技術 | 風電機組變頻器遠程監控方案的研究與實現

　　變頻器是一種電力電子裝置，通過控制裝置內的功率器件，實現風電機組輸出功率控制，調整風電機組運行狀態，作為風力發電機組連接電網的核心部件，其電能質量、故障電壓穿越性能等都要滿足相應的國家標準，是決定風電機組涉網性能的關鍵因素。隨著風電市場進入后市場運維服務階段，業主對變頻器遠程監控的需求日益突出。本文基于C/S架構，通過增加規約適配器，利用TCP/IP通訊協議和風機通訊環網，設計了完善且經濟的變頻器遠程監控系統方案，使變頻器具備遠程監視、故障數據錄波、事件導出等相關功能，并在風電場得到應用，實現了良好的人機交互和經濟效益。

　　

　　

　　1.無論直驅還是雙饋型風力發電機組，都需要變頻器作為連接電網的關鍵部件。早期風電起步時，國外企業利用其技術和品牌優勢，在內資企業產品沒有形成優勢前，快速占領市場，在中低壓變頻器市場，外資品牌市場份額在2008年占比達76%，處于市場主導地位，其中日本品牌占18%左右，歐美品牌約占50%左右，臺灣地區和韓國品牌約占6%。隨著風電行業在國內的迅猛發展，高壓變頻器逐漸開始進入到風電領域。國內品牌變頻器產品技術日趨成熟，內資企業利用國產化、價格低、可靠性高、功率不斷擴大和服務等優勢，市場份額逐年提升。針對已經建設投產的風力發電機組，變頻器供應商有ABB、AMSC、SWITCH、艾默生、禾望、海得、日風、科孚德等，變頻器主要通過Modbus、RS485、Profibus-DP、CANBUS等通訊協議與主控進行通訊，完成相關數據和信息交互，盡管能無縫接入整機SCADA網絡系統，但并未實現變頻器的遠程監控，包括遠程程序升級、參數配置、遠程調試、遠程故障信息獲取、遠程診斷、遠程監視等功能[1-4]。

　　

　　對于老舊機組改造和新機型配置，業主要求變頻器需配置以太網等接口具備獨立組網的能力，能上傳遠程實時數據和統計數據，同時能夠遠程修改、查看變頻器內部參數，實時監控變頻器的運行狀態、詳細參數、故障告警信息等，具有實時錄波、故障錄波等功能，進而實現風電機組的大數據管理和信息化需求[5~6]。變頻器遠程監控系統與風場SCADA系統相互獨立，基于C/S架構，采用通訊適配器，進行通訊規約轉化，將變頻器接入風機環網，與升壓站上位機進行數據交互。針對不同的操作系統安裝對應運行環境，實現不同變頻器獨立監控。變頻器遠程監控系統可進一步縮短變頻器故障分析和檢修時間，降低整機維護成本，在后市場具備較大的應用潛力。

　　

　　

　　

　　Client/Server架構（C/S架構）即客戶/服務器模式，建立在局域網的基礎上，如圖2.1所示。服務器通常采用高性能的PC、工作站或小型機，可采用Oracle、MySQL、Sybase或SQLServer等數據庫系統，采用的軟件支持開放模式。從經濟適用性而言，整機SCADA操作站配置可用于環境安裝，避免系統冗雜也可單獨選配服務器。C/S架構具有客戶端響應速度快、充分發揮客戶端PC處理能力、客戶端處理將工作預處理后再提交服務器等優點。

圖2.1 C/S架構圖

　　

　　

　　實現變頻器的遠程監控功能，需要將每臺機組的變頻器接入通訊環網，要求變頻器通過改造需具備通訊接口。變頻器遠程監控系統拓撲結構如下圖2.2所示。

圖2.2 變頻器遠程監控系統拓撲結構

　　

　　結合上圖，變頻器遠程監控系統的建立具體實施如下：

　　

　?。?）無論變頻器上置機艙還是下置塔基，不同廠家變頻器需要通過軟件或硬件的升級改造具備通信接口，配置通訊規約轉化的網絡適配器，將變頻器通訊協議轉為TCP/IP協議，從而使變頻器具備通訊功能和接口；

　　

　?。?）使用機艙和塔基光電轉換器（光電轉換交換機），若原交換機無多余電口使用，通過新增交換機橋接后實現通訊，必要時還需增加塔基和機艙通訊光纖；

　　

　?。?）變頻器上置機組，變頻器信號從變頻器適配器接入機艙交換機，光纖傳輸至塔基交換機進入環網；

　　

　?。?）變頻器下置機組，變頻器信號從變頻器適配器接入塔基交換機，進入風機環網；

　　

　?。?）根據電網二次安防相關規定，變頻器遠程監控系統與SCADA系統同屬于安全區I，可利用風機環網傳輸數據，從而將變頻器信號通過機組光纖環網回到升壓站；

　　

　?。?）考慮經濟性，變頻器監控系統軟件安裝于SCADA操作站服務器，為保持更好人機交互且避免系統冗雜，通常建議單獨布置上位機，由于所有信號都匯集到中心交換機，上位機可從升壓站中心交換機直接獲取變頻器信號；

　　

　?。?）設定每臺機組變頻器IP地址，建立變頻器通訊局域網，在上位機布設安裝環境和監控軟件，實現全場變頻器的通信。

　　

