风力发电机主控系统状态码设计与应用

2013-10-21徐卫峰郝勇生南京南瑞继保电气有限公司

风机技术 2013年2期

徐卫峰赵刚郝勇生*/南京南瑞继保电气有限公司

0 引言

风力发电近期在国内发展迅猛，出现了多种类型和主控方案的风力发电机组[1]。虽然不同类型的风电机组其控制方式有所不同，但状态监测与故障诊断是监控风机运行的重要内容[2]，均需状态码提供的告警和事件功能。因此，如何高效处理状态码的触发、记录和信息交互已成为风力发电机组主控制系统的重要内容。状态码（Status Code，简称SC）是告警（Alarm）和事件（Event）的集合，包含当前控制系统运行的重要信息，为机组安全提供可靠保证[3]。本文针对状态码的应用，分析了其组成及设计要点，提出一种有效的设计方案，为主控制系统运行、维护及调试提供有效信息。

1 状态码的设计及原理

风力发电机组控制系统的安全可靠性，关系到风力发电机组正常发挥作用和风电场的可靠运行[4]，这依赖于状态码为风机主控系统提供足够必要的信息。同时为满足事故分析的需要，要求状态码触发和返回有较高的时间精度，因而在状态码信息组织及触发处理上要求紧凑、高效。随着机组容量的增大，状态监测、故障诊断优化和改进已成为风力发电亟待解决的重要课题[5]。

1.1 状态码信息

状态码应提供满足实际应用需求的信息，包括触发时间（包含激活和返回两种类型）、所属系统、具体描述、异常停机级别、偏航模式、触发时风机的主要特征数据等。为提供所需的详细信息，可将状态码设计为三部分内容：状态码基本属性、状态码的显示、状态码的记录。

状态码基本属性为状态码的固有属性，为状态码的触发和返回提供必要的数据，包括状态码使能标志、激活标志、重复触发激活标志、索引、描述等，详细内容和说明见表1。其中索引为内部使用的用于识别状态码的属性，对用户而言不可见。组号实际为风力发电机组子工艺系统编号，用户界面显示的时候会转换为系统名。上电抑制延时主要是考虑部分主控制系统的初始化操作需要一定的时间而设置，如果主控系统能确保初始化工作优先完成则可以取消。

表1 状态码基本属性

状态码的显示属性用于监控后台的显示，包括状态码激活时间、索引、描述等，详细内容见表2。激活时间精确到ms，因此主控系统任务周期需确保足够短。显示颜色属性为了便于用户判断当前状态码的状态而设置，具体方案如下：对于SC类型，已激活的状态码且激活条件未复归的显示为红色（表示正在触发），已激活的状态码且激活条件复归的为黄色（表示曾经触发过）；对于OC 类型，已激活的状态码且激活条件未复归的显示为绿色（表示正在触发），已激活的状态码且激活条件复归的为黄色（表示曾经触发过）。

表2 状态码显示属性

状态码的记录属性用于所有触发状态码的记录，包括状态码激活时间、索引、描述以及主要风机特征运行数据等，详细内容和说明见表3。其中“sActionMode”用于区别状态码是激活还是复归，记录复归信息可为后续的故障分析提供有用的参考信息。发电机功率、风速、发电机转速和变桨角度为状态码激活或复归时的数据。

表3 状态码记录属性

1.2 状态码运行原理

状态码运行包括激活、复位、显示信息收集、记录信息的存档四部分内容。各部分内容相对独立，但相互之间信息共享。

状态码的激活受使能信号、上电抑制延时、激活延时的控制。当使能未激活时，会抑制状态码的激活，并清除所有状态。使能激活且控制系统上电一定时间后，如果有状态码触发条件触发，且保持不变一段时间后，则触发状态码，使状态码进入激活状态；如果触发条件的维持时间小于激活延时，则不会触发状态码。状态码的重复触发激活依赖于状态码的激活，通过判断一段时间内的触发次数是否大于设定次数来触发。

状态码的复位分为两种情况：自动模式和手动模式，而且所有的复位仅当触发条件返回时有效。当触发状态码的条件消失后，状态码能自动复位的为自动模式，需运行人员手动复位命令复位的为手动模式。自动模式的状态码触发条件消失，且经一段时间的延迟后自动复位激活状态标志位。手动模式的状态码不受该时间限制，仅受手动复位指令控制。状态码的重复触发激活的复位需通过手动指令复位，与手动模式类似。一般比较严重的告警需设为手动模式，用以提醒运行人员注意。状态码的置位和复位时序参见图1。

图1 状态码激活和复位时序

状态码的显示和记录功能比较类似，区别在于显示所需的关键信息较少，而记录需将状态码触发和返回时的完整信息记录下来。状态码显示仅显示激活时的关键信息，返回时的信息不收集。由于风机主控系统需根据状态码来辅助分析故障发生的原因，对时间精度有较高要求（毫秒级别），而常规由监控后台处理的方式由于与主控制器通信需要时间，且本身监控电脑时间精度无法保证，因而需在较高任务等级的主控制器处理。兆瓦级别的风机约有500条以上状态码，在故障发生时可能有多条触发，但通常开始触发的几条才是异常发生的真正原因，为提高状态码显示处理效率和便于运行快速检索定位，可选取几十条先触发的状态码进行显示。

