一种基于工业PLC的风电场能量管理系统及方法与流程

本发明属于风力发电
技术领域：
，特别涉及一种基于工业plc的风电场能量管理系统及方法。
背景技术：
：目前风电场能量管理系统大多是基于传统服务器模式，系统的稳定性和实时性较差，无法做到精准控制程序的执行周期。传统服务器无法搭建或未搭建机组的控制逻辑算法模型，只能通过简单查表法或者其他算法来实现机组的运行数据推算，导致推算结果不准确，会导致在功率控制不稳定和波动，从而导致减少发电量。然而，国家电网的调度系统对风电场的有功功率与无功功率出力的稳定性和实时性要求越来越高。鉴于工业plc可以长时间稳定运行，本发明从工业plc内部集成风电机组控制仿真模型算法的角度出发，设计风电场能量管理系统，实现精准控制。技术实现要素：针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于工业plc的风电场能量管理系统及方法，通过plc精准控制功率分配与调节，保证风电场可用功率与实际出力偏差在限定范围内，实现风电场有功功率与无功功率的精准控制，稳定性好。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：本发明首先提供一种基于工业plc的风电场能量管理系统，包括plc控制器、调度agc/avc系统、数据采集设备、前置监控装置和风电机组，所述plc控制器内部加载机组控制算法仿真模型，并且为调度agc/avc系统、数据采集设备、前置监控装置和风电机组提供数据接口，进行通讯；所述的机组控制算法仿真模型根据风电机组的输入数据经过仿真模拟计算后输出结果，得到机组理论的转矩指定值及有功功率出力，从而计算出全场的理论出力与实际有功功率出力，并与接收的调度agc/avc系统的指令值进行对比，对调度agc/avc系统的指令值进行分配和下发。进一步的，所述的机组控制算法仿真模型仿真模拟计算时，包括五个方面的仿真计算控制：仿真流程一：仿真流程一是根据风电机组的运行状态和控制参数pid来推算模型环境中的理论出力，该状态是不考虑环境对机组的理论出力的影响；仿真流程二：仿真流程二是模拟低风速状况下的转矩控制值，根据传入的风电机转速值得到理论转矩指定值；仿真流程三：仿真流程三是模拟高风速状况下的转矩控制值，根据传入的风电机转速值得到理论转矩指定值；仿真流程四：仿真流程四是根据当前有功功率出力去反推设定的转矩控制值；仿真流程五：仿真流程五是系统的其他状态仿真，包括限定值、过程值；最后，每个仿真流程输出的结果进行计算得理论转矩指定值，通过与发电机转速相乘可得到理论有功功率出力。然后，基于前面所述的能量管理系统，本发明还提供一种基于工业plc的风电场能量管理方法，包括以下步骤：步骤s1、启动所述的基于工业plc的风电场能量管理系统，所述plc控制器加载配置文件，开启数据读取或者接收通道；步骤s2、运行机组控制算法仿真模型，进行单台机组的理论出力的计算和仿真：s201.plc控制器接收调度agc/avc系统的指令值；s202.plc控制器实时采集到各机组数据，把各机组的数据传入机组控制算法仿真模型，控制算法仿真模型计算出各机组的理论出力；s203.根据采集到的机组数据和状态进行分组，包括：组1：无法调节机组、组2：可小范围p10％上调节机组、组3：可大范围上调节机组、组4：样板机机组和组5：满能力机组；s204.plc控制器根据分组情况对调度agc/avc系统的指令值进行分配和下发；s205.plc控制器再次读取机组实时数据，然后与调度agc/avc系统的指令值进行对比，对比是否已经执行到死区范围；s206.若不在死区范围会再次调节和分配；s207.在死区范围则本次调节结束。进一步的，在进行步骤s204前，要先计算出1分钟限定值和10分钟限定值，要保证分配的控制指令值在1分钟限定值和10分钟限定值之内，1分钟限定值是指风电场的有功功率出力在1分钟之内变化范围不得超过的限定值sp1minmax、sp1minmin，方法是：本系统的全场有功功率出力采集周期是100ms，在1分钟内会采集多次全场有功功率出力p1、p2、p3……p600,把每次采集到的数据放在一个长度为600的数组power[600]中，求出数组中的最大有功功率出力pmax和最小有功功率出力pmin，然后与1分钟变化率计算即可得到1分钟限定值sp1minmax、sp1minmin；采用同样的方法解决10分钟限定值，保证风电场的有功功率出力在10分钟之内变化范围不得超过的限定值sp10minmax、sp10minmin。