風(fēng)電機組時序試驗分析*

蘭涌森，陶友傳，歐陽海黎，劉杰，余強

（1. 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044；2. 國家海上風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，重慶 401122）

0 引言

在大型風(fēng)電機組系統(tǒng)設(shè)計中，一般采用由工業(yè)PC、I/O和現(xiàn)場總線組件等集合而成的模塊化分布式控制系統(tǒng)，以滿足風(fēng)電機組的控制需求。此類模塊化控制系統(tǒng)一般安裝于變槳、變頻、主控等電控柜中，組成獨立的主站、從站，實時監(jiān)測、控制風(fēng)電機組的運行狀態(tài)，并具有完整的維護(hù)診斷功能，是風(fēng)電機組的重要組成部分。正確的時序分析對于深入掌握風(fēng)電機組運行特性，優(yōu)化風(fēng)電機組運行控制具有重要意義。以某2MW風(fēng)電機組為例，其分布式控制系統(tǒng)通訊拓?fù)鋱D見圖1。

可見，該風(fēng)電機組控制系統(tǒng)由主控塔基柜、變頻器、主控機艙柜、變槳系統(tǒng)4部分子系統(tǒng)組成，共計5個從站、1個主站，主站位于主控塔基柜內(nèi)。

該風(fēng)電機組原理論掉電時序見圖2，原理論上電時序見圖3。為便于驗證分析，對該2MW風(fēng)電機組進(jìn)行掉電、上電試驗，測試驗證其相應(yīng)時序。

1 試驗結(jié)果

1.1 掉電試驗

從圖2可以看出，若該機組系統(tǒng)發(fā)生掉電工況，掉電時間標(biāo)記為t0，變槳系統(tǒng)將在t0+5s斷開變槳系統(tǒng)安全鏈，在t0+60s關(guān)閉后備電源，同時變槳系統(tǒng)從站通訊丟失，進(jìn)入停機狀態(tài)。塔基和機艙的PLC則會在t0+120s關(guān)閉其后備電源，同時通訊丟失。變頻器由于專用UPS可提供20min的輔助供電，系統(tǒng)保持運行，但通訊異常。此掉電時序下，由于變槳從站先于其他站點失去通訊，主站無法檢測到變槳通訊存在，必然會報出變槳通訊故障。同時，由于塔基控制柜和機艙控制柜后備電源的供電關(guān)閉時間相同，如果由于硬件動作時間差異導(dǎo)致機艙先掉電，機艙所有高電平正常，低電平異常類I/0信號均會因失電而無高電平輸出，主站檢測不到此類信號則報出故障，如發(fā)電機保護(hù)類故障、防雷器反饋故障等。

為驗證以上分析，將機艙UPS掉電延時時間設(shè)置為60s，塔基UPS掉電延時時間設(shè)置為80s，進(jìn)行掉電試驗并通過監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控記錄。對表1進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，掉電過程所報故障類別主要分為五類：變槳系統(tǒng)掉電必報故障、電網(wǎng)類故障、安全鏈故障、保護(hù)類故障和通訊類故障。變槳系統(tǒng)掉電必報故障是系統(tǒng)安全設(shè)計，電網(wǎng)類故障則為實際故障；而保護(hù)類故障和通訊類故障實際并未發(fā)生，屬于掉電過程系統(tǒng)派生故障，是沒有實際意義的，不應(yīng)該報出。

為進(jìn)一步驗證時序的合理調(diào)整可以避免派生故障的產(chǎn)生，以變槳系統(tǒng)掉電時間為基準(zhǔn)，將機艙UPS供電時間設(shè)置為60s，塔基UPS供電時間設(shè)置為50s進(jìn)行試驗，調(diào)整后該機組新的掉電時序如圖4所示。

表1 掉電時序故障列表

表2 不同時序掉電故障列表對比

由表2可以看出，通過設(shè)定UPS持續(xù)時間重新調(diào)整機組的掉電時序后，機組掉電故障列表中不再有保護(hù)類故障和通訊類故障。經(jīng)過多次重復(fù)試驗驗證，在確保機組能夠正常地完成停機動作的前提下，通過掉電時序的調(diào)整優(yōu)化，使機組主控PC在子系統(tǒng)掉電前關(guān)閉，可以避免通訊類和保護(hù)類共計45個派生故障報出。

1.2 上電試驗

通過對主控系統(tǒng)進(jìn)行上電啟動測試，得出主控系統(tǒng)PLC的硬件啟動時間在ms級，但是WinCE系統(tǒng)的啟動完成時間大約在t0+30s～t0+32s之間，TwinCAT的啟動完成時間大約在t0+40s～t0+48s之間，詳細(xì)結(jié)果見圖5。

