技术 | 风电机组变频器远程监控方案的研究与实现

【摘 要】 变频器是一种电力电子装置，通过控制装置内的功率器件，实现风电机组输出功率控制，调整风电机组运行状态，作为风力发电机组连接电网的核心部件，其电能质量、故障电压穿越性能等都要满足相应的国家标准，是决定风电机组涉网性能的关键因素。随着风电市场进入后市场运维服务阶段，业主对变频器远程监控的需求日益突出。本文基于C/S架构，通过增加规约适配器，利用TCP/IP通讯协议和风机通讯环网，设计了完善且经济的变频器远程监控系统方案，使变频器具备远程监视、故障数据录波、事件导出等相关功能，并在风电场得到应用，实现了良好的人机交互和经济效益。

【关键词】 变频器 远程监控 C/S架构 人机交互

1.无论直驱还是双馈型风力发电机组，都需要变频器作为连接电网的关键部件。早期风电起步时，国外企业利用其技术和品牌优势，在内资企业产品没有形成优势前，快速占领市场，在中低压变频器市场，外资品牌市场份额在2008年占比达76%，处于市场主导地位，其中日本品牌占18%左右，欧美品牌约占50%左右，台湾地区和韩国品牌约占6%。随着风电行业在国内的迅猛发展，高压变频器逐渐开始进入到风电领域。国内品牌变频器产品技术日趋成熟，内资企业利用国产化、价格低、可靠性高、功率不断扩大和服务等优势，市场份额逐年提升。针对已经建设投产的风力发电机组，变频器供应商有ABB、AMSC、SWITCH、艾默生、禾望、海得、日风、科孚德等，变频器主要通过Modbus、RS485、Profibus-DP、CANBUS等通讯协议与主控进行通讯，完成相关数据和信息交互，尽管能无缝接入整机SCADA网络系统，但并未实现变频器的远程监控，包括远程程序升级、参数配置、远程调试、远程故障信息获取、远程诊断、远程监视等功能[1-4]。

对于老旧机组改造和新机型配置，业主要求变频器需配置以太网等接口具备独立组网的能力，能上传远程实时数据和统计数据，同时能够远程修改、查看变频器内部参数，实时监控变频器的运行状态、详细参数、故障告警信息等，具有实时录波、故障录波等功能，进而实现风电机组的大数据管理和信息化需求[5~6]。变频器远程监控系统与风场SCADA系统相互独立，基于C/S架构，采用通讯适配器，进行通讯规约转化，将变频器接入风机环网，与升压站上位机进行数据交互。针对不同的操作系统安装对应运行环境，实现不同变频器独立监控。变频器远程监控系统可进一步缩短变频器故障分析和检修时间，降低整机维护成本，在后市场具备较大的应用潜力。

2.变频器远程监控方案设计

2.1 系统C/S架构

Client/Server架构（C/S架构）即客户/服务器模式，建立在局域网的基础上，如图2.1所示。服务器通常采用高性能的PC、工作站或小型机，可采用Oracle、MySQL、Sybase或SQLServer等数据库系统，采用的软件支持开放模式。从经济适用性而言，整机SCADA操作站配置可用于环境安装，避免系统冗杂也可单独选配服务器。C/S架构具有客户端响应速度快、充分发挥客户端PC处理能力、客户端处理将工作预处理后再提交服务器等优点。

图2.1 C/S架构图

2.2 系统拓扑结构

实现变频器的远程监控功能，需要将每台机组的变频器接入通讯环网，要求变频器通过改造需具备通讯接口。变频器远程监控系统拓扑结构如下图2.2所示。

图2.2 变频器远程监控系统拓扑结构

结合上图，变频器远程监控系统的建立具体实施如下：

（1）无论变频器上置机舱还是下置塔基，不同厂家变频器需要通过软件或硬件的升级改造具备通信接口，配置通讯规约转化的网络适配器，将变频器通讯协议转为TCP/IP协议，从而使变频器具备通讯功能和接口；

（2）使用机舱和塔基光电转换器（光电转换交换机），若原交换机无多余电口使用，通过新增交换机桥接后实现通讯，必要时还需增加塔基和机舱通讯光纤；

（3）变频器上置机组，变频器信号从变频器适配器接入机舱交换机，光纤传输至塔基交换机进入环网；

（4）变频器下置机组，变频器信号从变频器适配器接入塔基交换机，进入风机环网；

（5）根据电网二次安防相关规定，变频器远程监控系统与SCADA系统同属于安全区I，可利用风机环网传输数据，从而将变频器信号通过机组光纤环网回到升压站；

（6）考虑经济性，变频器监控系统软件安装于SCADA操作站服务器，为保持更好人机交互且避免系统冗杂，通常建议单独布置上位机，由于所有信号都汇集到中心交换机，上位机可从升压站中心交换机直接获取变频器信号；

