干貨 | 主控系統在風電運維中的重要作用

　　摘要：本文從滿足現場需要的角度，闡發優秀的主控系統對風電機組現場維修、維護的重要作用。通過改進和完善主控系統與之相關的功能，有利于提高現場運維的技術水平，幫助現場人員迅速分析、診斷、處理機組故障。最終實現降低度電成本的目的。

　　

　　關鍵詞：主控性能；故障停機；現場運維；數據采集與儲存；故障診斷與處理

　　

　　前言

　　

　　隨著計算芯片處理能力的不斷增強，工業控制器不斷更新。“大數據和人工智能”的不斷發展，我國各行各業在人工智能研究方面都取得了不小的成就。不少風電企業為研發對單機、機群和環境具有“超感知”能力的智能機組進行了大量地投入，人工智能也自然成了當今風電的研究和發展方向之一。然而，現場投運的任何一臺機組，在其壽命期內，均會因各種原因報故障停機，或出現部件損壞，需要登機或遠程維修后，機組方能并網；運行機組還需要現場人員登機進行定期維護和檢修，方能保證機組安全，切實減少和避免機組潛在故障，使機組預防檢修落到實處。因此，保障現場機組維修維護的順利實施，是風電場現場運維的根本；是機組長期、穩定及安全運行的保障；是機組正常運行不可或缺的基本條件。這也是風電“大數據和人工智能”所不可替代的。

　　

　　隨著風電機組大型化趨勢的發展及風電技術的進步，一方面，機組部件越來越多，結構越來越復雜；另一方面，機組安全與可靠性是機組運行的基本前提，對機組安全的要求也越來越高。為保證機組安全，機組的眾多部位采用了多重保護和冗余設計。這不僅增加了機組生產成本，更增加了部件損壞幾率和故障點，這就決定了分析與處理機組故障的難度越來越大，對現場運維技術水平的要求也越來越高。

　　

　　大型風電機組均有變頻器，以變頻器為例，隨著海上機組的發展，如今多個風電整機廠家已推出了10MW機組，組成部件不斷增多；機組及變頻器結構更為復雜；單機停機損失也越來越大。變頻器不僅是機組的重要組成部分，而且，對機組安全起著相當重要的作用。質量優異、技術成熟的變頻器，各種保護電路也應設計得相當完善。如動力電纜出現短路，需“瞬間”觸發變頻器報故障停機，箱變斷路器跳閘，以避免電纜、變頻器或機組燒毀事故的發生[1]。利用完善的保護措施使機組及變頻器安全得到保護，但是，完善的保護措施往往會使變頻器故障維修的技術難度增大，在分析、判斷和維修變頻器故障時，需要豐富的現場經驗和相當高的技術水平。如現場維修人員技術水平不夠高，現場經驗不夠豐富，可能因分析和判斷故障機組困難，造成大量不必要的備件消耗，長時間地大面積停機等，因此業內形成了一個較為奇怪現象，越是保護電路完善，質量優良的變頻器，越是沒有市場，例如：法國ALSTOM變頻器（國內引進的“科浮德”變頻器），其保護措施完善，在現場也被眾多的變頻器故障所證實。然而，不少已經并網運行多年的ALSTOM變頻器機組，經過“低穿”、“高穿”改造，把原變頻器控制板改造成保護電路不完善的國產變頻器控制板，有的改造甚至直接導致了機組燒毀事故的發生。究其原因，與其保護電路設計得相對完善，變頻器維修難度很大，需要較高的技術水平和現場經驗不無關系[2]。而風電機組又時常安裝在人跡罕至的陸地，或一望無垠的海上。條件艱苦，技術力量薄弱。因此，有必要采取切實可行有效措施為現場運維服務。

　　

