学模型所有的端口配置，为仿真参数配置的一部分，并从仿真软件导入。在仿真软件中，根据需求添加相应硬件配置信息如CANOpen，ProfiBus DP，AI，AODI/O端口等等。仿真硬件通讯协议可通过EXCEL表填写，根据不同字节数、位数和相对协议解析，导入软件信息表。

风电机组仿真软件内配置风电机组实物端口通讯模块，具体的，风电机组实物端口通讯模块通过TCP/IP协议经以太网口已写入风电机组仿真软件内，风电机组实物端口通讯模块控制风电机组实物连接端口与风电机组实物之间的数据通讯。

风电机组仿真软件还包括网络接口程序，网络接口程序一端与风机仿真程序连接，网络接口程序另一端与网络接口连接，便于子终端对风电机组仿真软件内的风电机组仿真信息进行监控。

优选的，本发明的风电机组仿真系统柜体还包括交换机，交换机一端与网络接口连接，另一端与多个子终端连接，这样可以便于多个子终端对风电机组仿真软件内的风电机组仿真信息进行监控。

上述风电机组仿真软件还包括界面程序，界面程序一端与风电机组仿真程序连接，界面程序另一端与显示器接口连接，便于风电机组仿真系统柜体自身对风电机组仿真软件内的风电机组仿真信息进行显示。

上述仿真硬件包括硬件逻辑，NI功能板卡箱以及总线仿真模块，NI功能板卡箱中包含多个NI功能板卡，硬件逻辑一端与风电机组仿真程序连接，硬件逻辑另一端与多个NI功能板卡连接，PLC控制模块一端与多个NI功能板卡连接，PLC控制模块另一端通过通讯总线与总线仿真模块连接，总线仿真模块与硬件逻辑连接；

具体的，NI功能板卡包括SSDO板卡、SSDI板卡、DO板卡、DI板卡、AI板卡、RTD板卡、SSI板卡等，板卡型号包括：PXIle-8840、PXIle-7820、PXIle-1085、PXIle-6512、PXIle-6511，板卡的核心处理器为NI PXIe-8135 RT控制器，NI功能板卡通过TCP/IPv4通讯协议与硬件逻辑以及PLC控制模块进行数据通讯；

上述SSDO板卡、SSDI板卡、DO板卡、DI板卡、AI板卡、RTD板卡、SSI板卡一端分别与硬件逻辑连接，上述SSDO板卡、SSDI板卡、DO板卡、DI板卡、AI板卡、RTD板卡、SSI板卡另一端通过相应的I/O通道与PLC控制模块连接。

仿真系统柜体的连接端口还包括Profibus DP接口5，SSI接口6，预留扩展接口7，以及PLC控制模块连接端口8，Profibus DP接口5，SSI接口6和预留扩展接口7与上述NI功能板卡连接，PLC控制模块连接端口8一端与Profibus DP接口5，SSI接口6和预留扩展接口7，PLC控制模块连接端口8另一端与PLC控制模块连接，PLC控制模块连接端口8优选采用哈廷接口；

上述NI功能板卡以风电机组仿真软件为主控，提供仿真信号变量数据信息，将仿真信号变量数据信息发送给PLC控制系统，PLC控制系统接收上述仿真信号变量数据信息后，按本端对仿真信号变量数据信息的控制策略进行控制操作，将进行控制操作后的仿真信号变量数据信息再次发送给NI功能板卡的上述各个板卡，然后输出给风电机组仿真软件，并于软件的数据监测界面得以显示。

作为优选的，可以采用上述预留扩展接口作为风电机组实物连接端口，这样的话，风电机组实物(例如，华电天仁变桨系统，SSB电气变桨系统等)可通过预留扩展接口，添加配置自身通讯协议解析后连接至仿真系统，仿真系统柜体将在与PLC控制模块通讯的同时，将相应仿真控制变量信号发送至风电机组实物控制器，从而实现实物联动，更直观地仿真了风电机组的运行状态。

风电机组仿真系统的显示器和键盘，默认连接NI功能板卡，显示仿真系统运行状态，亦可通过HDMI或DP数据线扩展连接PC主机操作仿真。

由于三相电网状态数据为风电机组仿真中重要的外部环境参数，风电机组的运行状态会根据电网状态进行调整，因此本发明的仿真系统柜体还包括三相电源模块9，三相电源模块9包括三相电源信息界面10，三相电源操作按钮12和三相电源端口11，三相电源模块9输出220V有效值三相电压源，三相电源信息界面10显示三相电路的具体电压电流，频率等参数，且这些参数可被用户修改，从而实现模拟电网的三相电工作状态；