　　

　　基于上述變頻器遠程監控系統設計方案，以某電場采用某品牌48臺雙饋2MW變頻器為例，通過改造實現變頻器遠程監控。該風場機組變頻器置于塔基，主控系統和變頻器之間使用PB通信，變頻器只有少數數據和故障字通過通訊上傳給主控，整機SCADA端只能顯示少部分變頻器相關數據和故障名稱，不利于遠程分析診斷、程序升級和參數優化，對于一些可能發生且較重大的故障也難以做到提早預防。改造過程如下：

　　

　?。?）硬件改造和通訊組網

　　

　　每臺機組在變頻器內安裝一個多功能監控適配器，適配器固定到自帶的結構件上，將結構件安裝在配電柜門板下方，如下圖2.3所示。將變頻器預留的24V電源端子接到適配器電源口，利用變頻器原有通訊光纖連接適配器光纖口，將網線連接適配器RJ45接口和塔基光纖環網交換機，實現數據傳輸。根據風場環網分配的IP地址段進行適配器IP設置以及功能配置，完成變頻器局域網末端搭建。最后，在升壓站監控室布設操作站服務器，用于數據采集、存儲和實現人機交互。

圖2.3 機組變頻器柜安裝多功能監控適配

　　

　?。?）程序升級和軟件配置

　　

　　首先，通過對變頻器程序升級可將所有相關數據輸出到適配器；其次，根據服務器的操作系統，在操作站安裝數據庫、數據采集存儲軟件、實時和歷史數據訪問軟件、客戶端等軟件，并完成相應的配置，搭建好人機交互平臺；最后，利用風機局域網訪問風機SCADA的GPS時鐘服務器，完成變頻器的時間校準。

　　

　?。?）實現功能

　　

　　a變頻器集中監控，如圖3.1所示，針對現場變頻器進行集中監控，方便運行值班人員了解變頻器實時運行狀態。

圖3.1 變頻器集中監控界面

　　

　　b智能故障診斷功能，如圖3.2所示，通過對變頻器故障信息處理，智能故障診斷系統可以幫助維護人員快速定位故障點，縮短停機時間。

圖3.2 智能故障診斷功能

　　

　　c變頻器GPS對時功能，通過GPS授時服務器，變頻器遠程監控系統將定時對每臺變頻器進行校時，防止變頻器長時間系統掉電后，變頻器控制系統時間不準確。

　　

　　d故障數據下載功能，如下圖3.3所示，變頻器故障信息在服務器中可保存超過100萬條，方便歷史故障信息查詢和下載，可以按照設備名、事件類型、時間段進行查詢，保存的文件還可以進行離線分析；同時具備故障的統計功能，可以自定義生成變頻器故障統計報表。

圖3.3 故障數據下載功能

　　

　　e遠程參數修改功能，如圖3.4所示，能夠在必要的情況下，修改變頻器內部配置參數，實現對變頻器問題的快速處理。

圖3.4 遠程參數修改功能

　　

　　

　　變頻器遠程監控系統用來提高風力發電機組利用率，降低現場對變頻器維護工作量和成本，實現變頻器實時監視和軟件維護。隨著風電行業蓬勃發展，越來越多新機組招標時業主要求配置變頻器遠程監控系統，其在風電后市場需求和作用愈加明顯?；陲L機的具體配置，本文采用C/S架構建立的變頻器遠程監控系統優點有三：首先，采用適配器變頻器連接，與風機SCADA共用風機環網實現變頻器信息上傳，接入簡單，投資少；其次，節省風場運營費用，變頻器的網絡化將大大提升變頻器的維護效率，降低業主的維護成本，同時提供變頻器故障統計、報表輸出功能，為風場的少維護、免維護打下良好的基礎；最后，獲取專家技術支持功能，智能化的故障診斷系統讓風機的故障處理變得簡單，降低了對變頻器維護人員要求，風場業主、整機廠家都可以成為變頻器維護專家。為進一步獲取供應商技術支持，后續在滿足二次安防前提下，建立大數據網絡，可將故障數據反饋傳輸到變頻器供應商，便于廠家利用相關數據提供更全面的技術支持。

　　

　　

　　[1]陳炳森，胡華麗.我國風電發展概況及展望[J].電網技術，2008,24(S2): 68-71.

　　

　　[2]王倩，葉鷹.對風力發電遠程監控系統的探討[J].時代農機，2016,25(01):86-88.

　　

　　[3]陳國旗.風電集控遠程監控系統的需求與功能[J].經營管理者，2016,23(35):61-63.

　　

　　[4] 徐成杰，朱全銀，王紅華.基于MODBUSASCII協議的變頻器遠程監控系統設計與實現[J].工業控制計算機，2009,(8):19-20.

　　

　　[5] Jackson G,Njiri DirkSffker. State-of-the-Art in Wind Turbine Control: Trends andChallenges[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,38(03):142-145

　　

　　[6]萬黎升，曹洋，閆照云.風電場群遠程集中監控與生產管理系統設計[J].江西電力，2016,15(06):42-46.

　　

　　作者：中國船舶集團海裝風電股份有限公司 張華煉 張波 劉杰 楊靜 秦海明

　　

　　來源：《風能產業》2021.06