　　在風電機組設計階段就需要考慮到部件損壞及現場故障分析、判斷與處理的方便問題，并把現場維修、維護方便放在重要位置。在變頻器、主控及SCADA后臺軟件設計階段就需要考慮設計各種工具和手段，以便在遠程控制中心通過主控、變頻器調試軟件及SCADA后臺軟件實現機組的遠程故障診斷與容錯運行等；在處理疑難故障時，能通過經驗豐富技術人員的遠程指導，縮短故障處理的時間。

　　

　　1主控系統對現場運維的重要作用

　　

　　風電機組是在無干預的情況下自動完成等風檢測、啟機并網、正常發電和保護停機等功能[3]。在小風或無風，機組發負功時，自動停機進入等風狀態；當風速達到啟動風速以上, 自動啟機、并網發電。

　　

　　停機分為兩種：正常停機和保護停機。除小風停機和人為手動停機外，多數屬于保護停機[3]。按消除停機所采取方式的不同，保護停機可分為兩種，一種是無需人為干預，在適當條件下，由主控發出復位命令，能自動復位并網的保護停機。如：塔筒共振、一級振動、高風切除和電網故障等；另一種是需人為干預（故障處理、維修或部件更換等）的保護停機。如：“變槳驅動器故障”、“充電器故障”以及“齒輪油冷卻風扇故障”等等[4]。停機后，及時、迅速地進行機組維修和復位啟機，有利于提高機組利用率和發電量。

　　

　　1.1主控系統報故障準確對機組維修的重要作用

　　

　　當外部不滿足機組運行條件，或機組自身出現故障時，運行機組自動報故障停機。停機故障信息可通過人機界面，主控調試軟件，或SCADA后臺軟件進行查看?，F場維修人員主要根據主控所采集的各種信息分析、判斷和排除機組故障。但是，如果主控程序設計夠不完善，停機邏輯不夠明晰、主控參數設置不合理，或主控硬件抗干擾能力弱等都會造成主控報故障不準確，出現誤報故障。這不僅會降低利用率和發電量，增加分析、判斷機組故障的時間，還會造成部件的錯誤更換，增加備件用量等。因此，主控報故障準確對故障處理起著重要作用，直接關系到現場故障處理效率和運維成本。

　　

　　達到主控報故障準確，在開發主控系統時，不僅需要從主控硬件和軟件兩方面深入研究，而且，還需在機組的長期運行實踐中對主控不斷改進和完善，以開發出適合風電場環境具有的高質量硬件和主控軟件的專業風電機組控制器（主控）。例如：丹麥Mita公司生產的專業風電機組主控WP3100，控制器軟硬件均是專為風電機組開發，現場運用中不斷改進和完善，正因為開發時間較早，就當今的硬件水平和控制器處理能力看來，主控硬件是相當的“落后”了。但是，從現場故障維修和維護的角度來看，是一款相當成熟經典的專業風電機組控制器。具有較為完善的遠程權限管理；能很方便地實現遠程現場指揮，遠程故障診斷和機組容錯運行等。其設計的合理內核值得我們研究、學習和借鑒。

　　

　　該主控及與之配套的Gateway后臺軟件，在現場運行機組長時間的使用中，經歷了二三十年、幾代技術人員的不斷更新和完善，其中積累了大量有參考價值的現場維修維護經驗，不僅國產主控與之還有一定的差距。而且，該公司近些年開發的PLC專業風電機組主控，僅就現場運維的角度，在遠程指揮，使用方便等諸多方面和細節上也還存在不小的差距。

　　

　　優秀的風電主控系統應具有適用于風電場運行環境完善的硬件設計。如主控硬件設計不夠完善，會因外界干擾出現故障誤報停機。干擾可能來自信號輸入線路、控制器的信號處理、主控電源供電和電網的高次諧波等。例如：某風電場因 “高穿改造”，把運行機組上的WP3100主控更換為采用通用PLC工業控制器硬件生產的風電機組主控系統后，報“振動停機故障”次數明顯增加。當振動信號輸入端口加裝雷電保護或磁環后，機組報振動停機得到明顯改善，這說明這種PLC主控硬件設計不夠完善。但是，如果不在同一臺機組上進行這樣的對比，很難鎖定PLC主控是因輸入信號受到外界干擾而誤報振動停機。當沒有查明振動停機的故障來源時，則可能錯誤地懷疑并更換振動傳感器，懷疑主控與振動傳感器之間的接線和配合、機組旋轉部件、機組并網的扭矩控制，或風況等。這無疑增加了分析和判斷振動故障的難度，同時，也變相增加了備件用量和維護成本，也造成了不必要的發電量損失。

