具有分散表決的風(fēng)力渦輪機控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及包括用于多個可控制的風(fēng)力渦輪機部件的風(fēng)力渦輪機的容錯控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生基本上并發(fā)的設(shè)定點值的副本的控制裝置，用于將基本上并發(fā)的設(shè)定點值的副本傳輸?shù)蕉鄠€風(fēng)力渦輪機部件的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，以及被布置成使得分散表決裝置被分配給每個風(fēng)力渦輪機部件的多個分散表決裝置，每個分散表決裝置適合于從設(shè)定點值的副本選擇出一個設(shè)定點值。本發(fā)明還涉及風(fēng)力渦輪機和相關(guān)的方法。
【專利說明】具有分散表決的風(fēng)力渦輪機控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括分散表決方案的容錯風(fēng)力渦輪機控制系統(tǒng)，所述分散表決方案目的在于在多個可用的風(fēng)力渦輪機設(shè)定點值當(dāng)中選擇最可靠的風(fēng)力渦輪機設(shè)定點值。
【背景技術(shù)】
[0002]容錯控制系統(tǒng)一般被實施為包括各種重要模塊/設(shè)備的副本的冗余系統(tǒng)。在重要模塊/設(shè)備出故障的情況下，它的功能由類似的模塊/設(shè)備接管。
[0003]EP2080903A1公開了用于風(fēng)力渦輪機應(yīng)用的故障安全的控制系統(tǒng)。根據(jù)EP2080903A1，第一控制單元執(zhí)行所謂的關(guān)鍵控制功能，而第二和獨立的控制單元執(zhí)行所謂的非關(guān)鍵控制功能。第一和第二控制單元經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)相互耦合。EP2080903A1討論了與冗余風(fēng)力渦輪機控制系統(tǒng)相關(guān)的缺點，其中關(guān)鍵控制單元被加倍。然而，如在EP2080903的[0014]中規(guī)定的，“此外，第一集合的控制功能也可冗余地包括在第二集合中，以在總控制系統(tǒng)內(nèi)提供適度的降級”。
[0004]US2009/0309360和US2009/0309361討論了用于控制風(fēng)能場的方法和系統(tǒng)。在US2009/0309360和US2009/0309361中，主通信單元控制若干個按優(yōu)先順序排列的控制單元。在具有給定優(yōu)先級的給定控制單元出故障的情況下，主通信單元選擇較低優(yōu)先的控制單元來接管有缺陷的控制單元的功能。
[0005]在US2009/0309360和US2009/0309361中提議的方法和系統(tǒng)的缺點是，主通信單元在另一控制單元損壞或以任何其它方式發(fā)生故障的情況下選擇哪個控制單元來接管。然而，在主通信單元本身損壞的情況下，沒有替代單元是可用的。因此，在US2009/0309360和US2009/0309361中提議的該控制方法和該控制系統(tǒng)不能被認為是容錯控制方法/系統(tǒng)——至少在主通信單元級別上不能被認為是容錯控制方法/系統(tǒng)。
[0006]提供容錯風(fēng)力渦輪機控制系統(tǒng)可被看作是本發(fā)明的實施例的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在第一方面中，可通過提供包括多個可控制的風(fēng)力渦輪機部件的風(fēng)力渦輪機的容錯控制系統(tǒng)來依從上面提到的目的，該控制系統(tǒng)包括:
[0008]-用于產(chǎn)生基本上并發(fā)的設(shè)定點值的副本的控制裝置，
[0009]-用于將基本上并發(fā)的設(shè)定點值的副本傳輸?shù)蕉鄠€風(fēng)力渦輪機部件的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，以及
[0010]-多個分散表決裝置，其被布置成使得分散表決裝置被分配給每個風(fēng)力渦輪機部件，每個分散表決裝置適合于從設(shè)定點值的副本選擇出一個設(shè)定點值。
[0011]待控制的風(fēng)力渦輪機部件可以是槳距(pitch)、偏航角(yaw)、主軸、齒輪、發(fā)電機、功率停止器(power stop)、液壓站、水泵、冷卻裝置、不間斷電源(UPS)或計量站。
[0012]下面的優(yōu)點與本發(fā)明的第一方面相關(guān):
[0013]1.本發(fā)明的控制系統(tǒng)架構(gòu)滿足在現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機控制上提出的對可靠性的高要求。
