干货 | 主控系统在风电运维中的重要作用

摘要：本文从满足现场需要的角度，阐发优秀的主控系统对风电机组现场维修、维护的重要作用。通过改进和完善主控系统与之相关的功能，有利于提高现场运维的技术水平，帮助现场人员迅速分析、诊断、处理机组故障。最终实现降低度电成本的目的。

关键词：主控性能；故障停机；现场运维；数据采集与储存；故障诊断与处理

前言

随着计算芯片处理能力的不断增强，工业控制器不断更新。“大数据和人工智能”的不断发展，我国各行各业在人工智能研究方面都取得了不小的成就。不少风电企业为研发对单机、机群和环境具有“超感知”能力的智能机组进行了大量地投入，人工智能也自然成了当今风电的研究和发展方向之一。然而，现场投运的任何一台机组，在其寿命期内，均会因各种原因报故障停机，或出现部件损坏，需要登机或远程维修后，机组方能并网；运行机组还需要现场人员登机进行定期维护和检修，方能保证机组安全，切实减少和避免机组潜在故障，使机组预防检修落到实处。因此，保障现场机组维修维护的顺利实施，是风电场现场运维的根本；是机组长期、稳定及安全运行的保障；是机组正常运行不可或缺的基本条件。这也是风电“大数据和人工智能”所不可替代的。

随着风电机组大型化趋势的发展及风电技术的进步，一方面，机组部件越来越多，结构越来越复杂；另一方面，机组安全与可靠性是机组运行的基本前提，对机组安全的要求也越来越高。为保证机组安全，机组的众多部位采用了多重保护和冗余设计。这不仅增加了机组生产成本，更增加了部件损坏几率和故障点，这就决定了分析与处理机组故障的难度越来越大，对现场运维技术水平的要求也越来越高。

大型风电机组均有变频器，以变频器为例，随着海上机组的发展，如今多个风电整机厂家已推出了10MW机组，组成部件不断增多；机组及变频器结构更为复杂；单机停机损失也越来越大。变频器不仅是机组的重要组成部分，而且，对机组安全起着相当重要的作用。质量优异、技术成熟的变频器，各种保护电路也应设计得相当完善。如动力电缆出现短路，需“瞬间”触发变频器报故障停机，箱变断路器跳闸，以避免电缆、变频器或机组烧毁事故的发生[1]。利用完善的保护措施使机组及变频器安全得到保护，但是，完善的保护措施往往会使变频器故障维修的技术难度增大，在分析、判断和维修变频器故障时，需要丰富的现场经验和相当高的技术水平。如现场维修人员技术水平不够高，现场经验不够丰富，可能因分析和判断故障机组困难，造成大量不必要的备件消耗，长时间地大面积停机等，因此业内形成了一个较为奇怪现象，越是保护电路完善，质量优良的变频器，越是没有市场，例如：法国ALSTOM变频器（国内引进的“科浮德”变频器），其保护措施完善，在现场也被众多的变频器故障所证实。然而，不少已经并网运行多年的ALSTOM变频器机组，经过“低穿”、“高穿”改造，把原变频器控制板改造成保护电路不完善的国产变频器控制板，有的改造甚至直接导致了机组烧毁事故的发生。究其原因，与其保护电路设计得相对完善，变频器维修难度很大，需要较高的技术水平和现场经验不无关系[2]。而风电机组又时常安装在人迹罕至的陆地，或一望无垠的海上。条件艰苦，技术力量薄弱。因此，有必要采取切实可行有效措施为现场运维服务。

在风电机组设计阶段就需要考虑到部件损坏及现场故障分析、判断与处理的方便问题，并把现场维修、维护方便放在重要位置。在变频器、主控及SCADA后台软件设计阶段就需要考虑设计各种工具和手段，以便在远程控制中心通过主控、变频器调试软件及SCADA后台软件实现机组的远程故障诊断与容错运行等；在处理疑难故障时，能通过经验丰富技术人员的远程指导，缩短故障处理的时间。

