風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)調(diào)試與分析

王福祿 奚玲玲 孫佳林 上海電氣輸配電集團(tuán)技術(shù)中心 (200042)

王福祿（1986年～），男，碩士，工程師。主要從事MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電主控系統(tǒng)的研發(fā)工作。

0 引言

2011年中國(guó)（不包括臺(tái)灣地區(qū)）新增安裝風(fēng)電機(jī)組11 409臺(tái)，裝機(jī)容量17 630.9 MW，年同比增長(zhǎng)37.1%；累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組45 894臺(tái)，裝機(jī)容量62 364.2 MW，年同比增長(zhǎng)39.4%[1]。伴隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，保障風(fēng)機(jī)快速、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行發(fā)電，風(fēng)電機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與維護(hù)成為重要的環(huán)節(jié)之一。

內(nèi)蒙古蘇尼特風(fēng)場(chǎng)采用上海電氣低溫型2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組為雙饋型變速恒頻發(fā)電機(jī)組，主控系統(tǒng)選用自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的X20系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件成本較低，支持幾乎所有主流現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，采用高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)，人機(jī)界面良好、維護(hù)方便、能適應(yīng)惡劣的環(huán)境溫度。

1 主控系統(tǒng)介紹

2MW主控系統(tǒng)是自主研發(fā)的風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)，采用模塊化、高可靠性、高效控制的系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。現(xiàn)已大批量生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用到各個(gè)風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目之中。

1.1 主控系統(tǒng)構(gòu)成與功能

風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)是大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心和關(guān)鍵部件。對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及各個(gè)部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)風(fēng)能的變化調(diào)節(jié)功率輸出，實(shí)現(xiàn)在無(wú)故障情況下，自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)對(duì)風(fēng)、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電等正常運(yùn)行控制，在故障狀態(tài)下根據(jù)故障的嚴(yán)重等級(jí)執(zhí)行不同等級(jí)的停機(jī)操作，保證風(fēng)機(jī)的安全性。通過(guò)與變流器系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)通信，控制風(fēng)機(jī)所有設(shè)備的啟停[2]。風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)與整機(jī)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 主控系統(tǒng)與整機(jī)的關(guān)系

該系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、安全可靠性高的特點(diǎn)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉以及保證有良好的電網(wǎng)兼容性。主要部件分為塔基控制柜和機(jī)艙控制柜，如圖2所示。1號(hào)塔基控制柜位于風(fēng)機(jī)底層，2號(hào)機(jī)艙控制柜位于風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)。

圖2 控制柜

塔底控制柜的主要功能：

（1）運(yùn)行所有的控制程序，包括數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，發(fā)送風(fēng)機(jī)各個(gè)設(shè)備的啟停指令；

（2）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的監(jiān)控，包括電網(wǎng)電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、三相均衡等監(jiān)控，對(duì)過(guò)壓與欠壓、過(guò)流與欠流、過(guò)頻與欠頻、功率因數(shù)偏離正常值、電壓缺相等故障發(fā)出報(bào)警及停機(jī)指令；

（3）通過(guò)柜門上的人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的各種控制；

（4）實(shí)現(xiàn)與機(jī)艙柜、變流器、中控室直接的通訊，并支持多種通訊方式。

機(jī)艙控制柜的主要功能：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、塔筒振動(dòng)頻率、主軸轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)溫度、齒輪箱溫度、潤(rùn)滑油溫度、機(jī)艙內(nèi)溫度等各種參數(shù)的監(jiān)控；

（2）控制機(jī)艙內(nèi)加熱設(shè)備和冷卻設(shè)備的啟停，實(shí)現(xiàn)與變槳系統(tǒng)、塔底柜的通訊。

1.2 風(fēng)電安全系統(tǒng)原理

圖3 安全鏈系統(tǒng)

安全鏈?zhǔn)腔惊?dú)立于主控的硬件保護(hù)措施，它總是優(yōu)先于控制系統(tǒng)，即使控制系統(tǒng)發(fā)生異常，也不會(huì)影響安全鏈的正常動(dòng)作。安全鏈采用反邏輯設(shè)計(jì)，將可能對(duì)風(fēng)機(jī)造成致命傷害的重要機(jī)構(gòu)部件的控制端串聯(lián)成一個(gè)回路。當(dāng)回路中任意一個(gè)觸點(diǎn)發(fā)生故障，安全鏈斷開，引起緊急停機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)失電，風(fēng)機(jī)瞬間脫網(wǎng)，從而最大限度地保證風(fēng)機(jī)的安全。

