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摘要：本文从满足现场需要的角度，阐发优秀的主控系统对风电机组现场维修、维护的重要作用。通过改进和完善主控系统与之相关的功能，有利于提高现场运维的技术水平，帮助现场人员迅速分析、诊断、处理机组故障。最终实现降低度电成本的目的。
关键词：主控性能；故障停机；现场运维；数据采集与储存；故障诊断与处理
前言
随着计算芯片处理能力的不断增强，工业控制器不断更新。“大数据和人工智能”的不断发展，我国各行各业在人工智能研究方面都取得了不小的成就。不少风电企业为研发对单机、机群和环境具有“超感知”能力的智能机组进行了大量地投入，人工智能也自然成了当今风电的研究和发展方向之一。然而，现场投运的任何一台机组，在其寿命期内，均会因各种原因报故障停机，或出现部件损坏，需要登机或远程维修后，机组方能并网；运行机组还需要现场人员登机进行定期维护和检修，方能保证机组安全，切实减少和避免机组潜在故障，使机组预防检修落到实处。因此，保障现场机组维修维护的顺利实施，是风电场现场运维的根本；是机组长期、稳定及安全运行的保障；是机组正常运行不可或缺的基本条件。这也是风电“大数据和人工智能”所不可替代的。
随着风电机组大型化趋势的发展及风电技术的进步，一方面，机组部件越来越多，结构越来越复杂；另一方面，机组安全与可靠性是机组运行的基本前提，对机组安全的要求也越来越高。为保证机组安全，机组的众多部位采用了多重保护和冗余设计。这不仅增加了机组生产成本，更增加了部件损坏几率和故障点，这就决定了分析与处理机组故障的难度越来越大，对现场运维技术水平的要求也越来越高。
大型风电机组均有变频器，以变频器为例，随着海上机组的发展，如今多个风电整机厂家已推出了10MW机组，组成部件不断增多；机组及变频器结构更为复杂；单机停机损失也越来越大。变频器不仅是机组的重要组成部分，而且，对机组安全起着相当重要的作用。质量优异、技术成熟的变频器，各种保护电路也应设计得相当完善。如动力电缆出现短路，需“瞬间”触发变频器报故障停机，箱变断路器跳闸，以避免电缆、变频器或机组烧毁事故的发生[1]。利用完善的保护措施使机组及变频器安全得到保护，但是，完善的保护措施往往会使变频器故障维修的技术难度增大，在分析、判断和维修变频器故障时，需要丰富的现场经验和相当高的技术水平。如现场维修人员技术水平不够高，现场经验不够丰富，可能因分析和判断故障机组困难，造成大量不必要的备件消耗，长时间地大面积停机等，因此业内形成了一个较为奇怪现象，越是保护电路完善，质量优良的变频器，越是没有市场，例如：法国ALSTOM变频器（国内引进的“科浮德”变频器），其保护措施完善，在现场也被众多的变频器故障所证实。然而，不少已经并网运行多年的ALSTOM变频器机组，经过“低穿”、“高穿”改造，把原变频器控制板改造成保护电路不完善的国产变频器控制板，有的改造甚至直接导致了机组烧毁事故的发生。究其原因，与其保护电路设计得相对完善，变频器维修难度很大，需要较高的技术水平和现场经验不无关系[2]。而风电机组又时常安装在人迹罕至的陆地，或一望无垠的海上。条件艰苦，技术力量薄弱。因此，有必要采取切实可行有效措施为现场运维服务。
在风电机组设计阶段就需要考虑到部件损坏及现场故障分析、判断与处理的方便问题，并把现场维修、维护方便放在重要位置。在变频器、主控及SCADA后台软件设计阶段就需要考虑设计各种工具和手段，以便在远程控制中心通过主控、变频器调试软件及SCADA后台软件实现机组的远程故障诊断与容错运行等；在处理疑难故障时，能通过经验丰富技术人员的远程指导，缩短故障处理的时间。
