一种基于Bladed软件的风电孪生主控系统及方法与流程

一种基于bladed软件的风电孪生主控系统及方法
技术领域
1.本发明涉及风机控制技术领域，具体为一种基于bladed软件的风电孪生主控系统及方法。


背景技术：

2.风电主控系统的主要功能是实时采集风机桨叶、发电机、变流器、齿轮箱等部件的相关数据并控制风力发电机组执行启动、并网、监测、保护、故障诊断、偏航、变桨、变流器功率指令、停机等一系列相应动作。当前风电主控系统控制逻辑一般基于plc平台开发，并在出厂前参照行业标准的工况进行功能及载荷测试，最后进行现场并网实施。随着近年风电行业发展迅速，新建大容量风电机组有高柔塔筒、长叶片等特点，且运行环境越来越复杂，标准工况测试已不能满足机组安全可靠的要求，这对为控制策略如何降低机组载荷提出了非常高的要求。
3.风电机组载荷是所有部件设计的输入，载荷的大小直接决定了风机的成本，因此在合理范围内，尽量降低运行载荷对风机的寿命和维护成本至关重要。目前大多降载的方法是通过加装超级螺栓或传感器的方法来获取载荷数据，从而来指导主控系统控制策略的执行，或建立起孪生风机来映射风机的载荷数据，但未能反馈至主控系统来减载。中国专利cn109653945a公开了一种风力发电机组降载方法和系统，通过在风机上加装螺栓等传感器，来获取风机运行过程中的载荷数据，提前预测风机运行状态，来提前调整控制策略，降低或躲避大载荷，实现风电机组减载目的。中国专利cn11323649a公开了一种风力发电数字孪生系统，提出了一种“机理+数据”模型，通过机理模型搭建数字孪生平台，从实物风电机组中获取运行数据进行处理和分析，传输给人机交互单元进行显示，并根据人机交互单元的控制命令对实物风电机组进行智慧运维。
4.在风电机组中主要需要监测的关键部件包括桨叶根部、轮毂中心、偏航轴承、传动链、塔筒等，这些监测点有分布离散的特点，如果全部安装传感器来获取数据施工难度大，若只安装部分传感器将无法全面的监测到这些点的耦合关系和整体趋势。在中国专利cn11323649a中建立了数字孪生平台反馈这些关键载荷数据，主要是基于运行数据的仿真模型为风机智能运维提供直接、有效的信息，侧重于故障的预警和在线监测服务，且选择tcp/ip来进行数据交互会影响实时通讯的速率，并未对主控系统的实时运行起到指导作用。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述和/或现有的风电主控系统中存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明的目的是提供一种基于bladed软件的风电孪生主控系统及方法，无需额外加装传感器，减少了施工难度与硬件成本，且提高了控制效率。
8.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种基于bladed软件的风电孪生主控系统，其包括：控制器，控制器包括cpu单元以及功能单元，所述控制器被配置为：cpu单元通过功能单元采集风电机组当前的运行状态数据以及cpu单元通过功能单元向风电机组输出指令；cpu单元包括控制逻辑服务模块、孪生风机服务模块、全局变量结构体以及算法动态库；所述全局变量结构体被配置为：用于存储采集的风电机组的运行状态数据供控制逻辑服务模块和孪生风机服务模块读取并写入运算输出指令数据；所述控制逻辑服务模块被配置为：动态加载算法动态库来获取全局变量结构体指针，并将风电机组的数据读取到对应的栈帧中参与运算，并根据孪生风机服务模块的输出结果来校正自身的输出结果后写至全局变量结构体中；所述孪生风机服务模块被配置为：构建一个完整的风电机组气弹模型，动态加载算法动态库来获取全局变量结构体指针，并将风电机组的数据读取到对应的栈帧中参与运算，并将载荷数据每个周期写入全局变量中。
9.作为本发明所述的一种基于bladed软件的风电孪生主控系统的一种优选方案，其中，所述功能单元包括采集风电机组当前的运行状态数据的di模块、ai模块、rtd模块以及通讯模块。