根據(jù)GL標(biāo)準(zhǔn), 風(fēng)機(jī)的安全系統(tǒng)應(yīng)至少能啟用兩套相互完全獨(dú)立的制動(dòng)系統(tǒng)，而且安全系統(tǒng)應(yīng)與控制系統(tǒng)完全分開。本風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)選用主CPU安全保護(hù)與安全CPU安全保護(hù)相結(jié)合的方式。主CPU的安全保護(hù)為軟件級(jí)別的安全控制，安全CPU的安全保護(hù)為硬件級(jí)別的安全控制[2]。

風(fēng)力發(fā)電牽涉到嚴(yán)格的機(jī)組安全應(yīng)用，風(fēng)機(jī)采用安全鏈設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)的安全鏈設(shè)計(jì)中可通過(guò)安全繼電器回路或者集成式的安全模塊兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩種模式均各有特點(diǎn)，但集成式的安全系統(tǒng)無(wú)疑是未來(lái)的趨勢(shì)[3]。

本主控系統(tǒng)選用的控制器集成安全系統(tǒng)，通過(guò)使用專用的集成安全技術(shù)，選用安全邏輯掃描周期為ms級(jí)的安全控制器。安全鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。安全控制器獨(dú)立于標(biāo)準(zhǔn)控制單元，通過(guò)將系統(tǒng)中關(guān)鍵的邏輯如強(qiáng)風(fēng)、惡劣天氣、機(jī)組的狀態(tài)變化如葉輪過(guò)速、扭纜、電源失效、制動(dòng)和操作人員的緊急按鈕動(dòng)作等用黃色的安全I(xiàn)/O輸入到系統(tǒng)中，安全控制器作為一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，只有在安全邏輯對(duì)應(yīng)的I/O動(dòng)作時(shí)，才引發(fā)一個(gè)安全邏輯的執(zhí)行過(guò)程。

1.3 故障代碼分析機(jī)制介紹

主控系統(tǒng)采用故障代碼分析機(jī)制，將風(fēng)機(jī)的故障細(xì)分70類故障，1 400多個(gè)狀態(tài)碼。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)各種各樣的故障，不同的故障對(duì)風(fēng)機(jī)的影響有輕重之分，故障低的只是給出報(bào)警信號(hào)，故障高的則給停機(jī)信號(hào)。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，在同一時(shí)間發(fā)生多個(gè)故障，那么應(yīng)根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果啟動(dòng)最高的停機(jī)程序。

通過(guò)位于塔底柜門上的友好的人機(jī)界面，可以對(duì)風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、修改，完成各項(xiàng)調(diào)試工作；在界面中還可以查詢歷史統(tǒng)計(jì)、故障記錄、故障時(shí)刻錄波等大量風(fēng)機(jī)運(yùn)行的詳細(xì)數(shù)據(jù)，以便了解、排除故障。

2 主控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試步驟

本部分的調(diào)試主要是指主控系統(tǒng)的調(diào)試，以下的調(diào)試過(guò)程認(rèn)為變頻、變槳、偏航等系統(tǒng)已調(diào)試完畢，風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)調(diào)試主要為以下幾個(gè)步驟：

2.1 上電前檢查

主要檢查控制柜內(nèi)各個(gè)部件是否固定，各設(shè)備有無(wú)明顯損壞，接地線是否可靠連接，內(nèi)部電源回路是否正確連接，柜內(nèi)接線是否有松動(dòng)，檢查400V進(jìn)線的電壓及三相是否平衡[4]。如圖4所示，控制柜內(nèi)部件較多，檢查時(shí)要注意認(rèn)真、細(xì)致，如果發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)參照?qǐng)D樣，借助測(cè)量工具，對(duì)比分析。上電前，還應(yīng)檢查并設(shè)置CPU的IP撥碼，檢查各個(gè)節(jié)點(diǎn)的撥碼，檢查通信電纜和光纖的連接。

圖4 機(jī)艙控制柜內(nèi)部接線（局部）

2.2 上電后檢查

上電后，根據(jù)圖紙邏輯，逐級(jí)、逐個(gè)開關(guān)合閘，并測(cè)量、檢查出口端電壓。

（1）CPU上電后，需要一段時(shí)間啟動(dòng)，通過(guò)查看CPU上的狀態(tài)燈即可判斷是否啟動(dòng)完成。

（2）在塔底HMI上，設(shè)置風(fēng)機(jī)正確的IP，確定HMI與主控CPU通信正常，并設(shè)置CPU時(shí)鐘。

（3）查看主控系統(tǒng)各個(gè)模塊是否正常，目測(cè)模塊上的指示燈是否有紅色。

（4）檢查HMI主畫面，查看主流程、風(fēng)速風(fēng)向、溫度、主壓力是否正常。

（5）檢查HMI狀態(tài)碼畫面，查看“分類狀態(tài)碼”，根據(jù)報(bào)出的故障狀態(tài)碼進(jìn)行排故。

（6）檢查HMI狀態(tài)碼畫面，查看“模塊監(jiān)控”，檢查各模塊及通信是否正常。

（7）檢查HMI狀態(tài)碼畫面，查看“I/O監(jiān)控”，檢查各I/O系統(tǒng)信號(hào)是否正確。

（8）檢查HMI狀態(tài)碼畫面，查看“安全鏈監(jiān)控”，檢查并測(cè)試安全鏈系統(tǒng)。

（9）經(jīng)過(guò)以上調(diào)試，主控系統(tǒng)調(diào)試基本完成，可以進(jìn)行風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)、超速等試驗(yàn)。

