淺談主控對現(xiàn)場運(yùn)維的重要性

文 | 楊學(xué)輝，王明軍，楊曉濤

（作者單位：東方電氣風(fēng)電有限公司）

隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，機(jī)組部件越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，采用了更加完善的保護(hù)和冗余設(shè)計。然而，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不僅提高了機(jī)組生產(chǎn)成本，也會增加部件損壞概率和故障點(diǎn)，使得現(xiàn)場分析與處理故障的難度越來越大，因而，對現(xiàn)場運(yùn)維技術(shù)水平的要求越來越高。

變頻器是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部件，對機(jī)組的安全運(yùn)行起著重要的作用。質(zhì)量優(yōu)異、技術(shù)成熟的變頻器的各種保護(hù)電路也設(shè)計得相當(dāng)完善，但這往往會使變頻器故障維修的技術(shù)難度增大。如現(xiàn)場維修人員技術(shù)水平不夠高，現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，可能因分析和判斷故障機(jī)組困難，造成大量不必要的備件消耗及長時間的大面積停機(jī)。因此，有必要采取有效措施提高機(jī)組的維修效率。

主控在現(xiàn)場機(jī)組的日常維修和定期維護(hù)中起著極其重要的作用。站在機(jī)組維修、維護(hù)的角度進(jìn)行主控設(shè)計，有利于主控準(zhǔn)確地報故障。通過主控收集和存儲現(xiàn)場維修、維護(hù)所需要的信息，有助于現(xiàn)場人員及時準(zhǔn)確地分析、判斷和處理機(jī)組故障。優(yōu)秀的主控配合便于現(xiàn)場指揮的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）軟件以及具有獨(dú)立環(huán)網(wǎng)通信的變頻器，在遠(yuǎn)程控制中心可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的故障診斷與容錯運(yùn)行等，有利于縮短故障處理的時間，彌補(bǔ)現(xiàn)場運(yùn)維技術(shù)水平的不足。

國產(chǎn)主控在支持現(xiàn)場運(yùn)維方面存在的問題

目前，國產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組的主控系統(tǒng)大都采用整機(jī)廠家自主開發(fā)的PLC主控。硬件普遍采用國外通用PLC工業(yè)控制器，如：倍福、西門子、巴赫曼、丹控和橫河等。利用硬件廠家提供的基礎(chǔ)軟件或通用PLC操作系統(tǒng)進(jìn)行PLC編程就能開發(fā)出風(fēng)電機(jī)組主控，省去了主控硬件和基礎(chǔ)軟件的開發(fā)工作。

隨著PLC控制器硬件的技術(shù)進(jìn)步及處理能力的不斷增強(qiáng)，業(yè)內(nèi)普遍對主控的控制策略及“智能化”方面關(guān)注度較高，注重適應(yīng)電網(wǎng)的“低穿”“高穿”功能和滿足業(yè)主的某些特殊要求，這也促使了國產(chǎn)機(jī)組的主控軟、硬件不斷升級改造。有的風(fēng)電場自機(jī)組投運(yùn)以來，已經(jīng)歷了2次、甚至3次的主控硬件的更換或改造。同一種主控的軟件版本多種多樣，以至于一期風(fēng)電項(xiàng)目就有眾多的軟件版本。在機(jī)組運(yùn)行的生命周期內(nèi)對主控硬件進(jìn)行多次更換以及主控軟件不斷升級，就無法保證不同風(fēng)電機(jī)組主控參數(shù)的個性化設(shè)置，難以將機(jī)組設(shè)置到最佳狀態(tài)，還會失去運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效性和連續(xù)性，不利于對運(yùn)行機(jī)組實(shí)施長期的系統(tǒng)分析和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對機(jī)組及主控的完善也極為不利。

從國產(chǎn)主控開發(fā)的現(xiàn)狀來看，我國風(fēng)電企業(yè)對專用的風(fēng)電機(jī)組主控硬件開發(fā)和專用主控基礎(chǔ)軟件的研究幾乎還是空白。國產(chǎn)主控生產(chǎn)廠家還需汲取國外專業(yè)主控廠家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在機(jī)組的長期運(yùn)行和現(xiàn)場維修、維護(hù)中，不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)出適合現(xiàn)場運(yùn)維的高質(zhì)量主控。

