風機主控系統調試與分析

王福祿 奚玲玲 孫佳林 上海電氣輸配電集團技術中心 (200042)

王福祿（1986年～），男，碩士，工程師。主要從事MW級風力發電主控系統的研發工作。

0 引言

2011年中國（不包括臺灣地區）新增安裝風電機組11 409臺，裝機容量17 630.9 MW，年同比增長37.1%；累計安裝風電機組45 894臺，裝機容量62 364.2 MW，年同比增長39.4%[1]。伴隨著風電產業的高速發展，保障風機快速、穩定、可靠運行發電，風電機組的現場調試與維護成為重要的環節之一。

內蒙古蘇尼特風場采用上海電氣低溫型2MW風力發電機組，該機組為雙饋型變速恒頻發電機組，主控系統選用自動化領域廣泛應用的X20系統，該系統硬件成本較低，支持幾乎所有主流現場總線標準，采用高級語言開發，人機界面良好、維護方便、能適應惡劣的環境溫度。

1 主控系統介紹

2MW主控系統是自主研發的風機主控系統，采用模塊化、高可靠性、高效控制的系統軟硬件平臺設計。現已大批量生產并廣泛應用到各個風場項目之中。

1.1 主控系統構成與功能

風機主控系統是大功率風力發電機組的核心和關鍵部件。對風機運行狀態及各個部件進行實時監控，根據風能的變化調節功率輸出，實現在無故障情況下，自動啟動、自動對風、自動調速、自動并網發電等正常運行控制，在故障狀態下根據故障的嚴重等級執行不同等級的停機操作，保證風機的安全性。通過與變流器系統和變槳系統通信，控制風機所有設備的啟停[2]。風機主控系統與整機的關系如圖1所示。

圖1 主控系統與整機的關系

該系統具有技術先進、安全可靠性高的特點，通過自動調節，實現最大風能捕捉以及保證有良好的電網兼容性。主要部件分為塔基控制柜和機艙控制柜，如圖2所示。1號塔基控制柜位于風機底層，2號機艙控制柜位于風機機艙內。

圖2 控制柜

塔底控制柜的主要功能：

（1）運行所有的控制程序，包括數據運算和數據統計功能，發送風機各個設備的啟停指令；

（2）實現電網的監控，包括電網電壓、電流、頻率、功率因數、三相均衡等監控，對過壓與欠壓、過流與欠流、過頻與欠頻、功率因數偏離正常值、電壓缺相等故障發出報警及停機指令；

（3）通過柜門上的人機界面來實現對風機的各種控制；

（4）實現與機艙柜、變流器、中控室直接的通訊，并支持多種通訊方式。

機艙控制柜的主要功能：

（1）實現對風速、風向、塔筒振動頻率、主軸轉速、發電機溫度、齒輪箱溫度、潤滑油溫度、機艙內溫度等各種參數的監控；

（2）控制機艙內加熱設備和冷卻設備的啟停，實現與變槳系統、塔底柜的通訊。

1.2 風電安全系統原理

圖3 安全鏈系統

安全鏈是基本獨立于主控的硬件保護措施，它總是優先于控制系統，即使控制系統發生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。安全鏈采用反邏輯設計，將可能對風機造成致命傷害的重要機構部件的控制端串聯成一個回路。當回路中任意一個觸點發生故障，安全鏈斷開，引起緊急停機，執行機構失電，風機瞬間脫網，從而最大限度地保證風機的安全。

根據GL標準, 風機的安全系統應至少能啟用兩套相互完全獨立的制動系統，而且安全系統應與控制系統完全分開。本風機控制系統選用主CPU安全保護與安全CPU安全保護相結合的方式。主CPU的安全保護為軟件級別的安全控制，安全CPU的安全保護為硬件級別的安全控制[2]。

風力發電牽涉到嚴格的機組安全應用，風機采用安全鏈設計。風機的安全鏈設計中可通過安全繼電器回路或者集成式的安全模塊兩種方式來實現，兩種模式均各有特點，但集成式的安全系統無疑是未來的趨勢[3]。

