关于风电机组通讯故障的探讨

内蒙古龙源蒙东新能源有限公司 吕超超

引言

截至2021年12月底，我国风电装机容量达到3.28亿千瓦，而风电场多建设在人迹罕至的荒郊野岭等环境恶劣的地区，随着风电机组运行年限的增加，各元器件会慢慢出现老化，加上恶劣环境的影响加剧了设备的老化程度，各元器件出现不同程度的磨损，风电机组的故障种类与次数不断增多，故障处理难度也在变大，为保证设备的可靠性，对于人员的技术水平有了更高的要求。

通过对现有的部分风电场进行数据分析，发现在所有类型的故障当中，通讯类故障占比已经达到了20%左右，有些风电场通讯故障占比竟已高达30%，既给维护人员带来大量的劳动量，也严重制约了风电场的经济运营。风电机组通讯类故障存在多种表现形式、多种诱发原因，甚至会出现风电机组不定期报出来故障信息，通过复位即可临时恢复，故障不定期又再次报出，故障频繁发生，这就会出现风电场一些风电机组长期带病运行，始终不能得到根治。

通过对风电场风电机组的故障及运行数据进行分析，发现目前在风电机组所有故障类型中最难处理的当属通讯类故障，如何全面、系统的分析、判断通讯故障产生的原因，已经成为现场迫在眉睫需要解决的问题。

本文将以某风电场某台风电机组通讯故障为例，阐述如何正确使用科学的分析方法快速找到通讯故障点，及时处理通讯类故障，消除设备隐患，提高设备可利用率。

1 背景及故障分析

某风电场某风电机组频繁同时报出通讯故障和安全链故障，据现场检修人员描述，此风机有时报塔底通讯站点诊断故障、有时报塔上通讯站点诊断故障，在报通讯故障时同时也会报安全链故障。

现场检修人员为了排查故障点，先后更换了该台风电机组所有的通讯总线连接器、塔上以及塔下通讯光电转换器、塔上以及塔下通讯光纤、所有安全链卡件、变桨安全链接触器、变桨通讯模块、塔上站点24V供电端子、变频器到主控的通讯模块、变桨电机、变桨电机换向二极管、变桨至主控通讯线，并检查塔上及塔下所有风扇运行情况，将能更换的元器件全部更换但故障仍未解决，之后检修人员将该台风电机组与邻近风电机组互换了塔底通讯站点所有模块，同时为主控PLC重新刷程序，故障仍然存在，这前前后后共花费了1年左右的时间，仍没有解决此问题，该台风电机组还是频繁的报通讯故障。

在处理此故障之前要对该台风电机组的数据进行系统分析。首先该台风电机组同时报通讯故障和安全链故障，那么就要区分出来哪一个故障是主要原因、哪一个故障是次生原因。机组同时报出来通讯故障和安全链故障，是由于安全链通讯回路与机组通讯回路共用机组通讯线，其次对风电机组的通讯回路进行梳理。风电机组的通讯回路如图1所示。

图1中两条紫色的线代表通讯总线，R代表终端电阻，用于消除通讯总线中的反射信号，所有通讯站点通过通讯总线连接到一起。每一个通讯站点内的通讯示意图如果2所示。紫色线同样代表通讯总线，实线框图代表总线耦合器，虚线框图代表I/O模块、安全链模块等，黄色线代表模块之间的通讯总线。当两个站点之间的安全链模块进行通讯时，通讯信息需要经过第一个站点模块之间的通讯总线（黄线）将信息传递给总线耦合器，总线耦合器在经过通讯总线（紫线）找到第二个站点的总线耦合器，最后按照与上述过程相反的方向找到安全链模块，从而建立站点之间安全链模块的通讯，形成了一个完成的安全链通讯回路。

图1 风机通讯图

从上述过程中可以发现，通讯总线是安全链通讯的重要桥梁，其状态将直接影响到安全链的通讯质量，所以当风电机组同时报安全链故障和通讯故障时，故障的根源是通讯问题，此台风电机组的故障亦然。找到了此故障的真正诱发原因，后续开展的检修工作就需要从通讯方向开始排查该台风电机组故障点。

通讯故障又分为通讯干扰和通讯断线，其中通讯干扰问题极为常见、且原因较难分析，问题不容易处理，大大提升了检修工作的难度。通过对历史通讯干扰问题进行总结分析，得出通讯干扰分为通讯耦合磁场干扰、通讯环流干扰、通讯反射波干扰、通讯电平干扰、通讯接地干扰等多种情况，针对不同情形有相应的解决方案；通讯断线问题相对较容易处理，在这里就不做详细阐述。那么在处理风机通讯故障过程中，就要区分机组到底是通讯干扰还是通讯断线，区别方法是：在风电机组并网过程中，使用相应的软件系统查看通讯的重复发包率和丢包率率，如图3所示。

图3中第一列数字非零时表示有重复发包的情况，即通讯回路存在通讯干扰；第二列数字非零时表示有丢包情况发生，即通讯回路存在断线、虚接问题。图3是该台风电机组故障的通讯情况截图，据此可以判断这是一个通讯干扰故障。导致通讯回路出现电磁干扰又可以分为如下三个原因：