主控報故障準(zhǔn)確對機(jī)組維修的重要作用

當(dāng)外部環(huán)境不滿足機(jī)組運(yùn)行條件，或機(jī)組自身出現(xiàn)故障時，運(yùn)行機(jī)組自動報故障停機(jī)。停機(jī)故障信息可通過人機(jī)界面、主控調(diào)試軟件，或SCADA后臺軟件進(jìn)行查看?，F(xiàn)場維修人員主要根據(jù)主控所采集的各種信息分析、判斷和排除機(jī)組故障。如果主控程序設(shè)計不夠完善、停機(jī)邏輯不夠明晰、主控參數(shù)設(shè)置不合理，或主控硬件抗干擾能力弱等都會造成主控報故障不準(zhǔn)確。這不僅會降低利用率和發(fā)電量，增加分析、判斷機(jī)組故障的時間，還會造成部件的錯誤更換，增加備件用量等。因此，主控報故障準(zhǔn)確對故障處理起著重要作用，直接關(guān)系到現(xiàn)場故障處理效率和運(yùn)維成本。

報故障準(zhǔn)確是主控最基本的功能。要實(shí)現(xiàn)這一功能，在開發(fā)時，不僅需要從主控硬件和軟件兩個方面進(jìn)行深入研究，而且還需在機(jī)組的長期運(yùn)行實(shí)踐中對主控進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，開發(fā)出適合風(fēng)電場環(huán)境的高質(zhì)量硬件和軟件的專業(yè)風(fēng)電機(jī)組控制器（主控）。例如：丹麥Mita公司生產(chǎn)的專業(yè)風(fēng)電機(jī)組主控WP3100，其軟、硬件均是專為風(fēng)電機(jī)組開發(fā)，經(jīng)歷了二三十年，幾代技術(shù)人員的不斷更新和完善。從現(xiàn)場故障維修和維護(hù)的角度來看，它是一款成熟、經(jīng)典的專業(yè)風(fēng)電機(jī)組控制器：具有較為完善的遠(yuǎn)程權(quán)限管理；能很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程現(xiàn)場指揮、遠(yuǎn)程故障診斷和機(jī)組容錯運(yùn)行；在進(jìn)行功率和轉(zhuǎn)速控制時，不僅注重機(jī)組效率的提高，還兼顧了保護(hù)機(jī)組重要部件（如：齒輪箱等）、控制穩(wěn)定和葉輪儲能等。該主控及與之配套的SCADA軟件（Gateway后臺軟件），其合理的設(shè)計內(nèi)核和便于現(xiàn)場運(yùn)維的經(jīng)驗(yàn)值得國內(nèi)廠家學(xué)習(xí)和借鑒。

優(yōu)秀的風(fēng)電主控應(yīng)具有適用于風(fēng)電場運(yùn)行環(huán)境的完善硬件設(shè)計。如主控硬件設(shè)計不夠完善，會因外界干擾出現(xiàn)故障誤報停機(jī)。干擾可能來自信號輸入線路、控制器的信號處理、主控電源供電和電網(wǎng)的高次諧波等。例如：某風(fēng)電場因“高穿”改造，將運(yùn)行機(jī)組上的WP3100主控更換為采用通用PLC工業(yè)控制器硬件生產(chǎn)的主控后，報“振動停機(jī)故障”次數(shù)明顯增加。在振動信號輸入端口加裝雷電保護(hù)或磁環(huán)后，機(jī)組報振動停機(jī)狀況得到明顯改善，這說明該P(yáng)LC主控的硬件設(shè)計不夠完善。但是，如果不在同一臺機(jī)組上進(jìn)行這樣的對比，很難鎖定PLC主控是因輸入信號受到外界干擾而誤報振動停機(jī)。當(dāng)沒有查明振動停機(jī)的故障來源時，則可能錯誤地懷疑并更換振動傳感器，懷疑主控與振動傳感器之間的接線與配合、機(jī)組旋轉(zhuǎn)部件以及機(jī)組并網(wǎng)的扭矩控制存在問題，或者錯誤地認(rèn)為是風(fēng)況原因造成了機(jī)組報振動停機(jī)等。這無疑增加了分析和判斷振動故障的難度，同時，也變相增加備件用量和維護(hù)成本，造成不必要的發(fā)電量損失。