本主控系統選用的控制器集成安全系統，通過使用專用的集成安全技術，選用安全邏輯掃描周期為ms級的安全控制器。安全鏈系統設計如圖3所示。安全控制器獨立于標準控制單元，通過將系統中關鍵的邏輯如強風、惡劣天氣、機組的狀態變化如葉輪過速、扭纜、電源失效、制動和操作人員的緊急按鈕動作等用黃色的安全I/O輸入到系統中，安全控制器作為一個控制節點，只有在安全邏輯對應的I/O動作時，才引發一個安全邏輯的執行過程。

1.3 故障代碼分析機制介紹

主控系統采用故障代碼分析機制，將風機的故障細分70類故障，1 400多個狀態碼。風機在運行過程中出現各種各樣的故障，不同的故障對風機的影響有輕重之分，故障低的只是給出報警信號，故障高的則給停機信號。當風機運行過程中，在同一時間發生多個故障，那么應根據故障統計結果啟動最高的停機程序。

通過位于塔底柜門上的友好的人機界面，可以對風機的各項運行參數進行監控、修改，完成各項調試工作；在界面中還可以查詢歷史統計、故障記錄、故障時刻錄波等大量風機運行的詳細數據，以便了解、排除故障。

2 主控系統現場調試步驟

本部分的調試主要是指主控系統的調試，以下的調試過程認為變頻、變槳、偏航等系統已調試完畢，風機主控系統調試主要為以下幾個步驟：

2.1 上電前檢查

主要檢查控制柜內各個部件是否固定，各設備有無明顯損壞，接地線是否可靠連接，內部電源回路是否正確連接，柜內接線是否有松動，檢查400V進線的電壓及三相是否平衡[4]。如圖4所示，控制柜內部件較多，檢查時要注意認真、細致，如果發現問題，應參照圖樣，借助測量工具，對比分析。上電前，還應檢查并設置CPU的IP撥碼，檢查各個節點的撥碼，檢查通信電纜和光纖的連接。

圖4 機艙控制柜內部接線（局部）

2.2 上電后檢查

上電后，根據圖紙邏輯，逐級、逐個開關合閘，并測量、檢查出口端電壓。

（1）CPU上電后，需要一段時間啟動，通過查看CPU上的狀態燈即可判斷是否啟動完成。

（2）在塔底HMI上，設置風機正確的IP，確定HMI與主控CPU通信正常，并設置CPU時鐘。

（3）查看主控系統各個模塊是否正常，目測模塊上的指示燈是否有紅色。

（4）檢查HMI主畫面，查看主流程、風速風向、溫度、主壓力是否正常。

（5）檢查HMI狀態碼畫面，查看“分類狀態碼”，根據報出的故障狀態碼進行排故。

（6）檢查HMI狀態碼畫面，查看“模塊監控”，檢查各模塊及通信是否正常。

（7）檢查HMI狀態碼畫面，查看“I/O監控”，檢查各I/O系統信號是否正確。

（8）檢查HMI狀態碼畫面，查看“安全鏈監控”，檢查并測試安全鏈系統。

（9）經過以上調試，主控系統調試基本完成，可以進行風機的并網、超速等試驗。

3 調試故障處理與分析

3.1 主控CPU與HMI通信故障

故障的判定可通過查看在HMI上的用于顯示通信狀態的“網絡”燈。常見的故障原因及解決辦法主要有：

（1）未輸入正確的風機號

應檢查HMI用戶登錄畫面，輸入正確的風機號。

（2）主控CPU的IP撥碼錯誤

應檢查主控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，導致路由器未上電，應該查看網絡通信頭的指示燈，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不牢

插頭未插緊而導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

由于風場風機很多，IP地址撥碼時由于誤操作會使不同的風機撥了相同的IP，這也會導致通信故障。應斷開與中控站的外網通信，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與機艙控制柜通信故障

判定故障時，通過查看在HMI狀態碼畫面上的“模塊監控”欄，可看到機艙所有模塊狀態為0，即塔底與機艙通信故障，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。

通常會發現指示燈顯示無通信，這時就要進行接下來的檢查。

（2）檢查PowerLink站點的撥碼是否正確。

（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易發生損壞，判斷光纖線是否正常可使用燈光照射的方法。

（4）檢查機艙CPU是否正常工作。

圖5 連接塔底與機艙通信的光纖接頭

多數情況下，光纖通信故障的原因為通信站點撥碼錯誤和光纖線、光纖頭損壞，也有一定的可能是由于機艙用于通信的CPU故障所導致的，需要查看機艙CPU指示燈的狀態即可判斷。

