风电机组远程故障处理及容错运行

文 | 王明军

风电机组通常安装在人迹罕至的荒郊野外，现场技术力量薄弱、服务难度大、维修成本高，故障处理不及时带来的发电量损失不容忽视。尤其是随着海上风电的发展，登机处理故障的难度更大，因单机功率大，故障停机损失巨大。因此，风电机组的故障容错运行受到国内外的广泛关注。通过有效的容错机制以优化机组运行，在不登机维修的情况下，还能继续发电，将能有效降低机组故障带来的损失。

由于我国风电行业起步较晚，业内对机组故障屏蔽在认识上存在一定的偏差，普遍对故障屏蔽带来的好处认识不足，而对其带来问题又过分夸大，这无疑为机组容错运行制造了障碍。尤其是在我国风电行业的快速发展时期，一些事故原因未能查清，导致业内至今还存在不少误解。国家电力管理部门对风电机组的管理等同于火电、核电机组，规定不能通过互联网和手机APP对风电机组实施远程操控，从而失去了机组容错运行的必要条件。因此，我国对风电机组的远程故障处理及容错运行研究较少。

从国外相关文献及研究成果来看，目前，有关风电机组的故障容错研究主要从以下两方面展开：

（1）变频器结构的改进。增加一组备份冗余桥臂代替故障桥臂；采用6/5桥臂容错变频器拓扑实现故障容错；利用直流电压的中点进行电路重组。

（2）电机本体改进或设计。将多相电机应用到大功率风力发电系统中。大功率变频器通常是由许多单元级并联而成，大功率电机的绕组通常也由许多并联的线圈组成。因此，电机和电力电子电路可以通过重新配置应用在多相发电系统中，并且不需要增加硬件。

上述方法中，需要修改原变频器结构和电机设计，技术难度大。在增加成本的同时使电路结构变得更加复杂，且实际应用中还受机舱空间的限制。因此，需要深入挖掘现有系统的容错潜力，在不改变或对现有硬件做微小改变的情况下，使机组具有更高的容错能力，有效降低故障带来的损失。同时，保证机组、部件及电网安全，避免重大事故的发生。

本文着重介绍当机组主控报故障停机后，通过远程修改主控参数，即：修改相关主控运行参数，修改主控设置的状态码或温度端口状态等，实现机组容错运行。

风电机组按照主控程序在无人干预下自主运行，机组启停通常是依据主控程序执行。当主控程序判断机组存在故障时，则会执行保护性停机。然而，按主控程序执行的保护性停机故障，与专家判断的机组不能运行之间存在着差距。在设计时，风电机组的保护等普遍采用了冗余设计，这给容错运行提供了条件。再者，因各种原因，还存在主控误报等问题，因此，在机组报故障停机后，时常可通过专家诊断和远程操控使之继续运行。

通过修改参数实现机组容错运行，其技术简单、操作方便、不改变机组结构和性能。当某个冗余保护、冗余部件出故障停机，可以通过远程屏蔽故障启机，在机组维修后，再解开故障屏蔽。随着互联网和现代通信的发展，这种远程处理故障方式在国外的某些知名整机厂家中早已普遍运用。此技术在我国的普遍运用将能大幅度提高国产机组的可靠性和稳定性。

远程管理、故障诊断与处理

在保证电网、机组及部件安全的前提下，充分利用现代通信技术实施远程登录，并加强机组的操控、修改权限管理。通过远程判断和机组故障处理，减少现场服务和登机次数，将能大幅度降低机组运营成本。

可通过远程处理的机组故障包括：通过故障屏蔽、修改参数等手段实现容错运行的机组故障和通过特殊容错技术处理实现容错运行的机组故障。下面就远程容错处理恢复机组运行予以分析和讨论。

一、远程管理与权限设置

业内有这样的说法：“现场由于某些原因（备件不足、缺少备件），使得风电机组某些故障被屏蔽掉，这样做会非常危险，有些故障的屏蔽甚至会导致机组倒塌，造成极为恶劣的后果。”如果某个故障被屏蔽掉就导致机组倒塌，那么，应该由主控程序设定该故障不能屏蔽。若确实因现场维修人员屏蔽了某个故障后造成了机组飞车倒塌事故，其主要是由主控程序不够完善、编程人员考虑不周，或权限管理等问题造成，而非现场故障屏蔽引起。但是，某些主控由主控程序设置了可以屏蔽的故障，如果没有经过充分、周密思考和判断，以及相应的保证措施，屏蔽故障确实可能带来不良后果。因此，需通过加强对数据修改、故障屏蔽的权限管理，以保证部件安全，提高发电量。下面以设计优良相对完善的WP3100直流变桨主控程序为例，对机组权限管理和故障屏蔽等问题展开论述。

