風電場維護軟件的設計與開發＊

文 | 吳海列，石文明

在經濟發展的過程中，化石燃料被大量消耗，其儲存量也日益減少。為了解決傳統資源的不斷消耗對經濟發展和生存環境造成的影響，我國和一些主要發達國家均已把目光投向可再生資源，大力發展風力發電已成為一項重要的戰略決策。隨著裝機容量及風電場規模的逐步增大，單個風電場對電網的影響也越來越大，與此同時，對于風電場機組的維護工作也日益繁重。那么，確保單臺機組及整個風電場機組更加安全、有效地運行，簡化整個風電場的維護工作，是一項極其重要的工作內容。所以，為了提高風電場的安全性，簡化機組程序升級等維護工作，特此開發了一款風電機組維護軟件。此外，為確保維護軟件的可靠性及實用性，進行了大量的測試工作，包括辦公室測試及現場測試，并得到了真實有效的測試結果。

已有監控軟件的功能

經對國內外已有文獻的研究，及對市面上現有的風電機組監控軟件的調研表明，現有的風電機組監控軟件的功能主要有：

一、遠程數據采集及顯示。數據顯示包括現場采集的時域波形、溫度、報警值、狀態參數，以實現對風力發電機組的狀態監測與故障診斷。

二、數據存儲。已有監控軟件可對存儲在控制器里的實時數據、日志等信息進行下載、存儲，以備在對機組進行故障分析時提供依據，從而實現機組可用率、安全性等方面的提高。

三、歷史查詢。為了分析風電機組運行狀況和運行性能，監控軟件具備對機組運行日志查詢的功能，通過分析歷史數據來發現機組的不足之處，以實現風電機組各項性能的優化。

市面上已有的監控軟件已層出不窮，現以米塔公司開發的Gateway監控軟件作為實例對遠程監控的部分結果進行展示。

圖1顯示了整個風電場所有機組的實時風速、發電機轉速、風輪轉速、發電機功率及機組可利用率等重要信息。

圖1 風電場實時狀態顯示

軟件功能設計

除了具備傳統監控軟件的重要功能外，本文設計的風電機組維護軟件還具備：一鍵式操作、機組批量程序升級、批量參數校驗、實時在線高精度數據采集及類似SCADA系統監測風電場實時狀態的功能。有效結合了傳統監控軟件與SCADA系統的特點，在傳統監控軟件的基礎上進行了功能的創新。

一、一鍵式操作

維護軟件具有程序升級、參數導出、參數校驗等一鍵式操作按鈕，即選中某個風電場的全部機組后，通過點擊一鍵式操作按鈕可進行批量操作。一鍵式操作的設計，大大減少了工作量，提高了工作效率。

二、程序升級

程序升級功能是以往風電機組監控軟件不具備的，打破了傳統FTP傳輸程序升級的方式。在現場執行程序升級任務時，需要升級的程序有：主控程序、算法程序、HMI配置文件。該維護軟件不僅可以對單臺機組進行程序升級，還可以同時對多臺機組進行批量升級。當風電場中多臺機組被選中后，可同時對被選中的機組進行程序的備份及升級操作。程序批量升級的設計，對于傳統的程序升級方式來說，是一種跨越式的發展和進步，在極大程度上簡化了程序升級工作，使程序升級變得簡單而易操作。

三、參數校驗

機組的參數文件對于機組來說是非常重要的，當對參數文件中的參數進行改動時，需要快速查找被改參數的位置及名稱。該維護軟件可對單臺機組的參數文件進行下載和參數校驗，也可以對多臺機組進行批量參數的下載與校驗，校驗的結果能夠以文檔的形式保存在本地PC的設定路徑中。

四、高精度數據采集

任何監控系統均要求對實時數據的采集具有較高的時效性，以便控制器對機組的運行實現快速有效的控制。該維護軟件能以最大速度對實時數據進行采集，可有力地保證監控實時有效、提高機組運行的穩定性與安全性。

五、風電場實時狀態顯示

本文設計的風電機組維護軟件具備類似SCADA系統風電場實時狀態監控的功能，即當某風電場被選中后，可實時顯示所有機組的運行狀態及單臺機組當前風速、發電機轉速及發電機功率。