[0014]2.本發(fā)明的控制系統(tǒng)架構(gòu)集成了功能安全性并能夠支持如在IEX61508標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全相關(guān)功能的低需求模式、高需求模式和連續(xù)模式等級。
[0015]3.本發(fā)明的控制系統(tǒng)架構(gòu)以能夠使功能適應(yīng)于各種風(fēng)力渦輪機平臺布局的方式而是可擴展的和可組成的。
[0016]本發(fā)明的控制系統(tǒng)架構(gòu)通常反映已制定的設(shè)計原理“形式遵循功能”。該控制系統(tǒng)架構(gòu)可包括適合于控制上述風(fēng)力渦輪機部件中的一個或多個的風(fēng)力渦輪機子系統(tǒng)。
[0017]所介紹的控制系統(tǒng)架構(gòu)可利用可通過復(fù)制的分布式控制節(jié)點(DCN)具有內(nèi)在容錯的多個子系統(tǒng)。而且，所提出的控制系統(tǒng)架構(gòu)可利用容錯實時通信網(wǎng)絡(luò)(RTCN)。
[0018]風(fēng)力渦輪機子系統(tǒng)的控制功能由DCN和額外的電氣部件(例如傳感器、繼電器、電動機啟動器、接觸器或固態(tài)繼電器)執(zhí)行。DCN也可用作例如傳感器接口。DCN可集成支持在節(jié)點和系統(tǒng)級別的容錯功能安全性的安全相關(guān)功能。
[0019]容錯控制還可包括適合于為用于產(chǎn)生基本上并發(fā)的設(shè)定點值的副本的控制裝置產(chǎn)生參考信號的集中式主控制器裝置。
[0020]而且，容錯控制系統(tǒng)還可包括包含多個傳感器的容錯傳感器系統(tǒng)，所述多個傳感器以冗余方式布置。多個傳感器可適合于測量至少一個電氣參數(shù)。
[0021]數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)可包括實時通信網(wǎng)絡(luò)，例如時間觸發(fā)的以太網(wǎng)。時間觸發(fā)的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)可被實現(xiàn)為單容錯網(wǎng)絡(luò)、雙容錯網(wǎng)絡(luò)或多容錯網(wǎng)絡(luò)。實時通信網(wǎng)絡(luò)可支持安全相關(guān)的數(shù)據(jù)通信。而且，可提供用于建立全球時間的裝置。
[0022]在第二方面中，本發(fā)明涉及包括根據(jù)第一方面的容錯控制系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機。多個可控制的風(fēng)力渦輪機部件可選自由以下組成的組；槳距、偏航角、主軸、齒輪、發(fā)電機、功率停止器、液壓站、水泵、冷卻裝置、UPS或計量站。
[0023]在第三方面中，本發(fā)明涉及用于控制包括多個可控制的風(fēng)力渦輪機部件的風(fēng)力渦輪機的方法，該方法包括下列步驟:
[0024]-產(chǎn)生基本上并發(fā)的風(fēng)力渦輪機部件設(shè)定點值的副本，
[0025]-經(jīng)由數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將設(shè)定點值傳輸?shù)斤L(fēng)力渦輪機中的風(fēng)力渦輪機部件，
[0026]-在每個風(fēng)力渦輪機部件處執(zhí)行分散表決過程，該分散表決過程包括從設(shè)定點值的副本選擇一個設(shè)定點值的步驟，以及
[0027]-將選定的設(shè)定點值應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機部件。
[0028]選定的設(shè)定點值可應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機內(nèi)的單個風(fēng)力渦輪機部件或若干個風(fēng)力渦輪機部件。如前面提到的，待控制的所述風(fēng)力渦輪機部件可以是槳距、偏航角、主軸、齒輪、發(fā)電機、功率停止器、液壓站、水泵、冷卻裝置、UPS或計量站。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]現(xiàn)在將參考附圖更詳細地解釋本發(fā)明，其中
[0030]圖1示出風(fēng)力渦輪機中的示例性容錯控制結(jié)構(gòu)。
[0031]圖2示出示例性的單容錯的時間觸發(fā)的以太網(wǎng)，
[0032]圖3示出示例性的雙容錯的時間觸發(fā)的以太網(wǎng)，
[0033]圖4示出非安全相關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)，[0034]圖5示出故障安全(fail-safe)的安全相關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)，