10.作为本发明所述的一种基于bladed软件的风电孪生主控系统的一种优选方案，其中，所述功能单元包括向风电机组输出指令的do模块、ao模块、通讯模块。
11.作为本发明所述的一种基于bladed软件的风电孪生主控系统的一种优选方案，其中，所述控制逻辑服务模块和孪生风机服务模块按步执行动态链接库里的算法函数，所述算法函数包括变桨算法函数、偏航算法函数和转矩算法函数。
12.一种基于bladed软件的风电孪生主控方法，具体步骤如下：s1、控制器通过电气功能模块来采集风电机组当前的运行状态数据，并通过通讯协议上传至cpu单元中的全局变量体结构体中；s2、控制逻辑服务模块的控制逻辑服务进程与孪生风机服务模块的孪生风机服务进程分别加载算法动态库来获取全局变量结构体指针，并将风机的数据读取到各自的栈帧中来参与运算；s3、孪生风机服务进程将一组载荷数据每个周期写入全局变量结构体中，控制逻辑服务进程和孪生风机服务进程每个周期读取该组载荷数据进行运算并输出指令数据，控制逻辑服务进程根据孪生风机服务进程的输出结果校正自身的输出结果，并每个周期将指令数据写至全局变量结构体中；s4、cpu模块将结果数据通过电气功能模块输出至风电机组中来实现对风电机组的实时闭环控制。
13.作为本发明所述的一种基于bladed软件的风电孪生主控方法的一种优选方案，其中，控制逻辑服务进程根据孪生风机服务进程的输出结果校正自身的输出结果的具体步骤
如下：控制逻辑服务进程和孪生风机服务进程同时执行动态库里的算法函数；控制逻辑服务进程和孪生风机服务进程的输出结果输入一个比较器中，并判断主控逻辑服务所执行的结果是否在孪生风机执行结果的可接受范围内；若可接受，则主控逻辑服务所执行的结果生效，否则将赋值为孪生风机的执行结果并输出给风电机组。
14.与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明通过bladed软件来获取机组的全面载荷数据，无需额外加装传感器，所以减少了施工难度与硬件成本，且通过控制器内数据共享的方式来实现实际风机与孪生风机的数据交互，提高了效率，真正意义上起到了实时指导与校正主控系统逻辑执行的效果。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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它的附图。其中：图1为本发明一种基于bladed软件的风电孪生主控系统的数据流通示意图；图2为本发明一种基于bladed软件的风电孪生主控系统的cpu单元的架构示意图；图3为本发明一种基于bladed软件的风电孪生主控方法的流程图。
具体实施方式
16.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
17.其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
19.本发明提供一种基于bladed软件的风电孪生主控系统及方法，无需额外加装传感器，减少了施工难度与硬件成本，且提高了控制效率。
20.图1-图2示出了本发明一种基于bladed软件的风电孪生主控系统的主控系统的数据流通示意图以及cpu单元的架构示意图，请参阅图1-图2，该种基于bladed软件的风电孪生主控系统包括控制器，该控制器包括cpu单元以及功能单元，所述控制器被配置为：cpu单元通过功能单元采集风电机组当前的运行状态数据以及cpu单元通过功能单元向风电机组输出指令。
21.cpu单元包括控制逻辑服务模块、孪生风机服务模块、全局变量结构体以及算法动态库。
22.所述全局变量结构体被配置为：用于存储采集的风电机组的运行状态数据供控制逻辑服务模块和孪生风机服务模块读取并写入运算输出指令数据。
