關于風電機組通訊故障的探討

內蒙古龍源蒙東新能源有限公司 呂超超

引言

截至2021年12月底，我國風電裝機容量達到3.28億千瓦，而風電場多建設在人跡罕至的荒郊野嶺等環境惡劣的地區，隨著風電機組運行年限的增加，各元器件會慢慢出現老化，加上惡劣環境的影響加劇了設備的老化程度，各元器件出現不同程度的磨損，風電機組的故障種類與次數不斷增多，故障處理難度也在變大，為保證設備的可靠性，對于人員的技術水平有了更高的要求。

通過對現有的部分風電場進行數據分析，發現在所有類型的故障當中，通訊類故障占比已經達到了20%左右，有些風電場通訊故障占比竟已高達30%，既給維護人員帶來大量的勞動量，也嚴重制約了風電場的經濟運營。風電機組通訊類故障存在多種表現形式、多種誘發原因，甚至會出現風電機組不定期報出來故障信息，通過復位即可臨時恢復，故障不定期又再次報出，故障頻繁發生，這就會出現風電場一些風電機組長期帶病運行，始終不能得到根治。

通過對風電場風電機組的故障及運行數據進行分析，發現目前在風電機組所有故障類型中最難處理的當屬通訊類故障，如何全面、系統的分析、判斷通訊故障產生的原因，已經成為現場迫在眉睫需要解決的問題。

本文將以某風電場某臺風電機組通訊故障為例，闡述如何正確使用科學的分析方法快速找到通訊故障點，及時處理通訊類故障，消除設備隱患，提高設備可利用率。

1 背景及故障分析

某風電場某風電機組頻繁同時報出通訊故障和安全鏈故障，據現場檢修人員描述，此風機有時報塔底通訊站點診斷故障、有時報塔上通訊站點診斷故障，在報通訊故障時同時也會報安全鏈故障。

現場檢修人員為了排查故障點，先后更換了該臺風電機組所有的通訊總線連接器、塔上以及塔下通訊光電轉換器、塔上以及塔下通訊光纖、所有安全鏈卡件、變槳安全鏈接觸器、變槳通訊模塊、塔上站點24V供電端子、變頻器到主控的通訊模塊、變槳電機、變槳電機換向二極管、變槳至主控通訊線，并檢查塔上及塔下所有風扇運行情況，將能更換的元器件全部更換但故障仍未解決，之后檢修人員將該臺風電機組與鄰近風電機組互換了塔底通訊站點所有模塊，同時為主控PLC重新刷程序，故障仍然存在，這前前后后共花費了1年左右的時間，仍沒有解決此問題，該臺風電機組還是頻繁的報通訊故障。

在處理此故障之前要對該臺風電機組的數據進行系統分析。首先該臺風電機組同時報通訊故障和安全鏈故障，那么就要區分出來哪一個故障是主要原因、哪一個故障是次生原因。機組同時報出來通訊故障和安全鏈故障，是由于安全鏈通訊回路與機組通訊回路共用機組通訊線，其次對風電機組的通訊回路進行梳理。風電機組的通訊回路如圖1所示。

圖1中兩條紫色的線代表通訊總線，R代表終端電阻，用于消除通訊總線中的反射信號，所有通訊站點通過通訊總線連接到一起。每一個通訊站點內的通訊示意圖如果2所示。紫色線同樣代表通訊總線，實線框圖代表總線耦合器，虛線框圖代表I/O模塊、安全鏈模塊等，黃色線代表模塊之間的通訊總線。當兩個站點之間的安全鏈模塊進行通訊時，通訊信息需要經過第一個站點模塊之間的通訊總線（黃線）將信息傳遞給總線耦合器，總線耦合器在經過通訊總線（紫線）找到第二個站點的總線耦合器，最后按照與上述過程相反的方向找到安全鏈模塊，從而建立站點之間安全鏈模塊的通訊，形成了一個完成的安全鏈通訊回路。

圖1 風機通訊圖

從上述過程中可以發現，通訊總線是安全鏈通訊的重要橋梁，其狀態將直接影響到安全鏈的通訊質量，所以當風電機組同時報安全鏈故障和通訊故障時，故障的根源是通訊問題，此臺風電機組的故障亦然。找到了此故障的真正誘發原因，后續開展的檢修工作就需要從通訊方向開始排查該臺風電機組故障點。

通訊故障又分為通訊干擾和通訊斷線，其中通訊干擾問題極為常見、且原因較難分析，問題不容易處理，大大提升了檢修工作的難度。通過對歷史通訊干擾問題進行總結分析，得出通訊干擾分為通訊耦合磁場干擾、通訊環流干擾、通訊反射波干擾、通訊電平干擾、通訊接地干擾等多種情況，針對不同情形有相應的解決方案；通訊斷線問題相對較容易處理，在這里就不做詳細闡述。那么在處理風機通訊故障過程中，就要區分機組到底是通訊干擾還是通訊斷線，區別方法是：在風電機組并網過程中，使用相應的軟件系統查看通訊的重復發包率和丟包率率，如圖3所示。

圖3中第一列數字非零時表示有重復發包的情況，即通訊回路存在通訊干擾；第二列數字非零時表示有丟包情況發生，即通訊回路存在斷線、虛接問題。圖3是該臺風電機組故障的通訊情況截圖，據此可以判斷這是一個通訊干擾故障。導致通訊回路出現電磁干擾又可以分為如下三個原因：