进一步的，当系统接收到新调度指令spremote的时候，系统会把spremote和1分钟限定值sp1minmax、sp1minmin、10分钟限定值sp10minmax、sp10minmin进行对比，当spremote在1分钟限定值和10分钟限定值范围之内的时候，系统最终的执行值sp执行值等于spremote，当spremote在1分钟限定值和10分钟限定值范围之外的时候，系统最终的执行值sp执行值会优先执行1分钟限定值和10分钟限定值；当接受到的调度指令、1分钟和10分钟限定值和风电场实际出力不一致的时候，系统会去根据机组的状态去分配每台机组的执行值，保证风电场出力与调度指令值的偏差在死区范围内。进一步的，在功率调节上升阶段的时候，系统根据每台机组的功率分配权重和相应的组进行功率上升调节，当机组的权重越高时，机组被分配和调节的机会越高；在功率调节下降阶段的时候，系统也会对相应的组进行功率下降调节。进一步的，在有功功率调节阶段，系统会对组1和组4的机组给分配最低功率pmin和限定功率pauto；当执行值sp执行值与风电场实际出力p实际出力的差值在死区范围内dz死区时，系统不执行功率调节逻辑；在有功功率上升阶段，系统自动计算sp执行值与p实际出力的差值，优先调节组3的机组，若组3机组满足要求分配则本次调节结束，若组3机组不满足要求则会继续调节组2的机组；单台机组的调节量公式如下：sp单台有功设定值＝(tp单台理论出力-p单台实际出力)/(tp组2/3理论出力-p组2/3实际出力)*sp执行值+p单台实际出力计算出单台机组的有功功率设定值，其中，tp组2/3理论出力指组2或组3的机组理论出力；p组2/3实际出力指组2或组3的机组实际出力；在有功功率下降阶段，系统自动计算sp执行值与p实际出力的差值，同时调节组2、组3、组5的机组，单台机组的调节量公式如下：sp单台有功设定值＝p单台实际出力-(p单台实际出力/p全场实际出力)*sp执行值计算出单台机组的有功功率设定值，其中，p全场实际出力指的是全场调节组2、组3、组5的机组的机组实际有功功率出力。与现有技术相比，本发明优点在于：1.本发明把工业精准控制技术引入到风电场能量管理系统中，实现风电场有功功率与无功功率的精准控制，且实时性强。2.本发明的能量管理系统可以长期稳定运行，不用担心能量管理系统硬件或软件崩溃或者控制精度不准而受到调度的考核。3.大大减少开发周期和复杂难度，降低维护难度。4.解决风电场1分钟和10分钟的出力变化速率满足二个细则。5.保证风电场可用功率与实际出力偏差在3％以内。6.可用在plc内加载机组的控制逻辑算法模型，能够更加精准的推算出机组的理论功率数据，这样能量管理平台可以在功率控制时更加快速和准确。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明的能量管理系统结构示意图；图2为本发明的能量管理系统功率分配执行流程示意图；图3为采用本发明能量管理系统进行的能量管理方法流程示意图，包括系统启动、系统执行等。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。实施例1如图1所示，本实施例提供一种基于工业plc的风电场能量管理系统，包括plc控制器、调度agc/avc系统、数据采集设备、前置监控装置和风电机组，所述plc控制器内部加载机组控制算法仿真模型，并且为调度agc/avc系统、数据采集设备、前置监控装置和风电机组提供数据接口，进行通讯。程序通过配置文件txt进行风机信息、通讯数据点表及配置的持久化，每次plc控制器在启动的时候会去加载配置文件，根据加载的配置文件打开对应的数据读取或者接受通道。所述的机组控制算法仿真模型根据风电机组的输入数据(比如风速、风向、桨叶角度、振动值、环境温度等数量)经过仿真模拟计算后输出结果，得到理论的转矩指定值及有功功率出力。并与接收的调度agc/avc系统的指令值进行对比，对调度agc/avc系统的指令值进行分配和下发。所述的机组控制算法模型仿真模拟计算时，包括五个方面的仿真计算控制：仿真流程一：仿真流程一是根据风电机组的运行状态和控制参数pid来推算模型环境中的理论出力，该状态是不考虑环境对机组的理论出力的影响；仿真流程二：仿真流程二是模拟低风速状况下的转矩控制值，根据传入的风电机转速值得到理论转矩指定值；仿真流程三：仿真流程三是模拟高风速状况下的转矩控制值，根据传入的风电机转速值得到理论转矩指定值；仿真流程四：仿真流程四是根据当前有功功率出力去反推设定的转矩控制值；仿真流程五：仿真流程五是系统的其他状态仿真，包括限定值、过程值；每个仿真流程会输出结果，最后五个流程输出的结果进行计算得理论转矩指定值，通过与发电机转速相乘可得到理论有功功率出力。所述的控制算法仿真模型根据风电机组的输入数据(比如风速、风向、桨叶角度、振动值、环境温度等数量)经过仿真模拟计算后输出结果，得到理论的转矩指定值及有功功率出力。