　　

　　再進一步分析，從振動輸入信號受干擾可知：該振動信號是數字信號，進入主控的振動輸入端口之前，是采用雙絞線傳輸，雖然輸入信號線外有屏蔽層，并做了良好接地，但是，風電場的電力環境惡劣，會由于各種原因受到其他電信號或電磁信號的干擾。而主控與變槳控制器之間通信，也是采用雙絞線傳輸的數字信號，可能在線路上或滑環旋轉處受到外界的干擾，依據處理振動誤報的經驗，為避免“變槳通信故障”誤報，也采取了相同的措施，結果收效明顯。“變槳通信故障”的誤報問題如不能及時處理，則可能因故障分析和判斷錯誤，造成變槳通訊滑環的大量更換等，從而增加了機組的維修成本和備件用量。因此，從現場運維和主控報故障準確的角度來看，硬件落后的不是WP3100控制器，而是看似“先進”的PLC主控系統，正是通過兩種主控的風電場機組實際運行和硬件之間的對比，才迅速找到了PLC主控誤報故障的真實來源，以及PLC主控系統在硬件設計上的缺陷。而其他因主控問題而造成的誤報停機故障就很難查明了，需要在現場機組運行、維修和維護的具體實踐中不斷改進和完善主控系統。

　　

　　大型風電機組一般有大功率變頻器，會產生大量的高次諧波，風電場機組的工作環境比一般的市電工作環境惡劣，需要主控硬件具有很高的抗干擾能力。這些采用通用PLC控制器硬件生產的主控，在設計時如果沒有專門對風電場的惡劣環境條件予以充分地考慮和現場實踐，當運用于風電場機組主控系統進行故障信息處理時，出現偏差和誤報故障就難以避免。

　　

　　主控軟件對停機故障設定的控制邏輯關系到機組報故障準確。機組控制參數設置不合理，同樣會影響到報故障準確的問題。例如：機組的超速參數設置缺乏系統分析和現場實踐，沒有理順參數之間的關系，會導致設置值不合理，增加停機次數，誤報故障 [5]。

　　

　　主控系統報故障準確是主控的基本功能，并對現場運維起著極其重要的作用。在判斷主控優劣時，應抓住軟件的完善成度和硬件的抗干擾能力等，把主控報故障準確，滿足現場機組維修和維護要求，現場使用方便放在首位[6]。在這些基本功能得到充分實現的前提下，再進一步通過主控系統實現機組的“人工智能”和“超感知”能力等，否則，將得不償失。

　　

　　1.2主控數據采集與儲存對運維的作用

　　

　　WP3100主控具有合理的數據采集與儲存功能，是后臺軟件和故障信息查詢的根本來源。機組維修維護時可根據現場運維需要，可通過后臺SCADA軟件或運用主控調試軟件，隨時提取主控數據。例如：在機組定期維護檢查發電效率是否變化時，可運用主控調試維修軟件很方便地在機艙上從主控讀取數據，形成功率曲線，再與這臺機組上一年的歷史功率曲線數據進行比較，以檢查機組的葉片對零、風向標、風速儀及功率曲線控制參數是否存在問題。這極大地方便了現場的故障診斷與故障檢查。

　　

