李國(guó)文　董曄弘　陶友傳

(1.上海船舶設(shè)備研究所　上海　200031)(2.國(guó)家海上風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)研究中心　重慶　401122)

應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李國(guó)文1董曄弘2陶友傳2

(1.上海船舶設(shè)備研究所上海200031)(2.國(guó)家海上風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)研究中心重慶401122)

摘要應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的智能故障錄波系統(tǒng)是一套數(shù)據(jù)的采集、記錄與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程獲取系統(tǒng),它可以記錄機(jī)組正常和故障狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù),并可以通過(guò)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查看與故障展示。該系統(tǒng)配備有大容量數(shù)據(jù)記錄儀,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期和大量存儲(chǔ);配置有相應(yīng)的軟件平臺(tái),一方面連接至PLC獲取機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息并實(shí)時(shí)顯示,另一方面連接至數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)現(xiàn)對(duì)所需歷史數(shù)據(jù)的下載。重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的硬件配置、軟件平臺(tái)以及功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞風(fēng)電機(jī)組; 故障錄波; 數(shù)據(jù)記錄儀

Class NumberTM315

1引言

風(fēng)電機(jī)組地處偏僻、分布分散、監(jiān)控參數(shù)多,這給風(fēng)電系統(tǒng)的控制帶來(lái)不利影響。與此同時(shí),風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增加,風(fēng)電維護(hù)成本隨之大幅增長(zhǎng),其中重要因素就包括人力成本的快速增長(zhǎng),如何通過(guò)技術(shù)手段減少風(fēng)電機(jī)組計(jì)劃外的維護(hù),實(shí)現(xiàn)智能健康管理,達(dá)到風(fēng)電機(jī)組的無(wú)人值守,成為降低風(fēng)電維護(hù)成本的難點(diǎn)和重點(diǎn)[1～2]。而風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)組智能健康管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是主控系統(tǒng)對(duì)機(jī)組實(shí)施控制的基本依據(jù),是實(shí)現(xiàn)機(jī)組故障排查的基本前提[3]。在這種情況下,迫切需要應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4],實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)的雙重作用。

針對(duì)故障錄波系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì),各個(gè)行業(yè)和相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了許多有益的研究與實(shí)踐。文獻(xiàn)[5]以高性能嵌入式處理器及高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了電力故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng):錄波子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)、對(duì)時(shí)子系統(tǒng),完成對(duì)電力系統(tǒng)故障信息的記錄、遠(yuǎn)程傳輸以及保證系統(tǒng)時(shí)間同步。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了基于OMAP處理器的故障錄波裝置,其整合了DSP核心和ARM微處理器,雙核心處理器有效解決了文獻(xiàn)[5]所設(shè)計(jì)的裝置通信速率慢、可靠性差的問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用可靠的嵌入式硬件和軟件平臺(tái),全面提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。系統(tǒng)采用分層分布式模塊設(shè)計(jì),各模塊之間的數(shù)據(jù)交換采用總線技術(shù),使得系統(tǒng)采樣速度快、數(shù)據(jù)吞吐量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。文獻(xiàn)[8]提出了一種雙CPU、分散式煤礦故障錄波器,分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理兩個(gè)模塊。四塊DSP芯片組成數(shù)據(jù)采集單元,完成信號(hào)的采集與處理;故障數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)管理單元;數(shù)據(jù)管理單元由ARM芯片組成,完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示以及通信。文獻(xiàn)[9]開(kāi)發(fā)了基于OPC技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄軟件,DA規(guī)范提供了服務(wù)器和客戶(hù)端之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存取方法。機(jī)組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在OPC服務(wù)器中,OPC客戶(hù)端通過(guò)異步方式訪問(wèn)OPC服務(wù)器。文獻(xiàn)[10]的專(zhuān)利提出了一種順序記錄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障的系統(tǒng)和方法,多個(gè)微秒級(jí)的故障記錄裝置分布于風(fēng)電機(jī)組PLC控制器以及變槳、變頻器、偏航等外圍設(shè)備上,故障記錄裝置通過(guò)故障記錄處理系統(tǒng)連接無(wú)線網(wǎng)關(guān),無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)路由器連接中控室監(jiān)控平臺(tái)上裝有SCADA軟件的PC機(jī)。系統(tǒng)不依賴(lài)于PLC控制器,SCADA可以單獨(dú)調(diào)出故障記錄,并在機(jī)組故障時(shí)實(shí)時(shí)記錄風(fēng)機(jī)故障,及時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程傳輸至SCADA系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了多個(gè)記錄設(shè)備,系統(tǒng)復(fù)雜度較高,同時(shí)也增加了成本。