再進(jìn)一步分析，從振動輸入信號受干擾可知：該振動信號是數(shù)字信號，進(jìn)入主控的振動輸入端口之前，是采用雙絞線傳輸。雖然輸入信號線外有屏蔽層，并做了良好接地，但是風(fēng)電場的電力環(huán)境惡劣，會由于各種原因受到其他電信號或電磁信號的干擾。而主控與變槳控制器之間的通信，也是采用雙絞線傳輸?shù)臄?shù)字信號，可能在線路上或滑環(huán)旋轉(zhuǎn)處受到外界的干擾。依據(jù)處理振動誤報的經(jīng)驗(yàn)，為避免“變槳通信故障”誤報，也采取了相同的措施，結(jié)果收效明顯?！白儤ㄐ殴收稀钡恼`報問題如不能及時處理，則可能因故障分析和判斷錯誤，造成變槳通信滑環(huán)的大量更換等，從而增加機(jī)組的維修成本和備件用量。因此，從現(xiàn)場運(yùn)維和主控報故障準(zhǔn)確的角度來看，硬件落后的不是WP3100控制器，而是看似“先進(jìn)”的PLC主控。正是通過對采用兩種主控的風(fēng)電場機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況的對比，才迅速找到了PLC主控誤報故障的真實(shí)原因，以及PLC主控在硬件設(shè)計上的缺陷，而其他因主控問題造成的誤報停機(jī)故障就很難查明了。因此，類似國產(chǎn)PLC主控還需要在現(xiàn)場機(jī)組運(yùn)行、維修和維護(hù)的具體實(shí)踐中予以不斷改進(jìn)和完善。

大型風(fēng)電場有眾多的變頻器參與發(fā)電，會產(chǎn)生大量的高次諧波，風(fēng)電場機(jī)組的工作環(huán)境比一般的市電工作環(huán)境惡劣，需要主控硬件具有很高的抗干擾能力。這些采用通用PLC控制器硬件生產(chǎn)的主控，在設(shè)計時如果沒有專門針對風(fēng)電場的惡劣環(huán)境條件予以充分考慮并經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐檢驗(yàn)，當(dāng)運(yùn)用于風(fēng)電場時，難免會出現(xiàn)誤報故障的問題。

主控軟件對停機(jī)故障設(shè)定的控制邏輯關(guān)系到機(jī)組報故障的準(zhǔn)確性。機(jī)組控制參數(shù)設(shè)置不合理，也同樣會影響到報故障的準(zhǔn)確。

主控的數(shù)據(jù)采集與存儲對現(xiàn)場運(yùn)維的重要作用

WP3100主控能完全依據(jù)現(xiàn)場機(jī)組的日常維修和定期維護(hù)需要進(jìn)行信息采集和存儲。因此，盡管主控存儲量極為有限，但對機(jī)組維修、維護(hù)有用的重要信息均能在主控中通過人機(jī)界面查找，或采用該主控的專用調(diào)試軟件讀取。

該主控還通過多種措施保證機(jī)組所有運(yùn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，為及時準(zhǔn)確地了解任何一臺機(jī)組的長期運(yùn)行狀況提供了依據(jù)。在調(diào)試完成以后，機(jī)組進(jìn)入正式并網(wǎng)運(yùn)行時，可通過高級權(quán)限給所有主控數(shù)據(jù)復(fù)位、置零。在主控出現(xiàn)故障需要更換時，首先采用主控調(diào)試軟件下載主控參數(shù)和數(shù)據(jù)，在更換主控或更新、升級主控底層軟件后，再把這臺機(jī)組先前的主控參數(shù)和數(shù)據(jù)上傳，這樣就保證了每一臺機(jī)組參數(shù)設(shè)置的個性和運(yùn)行數(shù)據(jù)的連續(xù)性。另一方面，主控數(shù)據(jù)可通過環(huán)網(wǎng)實(shí)時傳給后臺Gateway軟件，也可以在需要的時候再通過后臺Gateway軟件從主控讀取。例如：20年的機(jī)組故障、可利用率、功率曲線和發(fā)電量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可根據(jù)現(xiàn)場維修與維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)和需要進(jìn)行采集，并將其采用適當(dāng)?shù)姆绞酱鎯υ谥骺刂?，便于查詢和分析機(jī)組故障等，極大地方便了機(jī)組運(yùn)維。將每臺機(jī)組的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分別存儲于各自的主控之中，與僅存儲于后臺相比，大大降低了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。