为了便于机组管理、保证机组安全， WP3100主控程序设置了多级控制权限，有100级、99级、80级、10级等，这些权限都能用于复位启机。为了能辨别操作者身份，在99级、80级、10级中，可以设置多个登录身份和密码。每次利用登录身份和密码登录后，主控均有记载。权限级别与屏蔽故障、参数修改相对应，不同权限能操作屏蔽的状态码和修改的参数是不同的。99级权限是现场操作的最高权限，能操作的状态码和参数最多，主要在调试阶段和机组维修时使用；机组投入正常运行，现场使用的权限一般为80级，主要用于查看机组状态和复位启机；10级权限最低，能查看的项目较少，主要用于复位启机。100级权限由主控程序设定，只有一个，除了具有最高修改权限外，主要用于权限管理，可以控制和管理所有低级别权限的账户和密码。

高权限可设置多个比自己权限低的登录账户。根据现场需要，通过100级权限给现场维修维护人员授权，并提供与其维护、维修及故障处理相当的登录账户和密码，对于具有修改权限的99级，在故障处理使用完毕后，应通过账户和密码管理及时收回。

该主控设置了几百个表明机组状态的状态码，大多数状态码及所有温度端口均能用100级和99级权限屏蔽，屏蔽状态码通常又叫屏蔽故障。该主控有49个关系到机组、人身安全的状态码（其中，有的既属于机组故障，同时又表示机组状态；有的则仅表示机组状态）只能报出和显示，任何权限均不能屏蔽。也就是说，即便使用100级最高权限也不能屏蔽。对于这类不能屏蔽的故障，应引起重视。不能采取回避、跳过此类故障的错误处理方式。例如，采取线路短接跳过此类故障，或采取错误手段跳过机组自检等。

例如，状态码1159，脱离限位开关故障，属于由主控程序设定的不能屏蔽状态码。刹车190，通常叶片回到90°，不能到正常的92度限位开关位置。当存在此故障时，报高级别刹车电池顺桨，机组只能通过轮毂驱动器顺桨，而不能切换到正常的电池顺桨。如不处理，在适当的条件下可导致三支桨叶同时不能顺桨，导致飞车事故的发生，这个故障可能由接线错误或短接造成，启机时不能通过机组自检，也不能远程复位。

该故障的危险性在于，一方面，如果机组存在该安全隐患，且在机组并网运行期间没有报故障停机，也没有出现定期机组自动电池检测、登机维修（如：实施机组断电、启动叶片维护开关）或集电线路停电等。这样，机组就不会出现高级别刹车或自检，就难以发现该故障。这就是为何“倒塌机组都是运行得特别好的”。另一方面，在现场可以通过非正常手段绕过机组自检实现并网。当机组并网后，只要不出现高级别刹车和电池检测，机组就一切状态正常。如机组维修人员对该故障的危险性认识不足，或重视度不够，并采取错误方式启机并网，也可能造成机组飞车倒塌事故的发生。再如，状态码13（手动停机），也属于由主控程序设定不能实施屏蔽（修改）的状态码。该状态码不仅涉及机组安全，更关系到人身安全。

在我国风电的快速发展期，不少机组实现了主控国产化。在主控研发和生产初期，由于编程人员缺乏实践经验，没有深入理解风电机组的运行原理，仅是通过国外知名厂家的主控说明书仿冒编程。有的主控把绝大部分主控参数设置为不能修改，所有故障都不能屏蔽，这样，必然会造成不必要的发电量损失；有的国产主控则是只要权限足够，所有参数均可修改，所有状态码都可以屏蔽，如果出现了屏蔽错误，则可能造成严重后果。由于开发时间短，在主控编程和硬件设计上，国产主控大多很少或没有考虑现场维修和判断故障方便问题，更没有考虑通过远程实施安全检查、故障诊断及故障处理等对主控软件硬件的一系列要求。