[0035]圖6示出分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)，
[0036]圖7示出精確全球時間，
[0037]圖8示出在單容錯系統(tǒng)中的示例性單故障情況，
[0038]圖9示出單容錯系統(tǒng)的實施視圖，
[0039]圖10示出在雙容錯系統(tǒng)中的示例性雙故障情況，
[0040]圖11示出雙容錯系統(tǒng)的實施視圖，
[0041]圖12示出示例性的一般的n+m冗余子系統(tǒng)，以及
[0042]圖13示出風(fēng)力渦輪機中的一般容錯控制系統(tǒng)。
[0043]雖然本發(fā)明容許各種修改和替代形式，但是特定的實施例作為例子在附圖中示出并將在本文被詳細地描述。然而應(yīng)理解，本發(fā)明并非旨在受限于所公開的特定形式。相反，本發(fā)明涵蓋落在如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同形式和替代形式。本發(fā)明的應(yīng)用不限于風(fēng)力渦輪機發(fā)電機，而是擴展到低速高扭矩應(yīng)用，如采用通常在電動回轉(zhuǎn)操作模式中操作的PM機器的升降機和輸送機。
【具體實施方式】
[0044]通常，本發(fā)明目的在于提供用于風(fēng)力渦輪機的容錯控制系統(tǒng)。在風(fēng)力渦輪機中，容錯控制通過提供支持分散表決的方法和系統(tǒng)來實現(xiàn)，即，其中設(shè)定點的選擇是在風(fēng)力渦輪機部件的位置處執(zhí)行。風(fēng)力渦輪機部件設(shè)定點可例如反映風(fēng)力渦輪機所產(chǎn)生的功率(有功和/或無功)、頻率、電壓或電流。風(fēng)力渦輪機部件設(shè)定點也可反映其它參數(shù)，例如槳距角、冷卻流體的溫度等。
[0045]本發(fā)明依賴于風(fēng)力渦輪機數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是高度可靠的并具有保證以非常高的概率在規(guī)定的截止期限內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的能力。適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)可以是Ethernet/IP、Ethernet POWERLINK、EtherCAT、SERCOS II1、PROFInet-1RT、TTEthernet 或具有類似的特性的其它數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。
[0046]下面的描述將使用術(shù)語“RTCN”(實時通信網(wǎng)絡(luò))作為具有期望特性的通信網(wǎng)絡(luò)的
一般術(shù)語。
[0047]圖1示出風(fēng)力渦輪機的容錯系統(tǒng)的例子。在圖1中，三個冗余地布置的DCN106-111經(jīng)由兩個RTCN開關(guān)101、102通過冗余RTCN互連，每個DCN用作包括傳感器112、114、116、118、120、121、123、124、125、127 和執(zhí)行器 113、115、117、119、122、126 的給定風(fēng)力渦輪機發(fā)電機(WTG)模塊103-105。因此，在每個WTG模塊103-105內(nèi)經(jīng)由冗余地布置的DCN106-111，將來自傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳遞到RTCN/從RTCN傳遞來自傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)。例如，在WTG模塊103中，被冗余地布置的DCN106U07分別將傳感器112、114和執(zhí)行器113、115連接到RTCN開關(guān)101、102。如果例如DCN106出故障，則關(guān)于WTG模塊103，包括傳感器114和執(zhí)行器115的DCN107接管。
[0048]通常，取決于功能的關(guān)鍵性，數(shù)據(jù)可由在2oo2 (2取2)或2oo3 (3取2)冗余方案中的DCN利用。在一個DCN中出現(xiàn)故障的情況下，參照上面的例子，連續(xù)操作由同一 WTG模塊內(nèi)的復(fù)制節(jié)點確保。如果在給定WTG模塊內(nèi)的兩個DCN都在從RTCN可得到的數(shù)據(jù)上操作且如果采取措施來確保DCN在同一數(shù)據(jù)上操作，副本確定性(replica determinism)可被支持。
[0049]RTCN可將時間觸發(fā)的通信范式的優(yōu)點與普遍的以太網(wǎng)的靈活性組合。它們因此支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)流量，同時確保不干擾關(guān)鍵數(shù)據(jù)流量。關(guān)于本發(fā)明，這樣的通信網(wǎng)絡(luò)的利用被認為是有利的。