1主控系统对现场运维的重要作用
风电机组是在无干预的情况下自动完成等风检测、启机并网、正常发电和保护停机等功能[3]。在小风或无风，机组发负功时，自动停机进入等风状态；当风速达到启动风速以上, 自动启机、并网发电。
停机分为两种：正常停机和保护停机。除小风停机和人为手动停机外，多数属于保护停机[3]。按消除停机所采取方式的不同，保护停机可分为两种，一种是无需人为干预，在适当条件下，由主控发出复位命令，能自动复位并网的保护停机。如：塔筒共振、一级振动、高风切除和电网故障等；另一种是需人为干预（故障处理、维修或部件更换等）的保护停机。如：“变桨驱动器故障”、“充电器故障”以及“齿轮油冷却风扇故障”等等[4]。停机后，及时、迅速地进行机组维修和复位启机，有利于提高机组利用率和发电量。
1.1主控系统报故障准确对机组维修的重要作用
当外部不满足机组运行条件，或机组自身出现故障时，运行机组自动报故障停机。停机故障信息可通过人机界面，主控调试软件，或SCADA后台软件进行查看。现场维修人员主要根据主控所采集的各种信息分析、判断和排除机组故障。但是，如果主控程序设计够不完善，停机逻辑不够明晰、主控参数设置不合理，或主控硬件抗干扰能力弱等都会造成主控报故障不准确，出现误报故障。这不仅会降低利用率和发电量，增加分析、判断机组故障的时间，还会造成部件的错误更换，增加备件用量等。因此，主控报故障准确对故障处理起着重要作用，直接关系到现场故障处理效率和运维成本。
达到主控报故障准确，在开发主控系统时，不仅需要从主控硬件和软件两方面深入研究，而且，还需在机组的长期运行实践中对主控不断改进和完善，以开发出适合风电场环境具有的高质量硬件和主控软件的专业风电机组控制器（主控）。例如：丹麦Mita公司生产的专业风电机组主控WP3100，控制器软硬件均是专为风电机组开发，现场运用中不断改进和完善，正因为开发时间较早，就当今的硬件水平和控制器处理能力看来，主控硬件是相当的“落后”了。但是，从现场故障维修和维护的角度来看，是一款相当成熟经典的专业风电机组控制器。具有较为完善的远程权限管理；能很方便地实现远程现场指挥，远程故障诊断和机组容错运行等。其设计的合理内核值得我们研究、学习和借鉴。
该主控及与之配套的Gateway后台软件，在现场运行机组长时间的使用中，经历了二三十年、几代技术人员的不断更新和完善，其中积累了大量有参考价值的现场维修维护经验，不仅国产主控与之还有一定的差距。而且，该公司近些年开发的PLC专业风电机组主控，仅就现场运维的角度，在远程指挥，使用方便等诸多方面和细节上也还存在不小的差距。
优秀的风电主控系统应具有适用于风电场运行环境完善的硬件设计。如主控硬件设计不够完善，会因外界干扰出现故障误报停机。干扰可能来自信号输入线路、控制器的信号处理、主控电源供电和电网的高次谐波等。例如：某风电场因 “高穿改造”，把运行机组上的WP3100主控更换为采用通用PLC工业控制器硬件生产的风电机组主控系统后，报“振动停机故障”次数明显增加。当振动信号输入端口加装雷电保护或磁环后，机组报振动停机得到明显改善，这说明这种PLC主控硬件设计不够完善。但是，如果不在同一台机组上进行这样的对比，很难锁定PLC主控是因输入信号受到外界干扰而误报振动停机。当没有查明振动停机的故障来源时，则可能错误地怀疑并更换振动传感器，怀疑主控与振动传感器之间的接线和配合、机组旋转部件、机组并网的扭矩控制，或风况等。这无疑增加了分析和判断振动故障的难度，同时，也变相增加了备件用量和维护成本，也造成了不必要的发电量损失。