具体可结合图2所示，在运行时，本系统能量管理原理是，本系统接收agc/avc控制值，并实时读取各机组数据，根据各机组实时数据计算实际出力，并判断实际出力与agc/avc控制值偏差是否在死区范围；若在死区范围则本次调节结束，若不在死区范围则由机组控制算法仿真模型计算出各机组的理论出力；根据计算的理论出力进行功率分配及下发。下面再说明一下本发明的机组控制算法仿真模型建模方式。本能量管理系统中使用的建模方式有simulink/stateflow/ccaller/matlabfunction/s-function/s-functionbuilder/legacycodetool几种，每种模型处理不同的应用场景。simulink：数据运算和逻辑运算使用的是simulink，根据不同的输入量大小范围进行不同的控制逻辑运算模型中，并最终输出相应的结果。stateflow：状态跳转时使用的模型，能够根据机组的主状态跳转到不同的分支中。ccaller:用于调用已有的控制算法c代码模型。matlabfunction：使用m语言编写，使用matlabcoder可以将matlab代码生成c语言代码，可以直接加入能量管理系统plc控制器中。建模的模型输入变量：建模的模型输出变量：序号变量名称变量描述1转矩设定值实数由于自然风和机组机械传统链的影响，轮毂高度测量风速和发电机转速测量值等值具有一定的波动性，为了让数据更加真实和准确，在把数据传入模型时会进行滤波算法，主要采用移动算术平均和凹陷滤波算法。移动算术平均法是处理异常的数据，并且提供机组在将来几秒内的运行数据，凹陷滤波算法是处理周期性的数据。移动算术平均法：移动算术平均法是把数据传入一个给定的长度m的数组中arr[m]，当有新数据vnew要传入时，要和计算的arr[m]的平均值vavg进行对比，当vnew比vavg偏差超过限定值vlim的时系统会自动判断该数据为非法值并舍弃。具体公式如下：凹陷滤波算法：凹陷滤波算法是处理周期性的数据，在运行的过程中，可能会出现一些周期性的数据，这些数据对机组控制算法模型会带来影响，需要通过凹陷滤波进行过滤。如下是凹陷滤波的算法公式：g(s)——滤波结果值s——频率(共振频率)w——带宽ξ——增益定义好要过滤的滤波范围数值nfre、ndam增益、ddam增益和循环时间tcyc，nfre——滤波频率ndam增益——凹陷阻尼增益分子ddam增益——凹陷阻尼增益分母具体计算流程如下：1.计算w1和w2的数值，w1＝2*pi*nfre，w2＝2*pi*nfre。2.计算rwt1和wwt2的数值rwt1＝w1*tcyc,rwt2＝w2*tcyc。3.计算数值num和den的数值，num[0]＝4.0+4.0*ndam*rwt1+rwt1*rwt1；num[1]:＝-8.0+2.0*rwt1*rwt1；num[2]:＝4.0-4.0*ndam*rwt1+rwt1*rwt1；den[0]:＝4.0+4.0*ddam*rwt2+rwt2*rwt2；den[1]:＝-8.0+2.0*rwt2*rwt2；den[2]:＝4.0-4.0*ddam*rwt2+rwt2*rwt2；4.计算出k数值的值。k[0]＝num[0]*(1/den[0])k[1]＝num[1]*(1/den[0])k[2]＝num[2]*(1/den[0])k[3]＝den[1]*(-(1/den[0]))k[4]＝den[2]*(-(1/den[0]))5.计算出结果routput:＝k0*rinput+k1*work[0]+k2*work[1]+k3*work[2]+k4*work[3]；6.把值赋值到缓存区，用于下次计算work[3]:＝work[2]；work[2]:＝routput；work[1]:＝work[0]；work[0]:＝rinput；预测理论功率出力是为了计算出机组在分配功率的权重比例，当机组的权重越高时，能够参与功率分配的机会越多，主要采用加权移动算术平均法，根据一定时间段内的数据来送推算预测理论功率出力值，算法公式如下：yn+1——第n+1期加权平均值；yi——第i期实际值；xi——第i期的权数(权数的和等于1)；n——本期数；k——移动跨期；建模过程中涉及的其它方法步骤可参考现有技术，此处不再赘述。实施例2本实施例提供一种基于工业plc的风电场能量管理方法，采用实施例1所述的能量管理系统，该系统可参考实施例1的记载，此处不再赘述。再结合图3所示的整个能量管理系统的程序控制流程示意图，具体包括以下步骤：步骤s1、启动所述的基于工业plc的风电场能量管理系统，操作系统正常运行，plc控制器加载读取配置文件，开启数据读取或者接收通道；能量管理系统正常运行。步骤s2、运行机组控制算法仿真模型，进行单台机组的理论出力的计算和仿真：s201.plc控制器接收调度agc/avc系统的指令值；s202.plc控制器实时采集到各机组数据，把各机组的数据传入机组控制算法仿真模型，机组控制算法仿真模型计算出各机组的理论出力；s203.