二、远程故障诊断与处理

设计完善的主控程序和后台软件，在机组故障诊断和远程故障处理中起着重要作用。在适当的条件下，可以通过主控的参数修改和故障屏蔽实现远程故障诊断和处理等。

首先，通过修改主控参数实现机组远程故障诊断。

WP3100主控具有众多可通过SCADA软件进行远程操控并可设置为不同状态的硬件端口，以及大量与机组故障诊断有关的可修改参数，极大地方便了远程及现场故障诊断。如不能修改参数和屏蔽故障，判断和处理机组故障的难度将增加，给机组维修带来不便。尤其是在实施风电场机组的“集中监控，区域维修”时，故障屏蔽和参数修改权限授权给整机厂商总部现场经验丰富的专家，则便于他们远程诊断故障。

例如，判断机组的“异常振动”是否与并网后有关。故障检查时，需要暂时甩开变频器，让机组在不同转速下空转运行。对于WP3100主控，只要修改相关参数，改变相应的主控硬件端口状态，屏蔽相关状态码，就能实现不同转速下的机组空转运行，很容易判断出机组振动是否与并网加载有关，给远程故障检查和判断带来了方便。

其次，通过主控参数修改和故障屏蔽实现远程故障处理。

在保证机组及部件安全的前提下，通过短时间的参数修改和故障屏蔽，尽量多地让机组发电。在机组及主控程序设计完善的情况下，在适当的条件下，一方面，通过参数修改和故障屏蔽，让机组性能得以充分发挥。另一方面，应经过处理者周密的判断和分析，确保在机组远程故障处理到故障维修的时间段内，不会产生新问题。

在参数修改后，应有详细记载。通过适当措施保证机组的遗留故障能及时处理，在故障处理后，把修改参数恢复到正常设置值。对远程故障处理的遗留问题，应根据故障和现实情况的不同，选取不同的时间点处理：可以在小风、无风时再作处理；与必须登机处理的机组故障一并处理；也可以在机组维护时再对遗留故障进行处理。

另外，参数修改和故障屏蔽是车间、现场调试及现场维修的需要。

在车间调试阶段，因不满足现场运行条件，主控的众多参数与现场不同，很多故障需要屏蔽；在现场调试阶段和故障处理时，需要屏蔽故障，当调试和故障处理完毕，符合并网条件后，再把全部故障解开，恢复到正常的参数设置。

容错运行

提高系统可靠性的一个基本方法就是使用容错技术，即一个系统在出现故障时能够依靠系统内在的能力保持连续正常的运行。对于机组的传感器故障、线路故障、个别部件损坏以及轻微电气故障，可通过修改参数、优化控制算法和硬件重构等方式实现容错运行。

容错，顾名思义就是允许出错，工程上指在系统中，当一个或多个部件出现故障时，系统必须将发生故障的部件从系统中隔离开，然后采取相应措施维持其规定功能，或在可接受的性能指标变化下，继续稳定可靠运行。

故障容错可分为参数修改容错、硬件容错和软件容错。参数修改容错主要指故障停机后，保证机组及部件安全和原机组性能基本不变的条件下，通过修改主控参数、屏蔽主控温度端口，或屏蔽主控设置的状态码等手段使机组再次恢复运行；硬件容错主要指故障后的硬件系统重构，着眼于机组本体的容错设计和变频器的结构容错等；软件容错主要考虑故障容错控制，着眼于故障后的控制策略与算法优化。

要实现远程故障处理、容错运行，还需有以下几方面作为支持和保障：

第一，在产品设计上，采用冗余设计，有充分的余量。

在设计时，机组应有多重保护和冗余的硬件设置。如：每台机组安装两个风速仪、两个风向标，每支叶片均有两个检测叶片角度的编码器等。当两传感器中的一个出现故障后，便于采用修改参数容错，使机组恢复运行。

第二，在产品设计上，采用容错技术。

硬件容错。如，备份式冗余设计是在原来的系统设计中加入冗余硬件开关代替故障开关，实现容错控制；变流器的拓扑结构设计是在故障后改变原来的拓扑结构，配合适当的控制策略实现容错运行；多相电机具有较低的转矩脉动、更高的容错性能。大功率变流器常常是由许多单元级并联而成，大功率电机的绕组通常也由许多并联的线圈组成。因此，电机和电力电子电路可以通过重新配置应用在多相发电系统中，并且不需要增加硬件。当一相故障或缺失，功率损失比一般电机小得多。