再进一步分析，从振动输入信号受干扰可知：该振动信号是数字信号，进入主控的振动输入端口之前，是采用双绞线传输，虽然输入信号线外有屏蔽层，并做了良好接地，但是，风电场的电力环境恶劣，会由于各种原因受到其他电信号或电磁信号的干扰。而主控与变桨控制器之间通信，也是采用双绞线传输的数字信号，可能在线路上或滑环旋转处受到外界的干扰，依据处理振动误报的经验，为避免“变桨通信故障”误报，也采取了相同的措施，结果收效明显。“变桨通信故障”的误报问题如不能及时处理，则可能因故障分析和判断错误，造成变桨通讯滑环的大量更换等，从而增加了机组的维修成本和备件用量。因此，从现场运维和主控报故障准确的角度来看，硬件落后的不是WP3100控制器，而是看似“先进”的PLC主控系统，正是通过两种主控的风电场机组实际运行和硬件之间的对比，才迅速找到了PLC主控误报故障的真实来源，以及PLC主控系统在硬件设计上的缺陷。而其他因主控问题而造成的误报停机故障就很难查明了，需要在现场机组运行、维修和维护的具体实践中不断改进和完善主控系统。
大型风电机组一般有大功率变频器，会产生大量的高次谐波，风电场机组的工作环境比一般的市电工作环境恶劣，需要主控硬件具有很高的抗干扰能力。这些采用通用PLC控制器硬件生产的主控，在设计时如果没有专门对风电场的恶劣环境条件予以充分地考虑和现场实践，当运用于风电场机组主控系统进行故障信息处理时，出现偏差和误报故障就难以避免。
主控软件对停机故障设定的控制逻辑关系到机组报故障准确。机组控制参数设置不合理，同样会影响到报故障准确的问题。例如：机组的超速参数设置缺乏系统分析和现场实践，没有理顺参数之间的关系，会导致设置值不合理，增加停机次数，误报故障 [5]。
主控系统报故障准确是主控的基本功能，并对现场运维起着极其重要的作用。在判断主控优劣时，应抓住软件的完善成度和硬件的抗干扰能力等，把主控报故障准确，满足现场机组维修和维护要求，现场使用方便放在首位[6]。在这些基本功能得到充分实现的前提下，再进一步通过主控系统实现机组的“人工智能”和“超感知”能力等，否则，将得不偿失。
1.2主控数据采集与储存对运维的作用
WP3100主控具有合理的数据采集与储存功能，是后台软件和故障信息查询的根本来源。机组维修维护时可根据现场运维需要，可通过后台SCADA软件或运用主控调试软件，随时提取主控数据。例如：在机组定期维护检查发电效率是否变化时，可运用主控调试维修软件很方便地在机舱上从主控读取数据，形成功率曲线，再与这台机组上一年的历史功率曲线数据进行比较，以检查机组的叶片对零、风向标、风速仪及功率曲线控制参数是否存在问题。这极大地方便了现场的故障诊断与故障检查。
主控的信息采集与储存同机组维修密切相连。例如：机组的某个温度传感器出现了瞬间跳变，主控会报“温度传感器故障”停机，因在主控中详细记载了每一个温度传感器近期12个月、一个月、一天之内及20年的最高值、最低值和平均值，并且把近期毫秒级的故障变动都会捕捉到主控之中。分析、检查故障时通过人机界面、后台SCADA或主控调试软件，检查到某个温度传感器的故障跳变及数值，以便迅速锁定“温度传感器故障”的故障来源。再如：在登机进行定检维护时，依据主轴刹车器的维护记录，如发现某机组主轴刹车片磨损太快，在主控中可迅速查明近期的刹车器动作次数，及机组近期的所有故障信息，便于分析和查明磨损太快的原因，还可能发现先前没有发现的问题，或机组的潜在故障等。