1主控系统对现场运维的重要作用

风电机组是在无干预的情况下自动完成等风检测、启机并网、正常发电和保护停机等功能[3]。在小风或无风，机组发负功时，自动停机进入等风状态；当风速达到启动风速以上, 自动启机、并网发电。

停机分为两种：正常停机和保护停机。除小风停机和人为手动停机外，多数属于保护停机[3]。按消除停机所采取方式的不同，保护停机可分为两种，一种是无需人为干预，在适当条件下，由主控发出复位命令，能自动复位并网的保护停机。如：塔筒共振、一级振动、高风切除和电网故障等；另一种是需人为干预（故障处理、维修或部件更换等）的保护停机。如：“变桨驱动器故障”、“充电器故障”以及“齿轮油冷却风扇故障”等等[4]。停机后，及时、迅速地进行机组维修和复位启机，有利于提高机组利用率和发电量。

1.1主控系统报故障准确对机组维修的重要作用

当外部不满足机组运行条件，或机组自身出现故障时，运行机组自动报故障停机。停机故障信息可通过人机界面，主控调试软件，或SCADA后台软件进行查看。现场维修人员主要根据主控所采集的各种信息分析、判断和排除机组故障。但是，如果主控程序设计够不完善，停机逻辑不够明晰、主控参数设置不合理，或主控硬件抗干扰能力弱等都会造成主控报故障不准确，出现误报故障。这不仅会降低利用率和发电量，增加分析、判断机组故障的时间，还会造成部件的错误更换，增加备件用量等。因此，主控报故障准确对故障处理起着重要作用，直接关系到现场故障处理效率和运维成本。

达到主控报故障准确，在开发主控系统时，不仅需要从主控硬件和软件两方面深入研究，而且，还需在机组的长期运行实践中对主控不断改进和完善，以开发出适合风电场环境具有的高质量硬件和主控软件的专业风电机组控制器（主控）。例如：丹麦Mita公司生产的专业风电机组主控WP3100，控制器软硬件均是专为风电机组开发，现场运用中不断改进和完善，正因为开发时间较早，就当今的硬件水平和控制器处理能力看来，主控硬件是相当的“落后”了。但是，从现场故障维修和维护的角度来看，是一款相当成熟经典的专业风电机组控制器。具有较为完善的远程权限管理；能很方便地实现远程现场指挥，远程故障诊断和机组容错运行等。其设计的合理内核值得我们研究、学习和借鉴。

该主控及与之配套的Gateway后台软件，在现场运行机组长时间的使用中，经历了二三十年、几代技术人员的不断更新和完善，其中积累了大量有参考价值的现场维修维护经验，不仅国产主控与之还有一定的差距。而且，该公司近些年开发的PLC专业风电机组主控，仅就现场运维的角度，在远程指挥，使用方便等诸多方面和细节上也还存在不小的差距。

优秀的风电主控系统应具有适用于风电场运行环境完善的硬件设计。如主控硬件设计不够完善，会因外界干扰出现故障误报停机。干扰可能来自信号输入线路、控制器的信号处理、主控电源供电和电网的高次谐波等。例如：某风电场因 “高穿改造”，把运行机组上的WP3100主控更换为采用通用PLC工业控制器硬件生产的风电机组主控系统后，报“振动停机故障”次数明显增加。当振动信号输入端口加装雷电保护或磁环后，机组报振动停机得到明显改善，这说明这种PLC主控硬件设计不够完善。但是，如果不在同一台机组上进行这样的对比，很难锁定PLC主控是因输入信号受到外界干扰而误报振动停机。当没有查明振动停机的故障来源时，则可能错误地怀疑并更换振动传感器，怀疑主控与振动传感器之间的接线和配合、机组旋转部件、机组并网的扭矩控制，或风况等。这无疑增加了分析和判断振动故障的难度，同时，也变相增加了备件用量和维护成本，也造成了不必要的发电量损失。