[0050]時間觸發(fā)的通信范式支持副本確定性的建立。在這樣的通信范式中，在RTCN上的實時數(shù)據(jù)的通信在設(shè)計階段被計劃，且相關(guān)的副本確定性的分布式控制節(jié)點具有何時數(shù)據(jù)是可用的先驗知識。這個特性使得兩個或多個復(fù)制的DCN能夠通過訂閱被保證在同一數(shù)據(jù)上操作，在相同的時間執(zhí)行相同的功能，且因此是副本確定性的，或它使得例如兩個主控制器能夠在同一數(shù)據(jù)上操作并在相同的時間產(chǎn)生相同的輸出，且因此是副本確定性的。
[0051]RTCN可提供具有支持如在IEC61508標(biāo)準(zhǔn)中定義的“連續(xù)模式”安全相關(guān)功能的特定特性的功能(例如切換功能)。連續(xù)模式安全功能將依賴于在RTCN上傳遞的安全相關(guān)數(shù)據(jù)來執(zhí)行其安全功能。這樣的網(wǎng)絡(luò)類型可以是TTEthernet。通過利用這種類型的通信網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明的容錯架構(gòu)的能力可被擴展以包括連續(xù)模式安全功能。
[0052]在分布式控制系統(tǒng)中，容錯和實時特性可通過精確全球時間的建立來支持，其中控制器和DCN具有偏離非常小——一般在微秒或更小的范圍內(nèi)——的公共時間概念，然而該公共時間概念不限于這個精度，參照圖7和相關(guān)的描述。
[0053]在分布式控制系統(tǒng)內(nèi)的全球時間支持:
[0054].在控制器和DCN之間數(shù)據(jù)采集的同步
[0055].在控制器和DCN之間過程的同步
[0056].數(shù)據(jù)通信(時間觸發(fā)通信)的同步
[0057].在容錯控制器和DCN中的副本確定性
[0058]全球時間可通過兼容IEEE-1588的精確時間協(xié)議在風(fēng)力渦輪機中的實施來建立。替代地，全球時間可通過利用對精確全球時間的內(nèi)在支持來建立，精確全球時間是很多工業(yè)RTCN的部分。在精確全球時間對于系統(tǒng)可用性和/或安全性是關(guān)鍵的系統(tǒng)中，必須在精確全球時間的分布中建立足夠水平的容錯和可靠性以支持此。
[0059]現(xiàn)在參考圖2，容錯控制系統(tǒng)中的DCN205-214被配置成形成冗余RTCN200。圖2例示應(yīng)用冗余地布置的通信開關(guān)201-204的單容錯RTCN200，其中開關(guān)201、202和開關(guān)203、204被冗余地布置/復(fù)制。每個DCN連接到兩個通信開關(guān)。這個結(jié)構(gòu)滿足高系統(tǒng)可靠性所需的容錯。到其它通信開關(guān)/RTCN的連接215也是可用的。
[0060]圖3例示應(yīng)用三冗余通信架構(gòu)的雙容錯RTCN300。DCN304-309中的每個連接到三個冗余地布置的通信開關(guān)301-303。這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)滿足非常高的系統(tǒng)可靠性所需的和在第一次故障之后具有長的平均時間來修理的容錯系統(tǒng)所需的容錯。再次，到其它通信開關(guān)/RTCN的連接310是可用的。
[0061]在分布式控制系統(tǒng)中，參照圖2和圖3，通過通信通道和DCN的復(fù)制來獲得容錯。RTCN本身可以是雙(圖2)或三(圖3)冗余的。分布式控制器可以被復(fù)制成兩個、三個或更多個，取決于對每個子系統(tǒng)的可靠性要求和用于子系統(tǒng)的所選擇的容錯架構(gòu)。也可提供到其它RTCN的連接。
[0062]優(yōu)選地，DCN展示“故障沉默”行為，以便讓復(fù)制節(jié)點維持對受控對象的控制。這個特性必須保持穩(wěn)定，直到在故障單元上的服務(wù)還原了系統(tǒng)。這意味著在已經(jīng)有故障的節(jié)點中的第二個故障的情況下必須以非常高的概率維持故障沉默行為。否則，有故障的節(jié)點可能干擾風(fēng)力渦輪機的操作，并可能引起嚴重的系統(tǒng)故障。
[0063]根據(jù)本發(fā)明的容錯控制系統(tǒng)架構(gòu)支持三個不同的控制等級，這些控制等級支持在風(fēng)力渦輪機相關(guān)應(yīng)用中的要求。
[0064]1.容錯的、非安全相關(guān)的:這個控制等級涵蓋沒有安全相關(guān)特性的所有控制。容錯允許在部件故障的情況下的渦輪機的連續(xù)操作。單、雙或多容錯可被該架構(gòu)支持。
[0065]2.容錯的、安全相關(guān)的、故障保險:這個控制等級涵蓋在系統(tǒng)中的嚴重故障的情況下可立即進入安全狀態(tài)而同時提供在部件故障的情況下允許渦輪機的連續(xù)操作的容錯的安全相關(guān)控制。單、雙或多容錯可被該架構(gòu)支持。