主控的信息采集與存儲同機(jī)組維修密切相關(guān)。例如：機(jī)組的某個溫度傳感器出現(xiàn)了瞬間跳變，主控會報“溫度傳感器故障”停機(jī)，因在主控中詳細(xì)記載了每一個溫度傳感器近期12個月、一個月、一天之內(nèi)及20年的最高值、最低值和平均值，并且捕捉到毫秒級的故障信息。分析、檢查故障時通過人機(jī)界面、后臺Gateway或主控調(diào)試軟件，檢查到某個溫度傳感器的故障跳變及數(shù)值，可以迅速鎖定“溫度傳感器故障”的來源。再如：在登機(jī)進(jìn)行定檢維護(hù)時，依據(jù)主軸剎車器的維護(hù)記錄，如發(fā)現(xiàn)某機(jī)組主軸剎車片磨損太快，在主控中可迅速查明近期的剎車器動作次數(shù)及機(jī)組維修、維護(hù)所需要的其他故障信息，便于分析和查明磨損太快的原因，還可能發(fā)現(xiàn)先前沒有發(fā)現(xiàn)的問題，或機(jī)組的潛在故障等。

然而，如果以不適當(dāng)?shù)姆绞酱鎯?shù)據(jù)，在登機(jī)檢查故障時就很難查到機(jī)組維修需要的信息，給機(jī)組維修帶來困難。例如：采集和存儲機(jī)組的基礎(chǔ)信息不是通過主控，而是在SCADA后臺軟件中進(jìn)行，當(dāng)在機(jī)艙上進(jìn)行機(jī)組維修和維護(hù)時，就不能便捷地查到機(jī)組信息。還可能因數(shù)據(jù)丟失，或通信中斷，而丟失眾多的“瞬間”信息，無形中增加了故障分析的難度。某些利用通用PLC硬件生產(chǎn)的國產(chǎn)主控，在數(shù)據(jù)采集與存儲上存在先天不足，大量的基礎(chǔ)信息只能在后臺SCADA軟件中存儲。也就是說，每臺機(jī)組詳細(xì)的功率曲線、可利用率和發(fā)電量等信息均只能通過后臺SCADA軟件進(jìn)行采集和存儲。由于在信號傳輸過程中存在數(shù)據(jù)包丟失問題，還可能出現(xiàn)機(jī)組與后臺之間通信中斷的情況，這些致命的缺陷使數(shù)據(jù)的完整性與連續(xù)性大打折扣。因此，時常會出現(xiàn)整個風(fēng)電場的實(shí)際上網(wǎng)發(fā)電量比后臺軟件統(tǒng)計的發(fā)電量還要高的情況，也難以保證機(jī)組可利用率的真實(shí)性和功率曲線的完整性。

機(jī)組遠(yuǎn)程故障診斷與容錯運(yùn)行

適合現(xiàn)場運(yùn)維的主控輔之以優(yōu)秀的SCADA后臺軟件，有助于真正實(shí)現(xiàn)“集中監(jiān)控，區(qū)域維修”，對提高現(xiàn)場運(yùn)維人員的技術(shù)水平，指導(dǎo)和管理現(xiàn)場有著重要的作用。

首先，可以通過主控軟件設(shè)計完善的多級權(quán)限管理程序，在風(fēng)電場的集中監(jiān)控室，或遠(yuǎn)程控制中心對機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、齒輪箱、變槳系統(tǒng)、變頻器和發(fā)電機(jī)等重要部件的遠(yuǎn)程故障診斷和技術(shù)指導(dǎo)。

