风力发电机组仿真控制系统及方法与流程

本发明涉及风力发电机技术领域，具体而言，本发明涉及一种风力发电机组仿真控制系统及方法。

背景技术：

风电产业的不断发展带动了风电机组设计研发的进步，促进了风力发电技术的革新。兆瓦级风电机组通过主控系统接收各类传感器、设备执行动作等的信号，对各类信号进行分析监控，以增强对自身和周围环境的感知，实现各子系统的协调动作，保证机组安全稳定高效运行。因此，风机软件的安全性和可靠性尤为关键，需要在开发阶段对软件进行充分的测试验证。

目前，风机软件的实验室仿真测试方法主要有：对整机控制算法的仿真验证，通常采用硬件在环的方式进行，通过bladed软件对风机轮毂、叶片、发电机及风况进行建模，实现对机组气动特性、机械特性的仿真。而对于传感器等辅助系统信号的仿真，需要搭建具备整机大部分传感器的测试平台，通过手动强制信号的方式进行仿真。

因此，采用传统的仿真方案有以下不足：硬件在环的仿真无法模拟整机各种传感器的信号，手动强制信号的方式较繁琐。

技术实现要素：

本发明的目的旨在提供一种风力发电机组仿真控制系统及方法，以脱离硬件plc系统执行仿真，模拟风力发电机组整机中各个设备的主控系统输入信号，降低对仿真环境的要求，提高仿真的效率。

本发明提供以下方案：

一种风力发电机组仿真控制系统，包括多个信号处理模块；每个所述信号处理模块对应处理风力发电机组中与该信号处理模块相关联设备的主控系统输入信号；每个所述信号处理模块包括使能控制单元、信号仿真单元和物理信号解析单元；所述使能控制单元，用于根据所述主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号输出第一启动信号或第二启动信号；所述信号仿真单元，用于根据所述主控系统输入信号的物理特性进行信号仿真并输出仿真信号；所述物理信号解析单元，用于对该主控系统输入信号进行物理解析，输出物理解析信号；其中，当所述使能控制单元接收到所述全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号时，输出所述第一启动信号给所述信号仿真单元，所述信号仿真单元启动；当所述使能控制单元未接收到所述全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号时，输出所述第二启动信号给所述物理信号解析单元，所述物理信号解析单元启动。

优选地，所述信号仿真单元包括手动仿真子单元、自动仿真子单元及硬件在环仿真子单元；所述手动仿真子单元用于根据所述主控系统输入信号的物理特性执行手动仿真；所述自动仿真子单元用于根据所述主控系统输入信号的物理特性执行自动仿真；所述硬件在环仿真子单元用于响应硬件在环仿真。

进一步地，所述手动仿真子单元、所述自动仿真子单元以及所述硬件在环仿真子单元内均设置有仿真码；所述手动仿真子单元、所述自动仿真子单元以及所述硬件在环仿真子单元均根据所述仿真码及接收到的单信号仿真使能、子系统仿真使能或全局系统仿真使能进行启动。

进一步地，还包括控制模块；所述控制模块与所述信号仿真单元连接；所述控制模块用于根据所述信号仿真单元输出的仿真信号进行控制逻辑测试，或所述控制模块与所述物理信号解析单元连接，所述控制模块用于对所述物理信号解析单元输出的物理解析信号进行控制逻辑计算，以对对应设备进行控制。

进一步地，还包括监控模块；所述监控模块分别与所述信号仿真单元及所述物理信号解析单元连接；所述监控模块用于根据所述信号仿真单元输出的仿真信号或所述物理信号解析单元输出的物理解析信号对所述风力发电机组进行故障监控。

进一步地，还包括界面显示模块；所述界面显示模块用于将每个所述信号处理模块中的信号状态及仿真状态显示在界面。

一种风力发电机组仿真控制方法，应用于上述任意一项所述的仿真控制系统，包括：检测并判断主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号是否开启；在所述全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号开启时，控制所述信号仿真单元启动，以输出仿真信号；在所述全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中所有信号均关闭时，控制物理信号解析单元接收所述主控系统输入信号并对该主控系统输入信号进行物理解析，以输出物理解析信号。

优选地，所述控制所述信号仿真单元启动，包括：检测并判断所述信号仿真单元中的手动仿真子单元是否被激活；当所述手动仿真子单元被激活时，执行手动仿真；当所述手动仿真子单元未被激活时，检测并判断所述信号仿真单元中的硬件在环仿真子单元是否被激活；当所述硬件在环仿真子单元被激动时，响应硬件在环仿真；当所述硬件在环仿真子单元未被激动时，执行自动仿真。

进一步地，所述检测并判断所述主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号是否开启之前，还包括：初始化所述仿真控制系统，以读取仿真参数和控制参数。