WP3100的主控硬件和基础软件均是为风电机组专门开发，能完全依据现场机组的日常维修和定期维护需要进行信息采集和存储，因此，尽管主控存储量极为有限，但对机组维修、维护有用的重要信息均能在主控中通过人机界面查找，或采用主控调试软件读取。
如果以不适当的方式在主控存储，在检查故障时，就很难知道机组故障时具体状况，给机组维修带来困难。如仅在SCADA后台软件中采集和存储这些信息，在机舱上进行机组维修和维护时，就不能便捷的查到机组信息，无疑给机组维修和维护带来了困难。还可能因数据包的丢失，或通讯中断，而丢失掉众多的“瞬间”信息，这无形增加了故障分析的难度。
WP3100的机组重要数据均存储在每一台机组的主控之中，这为现场运维提供了方便；该主控还通过多种措施保证机组所有运行数据的准确性和连续性，为及时、准确地了解任何一台机组的长期运行状况提供了依据。在现场调试完成以后，机组进入并网运行时，可通过高级权限给所有主控数据复位、置零。为保证每台机组运行数据的连续性，在主控出现故障需要更换时，则用主控调试软件下载主控参数和数据。在更换主控或主控底层软件后，再把这台机组先前的主控参数和数据上传。这样保证了主控系统和主控底层软件的更换，不会成机组数据的丢失。另一方面，主控数据可通过环网实时地传给后台Gateway软件，也可以在需要的时候再通过Gateway软件从主控读取数据。把机组数据存储在每一台机组的主控系统之中，保证了每一台机组参数设置的个性和运行数据的连续性。为保证重要的基础数据在主控中储存20年不会丢失分散了风险，为分析和总计机组的长期运行状况提供了技术支持。例如：20年的机组故障、利用率、功率曲线和发电量等基础数据，都应采用适当的方式存储在主控中，便于查询和机组故障的分析等，主控数据是根据现场维修与维护的经验和需要进行采集和存储的，极大地方便了机组运维。这为机组维护和维修提供了信息保证，与分布式风电机组的信息存储与故障查询相适应。
某些利用通用PLC硬件生产的国产主控系统，在数据采集与存储上存在先天不足。大量的基础信息只能在后台SCADA软件中存储。这就是说，每台机组详细的功率曲线、利用率和发电量信息等均只能通过后台SCADA软件进行采集和存储。而在信号传输过程中存在数据包丢失问题，还可能出现机组与后台之间通讯中断的情况，这种致命的缺陷使数据的完整性与连续性大打折扣，因此，时常会出现整个风电场给电网的上网发电量比后台软件统计的发电量还要高的情况，也难以保证机组利用率的真实性和功率曲线的完整性。
1.3利用主控实现远程故障诊断与机组容错运行
通过主控系统的多级权限管理，在风电场的集中监控室，或远程控制中心对机组进行远程操控，以适当的方式实现远程故障诊断和远程技术指导；实现“集中监控，区域维修”指挥现场；以容错运行的方式实现机组远程故障处理。这些功能和目标的实现均依赖于主控程序和后台软件，而主控系统又在其中起着关键性的作用。
首先，在控制中心通过SCADA后台软件对机组主控系统的远程操控，实现变桨系统、变频器和发电机等重要部件的远程故障诊断与技术指导。
WP3100主控具有可通过Gateway后台软件进行远程操控，并可设置为不同状态的硬件端口，以及大量与机组故障诊断有关的可修改参数，极大地方便了远程及现场的故障诊断。例如，判断机组的“异常振动”是否与并网后有关。故障检查时，需要暂时甩开变频器，让机组在不同转速下空转运行。对于WP3100主控，只需修改相关参数，改变相应的主控硬件端口状态，屏蔽相关状态码，就能实现不同转速下的机组空转运行，很容易判断出机组振动是否与并网加载有关，给远程故障检查和判断带来了方便。
