风机主控系统调试与分析

王福禄 奚玲玲 孙佳林 上海电气输配电集团技术中心 (200042)

王福禄（1986年～），男，硕士，工程师。主要从事MW级风力发电主控系统的研发工作。

0 引言

2011年中国（不包括台湾地区）新增安装风电机组11 409台，装机容量17 630.9 MW，年同比增长37.1%；累计安装风电机组45 894台，装机容量62 364.2 MW，年同比增长39.4%[1]。伴随着风电产业的高速发展，保障风机快速、稳定、可靠运行发电，风电机组的现场调试与维护成为重要的环节之一。

内蒙古苏尼特风场采用上海电气低温型2MW风力发电机组，该机组为双馈型变速恒频发电机组，主控系统选用自动化领域广泛应用的X20系统，该系统硬件成本较低，支持几乎所有主流现场总线标准，采用高级语言开发，人机界面良好、维护方便、能适应恶劣的环境温度。

1 主控系统介绍

2MW主控系统是自主研发的风机主控系统，采用模块化、高可靠性、高效控制的系统软硬件平台设计。现已大批量生产并广泛应用到各个风场项目之中。

1.1 主控系统构成与功能

风机主控系统是大功率风力发电机组的核心和关键部件。对风机运行状态及各个部件进行实时监控，根据风能的变化调节功率输出，实现在无故障情况下，自动启动、自动对风、自动调速、自动并网发电等正常运行控制，在故障状态下根据故障的严重等级执行不同等级的停机操作，保证风机的安全性。通过与变流器系统和变桨系统通信，控制风机所有设备的启停[2]。风机主控系统与整机的关系如图1所示。

图1 主控系统与整机的关系

该系统具有技术先进、安全可靠性高的特点，通过自动调节，实现最大风能捕捉以及保证有良好的电网兼容性。主要部件分为塔基控制柜和机舱控制柜，如图2所示。1号塔基控制柜位于风机底层，2号机舱控制柜位于风机机舱内。

图2 控制柜

塔底控制柜的主要功能：

（1）运行所有的控制程序，包括数据运算和数据统计功能，发送风机各个设备的启停指令；

（2）实现电网的监控，包括电网电压、电流、频率、功率因数、三相均衡等监控，对过压与欠压、过流与欠流、过频与欠频、功率因数偏离正常值、电压缺相等故障发出报警及停机指令；

（3）通过柜门上的人机界面来实现对风机的各种控制；

（4）实现与机舱柜、变流器、中控室直接的通讯，并支持多种通讯方式。

机舱控制柜的主要功能：

（1）实现对风速、风向、塔筒振动频率、主轴转速、发电机温度、齿轮箱温度、润滑油温度、机舱内温度等各种参数的监控；

（2）控制机舱内加热设备和冷却设备的启停，实现与变桨系统、塔底柜的通讯。

1.2 风电安全系统原理

图3 安全链系统

安全链是基本独立于主控的硬件保护措施，它总是优先于控制系统，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链采用反逻辑设计，将可能对风机造成致命伤害的重要机构部件的控制端串联成一个回路。当回路中任意一个触点发生故障，安全链断开，引起紧急停机，执行机构失电，风机瞬间脱网，从而最大限度地保证风机的安全。

根据GL标准, 风机的安全系统应至少能启用两套相互完全独立的制动系统，而且安全系统应与控制系统完全分开。本风机控制系统选用主CPU安全保护与安全CPU安全保护相结合的方式。主CPU的安全保护为软件级别的安全控制，安全CPU的安全保护为硬件级别的安全控制[2]。

风力发电牵涉到严格的机组安全应用，风机采用安全链设计。风机的安全链设计中可通过安全继电器回路或者集成式的安全模块两种方式来实现，两种模式均各有特点，但集成式的安全系统无疑是未来的趋势[3]。

本主控系统选用的控制器集成安全系统，通过使用专用的集成安全技术，选用安全逻辑扫描周期为ms级的安全控制器。安全链系统设计如图3所示。安全控制器独立于标准控制单元，通过将系统中关键的逻辑如强风、恶劣天气、机组的状态变化如叶轮过速、扭缆、电源失效、制动和操作人员的紧急按钮动作等用黄色的安全I/O输入到系统中，安全控制器作为一个控制节点，只有在安全逻辑对应的I/O动作时，才引发一个安全逻辑的执行过程。