进一步地，所述控制所述信号仿真单元启动之前，还包括：获取所述风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号；根据所述主控系统输入信号建立所述信号仿真单元。

相比现有技术，本发明的方案具有以下优点：

本发明提供的风力发电机组仿真控制系统，包括多个信号处理模块。每个信号处理模块对应处理风力发电机组中与该信号处理模块相关联设备的主控系统输入信号。信号处理模块中，当使能控制单元接收到相关联设备的主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号时，输出第一启动信号给信号仿真单元，信号仿真单元启动。当信号处理模块中的使能控制单元没有接收到相关联设备的主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号时，输出第二启动信号给物理信号解析单元，物理信号解析单元对相关联设备的主控系统输入信号进行物理解析。该风力发电机组仿真控制系统针对风力发电机组整机中各个设备的主控系统输入信号均设置有对应的处理模块，对各个设备的主控系统输入信号进行仿真或者物理信号解析，因此，降低对仿真环境的要求，提高仿真的效率。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明提供的一种风力发电机组仿真控制系统的一实施例中的结构框图；

图2为本发明提供信号仿真单元的一实施例中的结构框图；

图3为本发明提供的一种风力发电机组仿真控制方法的流程图；

图4为本发明提供的步骤s200的一实施例中的流程图；

图5为本发明提供的plc系统的一实施例中的任务流程；

图6为本发明一种风力发电机组仿真控制系统的一实施例中的仿真界面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在风力发电机领域，兆瓦级风电机组通过主控系统接收各类传感器信号及其他设备运行时的信号等。主动系统对接收到的各类信号进行分析监控，以增强对自身和周围环境的感知，实现各子系统的协调动作，保证机组安全稳定高效运行。因此，风机软件的安全性和可靠性尤为关键，需要在开发阶段对软件进行充分的测试验证。

本发明提供一种风力发电机组仿真控制系统。如图1所示，该风力发电机组仿真控制系统包括多个信号处理模块100。每个信号处理模块100对应处理风力发电机组中与对应信号处理模100块相关联设备的主控系统输入信号。每个信号处理模块100包括使能控制单元110、信号仿真单元120和物理信号解析单元130。使能控制单元110用于根据风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号输出使能控制信号。其中，当使能控制单元110接收到对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号时，输出第一启动信号给信号仿真单元120。信号仿真单元120接收到第一启动信号时启动。使能控制单元110未接收全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号时，输出第二启动信号给物理信号解析单元130。物理信号解析单元接收到地位启动信号时对对应的风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号进行物理解析。

在本实施例中，风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号的开启，可使该相关联设备的主控系统输入信号对应的处理模块100中的使能控制单元110输出第一启动信号给信号仿真单元120，以进入该相关联设备的主控系统输入信号对应的信号仿真模式。其中，全局仿真信号开启，也即是开启全局仿真信号开关可使所有信号进入仿真模式。子系统仿真信号开启，也即是仅开启某一子系统仿真，仅可使属于该子系统的信号进入仿真模式。单信号仿真开启，也即是仅开启单信号仿真，仅可使某一单信号进入仿真模式。

信号仿真单元120用于根据风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号的物理特性进行信号仿真并输出仿真信号。如图2所示，在本实施例中，信号仿真单元120包括手动仿真子单元121、自动仿真子单元123及硬件在环仿真子单元125。

手动仿真子单元121用于根据风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号的物理特性执行手动仿真。自动仿真子单元123用于根据风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号的物理特性执行自动仿真。硬件在环仿真子单元125用于响应硬件在环仿真。手动仿真子单元121内、自动仿真子单元123内以及硬件在环仿真子单元125内均设置有仿真码，并且均设置为使能开启模式。手动仿真子单元121、自动仿真子单元123以及硬件在环仿真子单元125均根据其内部的仿真码及对应的使能形式进行启动。

物理信号解析单元130用于接收风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号并对该主控系统输入信号进行物理解析，且输出物理解析信号。具体地，物理信号解析单元130内设置有物理信号输入接口(图1未示)，以接收风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号的输入。物理信号解析单元130内还包括解析子单元(图1未示)，用于对接收到的物理信号进行解析，以输出解析信号。

在本实施例中，风力发电机组仿真控制系统还包括监控模块300和控制模块200。控制模块200分别与每个处理模块100中的信号仿真单元120及物理信号解析单130元连接。控制模块200接收信号仿真单元120输出的仿真信号，以及接收物理信号解析单元130输出的物理解析信号。控制模块200根据接收到的仿真信号进行控制逻辑测试，或控制模块200根据接收到的物理解析信号进行控制逻辑计算，以对对应设备进行控制。也即是，风力发电机组仿真控制系统没有开启仿真时，即接入真实的物理信号，控制模块200根据物理信号进行控制逻辑计算，进行设备的控制。风力发电机组仿真控制系统在仿真条件下，根据仿真信号进行逻辑的测试、单传感器的测试等等。