3 調(diào)試故障處理與分析

3.1 主控CPU與HMI通信故障

故障的判定可通過(guò)查看在HMI上的用于顯示通信狀態(tài)的“網(wǎng)絡(luò)”燈。常見的故障原因及解決辦法主要有：

（1）未輸入正確的風(fēng)機(jī)號(hào)

應(yīng)檢查HMI用戶登錄畫面，輸入正確的風(fēng)機(jī)號(hào)。

（2）主控CPU的IP撥碼錯(cuò)誤

應(yīng)檢查主控CPU上的IP地址撥碼是否正確。

（3）路由器供電異常

路由器供電端子松動(dòng)，導(dǎo)致路由器未上電，應(yīng)該查看網(wǎng)絡(luò)通信頭的指示燈，檢查用于通信的路由器是否正常供電。

（4）PowerLink通信線損壞或接頭基礎(chǔ)不牢

插頭未插緊而導(dǎo)致連接不上的情況也比較常見，檢查用于通信的powerlink線是否完好，插頭是否插緊。

（5）IP地址沖突

由于風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)很多，IP地址撥碼時(shí)由于誤操作會(huì)使不同的風(fēng)機(jī)撥了相同的IP，這也會(huì)導(dǎo)致通信故障。應(yīng)斷開與中控站的外網(wǎng)通信，如果主控CPU與HMI能連接上，則故障是由于IP沖突引起的。

3.2 塔底主控CPU與機(jī)艙控制柜通信故障

判定故障時(shí)，通過(guò)查看在HMI狀態(tài)碼畫面上的“模塊監(jiān)控”欄，可看到機(jī)艙所有模塊狀態(tài)為0，即塔底與機(jī)艙通信故障，這種情況大多是由于光纖模塊通信故障。常見的故障原因及解決辦法主要有：

（1）檢查用于光纖通信模塊HB2881的指示燈是否正常。

通常會(huì)發(fā)現(xiàn)指示燈顯示無(wú)通信，這時(shí)就要進(jìn)行接下來(lái)的檢查。

（2）檢查PowerLink站點(diǎn)的撥碼是否正確。

（3）檢查光纖線是否損壞，光纖頭是否接反。

如圖5所示，光纖頭在連接處由于操作不當(dāng)易發(fā)生損壞，判斷光纖線是否正?？墒褂脽艄庹丈涞姆椒ā?/p>

（4）檢查機(jī)艙CPU是否正常工作。

圖5 連接塔底與機(jī)艙通信的光纖接頭

多數(shù)情況下，光纖通信故障的原因?yàn)橥ㄐ耪军c(diǎn)撥碼錯(cuò)誤和光纖線、光纖頭損壞，也有一定的可能是由于機(jī)艙用于通信的CPU故障所導(dǎo)致的，需要查看機(jī)艙CPU指示燈的狀態(tài)即可判斷。

3.3 主控CPU與變流器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)通信故障

判定故障時(shí)，檢查主控柜內(nèi)，查看用于Profibus通信的1061指示燈的error為紅色。也可在HMI畫面上查看主控與變流器系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的通信狀態(tài)，以及數(shù)據(jù)交互的狀態(tài)。常見的故障原因和解決辦法主要有：

（1）Profibus-DP頭接觸不良。

查看Profibus-DP頭是否插緊。

（2）Profibus-DP頭撥碼開關(guān)配置錯(cuò)誤。

查看Profibus-DP頭的撥碼開關(guān)是否撥到ON的位置。

（3）Profibus-DP頭內(nèi)部接線錯(cuò)誤。

測(cè)量Profibus-DP頭得終端電阻是否為110歐姆，打開Profibus-DP頭查看有無(wú)虛接或反接的情況。

（4）從站地址撥碼錯(cuò)誤

變流器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)的從站，要進(jìn)行正確的硬件撥碼。應(yīng)檢查變流器、變槳系統(tǒng)的從站撥碼是否正確。

（5）通信模塊故障

大多數(shù)情況，通過(guò)以上分析即可找到原因，但也有可能是因?yàn)槟K故障引起的。應(yīng)檢查1061模塊是否插緊，更換備件檢查模塊是否故障。