由于TwinCAT是在WinCE啟動未完成就開始啟動，且TwinCAT的啟動無顯著特征，現(xiàn)場無法通過測試得到TwinCAT準(zhǔn)確的啟動時間。通過對WinCE系統(tǒng)啟動過程分析，該系統(tǒng)的基本啟動順序如下：調(diào)用Startu函數(shù)→OALStartUp函數(shù)→KernelStart函數(shù)→ARMInit函數(shù)→NKStartup函數(shù)→KernelSstart函數(shù)（此函數(shù)調(diào)用完成即開始啟動第一個啟動項）→KernelInit函數(shù)→FirstSchedule函數(shù)（界面啟動完成）。由于啟動項的多少決定了WinCE系統(tǒng)的啟動時間，目前無法明確TwinCAT開始啟動的時間?？刂破鲝S家提供的啟動順序如下：

1.控制器上電 ms級

2.BIOS自檢 2s

3.WinCE系統(tǒng)啟動直到完成 10s

4.TwinCAT系統(tǒng)啟動直到完成 1s

5.System Manager啟動對PLC硬件完成檢查 ms級

6.外部IO信號轉(zhuǎn)換到輸入緩沖區(qū) ms級

7.輸入緩沖區(qū)映射到PLC的I,Q區(qū) us級

8.控制器程序順序執(zhí)行 ms級

按照控制器廠家的啟動順序，TwinCAT的啟動時序應(yīng)如圖6所示。

若TwinCAT的啟動時序同控制器廠家的數(shù)據(jù)一致，則不應(yīng)出現(xiàn)上電派生故障。那么原因可能有兩種：通訊問題或者System Manager與控制程序的時序?qū)嶋H是顛倒的。通過現(xiàn)場的觀察，硬件的實際啟動時間在ms級，通訊模塊也在2s內(nèi)恢復(fù)正常，通訊問題可排除。System Manager的功能是配置組態(tài)、掃描端口，若控制程序比System Manager先完成啟動，控制程序掃描故障信息時System Manager并未完成對端口的掃描工作，而System Manager對I/O端口的默認(rèn)值為FLASE,則高電平正常低電平故障的I/O端口均會被判斷為故障，通訊類故障同理。

表3 不同時序上電故障列表對比

因此System Manager與控制器程序的時序應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，TwinCAT實際啟動時序應(yīng)如圖7所示。對機組進(jìn)行上電啟動試驗驗證分析結(jié)論，試驗結(jié)果如表3所示。為了進(jìn)一步測試System Manager與控制程序啟動的實際時序差，即t2與t3。對偏航電機保護(hù)故障1、2、3、4分別采取1s、3s、5s、7s的延時處理然后進(jìn)行上電啟動測試。測試結(jié)果表明：延時1s的偏航電機1保護(hù)故障每次均報出；延時3s的偏航電機2保護(hù)故障時報時不報；延時5s的偏航電機3保護(hù)故障和延時7s的偏航電機4保護(hù)故障均未報出。因此，可以認(rèn)為t2與t3的時間差在3s到5s之間。由于保護(hù)類故障的報出并無實際意義，可在控制程序中根據(jù)t2與t3的時序差對此類故障進(jìn)行延時處理，確保System Manager對I/O端口的掃描完成先于控制程序?qū)收系膾呙?，避免派生故障的報出。調(diào)整時序后上電故障列表對比見表3。從表3可以看出，新時序上電故障中除電網(wǎng)故障和安全鏈故障真實存在并報出外，其余保護(hù)類故障均未報出，共計減少派生故障40個，真實地還原了故障記錄。

2 結(jié)論

本文以某2MW風(fēng)電機組為例，對風(fēng)電機組系統(tǒng)掉電、上電時序進(jìn)行試驗分析，采用重新整定系統(tǒng)時序、增加派生故障觸發(fā)延時等方法消除由電網(wǎng)掉電、上電等因素導(dǎo)致的派生故障。結(jié)果表明：本文方法能有效消除派生故障，還原真實故障記錄，有利于正確地分析判斷風(fēng)電機組運行狀態(tài)，對優(yōu)化風(fēng)電機組運行控制具有重要的指導(dǎo)作用。

[1] 德國倍福電器有限公司.TwinCAT PLC編程手冊[Z].北京:德國倍福電器有限公司北京代表處,2007.

[2] 德國倍福電器有限公司.德國倍福產(chǎn)品選型手冊[Z].北京:德國倍福電器有限公司北京代表處,2008.

[3] 張?zhí)斐?，岳德?分布式專家系統(tǒng)中時序控制的研究與設(shè)計[J].微電子學(xué)與計算機,2007,24(10):178-180.

[4] 陳志軍,徐東進(jìn).基于TwinCAT的PLC水源地遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008（12）:95-98.