为了便于PLC控制模块的主控程序读取上述三相电网模拟数据，并作为仿真控制参数，因此，三相电源模块9与PLC控制模块的电源检测板卡通过对应通道连接；具体的，三相电源模块9设置在电源板卡上，电源板卡一端与硬件逻辑连接，电源板卡另一端与PLC控制模块通过对应的I/O通道连接，三相电源端口的插头硬接线直接连接至PLC控制模块电源检测板卡的对应端口。

上述仿真系统柜体还包括备用电源模块13，备用电源模块13具体可以采用UPS设备，备用电源模块13设于柜体下方，备用电源模块13的输出端口连接至仿真系统柜体的NI功能板卡箱，PLC控制模块，三相电源模块9，交换机，机柜显示器，实现仿真系统柜体在电源紧急断电的情况下，还可以采用备用电源继续供电，以防紧急断电情况下的数据丢失。

仿真系统柜体支持从PC主机进行故障注入，模拟风电机组的故障状态，即仿真系统柜体支持从PC主机在线修改仿真信号变量，展示风电机组在特定模拟故障下的仿真工况；具体的，从PC主机运行仿真软件后，从软件界面中可选择特定仿真部件并修改参数，实现故障注入，软件再将故障信息通过以太网线发送至仿真系统柜体相应的NI功能板卡中，板卡处理故障信息后发送故障指令给PLC控制模块的CPU，PLC控制模块读取该故障信息，经主控程序处理后发出该故障所对应的数据信号，并将该数据信号经NI功能板卡反馈至软件界面，从而展示风电机组在特定模拟故障下的仿真工况。

为了模拟风电机组的安全链或故障点所在线路的运行状态，在仿真系统柜体中安装有继电器模块组，这些继电器模块组与PLC控制模块相连接，用户可通过风电机组仿真软件手动操作这些继电器的通断，等同于模拟故障的手动注入，或通过改变其它参考量，后由PLC控制模块中的控制逻辑判断后自动操作这些继电器模块组的通断，继电器模块组的通断指示即表示相应的器件工作状态，如：通过软件注入故障后，继电器1灯熄灭，则表示继电器1相连的器件或端口工作异常，反之灯亮则为工作正常。

上述风电机组仿真软件基于NI LabVIEW开发，与风电机组仿真系统柜体内的其他部件，例如风电机组仿真硬件以及连接端口采用TCP/IPv4通讯，可读取和控制仿真系统柜体内的任意一个信号点，信号点的名称、数量、类型，可根据对应目标仿真机型的主控程序或仿真需求客制化配置，并可由EXCEL格式一键导入。

风电机组仿真软件能够从NI LabVIEW和第三方编程/建模软件环境中导入控制算法，仿真模型和其他任务；风电机组仿真软件支持运行时可编辑的数据监控用户界面。软件的使用不需要掌握编程知识，但是可以在多种不同的软件环境进行自定义和扩展，如NILabVIEW、C/C++、C#以及其他建模/编程环境；具体的，LabView作为基础开发环境，当模型、算法以及其他任务从第三方编程/建模软件环境中实现后，通过第三方软件的文件编译器，转译为LabView可读取的配置文件后，便可作为仿真配置的一部分导入本发明的风电机组仿真软件。

风电机组仿真软件支持多终端的配置和执行，具体为：仿真系统柜体通过TCP/IP以太网线连接至与仿真系统配置的网络交换机，交换机有多个子接口，其他终端可分别接入子接口，从而实现风电机组仿真软件的多终端配置和执行。

各终端通过软件定时或者硬件定时进行同步，具体的，软件定时为通过软件操作，设置同步时间，实现终端同步，硬件定时则是通过启动NI功能板卡配合多终端连接，实现同步。

各终端使用TCP进行指令的交互，使用反射内存技术进行不同终端间、终端与上位机(例如上述PC主机)间的数据共享；具体的，在每个终端，NI功能板卡以及上位机硬件中都插入反射内存卡，使之能在极短时间内，通过互联式的连接，分享数据，加快数据传递。

仿真软件支持多种数据存储方式，具体的，仿真软件将对用户所录制的数据按照需要进行保存，保存为不同格式。用户可以通过仿真软件操作界面选择将数据文件上传云端保存，或通过仿真软件操作界面选择打包数据以TDMS格式本地保存至PC端，也可通过数据库实时上传至服务器，可对数据进行查看，回放，分析处理等。