3.4 安全CPU無(wú)法正常啟動(dòng)

判定故障時(shí)，安全邏輯控制器無(wú)法啟動(dòng)，指示燈顯示FAIL。常見的故障原因及故障排除如下：

（1）啟動(dòng)溫度過(guò)低

檢查是否環(huán)境溫度過(guò)低，導(dǎo)致安全CPU無(wú)法啟動(dòng)，應(yīng)關(guān)好柜門等待加熱到足夠的溫度。

（2）通信站點(diǎn)撥碼錯(cuò)誤

檢查安全CPU的撥碼是否有偏差，應(yīng)保證撥碼正確。

3.5 安全模塊丟失

當(dāng)安全CPU指示燈顯示MX燈以固定頻率快速閃爍時(shí)，表示模塊有丟失。模塊丟失的原因及解決辦法主要有：

（1）檢查安全I(xiàn)/O模塊的指示燈，尤其檢查模塊是否插緊，可以將模塊拔下來(lái)重新插入插槽內(nèi)。

（2）撥碼錯(cuò)誤。檢查機(jī)艙通信節(jié)點(diǎn)的撥碼是否正確。

（3）模塊丟失的原因多為撥碼錯(cuò)誤和模塊未插緊，但也不排除有模塊損壞的情況，可以通過(guò)更換相鄰?fù)吞?hào)模塊或備件檢查模塊是否故障。

3.6 安全I(xiàn)/O信號(hào)輸入輸出故障

通過(guò)在HMI狀態(tài)碼畫面上的“安全鏈監(jiān)控”欄，可以查看到所有的安全I(xiàn)/O通道的信號(hào)，通過(guò)這個(gè)畫面的顯示，檢查對(duì)應(yīng)通道的安全鏈設(shè)備是否正常。遇到的故障主要為各個(gè)緊停開關(guān)信號(hào)接反或者未連接。解決故障的方法為查看安全鏈I/O設(shè)備對(duì)應(yīng)的圖樣，按照?qǐng)D樣的邏輯檢查接線，排除故障。

3.7 主控CPU指示燈顯示異常

當(dāng)主控CPU狀態(tài)指示燈R/E燈綠色閃爍時(shí)，此狀態(tài)并非故障狀態(tài)，這種狀態(tài)是CPU正常處于讀取所有模塊的配置文件的更新配置階段，第一次的更新時(shí)間比較長(zhǎng)，大約為10min，因此常被誤認(rèn)為CPU故障，等到R/E燈綠色常亮即是更新完畢的正常工作狀態(tài)。只有更新所有配置后，才能正常對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

3.8 I/O模塊故障

I/O模塊故障的現(xiàn)象主要有兩種：

（1）首先查看模塊的指示燈，通常模塊故障時(shí)指示燈R燈為紅色；

（2）有時(shí)模塊指示燈顯示正常，但是傳到主控的數(shù)據(jù)不正確，可以在HMI畫面“I/O監(jiān)控”欄查看相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)檢查，進(jìn)而在控制柜內(nèi)找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接線，如圖6所示為機(jī)艙柜數(shù)據(jù)交互接線端子狀況。

圖6 機(jī)艙柜數(shù)據(jù)交互端子的接線

當(dāng)遇到模塊故障時(shí)，主要的處理方法如下：

（1）檢查模塊是否松動(dòng)、未插緊；

（2）檢查相鄰模塊的背板插槽是否緊密連接；

（3）檢查端子排的接線是否錯(cuò)誤；

更換相鄰?fù)吞?hào)模塊或者備件，檢查模塊是否損壞。

4 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)機(jī)的調(diào)試過(guò)程中，要做到認(rèn)真、細(xì)致，對(duì)各部分的調(diào)試不要有漏項(xiàng)，在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)前，排除故障，尤其要對(duì)安全鏈系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問題，大多數(shù)是由于通信站點(diǎn)撥碼錯(cuò)誤、接線錯(cuò)誤或接觸不良導(dǎo)致的，很少是因?yàn)槟K損壞的原因，因此排故時(shí)首先要考慮撥碼和接線的檢查。

風(fēng)機(jī)調(diào)試過(guò)程中，要熟練掌握指示燈的狀態(tài)，根據(jù)模塊指示燈的狀態(tài)分析故障原因，配合使用圖樣和測(cè)量?jī)x表進(jìn)行排故。進(jìn)行故障的分析和處理時(shí)，要思路清晰，分析故障的原因，從最大的可能原因，按順序逐步進(jìn)行排故，做到細(xì)致入微，以免因?yàn)槭杪┰斐娠L(fēng)機(jī)故障。

[1] 中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì).2011年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)[M].2012.

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