圖3 重復發率和丟包率

一是通訊回路的終端電阻沒有正常投入使用，即總線耦合器上的終端電阻斷線、損壞或者是總線耦合器上的開關氧化，致使終端電阻無法投入到電路中，喪失抑制反射波干擾的能力，通訊質量變差、通訊不定期閃斷。如圖4所示。終端電阻的存在就是為了消除在通信電纜中的信號反射，確保電平快速進入隱性狀態，在顯性狀態期間，總線的寄生電容會被充電，而在恢復到隱性狀態時，這些電容需要放電。如果總線之間沒有放置任何阻性負載，電容只能通過收發器內部的差分電阻放電[1]，這會極大的影響通訊質量。

圖4 終端電阻未投入

二是通訊線的屏蔽線沒有接地。在通訊系統中，通訊線的屏蔽接地是抗干擾的一項重要手段，主要是為了抵抗其受到的容性耦合和感性耦合，由于屏蔽層一般是采用多芯屏蔽網或者鋁布構成，如果沒有接地相當于在通訊電纜外加了一層金屬板，增加了耦合量，反而增加了通訊信號的干擾[2]，其過程如圖5所示，干擾源通過等效電容影響通訊線的通訊質量。

圖2 通訊站點結構

圖5 屏蔽線未接地受干擾過程

三是通訊信號由原來差分信號變為非差分信號。差分信號是使用兩根信號線傳輸一路信號，依靠信號間電壓差判斷電路信號，當受到外界干擾時，兩根導線的電壓變化幅值相同，在接收端做差值計算的過程中相互抵消了干擾，如圖6所示。

圖6 差分信號波形示意圖

根據現場檢修人員反饋，之前處理措施采用了一種不科學的方法處理此故障，即直接更換了該臺風電機組所有的通訊總線連接器，甚至與臨近的風電機組對調了元器件進行試驗，同時也檢查了屏蔽線的接地，接地端子處的接地線沒有虛接、斷線問題。所以故障的根源只能是第3種情況，然而檢測通訊信號是否是差分信號，需要使用示波器錄制通訊波形，現場沒有示波器工具，不具備查看通訊波形的條件，所以未能發現此臺風電機組真正的故障原因，導致此臺風電機組一直頻報通訊故障。

其實導致通訊信號由差分信號變為非差分信號的原因有2種：首先是通訊回路存在接地問題。通訊回路一根通訊線接地拉低了其對地電壓，導致接收端的差分放大器收到的差分信號電位在不確定區域，引發通訊故障[1]；其次是通訊總線連接端子內的兩個鉗位電阻短路或短路，鉗位電阻的異常會導致通訊的對地電位發生漂移，影響通訊信號的傳輸。結合現場已經更換了所有的通訊總線連接端子情況，將故障點鎖定通訊接地的問題上，給出現場指導性處理建議，建議全面排查通訊回路接地的情況，包括線路、端子、到相關的元器件等，經過現場檢修人員的全面排查，發現是輪轂內的通訊線在防雷通道上發生了錯誤的接線，導致通訊接地、引發此故障，通過調整接線后故障消除，該臺機組再也沒有報出此故障信息。

為什么通訊線接錯防雷通道會導致通訊接地呢？其實這和防雷模塊的內部結構有關，其內部結構實物圖如圖7所示。從圖中可以看出，通訊防雷模塊分為兩部分，圖中左邊的短接片接屏蔽層直接與地相連，右邊的模塊中的A、B通道分別對應接通訊線的兩條信號線，如果誤將通訊線接到短接片上，就會導致通訊線接地，發生上述故障中的情況。

圖7 通訊防雷模塊內部結構

2 總結

現場在處理風電機組通訊故障中，除了測量通訊總線連接器和通訊線好壞外，還需要考慮到通訊信號是否是差分信號的問題，差分法作為提高通訊抗干擾能力的重要手段，其在通訊故障處理過程中的作用不容小視。

不但上面提到的幾種原因可以導致通訊信號出現問題，現場經常采用的通訊線并聯使用的工作方式也會導致其出現故障。通訊線的并聯使用從電路角度來看可靠性提高了1倍，但是對于通訊而言，通訊線的分流能力存在差異，導致單組通訊線對外界的電磁場矢量和不是零，兩組通訊線相互之間產生電磁干擾，影響通訊質量。現場進行檢修作業時更加容易忽略的另一個問題是通訊防雷模塊和其他防雷模塊間的差異，通訊防雷模塊的物理結構在前一部分已經做了相關介紹，這里不再贅述。

總之，在處理通訊問題時，首先要對故障現象、故障數據進行收集，然后開展專項分析，不能盲目的開展檢修工作，尤其是采取賭博式的方法去更換備件，既浪費大量的人力物力又不能解決問題，工作效率低下且嚴重浪費公司的資源。在處理故障時要轉變思想，提高故障分析的站位和專業技術水平，使用數據分析等一系列科學技術手段，量化分析通訊故障原因，通過培訓平臺、仿真軟件等去試驗，梳理故障處理思路、簡化故障處理流程，最便捷、最快速的完成故障處理，既提升人員的綜合素質、工作效率，又提高公司的經營能力。