風機控制系統首出故障記錄功能的設計及實現

朱　蓮，紀國瑞，馮　健，代海濤,劉　昊，吉國華，李永戰，韓文濤，劉家軍，郎立慧0

(1,2,3,4.5,6,7,8.國電聯合動力技術有限公司研發中心，北京 100039；

9.北京國電思達工程服務中心華東區白巖山現場，浙江 寧波 315131；

10.國電電力鄞州白巖/奉化牛角風電場，浙江 寧波 315131)

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風機控制系統首出故障記錄功能的設計及實現

朱蓮1，紀國瑞2，馮健3，代海濤4,劉昊5，吉國華6，李永戰7，韓文濤8，劉家軍9，郎立慧10

(1,2,3,4.5,6,7,8.國電聯合動力技術有限公司研發中心，北京 100039；

9.北京國電思達工程服務中心華東區白巖山現場，浙江 寧波 315131；

10.國電電力鄞州白巖/奉化牛角風電場，浙江 寧波 315131)

摘要：首出故障(Sequence Of Event)常用于火電或者核電控制系統設計中，在系統發生故障時，DCS系統的首出故障記錄系統可以在眾多先發和后發故障中準確而及時地判斷出引起停機的原因，并提供給電廠運維人員。近幾年，隨著風電機組的大量投入，越來越多的火電系統的電廠運維人員轉而維護風電場，他們不約而同地提出了希望有風電系統的首出故障記錄。和火電機組具有長期的國內技術積累與消化不同，近幾年風機的大力發展下，風機主控系統整體設計絕大多數是由國外引進國內根據風場參數自行消化吸收，并無首出故障記錄的概念與裝置。針對這一點，文中對風機控制系統首出故障記錄功能進行了功能需求和分析以及方案設計，分別提出了硬件和軟件設計方案，并選取其中一種方案并加以實施，2015年3月在國電電力寧波白巖山風場上進行了充分測試，取得了雙方認可的效果，現該功能已在聯合動力所有風機上得以推廣。

關鍵詞：風機控制系統；首出故障記錄,SOE

0引言

隨著風電機組日趨規模化和復雜化，生產過程信息瞬間千變萬化。當機組發生故障時，業主需要查找出真實原因，并采取相應措施，這時就需要對事件進行追憶。而風電的SCADA系統的歷史數據記錄只能做到秒級的分辨率，當事件發生后，往往同一秒內出現的信息很多，且不能分出先后順序，這就給事故分析造成了很大的困擾。

以火電DCS系統事故追憶為例，通常采取專用的SOE卡件，所有的SOE卡件的輸入點是由熱工基于硬接線數字量輸入DI點，這些DI點包含時間標簽，時間的分辨率是毫秒級，當發生停機故障時，SOE卡件記錄故障發生時間并以內部總線的形式傳給DCS控制器，再由DCS組態邏輯和畫面的共同作用下在DCS監控畫面上顯示出首出故障。該功能為熱工和電氣設備事故分析提供了有力的證據。可以說SOE是電廠重要的運行狀態監測、記錄、事故分析用設備[1-3]。

風電系統為實現首出故障，也設計了能夠正確識別、記錄、分析首出的功能。

1風機首出故障的特點

首出故障概念最先見于火電控制系統，風機控制系統的首出故障概念并未如火電一樣普及，風機運維分析首出故障的原因的方法與火電完全不同，見表1。表1

數據參數

如上表1所示，首出故障常用于火電控制系統，DCS主控程序執行周期為1~200 ms之間(根據系統大小來設定，通常為1 s)，主控系統SOE卡，事件分辨率小于等于1 ms，以國內某廠家DCS卡件為例，SOE卡件的事件分辨率為0.5 ms；;故障由專用SOE卡記錄，控制器讀取卡件的狀態以及時間。

DCS主控程序執行周期為1~200 ms之間(根據系統大小來設定，通常為1 s)，主控系統SOE卡，事件分辨率小于等于1 ms，以國內某廠家DCS卡件為例，SOE卡件的事件分辨率為0.5 ms；故障由卡件來自行記錄，控制器讀取卡件的狀態以及時間。

圖1

圖1所示為DCS系統的首出故障記錄邏輯，與火電不同，風機的緊急停機原因多由輸入的模擬量或數字量經的邏輯變化而觸發，且風電并沒有單獨的SOE卡件，因此需要解決的是如何將停機時刻風機的首出故障記錄準確并顯示給電廠工作人員。

2風電首出故障記錄功能設計要求和目標

如上所述，風電首出故障記錄功能的要求及目標如下：

(1)首出故障必須覆蓋風機邏輯上所有引起停機的原因。

(2)為保證分辨率，首出故障記錄的時間顆粒度足夠小。

(3)首出故障記錄必須能夠準確地記錄引起停機的第一批故障，因為第一批故障引起的連帶故障不再記錄。

(4)首出故障記錄功能必須得到業主認可。

3風電首出故障記錄的實現方案

3.1硬件方案

如表1，與火電首出故障相比，風電的首出故障覆蓋全部故障原因，且因風電控制系統50%以上的外部變量點是模擬量的通訊點，如果使用同火電一樣功能的具有SOE功能的硬件卡件，則需要該卡件具有獨立分析計算能力，根據麥奎斯特原理，該卡件程序運行速度至少要是主控程序運行速度的兩倍以上，變槳變頻器通訊點也需要該種類型的卡件，為了主控程序的安全性考慮，勢必要增加一套全新的運算速度更快的控制系統，變槳、變頻器控制系統也同理，因此主控系統(含變槳、變頻器系統)的成本大大增加；而且這種配置對于二級供貨商來說屬于定制產品，研發和維護成本也很高，因此該方案從性價比來講，暫時不采用。

