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              技術 | 風電機組變頻器遠程監控方案的研究與實現

              2021-08-13 來源:《風能產業》作者:張華煉 張波 劉杰 楊靜 秦海明 瀏覽數:169

              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

              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。
                
                【關鍵詞】 變頻器 遠程監控 C/S架構 人機交互
                
                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。
                
                2.變頻器遠程監控方案設計
                
                2.1 系統C/S架構
                
                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
                
                2.2 系統拓撲結構
                
                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。
                
                3.方案實際應用
                
                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
                
                4.結語
                
                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。
                
                參考文獻:
                
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                [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

              標簽:

              風電機組
              閱讀上文 >> 基于光纖MEMS芯片技術的風機葉片和塔筒故障診斷系統
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