目前,對(duì)故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的已經(jīng)有了較為成熟的研究,但主要集中在電力系統(tǒng)行業(yè),對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究還比較少。隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增加,智能化、自動(dòng)化水平不斷提高,所需監(jiān)測(cè)的變量和參數(shù)也隨之增多,風(fēng)電機(jī)組的故障錄波系統(tǒng)需要在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)快速、大容量的數(shù)據(jù)記錄,同時(shí)能夠方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程讀取。為此,本文提出一種基于數(shù)據(jù)記錄儀的風(fēng)電機(jī)組故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng),解決風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行故障數(shù)據(jù)的記錄與讀取問(wèn)題。

2風(fēng)電機(jī)組故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)中,具備數(shù)據(jù)記錄能力的設(shè)備主要有PLC和SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器[11]。PLC數(shù)據(jù)處理速度快,可以達(dá)到10ms級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度,但是存儲(chǔ)容量較小。同時(shí)PLC承擔(dān)機(jī)組的控制運(yùn)算工作,如果用PLC作數(shù)據(jù)存儲(chǔ),會(huì)對(duì)PLC的控制響應(yīng)速度帶來(lái)不利影響;SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)容量大,并且具備擴(kuò)容能力,但是通常一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)只配備一臺(tái)SCADA服務(wù)器,同時(shí)監(jiān)管幾十甚至上百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度往往只能達(dá)到秒級(jí),難以滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組故障錄波所需的10ms級(jí)存儲(chǔ)能力。

為解決上述困難,本文提出一種基于數(shù)據(jù)記錄儀的風(fēng)電機(jī)組故障錄波系統(tǒng)。每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組配置一臺(tái)數(shù)據(jù)記錄儀,安裝在機(jī)組的塔基交換機(jī)上。由于所有需要監(jiān)測(cè)記錄的數(shù)據(jù)均通過(guò)交換機(jī)發(fā)送至風(fēng)電場(chǎng)的中央監(jiān)控系統(tǒng)[12],因此本數(shù)據(jù)記錄儀可獲得所有需記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄儀安裝在機(jī)組本地,可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)存儲(chǔ)速度,并且數(shù)據(jù)記錄儀的存儲(chǔ)容量可自由擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)記錄儀與風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)中央監(jiān)控之間為并聯(lián)關(guān)系,不影響系統(tǒng)本身的運(yùn)作,配置方便,易于實(shí)現(xiàn)。

三種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式對(duì)比如表1所示。

表1　風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

基于數(shù)據(jù)記錄儀的風(fēng)電機(jī)組故障錄波系統(tǒng)由四層組成,分別為

第1層為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù),包括各類(lèi)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、光電轉(zhuǎn)換器、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。

第2層為數(shù)據(jù)處理單元。本地控制器對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,完成機(jī)組的故障判別。

第3層為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。放置于塔基控制柜的數(shù)據(jù)記錄儀記錄并存儲(chǔ)機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)人員可以從數(shù)據(jù)記錄儀下載所需數(shù)據(jù)。

第4層為遠(yuǎn)程軟件平臺(tái)。遠(yuǎn)程軟件平臺(tái)完成故障列表顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示以及實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的下載。

其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線通訊技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄儀與本地控制器的快速通訊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ);利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控[13～14]。

圖1　應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)記錄儀參數(shù)設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行變量(FLOAT、BOOL、INT等)達(dá)3000個(gè)以上,以BOOL量和REAL量為主,而每個(gè)BOOL變量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用時(shí)間序列方式記錄的REAL量,本身占用空間很小,可忽略不計(jì)。以REAL量為主計(jì)算數(shù)據(jù)的通訊速率以及系統(tǒng)所需存儲(chǔ)空間的大小,因二進(jìn)制流文件占用存儲(chǔ)空間較小,采用二進(jìn)制方式存儲(chǔ)采樣得到的數(shù)據(jù)。