[0066]3.容錯的、安全相關(guān)的、連續(xù)模式:這個控制等級涵蓋在嚴重故障的情況下沒有即時安全狀態(tài)的安全相關(guān)控制。該容錯允許在部件故障的情況下的連續(xù)操作。單、雙或多容錯可被支持。這個控制等級可能需要具有保證安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)流量的完整性的特定特征的RTCN。
[0067]此外，根據(jù)本發(fā)明的容錯控制系統(tǒng)架構(gòu)支持具有不同的執(zhí)行范式的三個不同的執(zhí)行域:
[0068]1.集中式主導(dǎo)非安全相關(guān)執(zhí)行域，參照圖4。
[0069]2.集中式主導(dǎo)安全相關(guān)執(zhí)行域，參照圖5。
[0070]3.分布式控制執(zhí)行域，參照圖6。
[0071]RTCN在這些執(zhí)行域中用作功能的共享通信主干網(wǎng)?？赏ㄟ^適當(dāng)?shù)南⒛Ｊ?例如公布/訂閱或其它適當(dāng)?shù)哪Ｊ?在生產(chǎn)節(jié)點和消耗節(jié)點之間交換數(shù)據(jù)。
[0072]集中式主導(dǎo)非安全相關(guān)執(zhí)行域包括與風(fēng)力渦輪機的正?？刂朴嘘P(guān)的功能。在這個域中的執(zhí)行的特征在于利用由復(fù)制的RTCN400互連的一個或多個主控制器401和副本DCN405、407、410、412、414、416 (參照圖4的實線元件)的復(fù)制的主導(dǎo)-從動范式。虛線元件在這個域中是不活動的。當(dāng)利用確定性RTCN400時，這個域通過冗余副本確定性DCN405、407、410、412、414、416 支持容錯。RTCN400 和 DCN405、407、410、412、414、416 的復(fù)制在圖 4中被示為(RTCN和DCN的)堆疊結(jié)構(gòu)。
[0073]集中式主導(dǎo)安全相關(guān)執(zhí)行域包括與人或資產(chǎn)的保護有關(guān)的安全相關(guān)功能。參照圖5，在這個域中的執(zhí)行的特征在于利用復(fù)制的主導(dǎo)安全控制器502 (實線)和相關(guān)的復(fù)制的安全相關(guān)DCN506、508、511、513、515 (實線)的集中式主導(dǎo)范式。復(fù)制的控制器502和復(fù)制的DCN506、508、511、513、515由復(fù)制的RTCN (實線)互連。虛線元件在這個域中是不活動的。當(dāng)利用確定性RTCN時，這個域通過冗余副本確定性DCN來支持容錯。
[0074]分布式控制執(zhí)行域使能無主導(dǎo)(master-less)方法來進行控制。該方法通過經(jīng)由復(fù)制的RTCN600互連的冗余副本確定性DCN603、604、607、609、610、616來支持容錯，參照圖6的實線元件。虛線元件是不活動的。這個域未應(yīng)用主導(dǎo)控制器，且這個域的主要應(yīng)用領(lǐng)域是連續(xù)模式安全相關(guān)控制。然而，這個范式也可涉及安全相關(guān)和非安全相關(guān)控制來使用。
[0075]通常，容錯主控制器、主導(dǎo)安全控制器和DCN可取決于在被控制的風(fēng)力渦輪機子系統(tǒng)中的要求，在活動模式、被動待機模式或冷待機模式中操作。
[0076]活動模式在實時控制的損失嚴重的情況下被利用。節(jié)點被操作為副本確定性的，這意味著它們在相同的數(shù)據(jù)上操作并在基本上相同的時間產(chǎn)生相同的輸出(基本上并發(fā)的數(shù)據(jù)/控制輸出)。副本確定性特性可應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的所有控制器類型，包括但不限于主控制器、主導(dǎo)安全控制器和DCN。DCN的容錯集合的控制輸出被組合，并在執(zhí)行器接口或執(zhí)行器系統(tǒng)中被隱式地表決。如果一個分布式控制節(jié)點出故障，這個冗余方案不引起控制的臨時缺失。通過復(fù)制的DCN進行容錯的先決條件是出故障的節(jié)點的可預(yù)測的行為。期望的故障模式是故障沉默。
[0077]在被動待機模式中，在冗余風(fēng)力渦輪機子系統(tǒng)中只有一個節(jié)點是活動的，而其它節(jié)點準(zhǔn)備接管控制(如果第一節(jié)點出故障的話)。DCN控制輸出仍然可組合，并在執(zhí)行器系統(tǒng)中被隱式地表決，但只有一個節(jié)點在控制中是活動的。如果控制功能的臨時缺失在被動待機節(jié)點的集成的持續(xù)時間內(nèi)是不關(guān)鍵的，這個冗余方案可被利用。被動待機模式要求被動節(jié)點具有探測活動節(jié)點是否出故障的手段。這可通過功能的監(jiān)督、通過成員服務(wù)、通過在節(jié)點之間的一致性協(xié)議或通過在被動節(jié)點和相關(guān)控制器之間的一致性協(xié)議來實現(xiàn)。
