風(fēng)電機(jī)組時(shí)序試驗(yàn)分析*

蘭涌森，陶友傳，歐陽(yáng)海黎，劉杰，余強(qiáng)

（1. 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044；2. 國(guó)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(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用由工業(yè)PC、I/O和現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(dú)立的主站、從站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并具有完整的維護(hù)診斷功能，是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分。正確的時(shí)序分析對(duì)于深入掌握風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性，優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制具有重要意義。以某2MW風(fēng)電機(jī)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(jī)組控制系統(tǒng)由主控塔基柜、變頻器、主控機(jī)艙柜、變槳系統(tǒng)4部分子系統(tǒng)組成，共計(jì)5個(gè)從站、1個(gè)主站，主站位于主控塔基柜內(nèi)。

該風(fēng)電機(jī)組原理論掉電時(shí)序見圖2，原理論上電時(shí)序見圖3。為便于驗(yàn)證分析，對(duì)該2MW風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行掉電、上電試驗(yàn)，測(cè)試驗(yàn)證其相應(yīng)時(shí)序。

1 試驗(yàn)結(jié)果

1.1 掉電試驗(yàn)

從圖2可以看出，若該機(jī)組系統(tǒng)發(fā)生掉電工況，掉電時(shí)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(shí)變槳系統(tǒng)從站通訊丟失，進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。塔基和機(jī)艙的PLC則會(huì)在t0+120s關(guān)閉其后備電源，同時(shí)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(yùn)行，但通訊異常。此掉電時(shí)序下，由于變槳從站先于其他站點(diǎn)失去通訊，主站無法檢測(cè)到變槳通訊存在，必然會(huì)報(bào)出變槳通訊故障。同時(shí)，由于塔基控制柜和機(jī)艙控制柜后備電源的供電關(guān)閉時(shí)間相同，如果由于硬件動(dòng)作時(shí)間差異導(dǎo)致機(jī)艙先掉電，機(jī)艙所有高電平正常，低電平異常類I/0信號(hào)均會(huì)因失電而無高電平輸出，主站檢測(cè)不到此類信號(hào)則報(bào)出故障，如發(fā)電機(jī)保護(hù)類故障、防雷器反饋故障等。

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

為進(jìn)一步驗(yàn)證時(shí)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(shí)間為基準(zhǔn)，將機(jī)艙UPS供電時(shí)間設(shè)置為60s，塔基UPS供電時(shí)間設(shè)置為50s進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)整后該機(jī)組新的掉電時(shí)序如圖4所示。

表1 掉電時(shí)序故障列表

表2 不同時(shí)序掉電故障列表對(duì)比

由表2可以看出，通過設(shè)定UPS持續(xù)時(shí)間重新調(diào)整機(jī)組的掉電時(shí)序后，機(jī)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(yàn)驗(yàn)證，在確保機(jī)組能夠正常地完成停機(jī)動(dòng)作的前提下，通過掉電時(shí)序的調(diào)整優(yōu)化，使機(jī)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(jì)45個(gè)派生故障報(bào)出。

1.2 上電試驗(yàn)

通過對(duì)主控系統(tǒng)進(jìn)行上電啟動(dòng)測(cè)試，得出主控系統(tǒng)PLC的硬件啟動(dòng)時(shí)間在ms級(jí)，但是WinCE系統(tǒng)的啟動(dòng)完成時(shí)間大約在t0+30s～t0+32s之間，TwinCAT的啟動(dòng)完成時(shí)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(dòng)未完成就開始啟動(dòng)，且TwinCAT的啟動(dòng)無顯著特征，現(xiàn)場(chǎng)無法通過測(cè)試得到TwinCAT準(zhǔn)確的啟動(dòng)時(shí)間。通過對(duì)WinCE系統(tǒng)啟動(dòng)過程分析，該系統(tǒng)的基本啟動(dòng)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(dòng)第一個(gè)啟動(dòng)項(xiàng)）→KernelInit函數(shù)→FirstSchedule函數(shù)（界面啟動(dòng)完成）。由于啟動(dòng)項(xiàng)的多少?zèng)Q定了WinCE系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，目前無法明確TwinCAT開始啟動(dòng)的時(shí)間。控制器廠家提供的啟動(dòng)順序如下：

1.控制器上電 ms級(jí)

2.BIOS自檢 2s

3.WinCE系統(tǒng)啟動(dòng)直到完成 10s

4.TwinCAT系統(tǒng)啟動(dòng)直到完成 1s

5.System Manager啟動(dòng)對(duì)PLC硬件完成檢查 ms級(jí)

6.外部IO信號(hào)轉(zhuǎn)換到輸入緩沖區(qū) ms級(jí)

7.輸入緩沖區(qū)映射到PLC的I,Q區(qū) us級(jí)

8.控制器程序順序執(zhí)行 ms級(jí)

按照控制器廠家的啟動(dòng)順序，TwinCAT的啟動(dòng)時(shí)序應(yīng)如圖6所示。

若TwinCAT的啟動(dòng)時(shí)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(shí)序?qū)嶋H是顛倒的。通過現(xiàn)場(chǎng)的觀察，硬件的實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間在ms級(jí)，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(dòng)，控制程序掃描故障信息時(shí)System Manager并未完成對(duì)端口的掃描工作，而System Manager對(duì)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(huì)被判斷為故障，通訊類故障同理。

表3 不同時(shí)序上電故障列表對(duì)比

因此System Manager與控制器程序的時(shí)序應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，TwinCAT實(shí)際啟動(dòng)時(shí)序應(yīng)如圖7所示。對(duì)機(jī)組進(jìn)行上電啟動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)論，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。為了進(jìn)一步測(cè)試System Manager與控制程序啟動(dòng)的實(shí)際時(shí)序差，即t2與t3。對(duì)偏航電機(jī)保護(hù)故障1、2、3、4分別采取1s、3s、5s、7s的延時(shí)處理然后進(jìn)行上電啟動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：延時(shí)1s的偏航電機(jī)1保護(hù)故障每次均報(bào)出；延時(shí)3s的偏航電機(jī)2保護(hù)故障時(shí)報(bào)時(shí)不報(bào)；延時(shí)5s的偏航電機(jī)3保護(hù)故障和延時(shí)7s的偏航電機(jī)4保護(hù)故障均未報(bào)出。因此，可以認(rèn)為t2與t3的時(shí)間差在3s到5s之間。由于保護(hù)類故障的報(bào)出并無實(shí)際意義，可在控制程序中根據(jù)t2與t3的時(shí)序差對(duì)此類故障進(jìn)行延時(shí)處理，確保System Manager對(duì)I/O端口的掃描完成先于控制程序?qū)收系膾呙瑁苊馀缮收系膱?bào)出。調(diào)整時(shí)序后上電故障列表對(duì)比見表3。從表3可以看出，新時(shí)序上電故障中除電網(wǎng)故障和安全鏈故障真實(shí)存在并報(bào)出外，其余保護(hù)類故障均未報(bào)出，共計(jì)減少派生故障40個(gè)，真實(shí)地還原了故障記錄。

2 結(jié)論

本文以某2MW風(fēng)電機(jī)組為例，對(duì)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)掉電、上電時(shí)序進(jìn)行試驗(yàn)分析，采用重新整定系統(tǒng)時(shí)序、增加派生故障觸發(fā)延時(shí)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(shí)故障記錄，有利于正確地分析判斷風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制具有重要的指導(dǎo)作用。

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

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

[3] 張?zhí)斐桑赖戮?分布式專家系統(tǒng)中時(shí)序控制的研究與設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),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(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008（12）:95-98.