根据采集到的机组数据和状态进行分组，包括：组1：无法调节机组、组2：可小范围p10％上调节机组、组3：可大范围上调节机组、组4：样板机机组和组5：满能力机组；s204.plc控制器根据分组情况对调度agc/avc系统的指令值进行分配和下发；s205.plc控制器再次读取机组实时数据，然后与调度agc/avc系统的指令值进行对比，对比是否已经执行到死区范围；s206.若不在死区范围会再次调节和分配；s207.在死区范围则本次调节结束。在进行步骤s204前，要先计算出1分钟限定值和10分钟限定值，要保证分配的控制指令值在1分钟限定值和10分钟限定值之内，1分钟限定值是指风电场的有功功率出力在1分钟之内变化范围不得超过的限定值sp1minmax、sp1minmin，方法是：开启毫秒定时扫描周期获取实时有功出力，计算出1分钟、10分钟限定值。本系统的全场有功功率出力采集周期是100ms，在1分钟内会采集多次全场有功功率出力p1、p2、p3……p600,把每次采集到的数据放在一个长度为600的数组power[600]中，求出数组中的最大有功功率出力pmax和最小有功功率出力pmin，然后与1分钟变化率计算即可得到1分钟限定值sp1minmax、sp1minmin；采用同样的方法解决10分钟限定值，保证风电场的有功功率出力在10分钟之内变化范围不得超过的限定值sp10minmax、sp10minmin。此表为1分钟和10分钟有功功率变化指标风电场装机容量(mw)10分钟有功功率变化最大限制(mw)1分钟有功功率变化最大限制(mw)<3010330～150装机容量/3装机容量/10>1505015当系统接收到新调度指令spremote的时候，系统会把spremote和1分钟限定值sp1minmax、sp1minmin、10分钟限定值sp10minmax、sp10minmin进行对比，当spremote在1分钟限定值和10分钟限定值范围之内的时候，系统最终的执行值sp执行值等于spremote，当spremote在1分钟限定值和10分钟限定值范围之外的时候，系统最终的执行值sp执行值会优先执行1分钟限定值和10分钟限定值。当接受到的调度指令、1分钟和10分钟限定值和风电场实际出力不一致的时候，系统会去根据机组的状态去分配每台机组的执行值，保证风电场出力与调度指令值的偏差在死区范围内。进一步的，在功率调节上升阶段的时候，为了保证快速性和稳定性，系统根据每台机组的功率分配权重和相应的组进行功率上升调节，当机组的权重越高时，机组被分配和调节的机会越高；在功率调节下降阶段的时候，为了保证快速性和稳定性，系统也会对相应的组进行功率下降调节。系统分组如下表所示：在有功功率调节阶段，系统会对组1和组4的机组给分配最低功率pmin和限定功率pauto；当执行值sp执行值与风电场实际出力p实际出力的差值在死区范围内dz死区时，系统不执行功率调节逻辑；(此处的功率调节逻辑指的是前面所述的系统会把调度指令spremote和1分钟限定值sp1minmax、sp1minmin、10分钟限定值sp10minmax、sp10minmin进行对比，当spremote在1分钟限定值和10分钟限定值范围之内的时候，系统最终的执行值sp执行值等于spremote，当spremote在1分钟限定值和10分钟限定值范围之外的时候，系统最终的执行值sp执行值会优先执行1分钟限定值和10分钟限定值。)在有功功率上升阶段，系统自动计算sp执行值与p实际出力的差值，优先调节组3的机组，若组3机组满足要求分配则本次调节结束，若组3机组不满足要求则会继续调节组2的机组；单台机组的调节量公式如下：sp单台有功设定值＝(tp单台理论出力-p单台实际出力)/(tp组2/3理论出力-p组2/3实际出力)*sp执行值+p单台实际出力计算出单台机组的有功功率设定值，其中，tp组2/3理论出力指组2或组3的机组理论出力；p组2/3实际出力指组2或组3的机组实际出力；在有功功率下降阶段，系统自动计算sp执行值与p实际出力的差值，同时调节组2、组3、组5的机组，单台机组的调节量公式如下：sp单台有功设定值＝p单台实际出力-(p单台实际出力/p全场实际出力)*sp执行值计算出单台机组的有功功率设定值，其中，p全场实际出力指的是全场调节组2、组3、组5的机组的机组实际有功功率出力。当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本
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的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。当前第1页12