图3 重复发率和丢包率

一是通讯回路的终端电阻没有正常投入使用，即总线耦合器上的终端电阻断线、损坏或者是总线耦合器上的开关氧化，致使终端电阻无法投入到电路中，丧失抑制反射波干扰的能力，通讯质量变差、通讯不定期闪断。如图4所示。终端电阻的存在就是为了消除在通信电缆中的信号反射，确保电平快速进入隐性状态，在显性状态期间，总线的寄生电容会被充电，而在恢复到隐性状态时，这些电容需要放电。如果总线之间没有放置任何阻性负载，电容只能通过收发器内部的差分电阻放电[1]，这会极大的影响通讯质量。

图4 终端电阻未投入

二是通讯线的屏蔽线没有接地。在通讯系统中，通讯线的屏蔽接地是抗干扰的一项重要手段，主要是为了抵抗其受到的容性耦合和感性耦合，由于屏蔽层一般是采用多芯屏蔽网或者铝布构成，如果没有接地相当于在通讯电缆外加了一层金属板，增加了耦合量，反而增加了通讯信号的干扰[2]，其过程如图5所示，干扰源通过等效电容影响通讯线的通讯质量。

图2 通讯站点结构

图5 屏蔽线未接地受干扰过程

三是通讯信号由原来差分信号变为非差分信号。差分信号是使用两根信号线传输一路信号，依靠信号间电压差判断电路信号，当受到外界干扰时，两根导线的电压变化幅值相同，在接收端做差值计算的过程中相互抵消了干扰，如图6所示。

图6 差分信号波形示意图

根据现场检修人员反馈，之前处理措施采用了一种不科学的方法处理此故障，即直接更换了该台风电机组所有的通讯总线连接器，甚至与临近的风电机组对调了元器件进行试验，同时也检查了屏蔽线的接地，接地端子处的接地线没有虚接、断线问题。所以故障的根源只能是第3种情况，然而检测通讯信号是否是差分信号，需要使用示波器录制通讯波形，现场没有示波器工具，不具备查看通讯波形的条件，所以未能发现此台风电机组真正的故障原因，导致此台风电机组一直频报通讯故障。

其实导致通讯信号由差分信号变为非差分信号的原因有2种：首先是通讯回路存在接地问题。通讯回路一根通讯线接地拉低了其对地电压，导致接收端的差分放大器收到的差分信号电位在不确定区域，引发通讯故障[1]；其次是通讯总线连接端子内的两个钳位电阻短路或短路，钳位电阻的异常会导致通讯的对地电位发生漂移，影响通讯信号的传输。结合现场已经更换了所有的通讯总线连接端子情况，将故障点锁定通讯接地的问题上，给出现场指导性处理建议，建议全面排查通讯回路接地的情况，包括线路、端子、到相关的元器件等，经过现场检修人员的全面排查，发现是轮毂内的通讯线在防雷通道上发生了错误的接线，导致通讯接地、引发此故障，通过调整接线后故障消除，该台机组再也没有报出此故障信息。

为什么通讯线接错防雷通道会导致通讯接地呢？其实这和防雷模块的内部结构有关，其内部结构实物图如图7所示。从图中可以看出，通讯防雷模块分为两部分，图中左边的短接片接屏蔽层直接与地相连，右边的模块中的A、B通道分别对应接通讯线的两条信号线，如果误将通讯线接到短接片上，就会导致通讯线接地，发生上述故障中的情况。

图7 通讯防雷模块内部结构

2 总结

现场在处理风电机组通讯故障中，除了测量通讯总线连接器和通讯线好坏外，还需要考虑到通讯信号是否是差分信号的问题，差分法作为提高通讯抗干扰能力的重要手段，其在通讯故障处理过程中的作用不容小视。

不但上面提到的几种原因可以导致通讯信号出现问题，现场经常采用的通讯线并联使用的工作方式也会导致其出现故障。通讯线的并联使用从电路角度来看可靠性提高了1倍，但是对于通讯而言，通讯线的分流能力存在差异，导致单组通讯线对外界的电磁场矢量和不是零，两组通讯线相互之间产生电磁干扰，影响通讯质量。现场进行检修作业时更加容易忽略的另一个问题是通讯防雷模块和其他防雷模块间的差异，通讯防雷模块的物理结构在前一部分已经做了相关介绍，这里不再赘述。

总之，在处理通讯问题时，首先要对故障现象、故障数据进行收集，然后开展专项分析，不能盲目的开展检修工作，尤其是采取赌博式的方法去更换备件，既浪费大量的人力物力又不能解决问题，工作效率低下且严重浪费公司的资源。在处理故障时要转变思想，提高故障分析的站位和专业技术水平，使用数据分析等一系列科学技术手段，量化分析通讯故障原因，通过培训平台、仿真软件等去试验，梳理故障处理思路、简化故障处理流程，最便捷、最快速的完成故障处理，既提升人员的综合素质、工作效率，又提高公司的经营能力。