　　主控的信息采集與儲存同機組維修密切相連。例如：機組的某個溫度傳感器出現了瞬間跳變，主控會報“溫度傳感器故障”停機，因在主控中詳細記載了每一個溫度傳感器近期12個月、一個月、一天之內及20年的最高值、最低值和平均值，并且把近期毫秒級的故障變動都會捕捉到主控之中。分析、檢查故障時通過人機界面、后臺SCADA或主控調試軟件，檢查到某個溫度傳感器的故障跳變及數值，以便迅速鎖定“溫度傳感器故障”的故障來源。再如：在登機進行定檢維護時，依據主軸剎車器的維護記錄，如發現某機組主軸剎車片磨損太快，在主控中可迅速查明近期的剎車器動作次數，及機組近期的所有故障信息，便于分析和查明磨損太快的原因，還可能發現先前沒有發現的問題，或機組的潛在故障等。

　　

　　WP3100的主控硬件和基礎軟件均是為風電機組專門開發，能完全依據現場機組的日常維修和定期維護需要進行信息采集和存儲，因此，盡管主控存儲量極為有限，但對機組維修、維護有用的重要信息均能在主控中通過人機界面查找，或采用主控調試軟件讀取。

　　

　　如果以不適當的方式在主控存儲，在檢查故障時，就很難知道機組故障時具體狀況，給機組維修帶來困難。如僅在SCADA后臺軟件中采集和存儲這些信息，在機艙上進行機組維修和維護時，就不能便捷的查到機組信息，無疑給機組維修和維護帶來了困難。還可能因數據包的丟失，或通訊中斷，而丟失掉眾多的“瞬間”信息，這無形增加了故障分析的難度。

　　

　　WP3100的機組重要數據均存儲在每一臺機組的主控之中，這為現場運維提供了方便；該主控還通過多種措施保證機組所有運行數據的準確性和連續性，為及時、準確地了解任何一臺機組的長期運行狀況提供了依據。在現場調試完成以后，機組進入并網運行時，可通過高級權限給所有主控數據復位、置零。為保證每臺機組運行數據的連續性，在主控出現故障需要更換時，則用主控調試軟件下載主控參數和數據。在更換主控或主控底層軟件后，再把這臺機組先前的主控參數和數據上傳。這樣保證了主控系統和主控底層軟件的更換，不會成機組數據的丟失。另一方面，主控數據可通過環網實時地傳給后臺Gateway軟件，也可以在需要的時候再通過Gateway軟件從主控讀取數據。把機組數據存儲在每一臺機組的主控系統之中，保證了每一臺機組參數設置的個性和運行數據的連續性。為保證重要的基礎數據在主控中儲存20年不會丟失分散了風險，為分析和總計機組的長期運行狀況提供了技術支持。例如：20年的機組故障、利用率、功率曲線和發電量等基礎數據，都應采用適當的方式存儲在主控中，便于查詢和機組故障的分析等，主控數據是根據現場維修與維護的經驗和需要進行采集和存儲的，極大地方便了機組運維。這為機組維護和維修提供了信息保證，與分布式風電機組的信息存儲與故障查詢相適應。

　　

　　某些利用通用PLC硬件生產的國產主控系統，在數據采集與存儲上存在先天不足。大量的基礎信息只能在后臺SCADA軟件中存儲。這就是說，每臺機組詳細的功率曲線、利用率和發電量信息等均只能通過后臺SCADA軟件進行采集和存儲。而在信號傳輸過程中存在數據包丟失問題，還可能出現機組與后臺之間通訊中斷的情況，這種致命的缺陷使數據的完整性與連續性大打折扣，因此，時常會出現整個風電場給電網的上網發電量比后臺軟件統計的發電量還要高的情況，也難以保證機組利用率的真實性和功率曲線的完整性。

　　

　　1.3利用主控實現遠程故障診斷與機組容錯運行

　　

　　通過主控系統的多級權限管理，在風電場的集中監控室，或遠程控制中心對機組進行遠程操控，以適當的方式實現遠程故障診斷和遠程技術指導；實現“集中監控，區域維修”指揮現場；以容錯運行的方式實現機組遠程故障處理。這些功能和目標的實現均依賴于主控程序和后臺軟件，而主控系統又在其中起著關鍵性的作用。