23.所述控制逻辑服务模块被配置为：动态加载算法动态库来获取全局变量结构体指针，并将风电机组的数据读取到对应的栈帧中参与运算，并根据孪生风机服务模块的输出结果来校正自身的输出结果后写至全局变量结构体中，其中，控制逻辑服务模块的控制对象是实际的风电机组，包括风机中开关量、模拟量、温度量等信号的采集及自动化控制等，控制逻辑服务模块为控制逻辑服务，包括风电机组上液压站、齿轮箱、风速风向仪、安全链等信号量采集及其自动化控制等，该进程也同样加载算法动态库，使得真实风机与孪生风机能够同步调度、同步运行，每周期读取全局变量中的载荷数据写进全局变量中，那么控制逻辑服务将会依据该组数据来实时的指导与校正输出到实际风机的动作。
24.所述孪生风机服务模块被配置为：构建一个完整的风电机组气弹模型，动态加载算法动态库来获取全局变量结构体指针，并将风电机组的数据读取到对应的栈帧中参与运算，并将载荷数据每个周期写入全局变量中，其中，孪生风机服务模块中包括叶片、传动链、塔筒等关键部件的模型，孪生风机服务模块会提供一个完整的风机气弹模型，为实际风机的孪生风机，孪生风机服务模块的主任务为基于bladed软件的孪生风机服务，在bladed软件平台上建立叶片、传动链、塔筒等部件的气弹模型，在控制器中将变桨、偏航、转矩等控制权设置为外部控制器控制，而后加载hardware test module模块来加载算法动态库文件，将孪生风机服务进程启动，该进程是一个实时进行，执行变桨、偏航、转矩等核心控制函数使得孪生风机得到真实风机运行状态的物理映射，每周期都会将载荷数据写进由算法动态库开辟的全局变量中。
25.算法动态库在加载时件会开辟一片全局变量，其包括输入数据和输出数据两个结构体，其中风速风向、发电机转速、限值、功率及主状态字等控制逻辑服务模块来写入，桨叶、塔筒、轮毂等相关载荷量由孪生风机服务来写入，输出数据包括桨距角指令、偏航指令、转矩指令等，由孪生风机服务模块和控制逻辑服务模块分别读取并下至孪生风机和实际风机，此全局变量是实际风机和孪生风机数据传递载体，这种内存共享的数据传递方式会大大提高孪生控制系统的效率。
26.为了对上述基于bladed软件的风电孪生主控系统作详细的解释说明，本发明还提供一种基于bladed软件的风电孪生主控方法，结合图1和图3，具体步骤如下：s1、控制器通过电气功能模块来采集风电机组当前的运行状态数据，并通过通讯协议上传至cpu单元中的全局变量体结构体中；s2、控制逻辑服务模块的控制逻辑服务进程与孪生风机服务模块的孪生风机服务进程分别加载算法动态库来获取全局变量结构体指针，并将风机的数据读取到各自的栈帧中来参与运算；s3、孪生风机服务进程将一组载荷数据每个周期写入全局变量结构体中，控制逻辑服务进程和孪生风机服务进程每个周期读取该组载荷数据进行运算并输出指令数据，控制逻辑服务进程根据孪生风机服务进程的输出结果校正自身的输出结果，并每个周期将指令数据写至全局变量结构体中；s4、cpu模块将结果数据通过电气功能模块输出至风电机组中来实现对风电机组的实时闭环控制。
27.其中，控制逻辑服务进程根据孪生风机服务进程的输出结果校正自身的输出结果的具体步骤如下：控制逻辑服务进程和孪生风机服务进程同时执行动态库里的算法函数，
控制逻辑服务进程和孪生风机服务进程的输出结果输入一个比较器中，并判断主控逻辑服务所执行的结果是否在孪生风机执行结果的可接受范围内，若可接受，则主控逻辑服务所执行的结果生效，否则将赋值为孪生风机的执行结果并输出给风电机组。
28.本发明相对于传统的控制方法，将bladed软件与控制逻辑逻辑同时运行在一个控制器上，控制器搭载多核处理器来保证bladed软件与主控系统逻辑同时运行，采用内存共享的方式进行数据的传递，用基于bladed软件的孪生风机来实时指导和校正主控系统控制逻辑的动作，无需额外加装传感器，减少了施工难度与硬件成本，且通过控制器内数据共享的方式来实现实际风机与孪生风机的数据交互，提高了效率，真正意义上起到了实时指导与校正主控系统逻辑执行的效果。
29.虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