維護軟件功能測試

為檢驗本文設計的維護軟件功能的可靠性，分別對維護軟件進行了仿真模擬測試、辦公室遠程測試及現場測試。

一鍵式操作測試。該項測試以批量參數下載為例，進行測試結果的展示，測試的結果如圖2所示。

在圖2中，選取了一個風電場中的任意多臺機組，點擊一鍵式參數導出按鈕，可將被選中機組控制器內的參數文件下載到本地PC，在下載頁面的左下方的方框內會有下載信息的提示，提示參數導出成功或失敗。

圖2 一鍵式參數下載圖

圖3 參數校驗測試圖

參數校驗測試。以某風電場中的單臺機組為例進行參數校驗測試，測試結果如圖3所示。

圖3中，右上側的方框顯示的是本地參數文件里的所有參數，右下側的方框顯示的是參數校驗的結果，在該結果中，僅顯示本地參數與機組控制器參數不同的部分，參數不一樣的地方以紅色字體標出。圖片左下側的信息窗口會提示，紅色字體部分括號內的是本地參數，括號外的是機組控制器參數。另外，當本地參數與機組控制器參數個數不一致時，以本地參數為基準，本地參數多余的參數會以黃色字體顯示在檢驗結果中，而控制器多出的參數不予顯示。本地參數的數目大于控制器的數目時，校驗結果如圖3所示，圖中黃色字體為本地參數多于機組控制的參數。

校驗的結果能夠以Word文檔的方式生成參數校驗報告，生成的參數校驗報告如表1所示。

程序升級測試。當多臺機組被選中后，點擊程序升級按鈕，彈出的對話框可顯示所有機組的當前狀態、主控程序版本及算法程序版本，如圖4（a）所示。將主控程序、算法程序、HMI配置文件中的一項或多項選中后，可對其進行備份及升級操作。

圖4（a）中的任何機組只有在維護或停機的狀態下，才能對其進行程序的升級工作，而程序的備份則不受機組運行狀態的限制，在任何情況下均可以對機組控制器的程序進行備份。

現以某風電場中的單臺機組為例，對維護軟件進行程序升級功能的測試，選中風電場中的某臺機組，使用維護軟件對該機組進行程序備份與升級。測試的結果如圖4（b）所示。

圖4（b）中所選取的機組只有在故障停機的條件下，才能完成程序升級的工作，當程序的備份與升級完成后，會有相應的文字提示，告知用戶每一項的備份、升級成功與否，保證了程序備份與升級的正確性與有效性，從而提高了機組的安全性。

圖4 （a） 程序升級測試

圖4 （b） 程序升級測試

表1 參數檢驗結果報告

高精度數據采集功能測試。該軟件可以對單臺機組進行高精度數據采集，也可對多臺機組進行批量數據采集，現以單臺機組為例，測試的結果如圖5所示。

圖5中要顯示的數據對象是可配的，即通過修改配置文件里的參數，可顯示任意變量的波形。被選中的數據對象，可通過保存按鈕保存在指定文件夾內，以供后續的分析與計算。

風電場實時狀態顯示功能測試。為了使用戶更直觀地對風電場進行整體觀測，了解風電場的運行狀況，結合SCADA系統的特點，該維護軟件設計了風電場實時狀態顯示的功能，對該功能的測試結果如圖6所示。

該維護軟件可顯示機組的五種運行狀態，以不同的背景表示不同的狀態：藍色表示機組并網運行、淺綠色表示機組待機、灰色表示機組通信中斷、紅色表示故障停機、黃色表示機組處于維護模式。并實時顯示每臺機組當前狀況下的風速、發電機轉速及發電機功率。此外，在頁面的左側可顯示每種狀態下機組的數目。這樣就對用戶在操作時具有一定的指導意義，使相關操作的目的性更強、安全性更高。

圖5 實時數據高進度采集測試

圖6 風電場實時狀態顯示功能測試

結論

經過對維護軟件進行多種方式的測試，測試的結果表明，本文設計的維護軟件功能穩定，能夠正確無誤地實現以往監控軟件所不具備的一鍵式操作、程序批量升級、參數批量校驗、風電場實時狀態顯示等功能。然而，風電場的智能化已成為一種發展趨勢，同樣智慧風電場的概念早已被提出。而該風電場機組維護軟件可極大地簡化風電場的維護工作，且能夠提高風電場機組的安全性。故本文設計的維護軟件可有效推進風電場智能化、智慧化的發展，且具有較大的實際應用前景。

攝影：李清偉