　　

　　首先，在控制中心通過SCADA后臺軟件對機組主控系統的遠程操控，實現變槳系統、變頻器和發電機等重要部件的遠程故障診斷與技術指導。

　　

　　WP3100主控具有可通過Gateway后臺軟件進行遠程操控，并可設置為不同狀態的硬件端口，以及大量與機組故障診斷有關的可修改參數，極大地方便了遠程及現場的故障診斷。例如，判斷機組的“異常振動”是否與并網后有關。故障檢查時，需要暫時甩開變頻器，讓機組在不同轉速下空轉運行。對于WP3100主控，只需修改相關參數，改變相應的主控硬件端口狀態，屏蔽相關狀態碼，就能實現不同轉速下的機組空轉運行，很容易判斷出機組振動是否與并網加載有關，給遠程故障檢查和判斷帶來了方便。

　　

　　在風電場的集控室，或遠程控制中心，還可以修改主控參數與操作變頻器的調試軟件相結合，實現對雙饋機組變頻器的疑難故障診斷；進行遠程技術指導，協助現場人員判斷變頻器故障和發電機故障等。

　　

　　其次，在滿足機組及部件安全的條件下，通過主控參數修改、故障屏蔽和容錯技術等手段實現機組的容錯運行[7]。

　　

　　實現遠程指揮現場、技術指導、故障診斷與容錯運行的必要條件：

　　

　　第一，對主控系統、后臺SCADA軟件和變頻器的特殊要求。

　　

　　如通過遠程VPN登陸，或手機APP上網，為保證符合相關規定及機組安全。主控軟件應具有完善的登陸權限設置，能實現多級權限管理；能通過遠程操控主控輸入輸出端口的狀態，修改參數和屏蔽故障等；在SCADA后臺軟件上，設計由便于指揮現場的操作界面；獨立于風電場SCADA環網通訊之外，變頻器能單獨通過環網通信接到集控室，或遠程控制中心，能通過變頻器調試軟件實現對變頻器遠程操控，查看故障、勵磁和并網等。

　　

　　第二，在產品設計上，采用冗余設計，有充分的余量。

　　

　　在設計時，機組應有多重保護和冗余的硬件設置。如：每臺機組安裝兩個風速儀、兩個風向標，每支葉片均有兩個檢測葉片角度的編碼器等。當兩傳感器中的一個出現故障后，便于采用修改參數容錯，使機組恢復運行。

　　

　　第三，采用軟件和硬件容錯技術進行產品設計[7]，機組故障停機后，利用容錯技術恢復機組運行。

　　

　　為加強現場管理，彌補現場技術力量薄弱的不足。在完善權限管理及安全管理的基礎上，通過互聯網或手機APP實現機組的遠程故障診斷與容錯運行，對偏遠陸地，尤其是海上機組具有重要的意義。

　　

　　1.4 國產主控系統存在的一些問題

　　

　　目前，國產風電機組主控系統大都采用整機廠家自主開發的PLC主控。硬件普遍采用國外通用PLC工業控制器，如：倍福、西門子、巴赫曼、丹控和橫河等。在硬件廠家提供的基礎軟件上，或利用國外軟件公司的通用PLC操作系統，很便捷地進行PLC編程就能開發出風電機組主控系統，省去了主控硬件和基礎軟件開發。主控開發工作主要就集中在利用通用PLC編程上，仿照成熟專業的主控系統實現機組的基本控制功能；利用最新研究成果，實現機組的“人工智能”和 “超感知”能力，等等。這極大地方便了主控開發，縮短了不斷滿足業主、電網特殊需求及風電高端產品開發的時間。

　　