监控模块300分别与每个处理模块100中的信号仿真单元120及物理信号解析单130元连接。监控模块300接收信号仿真单元120输出的仿真信号，以及接收物理信号解析单元130输出的物理解析信号。监控模块300根据接收到的仿真信号或物理解析信号对风力发电机组进行故障监控。具体地，而是风机的故障，监控模块300根据主控系统接收到的信号，检测判断风机整体故障。或，使用本案所述的仿真方法，测试故障判断逻辑。在一实施例中，风力发电机组仿真控制系统还包括界面显示模块(图1未示)。界面显示模块用于将每个信号处理模块100中的信号状态及仿真状态显示在界面。例如，界面显示模块用于显示风力发电机组仿真控制系统的整机状态，子系统中各个信号的仿真状态以及单信号仿真状态等。

本发明提供的风力发电机组仿真控制系统包括多个信号处理模块100。每个信号处理模块100对应处理风力发电机组中与该信号处理模块100相关联设备的主控系统输入信号。信号处理模块100中，当使能控制单元110接收到相关联设备的主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号时，输出第一启动信号给信号仿真单元120，信号仿真单元120启动。当信号处理模块100中的使能控制单元110没有接收到相关联设备的主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号时，输出第二启动信号给物理信号解析单元130，物理信号解析单元130对相关联设备的主控系统输入信号进行物理解析。该风力发电机组仿真控制系统针对风力发电机组整机中各个设备的主控系统输入信号均设置有对应的处理模块，对各个设备的主控系统输入信号进行仿真或者物理信号解析，因此，降低对仿真环境的要求，提高仿真的效率。

此外，本发明提供的风力发电机组仿真控制系统可脱离硬件环境完成对整机信号的仿真，实现单信号、单子系统和整机控制系统的仿真。并且，实现真实物理信号和模型仿真信号的切换。仿真模块可以内嵌于主控程序中，以仿真码+使能方式进行仿真与实际的切换。同时，预留硬件在环仿真接口，兼容现有实验室测试方式。

本发明还提供一种风力发电机组仿真控制方法。该风力发电机组仿真控制方法应用于上述任一实施例所述的仿真控制系统。如图3所示，该风力发电机组仿真控制方法包括以下步骤：

s100，检测并判断所述主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号是否开启。

风力发电机组仿真控制系统检测并判断信号处理模块100中，风力发电机组相关联设备的主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中，任一信号是否开启。全局仿真信号开启、该主控系统输入信号所属子系统仿真信号开启或单信号仿真开启均可以使该主控系统输入信号对应的信号仿真单元120的仿真使能为true，从而进入该主控系统输入信号对应的信号仿真模式。

s200，在所述全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中任一信号开启时，控制所述信号仿真单元启动，以输出仿真信号。

风力发电机组仿真控制系统检测并判断到风力发电机组相关联设备的主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中，任一信号开启时，控制对应的处理模块100中的信号仿真单元120执行对应的信号仿真，在仿真结束时输出仿真信号。

在一实施例中，如图4所示，步骤s2oo中“控制所述信号仿真单元启动”，包括以下步骤：

s2o1，检测并判断所述信号仿真单元中的手动仿真子单元是否被激活。

s2o3，当所述手动仿真子单元被激活时，执行手动仿真。

s2o5，当所述手动仿真子单元未被激活时，检测并判断所述信号仿真单元中的硬件在环仿真子单元是否被激活。

s2o7，当所述硬件在环仿真子单元被激动时，响应硬件在环仿真。

s2o9，当所述硬件在环仿真子单元未被激动时，执行自动仿真。

在本实施例中，风力发电机组仿真控制系统在进入仿真状态时，首先检测并判断信号仿真单元120中的手动仿真子单元121是否被激活，进入手动仿真模型，执行手动仿真。当手动仿真子单元121未被激活时，检测并判断信号仿真单元120中的硬件在环仿真子单元125是否被激活，当检测到硬件在环仿真子单元125被激活时，进入硬件在环仿真，执行硬件在环仿真。当硬件在环仿真子单元125未被激动时，进入自动仿真模型，执行自动仿真。其中，手动仿真子单元121、硬件在环仿真子单元125及自动仿真子单元123被激活的条件均为有“使能”且有“仿真码”。