[0078]在冷待機模式中，冗余風(fēng)力渦輪機子系統(tǒng)中的僅一個節(jié)點是活動的，而其它節(jié)點被斷電。它們必須被加電來接管控制。DCN控制輸出仍然可組合，并在執(zhí)行器系統(tǒng)中被隱式地表決，但只有一個節(jié)點在控制中是活動的。如果控制功能的臨時缺失在冷待機節(jié)點的啟動和集成的持續(xù)時間內(nèi)是不關(guān)鍵的，這個冗余方案可被利用。冷待機模式要求系統(tǒng)具有探測活動節(jié)點是否出故障并隨后啟動冷待機節(jié)點的手段。可從相關(guān)的控制器控制啟動。
[0079]為了保證風(fēng)力渦輪機應(yīng)用中的容錯控制系統(tǒng)的期望可靠性和安全性，系統(tǒng)中的節(jié)點必須保證故障沉默特性將在操作壽命期間以非常高的概率保持有效。
[0080]如參考圖7陳述的，在分布式控制系統(tǒng)中的容錯和實時特性可通過精確全球時間717的建立來支持，其中參照圖7，復(fù)制的控制器701、702和復(fù)制的DCN703-716具有偏差非常小(一般在微秒或更小的范圍內(nèi))的公共時間概念。在圖7中，復(fù)制的RTCN700將復(fù)制的控制器701、702和復(fù)制的DCN703-716互連。復(fù)制的控制器701、702和復(fù)制的DCN703-716可具有與關(guān)于圖4-6所示的域所公開的相同的類型。
[0081]單容錯
[0082]在子系統(tǒng)中例如在圖1的WTG模塊103-105中的單容錯架構(gòu)將在大部分情況下足以符合風(fēng)力渦輪機中的可靠性要求。
[0083]圖8示出關(guān)于容錯控制系統(tǒng)800的風(fēng)力渦輪機子系統(tǒng)中的容錯故障沉默DCN801-804的一般的可靠性網(wǎng)絡(luò)視圖。DCN801-804可被實施為活動復(fù)制節(jié)點、或被動或冷待機節(jié)點。來自傳感器805-810的傳感器值是DCN801-804可采用的，作為RTCN上的數(shù)據(jù)和可選地也作為本地傳感器數(shù)據(jù)。在2oo2 (2取2)或2oo3 (3取2)冗余方案中，取決于功能的關(guān)鍵性，數(shù)據(jù)可由控制器利用。
[0084]圖8的上面的圖示出用于在正常工作條件下控制對象811的風(fēng)力渦輪機子系統(tǒng)。復(fù)制的傳感器805-807向復(fù)制的DCN801,802提供數(shù)據(jù)，以便控制對象811。
[0085]在圖8的下面的圖中描繪故障情況。在一個DCN803中出故障的情況下，連續(xù)操作由復(fù)制的節(jié)點804確保。因此，即使DCN803出故障，來自傳感器808-810的傳感器信號也可仍然經(jīng)由DCN804被應(yīng)用以控制對象812。
[0086]如果DCN801、802或DCN803、804在從RTCN可得到的數(shù)據(jù)上而不是在內(nèi)部數(shù)據(jù)上操作，且如果采取措施來確保DCN在相同的數(shù)據(jù)上操作，則副本確定性可被支持。
[0087]在圖9中例示了在用于控制對象907的容錯控制系統(tǒng)900中的單容錯單元的實施方式。傳感器908、909連接到復(fù)制的故障沉默DCN905、906并且可能連接到系統(tǒng)中的另一DCN903。來自傳感器902的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)由DCN903和復(fù)制的RTCN開關(guān)904在RTCN901上變得可用。RTCN的實線和虛線示出RTCN901的單冗余。
[0088]雙容錯
[0089]在可靠性或安全性要求不能被單容錯結(jié)構(gòu)維持的風(fēng)力渦輪機子系統(tǒng)中，可利用雙容錯。
[0090]圖10示出關(guān)于適合于控制對象1019-1021的雙容錯故障沉默DCN1001-1009的一般的可靠性網(wǎng)絡(luò)視圖。來自傳感器1010-1018的傳感器值是DCN1001-1009可采用的，作為RTCN上的數(shù)據(jù)和可選地也作為本地傳感器數(shù)據(jù)。在2oo2 (2取2)或2oo3 (3取2)冗余方案中，取決于功能的關(guān)鍵性，數(shù)據(jù)可由控制器利用。
[0091]如果DCN1001-1009在從RTCN可得到的數(shù)據(jù)上而不是在內(nèi)部數(shù)據(jù)上操作，且如果采取措施來確保DCN在相同的數(shù)據(jù)上操作，則副本確定性可被支持。
[0092]圖10的上面的圖示出正確地工作的風(fēng)力渦輪機子系統(tǒng)，其中來自傳感器1010-1012的傳感器信號經(jīng)由DCN1001-1003被應(yīng)用以控制對象1019。
