应用于风电机组的故障录波监测系统

李国文　董晔弘　陶友传

(1.上海船舶设备研究所　上海　200031)(2.国家海上风力发电工程技术研究中心　重庆　401122)

应用于风电机组的故障录波监测系统

李国文1董晔弘2陶友传2

(1.上海船舶设备研究所上海200031)(2.国家海上风力发电工程技术研究中心重庆401122)

摘要应用于风电机组的智能故障录波系统是一套数据的采集、记录与数据远程获取系统,它可以记录机组正常和故障状态下的各项参数,并可以通过软件平台实现远程数据查看与故障展示。该系统配备有大容量数据记录仪,实现对机组历史运行数据的长期和大量存储;配置有相应的软件平台,一方面连接至PLC获取机组的运行数据和故障信息并实时显示,另一方面连接至数据记录仪实现对所需历史数据的下载。重点对系统的硬件配置、软件平台以及功能实现进行了阐述。

关键词风电机组; 故障录波; 数据记录仪

Class NumberTM315

1引言

风电机组地处偏僻、分布分散、监控参数多,这给风电系统的控制带来不利影响。与此同时,风电机组装机容量的不断增加,风电维护成本随之大幅增长,其中重要因素就包括人力成本的快速增长,如何通过技术手段减少风电机组计划外的维护,实现智能健康管理,达到风电机组的无人值守,成为降低风电维护成本的难点和重点[1～2]。而风电机组的运行数据是实现机组智能健康管理的基础数据,是主控系统对机组实施控制的基本依据,是实现机组故障排查的基本前提[3]。在这种情况下,迫切需要应用于风电机组的故障录波监测系统[4],实现数据存储及日常运行监测的双重作用。

针对故障录波系统的开发与设计,各个行业和相关专家学者开展了许多有益的研究与实践。文献[5]以高性能嵌入式处理器及高速数字信号处理器(DSP)为基础设计了电力故障录波监测系统,整个系统分为三个子系统:录波子系统、远程监控子系统、对时子系统,完成对电力系统故障信息的记录、远程传输以及保证系统时间同步。文献[6]设计了基于OMAP处理器的故障录波装置,其整合了DSP核心和ARM微处理器,双核心处理器有效解决了文献[5]所设计的装置通信速率慢、可靠性差的问题。文献[7]设计的系统采用可靠的嵌入式硬件和软件平台,全面提高系统的可靠性和抗干扰能力。系统采用分层分布式模块设计,各模块之间的数据交换采用总线技术,使得系统采样速度快、数据吞吐量大、实时性强。文献[8]提出了一种双CPU、分散式煤矿故障录波器,分为数据采集、数据管理两个模块。四块DSP芯片组成数据采集单元,完成信号的采集与处理;故障数据通过以太网传输给数据管理单元;数据管理单元由ARM芯片组成,完成数据存储、显示以及通信。文献[9]开发了基于OPC技术的风电机组主控系统数据记录软件,DA规范提供了服务器和客户端之间实时数据的存取方法。机组数据存储在OPC服务器中,OPC客户端通过异步方式访问OPC服务器。文献[10]的专利提出了一种顺序记录风力发电机组故障的系统和方法,多个微秒级的故障记录装置分布于风电机组PLC控制器以及变桨、变频器、偏航等外围设备上,故障记录装置通过故障记录处理系统连接无线网关,无线网关通过路由器连接中控室监控平台上装有SCADA软件的PC机。系统不依赖于PLC控制器,SCADA可以单独调出故障记录,并在机组故障时实时记录风机故障,及时通过无线网关远程传输至SCADA系统。该系统使用了多个记录设备,系统复杂度较高,同时也增加了成本。

目前,对故障录波监测系统的已经有了较为成熟的研究,但主要集中在电力系统行业,对风力发电机组的故障录波监测系统的研究还比较少。随着风电机组容量的不断增加,智能化、自动化水平不断提高,所需监测的变量和参数也随之增多,风电机组的故障录波系统需要在不增加系统复杂度的基础上,实现快速、大容量的数据记录,同时能够方便地进行远程读取。为此,本文提出一种基于数据记录仪的风电机组故障录波监测系统,解决风电机组运行故障数据的记录与读取问题。

2风电机组故障录波监测系统结构设计

风电机组控制系统中,具备数据记录能力的设备主要有PLC和SCADA数据库服务器[11]。PLC数据处理速度快,可以达到10ms级的数据存储速度,但是存储容量较小。同时PLC承担机组的控制运算工作,如果用PLC作数据存储,会对PLC的控制响应速度带来不利影响;SCADA数据库服务器存储容量大,并且具备扩容能力,但是通常一个风电场只配备一台SCADA服务器,同时监管几十甚至上百台风电机组,数据存储速度往往只能达到秒级,难以满足风电机组故障录波所需的10ms级存储能力。

为解决上述困难,本文提出一种基于数据记录仪的风电机组故障录波系统。每台风电机组配置一台数据记录仪,安装在机组的塔基交换机上。由于所有需要监测记录的数据均通过交换机发送至风电场的中央监控系统[12],因此本数据记录仪可获得所有需记录的运行数据。数据记录仪安装在机组本地,可实现毫秒级存储速度,并且数据记录仪的存储容量可自由扩展,实现大容量的数据记录。数据记录仪与风电机组和风电场中央监控之间为并联关系,不影响系统本身的运作,配置方便,易于实现。