用Ti表示采樣周期,Ni表示采樣點(diǎn)數(shù),以INT32型存儲(chǔ)在.data文件中,那么定義REAL變量每1s產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大小為

根據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)記錄得到的數(shù)據(jù)可知,采樣周期為20ms的采樣點(diǎn)數(shù)有41個(gè),采樣周期為100ms的采樣點(diǎn)數(shù)30個(gè),采樣周期為1s的采樣點(diǎn)數(shù)79個(gè),則

=9716B≈9.5kB

加入其他相關(guān)數(shù)據(jù)以及考慮裕量,擬設(shè)定單臺(tái)機(jī)組每1s產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大小為18kB,那么數(shù)據(jù)記錄儀與本地控制器的通訊速率為

18*8=144kbps

為了保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定和快速,選用10M以太網(wǎng)口。

那么,單臺(tái)機(jī)組每1天的數(shù)據(jù)量為

18*2*60*60*24=3110400kB=3037.5MB≈3GB

考慮到控制器的運(yùn)行負(fù)擔(dān),對(duì)如此大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、記錄和分析,本地控制器及其存儲(chǔ)器很難實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)記錄儀,放置于機(jī)組本地塔基控制柜,在功能上能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)的快速、大容量存儲(chǔ),并且可以將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄儀中的數(shù)據(jù)下載至本地。

4風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件平臺(tái)與風(fēng)電機(jī)組通過(guò)基于Internet網(wǎng)絡(luò)VPN技術(shù)進(jìn)行通訊[15]。VPN使用了三方面的技術(shù)保證了基于Internet的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹16]:隧道協(xié)議、身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)加密。因此,基于Internet網(wǎng)絡(luò)的VPN技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸具有費(fèi)用低、傳輸速率快、安全性高的優(yōu)勢(shì),保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖?、安全。VPN技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)遠(yuǎn)程連接至風(fēng)電機(jī)組,使用戶(hù)能夠與本地控制器進(jìn)行通信以查看系統(tǒng)信息,并且能執(zhí)行操作命令,設(shè)置參數(shù)、對(duì)報(bào)警和故障進(jìn)行復(fù)位等。一方面,軟件平臺(tái)通過(guò)IP地址與機(jī)組PLC相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取和控制;另一方面,軟件平臺(tái)通過(guò)IP地址與機(jī)組數(shù)據(jù)記錄儀連接,可完成對(duì)數(shù)據(jù)記錄儀中存儲(chǔ)的各類(lèi)機(jī)組相應(yīng)參數(shù)及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行下載。

圖2　遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件功能模塊

系統(tǒng)的軟件平臺(tái)應(yīng)滿(mǎn)足系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)性的要求,同時(shí)考慮軟件的維護(hù)和擴(kuò)展。遠(yuǎn)程軟件平臺(tái)完成對(duì)風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的故障顯示、遠(yuǎn)程訪問(wèn)以及對(duì)本地控制器的遠(yuǎn)程操作,并且能執(zhí)行維護(hù)命令等。其功能模塊圖如圖2所示。

5結(jié)語(yǔ)

由數(shù)據(jù)記錄儀和遠(yuǎn)程軟件平臺(tái)構(gòu)成的風(fēng)電機(jī)組故障錄波監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在功能上實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及對(duì)機(jī)組的監(jiān)測(cè),很大程度上方便了使用人員。區(qū)別于SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的記錄是以每一分鐘做一個(gè)時(shí)間間隔記錄的,數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)現(xiàn)了本地?cái)?shù)據(jù)的高速、大容量存儲(chǔ),數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔可達(dá)到20ms,并且可根據(jù)需要選擇數(shù)據(jù)記錄儀存儲(chǔ)空間大小。

參 考 文 獻(xiàn)

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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

作者簡(jiǎn)介:李國(guó)文,男,碩士研究生,研究方向:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組健康管理的系統(tǒng)研究。董曄弘,男,博士,高級(jí)工程師,研究方向:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。陶友傳,男,研究員級(jí)高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師,研究方向:2.0MW風(fēng)電機(jī)組總設(shè)計(jì)、5.0MW海上風(fēng)電機(jī)組總設(shè)計(jì)。

中圖分類(lèi)號(hào)TM315

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.020