在风电场的集控室，或远程控制中心，还可以修改主控参数与操作变频器的调试软件相结合，实现对双馈机组变频器的疑难故障诊断；进行远程技术指导，协助现场人员判断变频器故障和发电机故障等。
其次，在满足机组及部件安全的条件下，通过主控参数修改、故障屏蔽和容错技术等手段实现机组的容错运行[7]。
实现远程指挥现场、技术指导、故障诊断与容错运行的必要条件：
第一，对主控系统、后台SCADA软件和变频器的特殊要求。
如通过远程VPN登陆，或手机APP上网，为保证符合相关规定及机组安全。主控软件应具有完善的登陆权限设置，能实现多级权限管理；能通过远程操控主控输入输出端口的状态，修改参数和屏蔽故障等；在SCADA后台软件上，设计由便于指挥现场的操作界面；独立于风电场SCADA环网通讯之外，变频器能单独通过环网通信接到集控室，或远程控制中心，能通过变频器调试软件实现对变频器远程操控，查看故障、励磁和并网等。
第二，在产品设计上，采用冗余设计，有充分的余量。
在设计时，机组应有多重保护和冗余的硬件设置。如：每台机组安装两个风速仪、两个风向标，每支叶片均有两个检测叶片角度的编码器等。当两传感器中的一个出现故障后，便于采用修改参数容错，使机组恢复运行。
第三，采用软件和硬件容错技术进行产品设计[7]，机组故障停机后，利用容错技术恢复机组运行。
为加强现场管理，弥补现场技术力量薄弱的不足。在完善权限管理及安全管理的基础上，通过互联网或手机APP实现机组的远程故障诊断与容错运行，对偏远陆地，尤其是海上机组具有重要的意义。
1.4 国产主控系统存在的一些问题
目前，国产风电机组主控系统大都采用整机厂家自主开发的PLC主控。硬件普遍采用国外通用PLC工业控制器，如：倍福、西门子、巴赫曼、丹控和横河等。在硬件厂家提供的基础软件上，或利用国外软件公司的通用PLC操作系统，很便捷地进行PLC编程就能开发出风电机组主控系统，省去了主控硬件和基础软件开发。主控开发工作主要就集中在利用通用PLC编程上，仿照成熟专业的主控系统实现机组的基本控制功能；利用最新研究成果，实现机组的“人工智能”和 “超感知”能力，等等。这极大地方便了主控开发，缩短了不断满足业主、电网特殊需求及风电高端产品开发的时间。
然而，我国的风电行业发展较晚，国产主控系统开发更晚，缺乏风电场实践和风电机组的长期运行经验，研发人员不能把更多的机组运行经验和维护维修经验汇集其中。尽管通用PLC工业控制器生产的主控系统，大都能满足机组的控制要求，但是，主控硬件和基础软件都是通用产品，并非专为风电机组设计，不能与风电机组及现场运维的特殊要求很好地契合。与国际知名风电企业的专业风电机组主控系统相比，在重要信息采集与存储；抗干扰能力；报故障准确；现场维修方便；通过主控进行远程故障诊断与处理，以及通过良好的控制策略保护机组关键部件等诸多方面还存在着差距。还不能充分满足风电场机组维修和定期维护的需要。
随着PLC控制器硬件的技术进步，处理能力不断增强，业内普遍对主控控制策略及“智能化”方面关注度较高，把适应电网的“低穿”、“高穿”功能和业主的某些特殊要求放在首位。这也促使了国产机组的主控软硬件不断升级改造，而在风电机组故障处理与机组维护要求方面，往往被忽视或考虑不足。
有的风电场自机组投运以来，已经历了两次、甚至3次的主控系统更换。因业主和电网的特殊要求。国产主控的软件更新更快，同一主控系统其软件版本多种多样，以至于一个风电项目就有一个主控软件版本。这样，无法保证不同风电机组主控参数设置的个性，很能让机组设置到最佳状态。机组运行数据失去了有效性和连续性，不利于对运行机组实施长期的系统分析和现场经验的总结，对主控系统的后期完善也极为不利。