三种数据存储方式对比如表1所示。

表1　风电机组数据存储方式

基于数据记录仪的风电机组故障录波系统由四层组成,分别为

第1层为数据采集设备。数据采集设备采集机组的运行数据,包括各类传感器、数据采集器、光电转换器、环网交换机。

第2层为数据处理单元。本地控制器对采集数据进行分析和处理,完成机组的故障判别。

第3层为数据存储设备。放置于塔基控制柜的数据记录仪记录并存储机组的历史运行数据,现场人员可以从数据记录仪下载所需数据。

第4层为远程软件平台。远程软件平台完成故障列表显示、实时数据显示以及实现对历史数据的下载。

其总体结构如图1所示。

应用现场总线通讯技术,实现数据记录仪与本地控制器的快速通讯及数据存储;利用互联网技术,实现风电机组的远程智能监控[13～14]。

图1　应用于风电机组的故障录波监测系统总体结构图

3风电机组数据记录仪参数设计

风电机组的运行变量(FLOAT、BOOL、INT等)达3000个以上,以BOOL量和REAL量为主,而每个BOOL变量产生的数据量远远小于采用时间序列方式记录的REAL量,本身占用空间很小,可忽略不计。以REAL量为主计算数据的通讯速率以及系统所需存储空间的大小,因二进制流文件占用存储空间较小,采用二进制方式存储采样得到的数据。

用Ti表示采样周期,Ni表示采样点数,以INT32型存储在.data文件中,那么定义REAL变量每1s产生的数据大小为

根据某风电场记录得到的数据可知,采样周期为20ms的采样点数有41个,采样周期为100ms的采样点数30个,采样周期为1s的采样点数79个,则

=9716B≈9.5kB

加入其他相关数据以及考虑裕量,拟设定单台机组每1s产生的数据大小为18kB,那么数据记录仪与本地控制器的通讯速率为

18*8=144kbps

为了保证数据通信的稳定和快速,选用10M以太网口。

那么,单台机组每1天的数据量为

18*2*60*60*24=3110400kB=3037.5MB≈3GB

考虑到控制器的运行负担,对如此大量的数据进行采样、记录和分析,本地控制器及其存储器很难实现。应用于风电机组的数据记录仪,放置于机组本地塔基控制柜,在功能上能够实现运行数据和故障数据的快速、大容量存储,并且可以将存储在数据记录仪中的数据下载至本地。

4风电机组远程监测软件平台设计

远程监控软件平台与风电机组通过基于Internet网络VPN技术进行通讯[15]。VPN使用了三方面的技术保证了基于Internet的网络数据传输的安全性[16]:隧道协议、身份验证和数据加密。因此,基于Internet网络的VPN技术数据传输具有费用低、传输速率快、安全性高的优势,保证了数据传输的快速、安全。VPN技术实现软件平台远程连接至风电机组,使用户能够与本地控制器进行通信以查看系统信息,并且能执行操作命令,设置参数、对报警和故障进行复位等。一方面,软件平台通过IP地址与机组PLC相连,实现对机组的实时数据读取和控制;另一方面,软件平台通过IP地址与机组数据记录仪连接,可完成对数据记录仪中存储的各类机组相应参数及历史运行数据进行下载。

图2　远程监控软件功能模块

系统的软件平台应满足系统可靠性和实时性的要求,同时考虑软件的维护和扩展。远程软件平台完成对风电机组的远程监视和控制,实现风电机组的故障显示、远程访问以及对本地控制器的远程操作,并且能执行维护命令等。其功能模块图如图2所示。

5结语

由数据记录仪和远程软件平台构成的风电机组故障录波监测系统,在功能上实现了对数据的存储以及对机组的监测,很大程度上方便了使用人员。区别于SCADA系统数据的记录是以每一分钟做一个时间间隔记录的,数据记录仪实现了本地数据的高速、大容量存储,数据记录时间间隔可达到20ms,并且可根据需要选择数据记录仪存储空间大小。

参 考 文 献

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Intelligent Monitoring System Applied to Wind Turbines

LI Guowen1DONG Yehong2TAO Youchuan2

(1. Shanghai Marine Equipment Institute, Shanghai200031)(2. National Engineering Researching Center for Offshore Windpower, Chongqing401122)

AbstractIntelligent fault recording system applied to wind turbines is a system to collect data, record data and acquire data remotely. It can record the parameters in the status of normal and fault, and can be achieved remote data viewing and fault displaying through software platform. The system is equipped with large-capacity data logger to store historical operating data heavily and chronically. And the system is configured with the appropriate software platform,on the one hand,it is connected to the PLC unit to obtain operating data and fault information and display them real-time, on the other hand, it is connected to the data logger to download the required historical data. The hardware configuration, software platform and functions of the system are elaborated emphatically.

Key Wordswind turbine, fault recording, data logger

收稿日期:2015年12月11日,修回日期:2016年1月26日

作者简介:李国文,男,硕士研究生,研究方向:风力发电机组健康管理的系统研究。董晔弘,男,博士,高级工程师,研究方向:风力发电机组系统设计研究。陶友传,男,研究员级高级工程师,硕士生导师,研究方向:2.0MW风电机组总设计、5.0MW海上风电机组总设计。

中图分类号TM315

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.020