风电机组时序试验分析*

兰涌森，陶友传，欧阳海黎，刘杰，余强

（1. 重庆大学电气工程学院，重庆 400044；2. 国家海上风力发电工程技术研究中心，重庆 401122）

0 引言

在大型风电机组系统设计中，一般采用由工业PC、I/O和现场总线组件等集合而成的模块化分布式控制系统，以满足风电机组的控制需求。此类模块化控制系统一般安装于变桨、变频、主控等电控柜中，组成独立的主站、从站，实时监测、控制风电机组的运行状态，并具有完整的维护诊断功能，是风电机组的重要组成部分。正确的时序分析对于深入掌握风电机组运行特性，优化风电机组运行控制具有重要意义。以某2MW风电机组为例，其分布式控制系统通讯拓扑图见图1。

可见，该风电机组控制系统由主控塔基柜、变频器、主控机舱柜、变桨系统4部分子系统组成，共计5个从站、1个主站，主站位于主控塔基柜内。

该风电机组原理论掉电时序见图2，原理论上电时序见图3。为便于验证分析，对该2MW风电机组进行掉电、上电试验，测试验证其相应时序。

1 试验结果

1.1 掉电试验

从图2可以看出，若该机组系统发生掉电工况，掉电时间标记为t0，变桨系统将在t0+5s断开变桨系统安全链，在t0+60s关闭后备电源，同时变桨系统从站通讯丢失，进入停机状态。塔基和机舱的PLC则会在t0+120s关闭其后备电源，同时通讯丢失。变频器由于专用UPS可提供20min的辅助供电，系统保持运行，但通讯异常。此掉电时序下，由于变桨从站先于其他站点失去通讯，主站无法检测到变桨通讯存在，必然会报出变桨通讯故障。同时，由于塔基控制柜和机舱控制柜后备电源的供电关闭时间相同，如果由于硬件动作时间差异导致机舱先掉电，机舱所有高电平正常，低电平异常类I/0信号均会因失电而无高电平输出，主站检测不到此类信号则报出故障，如发电机保护类故障、防雷器反馈故障等。

为验证以上分析，将机舱UPS掉电延时时间设置为60s，塔基UPS掉电延时时间设置为80s，进行掉电试验并通过监控系统进行监控记录。对表1进行分析可发现，掉电过程所报故障类别主要分为五类：变桨系统掉电必报故障、电网类故障、安全链故障、保护类故障和通讯类故障。变桨系统掉电必报故障是系统安全设计，电网类故障则为实际故障；而保护类故障和通讯类故障实际并未发生，属于掉电过程系统派生故障，是没有实际意义的，不应该报出。

为进一步验证时序的合理调整可以避免派生故障的产生，以变桨系统掉电时间为基准，将机舱UPS供电时间设置为60s，塔基UPS供电时间设置为50s进行试验，调整后该机组新的掉电时序如图4所示。

表1 掉电时序故障列表

表2 不同时序掉电故障列表对比

由表2可以看出，通过设定UPS持续时间重新调整机组的掉电时序后，机组掉电故障列表中不再有保护类故障和通讯类故障。经过多次重复试验验证，在确保机组能够正常地完成停机动作的前提下，通过掉电时序的调整优化，使机组主控PC在子系统掉电前关闭，可以避免通讯类和保护类共计45个派生故障报出。

1.2 上电试验

通过对主控系统进行上电启动测试，得出主控系统PLC的硬件启动时间在ms级，但是WinCE系统的启动完成时间大约在t0+30s～t0+32s之间，TwinCAT的启动完成时间大约在t0+40s～t0+48s之间，详细结果见图5。

由于TwinCAT是在WinCE启动未完成就开始启动，且TwinCAT的启动无显著特征，现场无法通过测试得到TwinCAT准确的启动时间。通过对WinCE系统启动过程分析，该系统的基本启动顺序如下：调用Startu函数→OALStartUp函数→KernelStart函数→ARMInit函数→NKStartup函数→KernelSstart函数（此函数调用完成即开始启动第一个启动项）→KernelInit函数→FirstSchedule函数（界面启动完成）。由于启动项的多少决定了WinCE系统的启动时间，目前无法明确TwinCAT开始启动的时间。控制器厂家提供的启动顺序如下：

1.控制器上电 ms级

2.BIOS自检 2s

3.WinCE系统启动直到完成 10s

4.TwinCAT系统启动直到完成 1s

5.System Manager启动对PLC硬件完成检查 ms级

6.外部IO信号转换到输入缓冲区 ms级

7.输入缓冲区映射到PLC的I,Q区 us级

8.控制器程序顺序执行 ms级

按照控制器厂家的启动顺序，TwinCAT的启动时序应如图6所示。

若TwinCAT的启动时序同控制器厂家的数据一致，则不应出现上电派生故障。那么原因可能有两种：通讯问题或者System Manager与控制程序的时序实际是颠倒的。通过现场的观察，硬件的实际启动时间在ms级，通讯模块也在2s内恢复正常，通讯问题可排除。System Manager的功能是配置组态、扫描端口，若控制程序比System Manager先完成启动，控制程序扫描故障信息时System Manager并未完成对端口的扫描工作，而System Manager对I/O端口的默认值为FLASE,则高电平正常低电平故障的I/O端口均会被判断为故障，通讯类故障同理。

表3 不同时序上电故障列表对比

因此System Manager与控制器程序的时序应进行调整，TwinCAT实际启动时序应如图7所示。对机组进行上电启动试验验证分析结论，试验结果如表3所示。为了进一步测试System Manager与控制程序启动的实际时序差，即t2与t3。对偏航电机保护故障1、2、3、4分别采取1s、3s、5s、7s的延时处理然后进行上电启动测试。测试结果表明：延时1s的偏航电机1保护故障每次均报出；延时3s的偏航电机2保护故障时报时不报；延时5s的偏航电机3保护故障和延时7s的偏航电机4保护故障均未报出。因此，可以认为t2与t3的时间差在3s到5s之间。由于保护类故障的报出并无实际意义，可在控制程序中根据t2与t3的时序差对此类故障进行延时处理，确保System Manager对I/O端口的扫描完成先于控制程序对故障的扫描，避免派生故障的报出。调整时序后上电故障列表对比见表3。从表3可以看出，新时序上电故障中除电网故障和安全链故障真实存在并报出外，其余保护类故障均未报出，共计减少派生故障40个，真实地还原了故障记录。

2 结论

本文以某2MW风电机组为例，对风电机组系统掉电、上电时序进行试验分析，采用重新整定系统时序、增加派生故障触发延时等方法消除由电网掉电、上电等因素导致的派生故障。结果表明：本文方法能有效消除派生故障，还原真实故障记录，有利于正确地分析判断风电机组运行状态，对优化风电机组运行控制具有重要的指导作用。

[1] 德国倍福电器有限公司.TwinCAT PLC编程手册[Z].北京:德国倍福电器有限公司北京代表处,2007.

[2] 德国倍福电器有限公司.德国倍福产品选型手册[Z].北京:德国倍福电器有限公司北京代表处,2008.

[3] 张天成，岳德君.分布式专家系统中时序控制的研究与设计[J].微电子学与计算机,2007,24(10):178-180.

[4] 陈志军,徐东进.基于TwinCAT的PLC水源地远程监控系统开发设计[J].电子技术应用,2008（12）:95-98.