从国产主控开发的现状来看，我国风电企业对专用的风电机组主控硬件开发和专用主控基础软件的研究几乎还是空白，缺乏对风电主控的深入研究。国产主控系统生产厂家还需汲取国外专业主控厂家的先进经验，在机组的长期运行和现场维修维护中，不断地总结经验，生产出适合现场运维的高质量主控。
2利用在线状态监测系统协助现场运维
如今国内对采用状态监测进行故障诊断的研究较多。利用专门的在线检测传感器、主控系统，或SCADA后台软件所采集到的数据，监测传动系统、发电机系统等的内部故障，优化维修策略、减少非计划停机次数和降低机组的运行维护费用等。在线状态监测系统能对系统的各种机械参数和电气参数等进行监测，并将采集到的数据进行分析处理，从而正确定位各系统的故障[8]，及时判断部件存在的问题和隐患。通过油液监测、振动监测、温度监测、应变力监测等。对主轴、齿轮箱、发电机变频器、叶片和螺栓等部件进行监测［9-11］。
风电机组故障原因复杂，故障原因和故障机理之间存在着极大的不确定性，可通过人工智能的方法来诊断机组的故障，因此，故障诊断方法可以分为两大类：基于数学模型的方法；基于人工智能的方法 [12]。还可以利用状态监测进行故障诊断以及风电机组预防性机会维修策略[13]等，在线状态检测系统与现场机组维修与定期维护配合，不断通过现场实践得到验证和经验总结，给现场运维以辅助。
3结语
随着风电技术的进步，机组结构越来越复杂，机型多种多样，现场维修和定期检修所遇到的问题千变万化，随机性很大，也极端复杂。不少问题需要深入现场实际；依据现场的具体情况，具体问题具体分析；根据现场需要和经验，及时收集相关信息。也只有这样，才能使现场问题得到及时、准确、有效地解决，使降低运维成本、提高发电量的具体措施落到实处。主控系统对现场运维有着的重要作用，采取有效措施使国产主控系统更好地满足现场维修和定期维护的需要。实现远程故障诊断与处理，弥补现场技术力量薄弱的不足，达到降低运维成本，提高发电量的目的。
参考文献
[1]王明军.风电机组事故分析及预防的思考. 风能[J].2018(5)：64-68
[2]王明军,江旭.系列风电机组事故分析及防范措施( 四).风能[J].2016(10)：54-57
[3]姚兴佳,潘建等.无人值守并网型30KW 风力发电机组. 农村能源 [J]. 1997(5): 26-30
[4]王明军.风电机组运行及远程故障处理. 风能产业[J].2017(9)：67-72.
[5]王明军.双馈风电机组的转速控制与超速参数设置.风能[J].2019(6)：76-78
[6]邵勤丰,王明军.系列风电机组事故分析及防范措施(六).风能[J].2016(12)：64-67
[7]王明军.风电机组事故处理及容错运行. 风能[J].2018(9)：68-71
[8]胡麟涛.风电机组故障预警方法研究. 华北电力大学[D].2012
[9]王小斌.油液分析技术在机械设备状态监测中的应用分析[J]．煤炭技术，2001，20(9) : 52-53．
[10]操炼.振动信号在船舶设备检验中的应用探讨［D］.上海: 上海海事大学， 2005．
[11]张文秀,武新芳.风电机组状态监测与故障诊断相关技术研究. 电机与控制应用[J].2014, 41( 2):50-56
[12]刘洋,丁云飞.风力发电机典型智能故障诊断方法综述. 上海电机学院学报[L].2017,20(6):353-372
[13]赵洪山,张路朋.基于可靠度的风电机组预防性机会维修策略.中国电机工程学报[J].2014,34(22):3777-3783
原标题:风电运维| 主控系统在风电运维中的重要作用