如图3-5所示，风电机组仿真软件的主界面包括菜单栏、工具栏、任务区。其中，菜单栏提供全面的功能接口，工具栏提供一些常用的操作；状态栏显示一些比较重要设备运行状态信息。界面后台开发基于LabVIEW 2015，使用时需要安装LabVIEW的NationalDevice软件环境。

仿真软件界面可对如下情况动态展示：风机变桨状态显示，通过图表实时显示变桨角度；风机偏航状态显示，通过图表实时显示风机偏航角度；风机故障信息显示，通过列表显示状态码和详细描述信息；风机仿真输入输出配置信号显示，通过列表显示DI、DO、AI、AO等配置信息及状态；风机仿真测试信息显示，通过图表显示仿真测试过程中指定数据的录播波形；风机故障注入测试信息显示，通过列表选择需要注入的故障，并通过图表显示故障注入后机组数据的变化曲线；公式编辑信息显示，通过对话框进行公式运算自定义编辑；

本发明的风电机组仿真软件的操作体验好，硬件支持度高，模型兼容性更强，分布式运行，接口自定义程度高，数据管理处理便捷，具体表现如下：

仿真系统的NI功能板卡为标准化硬件，还有不同种类和功能的板卡可以选择，用户可通过更换或添加NI功能板卡中不同的NI功能板卡，实现不同仿真功能的增改，所以硬件支持度高；

仿真系统的风电机组数学模型可用MatLab搭建而成，或可用编程环境编写而成，都可以编译为仿真系统可识别的模型配置文件，因此模型兼容性更强；

仿真系统的每个功能模块都相互具有逻辑控制，但又各自独立运行，无需等待某一个环节运行后，下一环节才开始，使得系统实现分布式运算；

仿真系统柜体配有多种接口，接口与NI功能板卡相连接，柜体由仿真软件进行配置，通过软件可以自由定义这些接口的功能，因此接口自定义程度高；

仿真过程中的所有数据，都在寄存器中缓存，用户可以通过仿真软件界面，经由软件后台程序，任意调取或修改这些数据，使得数据管理处理便捷。

本发明的风电机组仿真系统解决现有的风电机组仿真系统存在的仿真精度较低，易用性与可扩展性不强，便捷性差等问题，具体表现在：

现有的风电机组仿真系统，首先，以dSPACE对拖机为基础的仿真平台存在平台体积较大，对场地的要求较高，不便随时随地搭建的问题，并且由于对拖机本身的机械性能不便于控制，存在误差较大，其仿真的结果精度不理想。其次，Bladed和RTDS结合构架的风电仿真机组平台，配置参数繁多，对于仅了解风电机组运行维护，而不懂其平台各项参数的操作人员操作较为繁琐，且不易于人员操作。其设备的接口仅适用于平台自身进行数据化的仿真，并不能连接风电机组实体设备，如变桨柜系统，变频器系统等，达到仿真结果的实物化表现。

本发明的风电机组仿真系统，采用的NI功能板卡收集和运算风电机组各部件的数字化参数，并由内建的LabVIEW后台程序进行数据处理和逻辑控制，抛弃了对拖机的机械部分，使得仿真精度远高于机械式的仿真平台。同时NI板卡的物理体积远小于采用对拖平台的机械设计，集成所有功能于板卡和程序之上，且整个系统集成于同一柜体中，使得便捷性提升。仿真柜体仅仅占地不足2平方米，可随时随地的搬运或组建，不受制于场地限制，因此便捷性大大提升。

本发明的仿真系统设置各种功能接口，可以连接仿真系统到风电机组实体部件上，使风电机组实体部件对仿真过程中的参数变化做出实时动作，直观地表现出风电机组运行中该部件的运行状态。因此可扩展性优于现有仿真设备。

同时本发明的仿真系统的仿真软件方面也集成了多种编程环境，提高了多平台开发的可能性，一定程度上节约了后期扩展开发的成本，具体表现在：风电机组仿真软件基于LabVIEW程序搭建，其配置文件可由C/C++语言，Matlab Script编写等编程环境，后经MatLab编译器编译为本软件可读LabView配置文件导入使用。因此不熟悉本软件的配置文件编写语言的情况下，使用其他编程语言也可修改和配置该风电仿真系统参数，使得时间成本和人员成本得到控制，节约后期开发成本。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。