3.3 主控CPU與變流器系統、變槳系統通信故障

判定故障時，檢查主控柜內，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和變槳系統的通信狀態，以及數據交互的狀態。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頭撥碼開關配置錯誤。

查看Profibus-DP頭的撥碼開關是否撥到ON的位置。

（3）Profibus-DP頭內部接線錯誤。

測量Profibus-DP頭得終端電阻是否為110歐姆，打開Profibus-DP頭查看有無虛接或反接的情況。

（4）從站地址撥碼錯誤

變流器系統、變槳系統作為主控系統的從站，要進行正確的硬件撥碼。應檢查變流器、變槳系統的從站撥碼是否正確。

（5）通信模塊故障

大多數情況，通過以上分析即可找到原因，但也有可能是因為模塊故障引起的。應檢查1061模塊是否插緊，更換備件檢查模塊是否故障。

3.4 安全CPU無法正常啟動

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

（1）啟動溫度過低

檢查是否環境溫度過低，導致安全CPU無法啟動，應關好柜門等待加熱到足夠的溫度。

（2）通信站點撥碼錯誤

檢查安全CPU的撥碼是否有偏差，應保證撥碼正確。

3.5 安全模塊丟失

當安全CPU指示燈顯示MX燈以固定頻率快速閃爍時，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/O模塊的指示燈，尤其檢查模塊是否插緊，可以將模塊拔下來重新插入插槽內。

（2）撥碼錯誤。檢查機艙通信節點的撥碼是否正確。

（3）模塊丟失的原因多為撥碼錯誤和模塊未插緊，但也不排除有模塊損壞的情況，可以通過更換相鄰同型號模塊或備件檢查模塊是否故障。

3.6 安全I/O信號輸入輸出故障

通過在HMI狀態碼畫面上的“安全鏈監控”欄，可以查看到所有的安全I/O通道的信號，通過這個畫面的顯示，檢查對應通道的安全鏈設備是否正常。遇到的故障主要為各個緊停開關信號接反或者未連接。解決故障的方法為查看安全鏈I/O設備對應的圖樣，按照圖樣的邏輯檢查接線，排除故障。

3.7 主控CPU指示燈顯示異常

當主控CPU狀態指示燈R/E燈綠色閃爍時，此狀態并非故障狀態，這種狀態是CPU正常處于讀取所有模塊的配置文件的更新配置階段，第一次的更新時間比較長，大約為10min，因此常被誤認為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。只有更新所有配置后，才能正常對風機進行監控。

3.8 I/O模塊故障

I/O模塊故障的現象主要有兩種：

（1）首先查看模塊的指示燈，通常模塊故障時指示燈R燈為紅色；

（2）有時模塊指示燈顯示正常，但是傳到主控的數據不正確，可以在HMI畫面“I/O監控”欄查看相應通道的數據檢查，進而在控制柜內找到對應的數據接線，如圖6所示為機艙柜數據交互接線端子狀況。

圖6 機艙柜數據交互端子的接線

當遇到模塊故障時，主要的處理方法如下：

（1）檢查模塊是否松動、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誤；

更換相鄰同型號模塊或者備件，檢查模塊是否損壞。

4 結 語

風機的調試過程中，要做到認真、細致，對各部分的調試不要有漏項，在風機并網前，排除故障，尤其要對安全鏈系統進行測試。調試過程中出現的問題，大多數是由于通信站點撥碼錯誤、接線錯誤或接觸不良導致的，很少是因為模塊損壞的原因，因此排故時首先要考慮撥碼和接線的檢查。

風機調試過程中，要熟練掌握指示燈的狀態，根據模塊指示燈的狀態分析故障原因，配合使用圖樣和測量儀表進行排故。進行故障的分析和處理時，要思路清晰，分析故障的原因，從最大的可能原因，按順序逐步進行排故，做到細致入微，以免因為疏漏造成風機故障。

[1] 中國風能協會.2011年中國風電裝機容量統計[M].2012.

[2] 奚玲玲,朱立剛,等.2MW風力發電機組主控制器設計[J].上海電氣技術,2010(3).

[3] 宋華振.貝加萊WTC風電主控系統[J].自動化博覽,2011(10).

[4] 劉英杰.明陽風力發電機組主控系統調試過程中故障分析與處理[J].電氣技術, 2011(3).