（7）设定每台机组变频器IP地址，建立变频器通讯局域网，在上位机布设安装环境和监控软件，实现全场变频器的通信。

3.方案实际应用

基于上述变频器远程监控系统设计方案，以某电场采用某品牌48台双馈2MW变频器为例，通过改造实现变频器远程监控。该风场机组变频器置于塔基，主控系统和变频器之间使用PB通信，变频器只有少数数据和故障字通过通讯上传给主控，整机SCADA端只能显示少部分变频器相关数据和故障名称，不利于远程分析诊断、程序升级和参数优化，对于一些可能发生且较重大的故障也难以做到提早预防。改造过程如下：

（1）硬件改造和通讯组网

每台机组在变频器内安装一个多功能监控适配器，适配器固定到自带的结构件上，将结构件安装在配电柜门板下方，如下图2.3所示。将变频器预留的24V电源端子接到适配器电源口，利用变频器原有通讯光纤连接适配器光纤口，将网线连接适配器RJ45接口和塔基光纤环网交换机，实现数据传输。根据风场环网分配的IP地址段进行适配器IP设置以及功能配置，完成变频器局域网末端搭建。最后，在升压站监控室布设操作站服务器，用于数据采集、存储和实现人机交互。

图2.3 机组变频器柜安装多功能监控适配

（2）程序升级和软件配置

首先，通过对变频器程序升级可将所有相关数据输出到适配器；其次，根据服务器的操作系统，在操作站安装数据库、数据采集存储软件、实时和历史数据访问软件、客户端等软件，并完成相应的配置，搭建好人机交互平台；最后，利用风机局域网访问风机SCADA的GPS时钟服务器，完成变频器的时间校准。

（3）实现功能

a变频器集中监控，如图3.1所示，针对现场变频器进行集中监控，方便运行值班人员了解变频器实时运行状态。

图3.1 变频器集中监控界面

b智能故障诊断功能，如图3.2所示，通过对变频器故障信息处理，智能故障诊断系统可以帮助维护人员快速定位故障点，缩短停机时间。

图3.2 智能故障诊断功能

c变频器GPS对时功能，通过GPS授时服务器，变频器远程监控系统将定时对每台变频器进行校时，防止变频器长时间系统掉电后，变频器控制系统时间不准确。

d故障数据下载功能，如下图3.3所示，变频器故障信息在服务器中可保存超过100万条，方便历史故障信息查询和下载，可以按照设备名、事件类型、时间段进行查询，保存的文件还可以进行离线分析；同时具备故障的统计功能，可以自定义生成变频器故障统计报表。

图3.3 故障数据下载功能

e远程参数修改功能，如图3.4所示，能够在必要的情况下，修改变频器内部配置参数，实现对变频器问题的快速处理。

图3.4 远程参数修改功能

4.结语

变频器远程监控系统用来提高风力发电机组利用率，降低现场对变频器维护工作量和成本，实现变频器实时监视和软件维护。随着风电行业蓬勃发展，越来越多新机组招标时业主要求配置变频器远程监控系统，其在风电后市场需求和作用愈加明显。基于风机的具体配置，本文采用C/S架构建立的变频器远程监控系统优点有三：首先，采用适配器变频器连接，与风机SCADA共用风机环网实现变频器信息上传，接入简单，投资少；其次，节省风场运营费用，变频器的网络化将大大提升变频器的维护效率，降低业主的维护成本，同时提供变频器故障统计、报表输出功能，为风场的少维护、免维护打下良好的基础；最后，获取专家技术支持功能，智能化的故障诊断系统让风机的故障处理变得简单，降低了对变频器维护人员要求，风场业主、整机厂家都可以成为变频器维护专家。为进一步获取供应商技术支持，后续在满足二次安防前提下，建立大数据网络，可将故障数据反馈传输到变频器供应商，便于厂家利用相关数据提供更全面的技术支持。

参考文献：

[1]陈炳森，胡华丽.我国风电发展概况及展望[J].电网技术，2008,24(S2): 68-71.

[2]王倩，叶鹰.对风力发电远程监控系统的探讨[J].时代农机，2016,25(01):86-88.

[3]陈国旗.风电集控远程监控系统的需求与功能[J].经营管理者，2016,23(35):61-63.

[4] 徐成杰，朱全银，王红华.基于MODBUSASCII协议的变频器远程监控系统设计与实现[J].工业控制计算机，2009,(8):19-20.

[5] Jackson G,Njiri DirkSffker. State-of-the-Art in Wind Turbine Control: Trends andChallenges[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,38(03):142-145

[6]万黎升，曹洋，闫照云.风电场群远程集中监控与生产管理系统设计[J].江西电力，2016,15(06):42-46.

作者：中国船舶集团海装风电股份有限公司 张华炼 张波 刘杰 杨静 秦海明

来源：《风能产业》2021.06