状态码显示仅显示开始触发的几十条，但这并不表示其余信息没有记录，状态码记录了所有状态码激活、返回的完整信息。由于需记录状态码全部触发信息，考虑到同一状态码可能多次触发，加上状态码记录信息写入磁盘需要时间，因而采用循环队列方式进行数据缓存，队列的大小可以根据总状态码的条目数及磁盘读写速率确定，一般为总条目数的2倍左右。同时为了降低频繁文件操作对主控制系统任务的影响，采用延时策略来实现文件的写入，即当没有新的状态码触发且延时一定时间后才开始文件的写入，一旦计时过程中有新的状态码触发或复归，则自动中止计时。一旦写入文件操作被激活，必须把当前需写入的条目全部完成后方停止，即文件指针与缓存指针相同，如图2。

图2 状态码记录存储

2 状态码应用

状态码除了为运行人员提供当前控制系统关键的告警和事件信息外，还是控制系统运行模式算法的重要组成部分，另外也可为故障发生后的事故分析提供参考。

2.1 状态码与运行模式

风力发电机组主控系统需测试的功能主要有远程通信、桨距控制、温度控制、偏航控制、功率控制、状态转换等[6]。其中状态转换，即风机的运行模式转换，涵盖了从停机状态到并网运行的一系列模式，包括待机、自检、启动、励磁、并网和刹车等，见图3。刹车模式是风机在异常发生时，用以紧急停机的一系列操作。根据异常的等级不同，采取的停机步骤和要求稍有不同，一般至少分为2个等级：一般、紧急，也可以根据需要细分为多个等级。

图3 风机运行模式

正因为异常为状态码的输入条件，状态码激活输出也与刹车模式有着紧密的关联。根据已划分好的刹车等级，将严重程度不同的状态码分别关联，一旦有对应的状态码触发，则立刻进入匹配的刹车模式运行。该过程需遵循以下约束条件：

1）用于保证机组的安全，刹车模式的运行具有最高优先级，只要有匹配的状态码触发，必须可以从任一模式切换到该刹车模式运行；

2）高等级刹车模式具有高优先级，可以中止低优先级刹车模式的运行，即始终保持最高级别的刹车模式得到最先执行；

3）最高级别的刹车模式必须完整执行完成，且满足退出条件后方可返回；

4）高级别刹车模式执行完成返回低一等级的刹车模式，直至无故障时返回待机模式。

2.2 状态码与维护或调试

由于有些状态码的触发和返回没有时间延迟，在调试过程中很多信息从监控画面一闪而过，可能造成信息遗漏，从而影响事故分析和原因判别。而状态码记录则很好的解决了这一问题。状态码记录会记录所有触发的和返回的状态码的所有信息，包括当前风机的主要特征参数，如风速、发电机转速、发电机有功功率以及变桨角度等。

下面就调试过程中的一个实例说明状态码辅助异常原因的分析。在利用风机模型启动风机调试期间，每次运行到励磁转速准备进行励磁时，都会突然停机，而触发停机后转速却未直接下降，一段时间后才因为停机流程而降速。在分析励磁切入相关代码后，并未发现异常，后注意到该过程持续时间不长，可能调试过程中遗漏了什么重要信息，故调用了当时的状态码记录，并查找到一些异常记录，具体内容见“表4 状态码记录表”中标记部分。该部分内容明确给出了在此过程中转速跌落为0 的事实，但很快又返回，因此初步判断可能是转速赋值条件出现了跳变。根据这一原因查询转速赋值条件，发现在励磁切入的时候通过变频器运行信号进行了转速选择，当进入励磁模式时候，转速不再选用转速传感器测量值，而取用变频器测量值，然而变频器测量值由于代码编写遗漏，并没有与实际值进行关联，因而该值始终为0，从而造成一切换转速为0的现象。

表4 状态码记录表

因此对于快速变化的过程，借助于状态码记录功能，能有效的辅助分析异常产生的原因，为寻找解决问题的办法提供有力支持。

2.3 后台通信

状态码系统需提供一种简便的方式将信息提供给运行或维护人员，这涉及到状态码与监控后台的信息交互与展示[7]。但由于状态码属性众多，信息量巨大，将全部信息传送至后台有些不切实际。考虑到监控后台仅提供一个显示和复位状态码的接口，因而这部分内容可以适当简化，即仅提供触发时间及索引号给监控后台。索引号是状态码的唯一标识符，对用户不可见，仅算法内部使用。虽然监控后台只有索引号，后台通过该索引可建立与主控制器一致的状态码属性表。当后台收到状态码触发时间和索引号时，自动查询其系统、描述以及复位等属性，复原完整状态码显示信息。该方式可大大减少通信数据量，为网络稳定性提供了有力支持。