[0093]在一個DCN1004中出故障的情況下，參照圖10中的中間的圖，連續(xù)操作由復(fù)制的節(jié)點1005、1006確保。在兩個DCN1007、1008中出故障的情況下，參照圖10中的下面的圖，連續(xù)操作由剩余的節(jié)點1009確保。
[0094]在圖11中例示了在用于控制風(fēng)力渦輪機對象1109的控制器平臺(S卩，DCN)中的雙容錯功能的實施方式。傳感器1108、1110連接到雙容錯故障沉默DCN1105、1107并且可能連接到系統(tǒng)中的另一 DCN1103。來自傳感器1102的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)由DCN1103和復(fù)制的RTCN開關(guān)1104在復(fù)制的RTCNl 101上變得可用。DCN在從RTCN可得到的數(shù)據(jù)上而不是在內(nèi)部數(shù)據(jù)上操作。如果采取措施來確保DCN在相同的數(shù)據(jù)上操作，則副本確定性可被支持。RTCNl 101的實線和虛線示出RTCN1101的單冗余。
[0095]利用n+m冗余的故障容錯
[0096]參照圖12，一些控制系統(tǒng)可受益于利用n+m冗余的故障容錯架構(gòu)。圖12示出單容錯RTCN1200 (由實線和虛線指示)，其中RTCN開關(guān)1201與六個故障沉默DCN1201-1207通信。這六個故障沉默DCN1201-1207被配置成響應(yīng)于來自傳感器1208-1219的傳感器輸入來控制風(fēng)力渦輪機的給定對象1220。通過共同執(zhí)行對受控對象1220的控制的n+m副本確定性DCN1202-1207來建立n+m冗余。這種類型的冗余的可能的應(yīng)用領(lǐng)域可以是偏航系統(tǒng)和/或功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。
[0097]圖13示出包括風(fēng)力渦輪機發(fā)電機(WTG)子站1306、WTG塔1307、WTG機艙1308和WTG轂1309的風(fēng)力渦輪機1300的基于TTEthernet的控制架構(gòu)。通常，圖13的TTEthernet網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由復(fù)制的TTEthernet開關(guān)1301-1305來促進在WTG部件1306-1309之間的通信。
[0098]WTG子站1306包括子站控制器1317，子站控制器1317經(jīng)由復(fù)制的(被指示為堆疊的)TTEthernet開關(guān)1301、1302與塔模塊1315的復(fù)制的塔控制節(jié)點1316和塔模塊1325的復(fù)制的WTG主控制器1326通信。
[0099]子站控制器1317可包含各種復(fù)制的控制器或服務(wù)器1318，例如功率控制器、發(fā)電廠(PP)數(shù)據(jù)服務(wù)器、額外的子站控制器、SCADA等。
[0100]WTG塔1307的復(fù)制的TTEthernet開關(guān)1302經(jīng)由連接1327促進到其它WTG的連接。
[0101]此外，經(jīng)由復(fù)制的TTEthernet開關(guān)1303、1304提供與機艙模塊1311的復(fù)制的吊艙控制節(jié)點1312、機艙模塊1329的復(fù)制的分布式功率控制器1310和機艙模塊1313的復(fù)制的集中式主導(dǎo)安全控制器1314的通信。復(fù)制的分布式功率控制器1310可包括用于各種控制方案的各種控制器。
[0102]最后，經(jīng)由復(fù)制的TTEthernet開關(guān)1305提供與轂?zāi)K1321的復(fù)制的葉片控制節(jié)點(對每個葉片有一個節(jié)點)1322、1323、1324和轂?zāi)K1319的復(fù)制的液壓控制節(jié)點1320的通信。
[0103]如前面提到的，適當(dāng)?shù)腞TCN 可包括 Ethernet/IP、Ethernet POffERLINK>EtherCAT、SERCOS 111, PROFInet-1RT, TTEthernet (如圖 13 所示)或具有類似特性的其它數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。