3.2軟件方案

圖2

如圖2所示，軟件方案實現記錄首出故障的方案是，在主控停機時刻記錄首出故障，該故障以字符數組編碼的形式存儲在一個首出變量中，由SCADA系統定時采集并解碼，并顯示在用戶界面。首出故障(簡稱SOE)記錄的功能如圖3所示。

圖3

如圖3流程圖所示，首出故障具有如下功能

(1)風機故障停機時，記錄風機發生故障時刻(風機一個運行周期)，后續故障不再記錄，故障一直保持，首出功能禁止。

(2)當故障排除時，該故障記錄功能由SCADA系統遠方或風機就地復位，恢復記錄新首出的功能。

(3)如果當前風機故障排除，恢復正常運行狀態卻一直未被復位，則過2 S之后自動恢復記錄新首出的功能。

(4)故障以數組形式記錄，該數組每一個元素對應一個編碼，傳給SCADA之后，由SCADA根據相互規約的碼表將首出故障原因解析出來，并根據用戶需求顯示在用戶界面中。

4風電首出故障記錄功能在風場的應用及驗證

根據如上軟件設計方案，聯合動力開發了首出故障記錄功能，并于2015年3月在寧波白巖山奉化牛角風電場進行了2 MW風機平臺的首出故障記錄功能的測試，測試的風機是該風場13#風機，現場測試人員為聯合動力風電研發中心控制所、國電思達工程服務中心華東區白巖山現場、白巖山風場工程師三方。監控室人員負責監測在SCADA方觀測到的情況。

圖4

圖5

圖6

下圖是風機正常運行情況下，人為制造了連續兩個故障，一個是手動拍急停，一個是變頻器通訊故障后數據每隔10 ms進行關鍵數據記錄，從下圖可看出，首出故障記錄功能能夠記錄下當前故障代碼，后續的故障不再記錄，直到故障復位后，才重新開始首出故障記錄功能。由上圖分析可以明顯看出，測試中的首出故障記錄功能能夠達到預期設計要求。該故障代碼經過內部解碼以編碼的形式將故障傳輸給SCADA系統，SCADA系統解析后將故障首出以英文全稱的形式顯示出來。現場可見，在風場SCADA處可觀測到，故障首出分別為手動拍急停和變頻器通訊故障。

5結束語

文中基于風力發電機組首出故障記錄功能的需求, 給出了硬件和軟件上實現的風電機組的首出故障記錄的方法。基于成本、研發時間、后期維護資源的最優采用了”軟首出”，并開發了相關代碼，該實施方案在白巖山風場進行了充分測試。經現場驗證，能夠滿足業主對首出故障記錄功能的需要,值得一提的是，由于風電的首出故障原因與火電不同，前者首出原因100%覆蓋了所有停機邏輯，而后者是5%；因此，不可避免地在某些情況下,同一個程序周期(10 ms以內)發生多于一個以上的首出故障；因此在首出故障數量較多時，需要維護人員依靠更多的運行數據進行參考而加以判斷. 截止文中收稿之日，本首出故障記錄功能現在已經在聯合動力全系列機型中得到了全面應用與推廣。

參考文獻

[1]鄒紅艷，鄭建勇. 基于GPS 同步時鐘的統一校時方案[J].電力自動化設備，2004，24(12)：59.

[2]DL / T 659-1998，火力發電廠分散控制系統驗收測試規程.

[3]孟濤，岳恒，柴天佑. 大型火力發電廠監控系統的研發與應用[J].控制工程，2002，9(4)：15-18.

[4]Tony Burton,David Sharpe,Nick Jenkins.Ervin Bossanyi,Wind Energy HandBook.

[5]IEC Technical Committe 88,IEC61400-12-1 wind turbines.IHS,2005.

[6]李建龍.火電廠DCS系統SOE性能的檢測及分析，2014,4.

[7]王廣民，李貞，賈華偉.智能變電站事件分辨率研究[J].電工技術,2013.

[8]王佳承，馮雪，查章其，等.一種SOE系統測試裝置及其測試方法[J].工業控制計算機，2012.

[9]吳麗芳，高立克，李克文，等.電力自動化裝置SOE分辨率準確性及測試分析[J].廣西電力，2014.

The Design of SOE in the Wind Turbine Controller System

ZHU Lian1, JI Guo-rui2, FENG Jian3, DAI Hai-tao4,LIU Hao5, JI Guo-hua6, LI Yong-zhan7, HAN Wen-tao8, LIU Jia-jun9，LANG Li-hui10

(1,2,3,4.5,6,7,8Guodian United Power Technology Company Ltd., Beijing100039, China;9. Beijing Sida Electric Engineering Service Center in East China White Rock Scene,Biayanshan 315131, Zhejiang Province, China; 10. China Electric Power Yinzhou Fenghua Horns/White Rock Wind Farm, Baiyanshan 315131, China)

Abstract:SOE(Sequence Of Events)is popularly used in the thermal power plants and nuclear island control system,and its performance directly affords the real reason of the incidents of the power system.In recent years, SOE is more and more important in the operation and service of the windturbine Control System.This article studied two ways of SOE in the windturbine Control System,and one of them was used in NingboBaiyanshan Wind farm,GD POWER DELELOPMENT CO.,LTD,in 2015,3.Now this design is widely used in all the windturbine control systems of GUP.

Key words:The fan control system; First fault record; SOE

中圖分類號：TP271.4

文獻標志碼：B

文章編號：1009-3230(2016)03-0039-05

作者簡介：朱蓮，女，碩士，高級工程師，國電聯合動力研發中心控制所工程師，主要從事風機控制領域的研究。

收稿日期：2016-02-17

修訂日期：2016-02-27

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.03.010