WP3100主控可通過Gateway后臺軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，具有可設(shè)置為不同狀態(tài)的硬件端口以及大量與機(jī)組故障診斷有關(guān)的可修改參數(shù)，極大地方便了遠(yuǎn)程及現(xiàn)場的故障診斷。例如，判斷機(jī)組的“異常振動”是否與并網(wǎng)有關(guān)。故障檢查時，需要暫時甩開變頻器，讓機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)運(yùn)行。對于WP3100主控，只需修改相關(guān)參數(shù)，改變相應(yīng)的主控硬件端口狀態(tài)，屏蔽相關(guān)狀態(tài)碼，就能實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)組空轉(zhuǎn)運(yùn)行，很容易判斷出機(jī)組振動是否與并網(wǎng)加載有關(guān)，便于遠(yuǎn)程故障檢查和判斷。

其次，在滿足機(jī)組及部件安全的條件下，通過主控參數(shù)修改、故障屏蔽和容錯技術(shù)等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮、技術(shù)指導(dǎo)、故障診斷與容錯運(yùn)行的必要條件如下：

第一，在進(jìn)行主控、SCADA后臺軟件和變頻器設(shè)計時，需考慮遠(yuǎn)程故障診斷與處理、主控與變頻器的環(huán)網(wǎng)通信及網(wǎng)絡(luò)安全等。

通過VPN登錄，開發(fā)專用的主控基礎(chǔ)軟件，給后臺SCADA軟件增加加密狗等安全措施，以保證網(wǎng)絡(luò)安全，避免黑客攻擊，并符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定；主控有完善的登錄權(quán)限設(shè)置，實(shí)現(xiàn)多級權(quán)限管理；通過遠(yuǎn)程操控主控輸入輸出端口的狀態(tài)，修改參數(shù)和屏蔽故障；在SCADA后臺軟件上，設(shè)計有便于指揮現(xiàn)場、修改參數(shù)和容錯運(yùn)行的操作界面；變頻器應(yīng)具有與環(huán)網(wǎng)通信相配套的軟硬件接口，在集控室，或遠(yuǎn)程控制中心，能通過變頻器調(diào)試軟件實(shí)現(xiàn)對變頻器的遠(yuǎn)程操控，查看故障、勵磁和并網(wǎng)等。

第二，在產(chǎn)品設(shè)計上，采用冗余設(shè)計，保證充分的設(shè)計余量。

在設(shè)計時，機(jī)組應(yīng)有多重保護(hù)和冗余的硬件設(shè)置。如：每臺機(jī)組安裝兩個風(fēng)速儀、兩個風(fēng)向標(biāo)，每支葉片均有兩個檢測葉片角度的編碼器等。

第三，采用軟件和硬件容錯技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，機(jī)組因故障停機(jī)后，利用容錯技術(shù)恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行。

為加強(qiáng)現(xiàn)場管理，彌補(bǔ)現(xiàn)場技術(shù)力量薄弱的不足，通過互聯(lián)網(wǎng)或手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)機(jī)組的遠(yuǎn)程故障診斷與容錯運(yùn)行，對偏遠(yuǎn)地區(qū)，尤其是海上風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)具有重要的意義。

結(jié)語

當(dāng)前，風(fēng)電行業(yè)需要采取有效措施使國產(chǎn)主控更好地滿足現(xiàn)場維修和定期維護(hù)的需要，提高現(xiàn)場人員處理故障的效率和消除機(jī)組潛在故障的能力?，F(xiàn)場問題千變?nèi)f化、極其復(fù)雜，在機(jī)組出現(xiàn)故障停機(jī)不能及時登機(jī)處理的情況下，必要時可通過遠(yuǎn)程故障處理與容錯運(yùn)行，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性與發(fā)電量；當(dāng)現(xiàn)場人員遇到疑難故障時，可通過遠(yuǎn)程故障診斷獲得現(xiàn)場指導(dǎo)，使現(xiàn)場問題得到及時、準(zhǔn)確、有效地解決，最終達(dá)到降低風(fēng)電場度電成本的目的。