　　然而，我國的風電行業發展較晚，國產主控系統開發更晚，缺乏風電場實踐和風電機組的長期運行經驗，研發人員不能把更多的機組運行經驗和維護維修經驗匯集其中。盡管通用PLC工業控制器生產的主控系統，大都能滿足機組的控制要求，但是，主控硬件和基礎軟件都是通用產品，并非專為風電機組設計，不能與風電機組及現場運維的特殊要求很好地契合。與國際知名風電企業的專業風電機組主控系統相比，在重要信息采集與存儲；抗干擾能力；報故障準確；現場維修方便；通過主控進行遠程故障診斷與處理，以及通過良好的控制策略保護機組關鍵部件等諸多方面還存在著差距。還不能充分滿足風電場機組維修和定期維護的需要。

　　

　　隨著PLC控制器硬件的技術進步，處理能力不斷增強，業內普遍對主控控制策略及“智能化”方面關注度較高，把適應電網的“低穿”、“高穿”功能和業主的某些特殊要求放在首位。這也促使了國產機組的主控軟硬件不斷升級改造，而在風電機組故障處理與機組維護要求方面，往往被忽視或考慮不足。

　　

　　有的風電場自機組投運以來，已經歷了兩次、甚至3次的主控系統更換。因業主和電網的特殊要求。國產主控的軟件更新更快，同一主控系統其軟件版本多種多樣，以至于一個風電項目就有一個主控軟件版本。這樣，無法保證不同風電機組主控參數設置的個性，很能讓機組設置到最佳狀態。機組運行數據失去了有效性和連續性，不利于對運行機組實施長期的系統分析和現場經驗的總結，對主控系統的后期完善也極為不利。

　　

　　從國產主控開發的現狀來看，我國風電企業對專用的風電機組主控硬件開發和專用主控基礎軟件的研究幾乎還是空白，缺乏對風電主控的深入研究。國產主控系統生產廠家還需汲取國外專業主控廠家的先進經驗，在機組的長期運行和現場維修維護中，不斷地總結經驗，生產出適合現場運維的高質量主控。

　　

　　2利用在線狀態監測系統協助現場運維

　　

　　如今國內對采用狀態監測進行故障診斷的研究較多。利用專門的在線檢測傳感器、主控系統，或SCADA后臺軟件所采集到的數據，監測傳動系統、發電機系統等的內部故障，優化維修策略、減少非計劃停機次數和降低機組的運行維護費用等。在線狀態監測系統能對系統的各種機械參數和電氣參數等進行監測，并將采集到的數據進行分析處理，從而正確定位各系統的故障[8]，及時判斷部件存在的問題和隱患。通過油液監測、振動監測、溫度監測、應變力監測等。對主軸、齒輪箱、發電機變頻器、葉片和螺栓等部件進行監測［9-11］。

　　

　　風電機組故障原因復雜，故障原因和故障機理之間存在著極大的不確定性，可通過人工智能的方法來診斷機組的故障，因此，故障診斷方法可以分為兩大類：基于數學模型的方法；基于人工智能的方法 [12]。還可以利用狀態監測進行故障診斷以及風電機組預防性機會維修策略[13]等，在線狀態檢測系統與現場機組維修與定期維護配合，不斷通過現場實踐得到驗證和經驗總結，給現場運維以輔助。

　　

　　3結語

　　

　　隨著風電技術的進步，機組結構越來越復雜，機型多種多樣，現場維修和定期檢修所遇到的問題千變萬化，隨機性很大，也極端復雜。不少問題需要深入現場實際；依據現場的具體情況，具體問題具體分析；根據現場需要和經驗，及時收集相關信息。也只有這樣，才能使現場問題得到及時、準確、有效地解決，使降低運維成本、提高發電量的具體措施落到實處。主控系統對現場運維有著的重要作用，采取有效措施使國產主控系統更好地滿足現場維修和定期維護的需要。實現遠程故障診斷與處理，彌補現場技術力量薄弱的不足，達到降低運維成本，提高發電量的目的。

　　

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　　原標題:風電運維| 主控系統在風電運維中的重要作用