技术特征：
1.一种基于bladed软件的风电孪生主控系统，其特征在于，包括：控制器，控制器包括cpu单元以及功能单元，所述控制器被配置为：cpu单元通过功能单元采集风电机组当前的运行状态数据以及cpu单元通过功能单元向风电机组输出指令；cpu单元包括控制逻辑服务模块、孪生风机服务模块、全局变量结构体以及算法动态库；所述全局变量结构体被配置为：用于存储采集的风电机组的运行状态数据供控制逻辑服务模块和孪生风机服务模块读取并写入运算输出指令数据；所述控制逻辑服务模块被配置为：动态加载算法动态库来获取全局变量结构体指针，并将风电机组的数据读取到对应的栈帧中参与运算，并根据孪生风机服务模块的输出结果来校正自身的输出结果后写至全局变量结构体中；所述孪生风机服务模块被配置为：构建一个完整的风电机组气弹模型，动态加载算法动态库来获取全局变量结构体指针，并将风电机组的数据读取到对应的栈帧中参与运算，并将载荷数据每个周期写入全局变量中。2.根据权利要求1所述的一种基于bladed软件的风电孪生主控系统，其特征在于，所述功能单元包括采集风电机组当前的运行状态数据的di模块、ai模块、rtd模块以及通讯模块。3.根据权利要求1所述的一种基于bladed软件的风电孪生主控系统，其特征在于，所述功能单元包括向风电机组输出指令的do模块、ao模块、通讯模块。4.根据权利要求1所述的一种基于bladed软件的风电孪生主控系统，其特征在于，所述控制逻辑服务模块和孪生风机服务模块按步执行动态链接库里的算法函数，所述算法函数包括变桨算法函数、偏航算法函数和转矩算法函数。5.一种基于bladed软件的风电孪生主控方法，由权利要求1-4任一项所述的一种基于bladed软件的风电孪生主控系统实现，其特征在于，具体步骤如下：s1、控制器通过电气功能模块来采集风电机组当前的运行状态数据，并通过通讯协议上传至cpu单元中的全局变量体结构体中；s2、控制逻辑服务模块的控制逻辑服务进程与孪生风机服务模块的孪生风机服务进程分别加载算法动态库来获取全局变量结构体指针，并将风机的数据读取到各自的栈帧中来参与运算；s3、孪生风机服务进程将一组载荷数据每个周期写入全局变量结构体中，控制逻辑服务进程和孪生风机服务进程每个周期读取该组载荷数据进行运算并输出指令数据，控制逻辑服务进程根据孪生风机服务进程的输出结果校正自身的输出结果，并每个周期将指令数据写至全局变量结构体中；s4、cpu模块将结果数据通过电气功能模块输出至风电机组中来实现对风电机组的实时闭环控制。6.根据权利要求5所述的一种基于bladed软件的风电孪生主控方法，其特征在于，控制逻辑服务进程根据孪生风机服务进程的输出结果校正自身的输出结果的具体步骤如下：控制逻辑服务进程和孪生风机服务进程同时执行动态库里的算法函数；控制逻辑服务进程和孪生风机服务进程的输出结果输入一个比较器中，并判断主控逻辑服务所执行的结果是否在孪生风机执行结果的可接受范围内；
若可接受，则主控逻辑服务所执行的结果生效，否则将赋值为孪生风机的执行结果并输出给风电机组。

技术总结
本发明公开一种基于Bladed软件的风电孪生主控系统及方法，风电孪生主控系统包括控制器，控制器包括CPU单元以及功能单元，所述控制器被配置为：CPU单元通过功能单元采集风电机组当前的运行状态数据以及CPU单元通过功能单元向风电机组输出指令，CPU单元包括控制逻辑服务模块、孪生风机服务模块、全局变量结构体以及算法动态库，所述全局变量结构体被配置为：用于存储采集的风电机组的运行状态数据供控制逻辑服务模块和孪生风机服务模块读取并写入运算输出指令数据，该种基于Bladed软件的风电孪生主控系统及方法，无需额外加装传感器，减少了施工难度与硬件成本，且提高了控制效率。效率。效率。


技术研发人员：张琦 李从飞 朱明 李致远 刘平卫 倪维东 赖新芳
受保护的技术使用者：国电南京自动化股份有限公司
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/6/4