MW级风力发电机故障诊断系统

范国全，胡 刚，马学亮，张 博

（1.华电小草湖风力发电公司，新疆 吐鲁番838000；2.广东明阳风电产业集团，广东 中山528437）

随着可再生能源行业的发展，风能的开发利用越来越受到重视。由于风力发电机长期在恶劣的工况下运行，其安全控制显得尤为重要。独立可靠地安全链系统是每个MW级风力发电机主控系统必备的。安全链系统的软硬件都必须采取简单可靠的模块来保证风力发电机的整体安全［1］。

在当前风力发电机故障诊断中，维修人员、专家的经验和专业知识在故障诊断和维修过程中仍起着重要的作用。但是现场维修人员的专业知识及能力参差不齐，导致维护效率和质量不能够得到保证。本文介绍的故障树诊断系统可以有效地帮助维护人员准确定位故障，提高风力发电机的可靠性和可利用率。

风力发电机系统结构复杂，故障隐蔽性强、因果关系复杂、易受随机性因素影响，故障诊断难度大。利用故障树分析法对风力发电机的典型故障进行分析研究，建造故障树，从而可以看出事件的前因与形成过程，方便地发现潜在问题，有利于风力发电机系统故障的预防、预测和控制。

1 风力发电机安全链系统

风力发电机的安全链系统是失效－安全控制模式。由于安全链的存在，保证了风机处于异常状况下的安全。本文采用的是西门子分布式故障安全系统。为了保证安全链系统软件和硬件上的安全，系统选用西门子专用的安全PLC和专门的安全链硬件模块。

如图1所示，故障系统采用安全PLC和P320双CPU工作模式，二者共享总线，但是安全链所有的工作都交给安全PLC来处理，安全PLC和P320之间仅仅有数据传输，从而消除了P320中主控程序编写错误导致的软件不安全［2］。安全链系统的软件编程采用的是西门子成熟的模块化软件。

图1 风机故障系统总体架构

安全链中的输入触点为：

（1）塔基的紧急停机按钮。（2）机舱紧急停机按钮。（3）轮毂紧急停机按钮。（4）机舱振动开关。（5）变频柜熔丝开关。（6）并网断路器脱扣信号。（7）PLC急停信号。（8）偏航扭缆触发。（9）振动传感器触发。如果安全链断开，则安全模块中DO模块对应的继电器释放。风机将停止偏航和紧急顺桨，保证风机的安全。

安全链故障必须手动就地复位，不可以远程复位，防止软件误操作。本文中安全链程序结构如图2所示。

图2 安全链程序结构

首先 OB1，OB35，OB82，OB83，OB86是一个等级，OB1主程序扫描和处理与P320的通讯。OB35，OB82，0B83，OB86作为中断，发生时按照优先级高低进行处理。

在OB35中调用FC1，FC1是用来从标准用户程序调用F运行组的F块。FC1展开后看见的所有块都是属于该运行组。其中FB1块展开的是用户自己写或者调用的块，其他的都是系统块。因此安全链程序只有FB1块是自己写的，其他的都是调用的。

OB82，OB83，OB86都是诊断组织块。OB82是诊断故障组织块，OB83是诊断插拔组织块，OB86是机架故障组织块，这些程序都不需要自己编写，只需要进行一些简单的配置就可以自动生成。

在安全链系统的建立过程中，硬件采用的是专用的安全模块以及安全CPU，软件采用的西门子模块化安全组件，减少了人为的软件错误。从软硬件上保证了安全链的真正安全。

2 故障树分析法

故障树分析方法是一种安全可靠的分析技术，也是目前故障诊断中应用较多的方法之一，它建立在对系统的故障经验库基础上，采用逆向推理，将系统级的故障现象（顶事件）与最基本的故障原因（底事件）之间的内在关系表示成树形的网络图，各层事件之间通过“与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑关系相关联［3］。

风力发电机是一个集机、电、液于一体的复杂系统，该系统包括：发电机子系统、液压子系统、电气子系统、冷却子系统、机械子系统、附属子系统。由于系统复杂，因此对其故障的定位准确度要求很高。一个系统部件的不正常可能引起多个检测参数的异常响应，而一个系统参数的不正常或系统的失效可能由多个系统部件的损坏造成。故障树分析法是一种安全可靠的分析技术，本文通过故障树诊断和专家系统相结合，通过故障树定位故障源，通过专家系统给出诊断建议。