软件容错。如，脉宽调制算法改进，当变流器中某一个IGBT故障后，由于其反并联的二极管仍是完好的，变流器仍可以在三相条件下运行，但电压矢量会产生畸变。用一个正常矢量来补偿代替发生畸变的矢量，实现容错运行；矢量控制容错，在运用矢量控制的容错系统中，一般是对PWM调制方法进行改进，使系统良好稳定运行；直接转矩控制（DTC）和直接功率控制（DPC）分别应用在永磁同步发电机机侧变流器和网侧变流器的故障容错控制中。

第三，合格的维修维护人员和完善的制度。

容错运行使用不当，则可能使小故障变成大故障，使机组利用率更低，发电量损失更大。远程故障处理技术人员应有丰富的风电场机组维修维护的实践经验、较高的技术水平及责任心。并采取有效措施确保在近期或机组维护时处理遗留问题，以保证机组和部件安全，以及下一次在远程处理故障时，采用容错运行的可能。

因在远程故障处理中采取了容错运行，为了让可能产生的问题得到及时纠正和处理。在机组维护、维修时还应检查机组主控的参数及状态码设置等。在登机进行维护、维修时，应让机组的参数、软件和硬件均恢复到正常设置和正常状态。

远程管理与电网安全

前面介绍的风电机组远程故障检查、诊断和处理，需通过远程通信和互联网技术手段，并以机组的远程操控为基础。而国家电监会于2012年3月1日发布的《关于加强风电安全工作的意见》中要求：“禁止通过公共互联网络直接对风电机组进行远程监测、控制和维护。”

行业规定及思维观念需持续更新，这正如银行存款、取款业务。在现代通信和互联网出现之前，存取款业务只能通过柜台办理。随着网络技术和互联网的发展，人们的存取款业务可以通过网络在世界各地办理，极大地方便了顾客，减少了运营成本。风电场设备管理，其服务对象主要是风电机组，与银行顾客一样相当分散。风电机组又大都分布于人迹罕至的偏远地区，其状态不定。应做好远程管理和远程技术服务，以提高服务的有效性和及时性。

实现机组的远程故障检查、诊断和处理，同时保证机组、部件及电网安全，需要做好以下几方面的工作：

首先，具有完善权限管理，并充分考虑了现场故障诊断与处理的主控程序，优秀的远程操控软件（SCADA软件）和相关制度，以便于远程权限管理，保证机组运行、电网安全。在后台软件和主控的功能设置上，还应充分考虑在机组登录互联网后，可能对电网造成的不利影响。例如，对于能够远程操控的风电机组，后台软件不能设置类似机组“群停”等危及电网安全的功能，以避免错误操作或恶意破坏，对电网安全造成不利影响。采取措施避免黑客攻击等。

摄影：李新星

其次，除主控外，机组重要部件还应与风电场环网通信配套，以便于这些部件的远程检查与故障诊断。在机组各部件设计时，应充分考虑远程检查与故障诊断。众多故障诊断主要是通过主控得以实现。而类似变频器等复杂且相对独立的机组部件，应具有与机组通信控制器相配套的软硬件接口，以满足变频器等部件本身的故障检查、诊断与处理；远程操控界面和使用软件，应力求与现场机组的人机界面、风电场SCADA软件及调试软件一致，以利于远程指导。

再次，制定相关政策和措施以保证风电机组远程操控的顺利实施。国家电力部门在制定相关政策和标准时，应充分考虑风电设备的特点和特殊性，如：在通常情况下，风电机组的单机发电功率不足大型火电设备的千分之一，且地处偏远，因此，在风电管理时不能照搬火电、水电等其他电力设备的现成经验。

总之，在风电机组的运行管理上，国家相关部门、电网、整机生产厂家及运营商等应相互支持，共同营造风电发展的有利环境，提高机组运行的稳定性，最大限度地降低机组运维成本。

结语

依据风电机组的固有特性及其运行、维修和维护的特点，充分利用手机APP和互联网远程通信技术，加强风电机组的权限管理。通过远程故障检查、诊断和机组的容错运行，提高机组运行稳定性和安全性。在保证机组及部件安全的前提下，尽量多地发电，以期最大限度地降低寿命期内的机组度电成本。