在一实施例中，步骤s200之前，还包括步骤：获取所述风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号；根据所述主控系统输入信号建立所述信号仿真单元。也即是，在启动之前，系统先根据风力发电机组中相关联的各个设备的主控系统输入信号的物理特性，建立信号仿真单元120中的仿真模型。具体地，根据风力发电机组中相关联的各个设备的主控系统输入信号的物理特性建立信号仿真单元120中手动仿真子单元121、硬件在环仿真子单元125及自动仿真子单元123的仿真模型。

s300，在所述全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中所有信号均关闭时，控制所述物理信号解析单元接收所述设备的主控系统输入信号并对该主控系统输入信号进行物理解析，以输出物理解析信号。

风力发电机组仿真控制系统检测并判断到风力发电机组相关联设备的主控系统输入信号对应的全局仿真信号、子系统仿真信号或单信号仿真信号中，所有的信号均未开启时，控制对应的处理模块100中的物理信号解析单元130接收风力发电机组中相关联设备的主控系统输入信号并对该主控系统输入信号进行物理解析，以输出物理解析信号。

在一实施例中，步骤s300之前，还包括步骤：初始化所述仿真控制系统，以读取仿真参数和控制参数。也即是，在风力发电机组仿真控制系统启动之后，初始化该仿真控制系统，读取系统中仿真参数以及控制参数等。

以下给出一具体实施例中，风力发电机组仿真控制方法的执行过程。具体参见图5所示。其中，风力发电机组仿真控制方法对应的仿真控制系统为plc系统。

风力发电机组仿真控制方法对应的仿真控制系统中嵌入信号仿真模块，根据仿真模块的使能状态进行物理信号与仿真信号的切换。每个仿真模块具备以下特性：

1、对于每一个输入信号，开发单独的仿真模块。

2、每个仿真模块以仿真码+使能的方式启动。

3、每个信号单独的仿真模块，能够响应单信号仿真使能、所属系统仿真使能和整机系统仿真使能，而执行物理信号与仿真信号的切换。

4、仿真模块设置手动仿真和自动仿真使能，实现对单个信号手动仿真的功能。

5、仿真模块具备对应输入信号的自动仿真模型。

6、仿真模块预留硬件在环接口，以响应硬件在环仿真的信号输入。

根据上述描述的仿真模块，应用于风机软件可分为以下几个步骤：

1、梳理整机接收的所有物理信号，包含硬线io输入和通讯接口输入的信号。

2、所有输入信号按照子系统归类，明确子系统仿真使能。

3、明确信号类型，根据信号物理特性对其进行建模，包含手动仿真模型和自动仿真模型。

4、为保证开启仿真后整机处于无故障状态，应根据实际情况为仿真信号进行初始化赋值。

6、根据仿真使能是否激活进行物理信号与仿真信号的输出切换。

嵌入信号仿真模块后，plc系统的任务流程如图5所示：

plc启动后，进入初始化状态，对控制参数、仿真参数等进行读取。每个信号仿真模块判断全局仿真、所属系统仿真或单信号仿真是否激活。如果均未激活，则进入物理信号输入接口，执行物理信号解析后，将物理解析信号输入控制与监控算法中。有一项激活，则进入仿真模式。首先判断是否为手动仿真，如果手动仿真激活，则进入手动仿真模型，输出手动仿真模型仿真结果给控制与监控算法中。如果手动仿真未激活，则根据硬件在环是否激活判断进入自动仿真模型还是硬件在环仿真中。如果硬件在环激活则进入硬件在环仿真中，输出硬件在环仿真结果给到控制与监控算法中。如果硬件在环未激活，则进入自动仿真模型中进行自动仿真。自动仿真结束后输出仿真信号到控制与监控算法中。

在本实施例中，初始化过程可以仅在plc系统启动后进行一次，通过后在之后的任务周期中不再执行。每个任务周期均进行仿真激活的判断，满足仿真信号与物理信号的随时切换。

在一实施例中，采用系统机+实时运行核的方式执行上述任一实施例所述的风力发电机组仿真控制方法，因此软件的仿真运行可以在开发者本机执行，无需任何外接设备，从而降低了仿真对硬件环境的要求。

在一实施例中，该系统可配套相应的仿真界面。仿真界面可参见如图6所示。图6中的仿真界面向用户展示了各个信号的状态、各个子系统对应的信号的仿真状态以及整机状态。另外，该仿真界面还向用户展示了全局仿真使能及自动仿真使能等。因此，用户可以在仿真界面上对该系统内部的仿真状态一目了然，提高了用户的使用体验。

上述风力发电机组仿真控制系统节约仿真平台搭建成本，机动性强，脱离硬件仿真平台，不受仿真条件约束，实现每个信号物理/仿真的随时切换，为单一传感器的测试、软件自动化测试奠定基础此外，仿真模块一次性开发，可移植性强，节约开发成本。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。