1.3 故障代码分析机制介绍

主控系统采用故障代码分析机制，将风机的故障细分70类故障，1 400多个状态码。风机在运行过程中出现各种各样的故障，不同的故障对风机的影响有轻重之分，故障低的只是给出报警信号，故障高的则给停机信号。当风机运行过程中，在同一时间发生多个故障，那么应根据故障统计结果启动最高的停机程序。

通过位于塔底柜门上的友好的人机界面，可以对风机的各项运行参数进行监控、修改，完成各项调试工作；在界面中还可以查询历史统计、故障记录、故障时刻录波等大量风机运行的详细数据，以便了解、排除故障。

2 主控系统现场调试步骤

本部分的调试主要是指主控系统的调试，以下的调试过程认为变频、变桨、偏航等系统已调试完毕，风机主控系统调试主要为以下几个步骤：

2.1 上电前检查

主要检查控制柜内各个部件是否固定，各设备有无明显损坏，接地线是否可靠连接，内部电源回路是否正确连接，柜内接线是否有松动，检查400V进线的电压及三相是否平衡[4]。如图4所示，控制柜内部件较多，检查时要注意认真、细致，如果发现问题，应参照图样，借助测量工具，对比分析。上电前，还应检查并设置CPU的IP拨码，检查各个节点的拨码，检查通信电缆和光纤的连接。

图4 机舱控制柜内部接线（局部）

2.2 上电后检查

上电后，根据图纸逻辑，逐级、逐个开关合闸，并测量、检查出口端电压。

（1）CPU上电后，需要一段时间启动，通过查看CPU上的状态灯即可判断是否启动完成。

（2）在塔底HMI上，设置风机正确的IP，确定HMI与主控CPU通信正常，并设置CPU时钟。

（3）查看主控系统各个模块是否正常，目测模块上的指示灯是否有红色。

（4）检查HMI主画面，查看主流程、风速风向、温度、主压力是否正常。

（5）检查HMI状态码画面，查看“分类状态码”，根据报出的故障状态码进行排故。

（6）检查HMI状态码画面，查看“模块监控”，检查各模块及通信是否正常。

（7）检查HMI状态码画面，查看“I/O监控”，检查各I/O系统信号是否正确。

（8）检查HMI状态码画面，查看“安全链监控”，检查并测试安全链系统。

（9）经过以上调试，主控系统调试基本完成，可以进行风机的并网、超速等试验。

3 调试故障处理与分析

3.1 主控CPU与HMI通信故障

故障的判定可通过查看在HMI上的用于显示通信状态的“网络”灯。常见的故障原因及解决办法主要有：

（1）未输入正确的风机号

应检查HMI用户登录画面，输入正确的风机号。

（2）主控CPU的IP拨码错误

应检查主控CPU上的IP地址拨码是否正确。

（3）路由器供电异常

路由器供电端子松动，导致路由器未上电，应该查看网络通信头的指示灯，检查用于通信的路由器是否正常供电。

（4）PowerLink通信线损坏或接头基础不牢

插头未插紧而导致连接不上的情况也比较常见，检查用于通信的powerlink线是否完好，插头是否插紧。

（5）IP地址冲突

由于风场风机很多，IP地址拨码时由于误操作会使不同的风机拨了相同的IP，这也会导致通信故障。应断开与中控站的外网通信，如果主控CPU与HMI能连接上，则故障是由于IP冲突引起的。

3.2 塔底主控CPU与机舱控制柜通信故障

判定故障时，通过查看在HMI状态码画面上的“模块监控”栏，可看到机舱所有模块状态为0，即塔底与机舱通信故障，这种情况大多是由于光纤模块通信故障。常见的故障原因及解决办法主要有：

（1）检查用于光纤通信模块HB2881的指示灯是否正常。

通常会发现指示灯显示无通信，这时就要进行接下来的检查。

（2）检查PowerLink站点的拨码是否正确。

（3）检查光纤线是否损坏，光纤头是否接反。

如图5所示，光纤头在连接处由于操作不当易发生损坏，判断光纤线是否正常可使用灯光照射的方法。

（4）检查机舱CPU是否正常工作。

图5 连接塔底与机舱通信的光纤接头

多数情况下，光纤通信故障的原因为通信站点拨码错误和光纤线、光纤头损坏，也有一定的可能是由于机舱用于通信的CPU故障所导致的，需要查看机舱CPU指示灯的状态即可判断。

3.3 主控CPU与变流器系统、变桨系统通信故障

判定故障时，检查主控柜内，查看用于Profibus通信的1061指示灯的error为红色。也可在HMI画面上查看主控与变流器系统和变桨系统的通信状态，以及数据交互的状态。常见的故障原因和解决办法主要有：