[0104]如圖13所描繪的，各種通信裝置1328 (例如膝上型計算機、IP電話等)可連接到每個TTEthernet開關(guān)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于包括多個可控制的風(fēng)力渦輪機部件的風(fēng)力渦輪機的容錯控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括: -控制裝置，其用于產(chǎn)生基本上并發(fā)的設(shè)定點值的副本， -數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，其用于將基本上并發(fā)的設(shè)定點值的所述副本傳輸?shù)剿龆鄠€風(fēng)力渦輪機部件，以及 -多個分散表決裝置，其被布置成使得分散表決裝置被分配給每個風(fēng)力渦輪機部件，每個分散表決裝置適合于從設(shè)定點值的所述副本選擇出一個設(shè)定點值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的容錯控制系統(tǒng)，還包括適合于為用于產(chǎn)生基本上并發(fā)的設(shè)定點值的所述副本的所述控制裝置產(chǎn)生參考信號的集中式主控制器裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的容錯控制系統(tǒng)，還包括包含多個傳感器的容錯傳感器系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的容錯控制系統(tǒng)，其中，所述多個傳感器以冗余方式布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的容錯控制系統(tǒng)，其中，所述多個傳感器適合于測量至少一個電參數(shù)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的容錯控制系統(tǒng)，其中，所述數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)包括實時通信網(wǎng)絡(luò)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的容錯控制系統(tǒng)，其中，所述實時通信網(wǎng)絡(luò)包括時間觸發(fā)的以太網(wǎng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的容`錯控制系統(tǒng)，其中，所述時間觸發(fā)的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)被實施為單容錯網(wǎng)絡(luò)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的容錯控制系統(tǒng)，其中，所述時間觸發(fā)的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)被實施為雙容錯網(wǎng)絡(luò)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中的任一項所述的容錯控制系統(tǒng)，其中，所述實時通信網(wǎng)絡(luò)支持數(shù)據(jù)的安全相關(guān)通信。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的容錯控制系統(tǒng)，還包括用于建立全球時間的>j-U ρ?α裝直。
12.一種包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的容錯控制系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的風(fēng)力渦輪機，其中，所述多個可控制的風(fēng)力渦輪機部件選自由以下組成的組:槳距、偏航角、主軸、齒輪、發(fā)電機、功率停止器、液壓站、水泵、冷卻裝置或 UPS。
14.一種用于控制包括多個可控制的風(fēng)力渦輪機部件的風(fēng)力渦輪機的方法，所述方法包括下列步驟: -產(chǎn)生基本上并發(fā)的風(fēng)力渦輪機部件設(shè)定點值的副本， -經(jīng)由數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將所述設(shè)定點值傳輸?shù)剿鲲L(fēng)力渦輪機中的所述風(fēng)力渦輪機部件， -在每個風(fēng)力渦輪機部件處執(zhí)行分散表決過程，所述分散表決過程包括從設(shè)定點值的所述副本選擇出一個設(shè)定點值的步驟，以及 -將選定的設(shè)定點值應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機部件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述選定的設(shè)定點值被應(yīng)用于所述風(fēng)力渦輪機中的若干個風(fēng)力渦輪機部·件。
【文檔編號】G05B9/03GK103582756SQ201280026368
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月30日
【發(fā)明者】J·本特松, V·多內(nèi)斯庫, P·C·謝爾, K·斯卡格 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團公司