3 风机故障树的结构与软件实现

风机故障诊断系统是一个相当复杂的系统，所以将其分解为很多独立的子系统。具体包括机舱系统、变频器系统、轮毂系统、液压系统、主轴转速系统、安全链系统、停机系统、机顶柜系统和空开电源系统，如图3所示。

图3 风力发电机故障树系统

每一个子系统又可以分成若干小系统，每个小系统又有若干类似事件组成，最下层是每个故障的底事件。

本文将整个故障树系统分为四层，如图3所示。顶层为风机故障这个逻辑事件，第二层为各子系统故障，第三层为相似事件的小系统，第四层为造成故障的底事件。

通过对整个风机故障的分析，本文建立起完整的风机故障树。从而可以快速找出故障发生的原因，有效预防事故的扩大化。

有了故障树，维修人员可以在故障尚未发生的时候就处理预警［4］。例如对于风机主轴轴承过温损坏，可以检测主轴温度，当温度达到70℃时预警，监控人员可以在风小的时候检修，排除隐患，保证风机的可利用率。

按照故障树的分析，根据专家经验，将故障分为三等。等级三为紧急故障，对风机可能造成毁灭性伤害；等级二为重要故障，对风机可能造成较大损失；等级一为普通故障，需要停机检修。对于不同等级的故障，本文采取不同的故障处理方法。对于等级三的紧急故障，动用蓄能器进行紧急停机，同时偏航停止；等级二的故障采用快速停机；等级一的故障采用普通停机。这样既保证风机的绝对安全，又能够尽可能减少维护时间，提高风机可利用率。

为了提高故障处理的自动化程度，本文根据故障树，对各个底事件进行监测和分析。通过专家经验，在软件逻辑上将故障树系统表现为人机界面上的故障代码。例如故障代码“01 10 04”，“01”为主编号，通常代表一个部分；“10”是分组编号，代表一组近似故障；“04”是具体故障号。故障编号将原来四层的故障树简化为三层，通过对故障树的分析，给每个底事件一个有固定含义的故障代码。这样，专家通过故障树诊断故障的经验就转化为故障代码和对应的故障说明。

故障代码的生成包括以下步骤：

（1）在程序初始化过程中，按照故障代码的前两位设置故障的故障等级，故障延迟时间和是否禁止自动重启等。

（2）每个程序循环周期都扫描故障诊断相关I／O点，如果循环到有故障存在而且持续时间达到设定值，软件系统就将该故障对应的故障代码计算出来（每一个底事件故障代码的后四位也是固定的）。这些故障代码只有在故障源消失而且复位有效的时候才会消失（安全链故障还需要就地复位）。

（3）判断故障等级，并将所有的故障代码存储到故障数组中。具体流程图如图4所示。

当发生故障时候，最终在人机界面上显示的故障如图5所示，点开每一个子系统的故障栏，就可以得到具体的故障底事件。在故障树和专家知识基础上的编程可以非常准确定位出故障位置。

图4 风机故障链程序结构

图5 风机故障界面

4 结 论

本文完整地介绍MW级风力发电机故障诊断系统，介绍了基于故障树和专家经验的故障诊断软件，针对风力发电机恶劣的工作环境，本文采用西门子分布式安全解决方案建立了安全链系统。这套系统目前已经成功应用于生产实践，取得了良好效果，既保证了风机的安全，又节省了诊断时间，减少了不必要的拆卸，提高了风机的可利用率，具有很好的经济效益和应用价值。

［1］ 徐兴康，朱 蕴，季新育.MW级风机独立安全链中基于FPGA的超速保护设计与实现［J］.电气自动化，2011，29（3）：50－52.

［2］ 李 佳.工业中的故障安全应用及西门子故障安全解决方案［J］.自动化博览，2009，7：44－46.

［3］ 吴欠欠，王 直，东 贺.故障树分析法在船舶柴油机故障诊断中的应用研究［J］.机械设计与制造，2009，（1）：77－78.

［4］ 王世明.故障树分析法在工程机械发动机故障诊断中的应用［J］.机床与液压，2007，35（9）：251－253.