（1）Profibus-DP头接触不良。

查看Profibus-DP头是否插紧。

（2）Profibus-DP头拨码开关配置错误。

查看Profibus-DP头的拨码开关是否拨到ON的位置。

（3）Profibus-DP头内部接线错误。

测量Profibus-DP头得终端电阻是否为110欧姆，打开Profibus-DP头查看有无虚接或反接的情况。

（4）从站地址拨码错误

变流器系统、变桨系统作为主控系统的从站，要进行正确的硬件拨码。应检查变流器、变桨系统的从站拨码是否正确。

（5）通信模块故障

大多数情况，通过以上分析即可找到原因，但也有可能是因为模块故障引起的。应检查1061模块是否插紧，更换备件检查模块是否故障。

3.4 安全CPU无法正常启动

判定故障时，安全逻辑控制器无法启动，指示灯显示FAIL。常见的故障原因及故障排除如下：

（1）启动温度过低

检查是否环境温度过低，导致安全CPU无法启动，应关好柜门等待加热到足够的温度。

（2）通信站点拨码错误

检查安全CPU的拨码是否有偏差，应保证拨码正确。

3.5 安全模块丢失

当安全CPU指示灯显示MX灯以固定频率快速闪烁时，表示模块有丢失。模块丢失的原因及解决办法主要有：

（1）检查安全I/O模块的指示灯，尤其检查模块是否插紧，可以将模块拔下来重新插入插槽内。

（2）拨码错误。检查机舱通信节点的拨码是否正确。

（3）模块丢失的原因多为拨码错误和模块未插紧，但也不排除有模块损坏的情况，可以通过更换相邻同型号模块或备件检查模块是否故障。

3.6 安全I/O信号输入输出故障

通过在HMI状态码画面上的“安全链监控”栏，可以查看到所有的安全I/O通道的信号，通过这个画面的显示，检查对应通道的安全链设备是否正常。遇到的故障主要为各个紧停开关信号接反或者未连接。解决故障的方法为查看安全链I/O设备对应的图样，按照图样的逻辑检查接线，排除故障。

3.7 主控CPU指示灯显示异常

当主控CPU状态指示灯R/E灯绿色闪烁时，此状态并非故障状态，这种状态是CPU正常处于读取所有模块的配置文件的更新配置阶段，第一次的更新时间比较长，大约为10min，因此常被误认为CPU故障，等到R/E灯绿色常亮即是更新完毕的正常工作状态。只有更新所有配置后，才能正常对风机进行监控。

3.8 I/O模块故障

I/O模块故障的现象主要有两种：

（1）首先查看模块的指示灯，通常模块故障时指示灯R灯为红色；

（2）有时模块指示灯显示正常，但是传到主控的数据不正确，可以在HMI画面“I/O监控”栏查看相应通道的数据检查，进而在控制柜内找到对应的数据接线，如图6所示为机舱柜数据交互接线端子状况。

图6 机舱柜数据交互端子的接线

当遇到模块故障时，主要的处理方法如下：

（1）检查模块是否松动、未插紧；

（2）检查相邻模块的背板插槽是否紧密连接；

（3）检查端子排的接线是否错误；

更换相邻同型号模块或者备件，检查模块是否损坏。

4 结 语

风机的调试过程中，要做到认真、细致，对各部分的调试不要有漏项，在风机并网前，排除故障，尤其要对安全链系统进行测试。调试过程中出现的问题，大多数是由于通信站点拨码错误、接线错误或接触不良导致的，很少是因为模块损坏的原因，因此排故时首先要考虑拨码和接线的检查。

风机调试过程中，要熟练掌握指示灯的状态，根据模块指示灯的状态分析故障原因，配合使用图样和测量仪表进行排故。进行故障的分析和处理时，要思路清晰，分析故障的原因，从最大的可能原因，按顺序逐步进行排故，做到细致入微，以免因为疏漏造成风机故障。

[1] 中国风能协会.2011年中国风电装机容量统计[M].2012.

[2] 奚玲玲,朱立刚,等.2MW风力发电机组主控制器设计[J].上海电气技术,2010(3).

[3] 宋华振.贝加莱WTC风电主控系统[J].自动化博览,2011(10).

[4] 刘英杰.明阳风力发电机组主控系统调试过程中故障分析与处理[J].电气技术, 2011(3).