變頻器是一種電力電子裝置，通過控制裝置內(nèi)的功率器件，實現(xiàn)風電機組輸出功率控制，調(diào)整風電機組運行狀態(tài)，作為風力發(fā)電機組連接電網(wǎng)的核心部件，其電能質(zhì)量、故障電壓穿越性能等都要滿足相應(yīng)的國家標準，是決定風電機組涉網(wǎng)性能的關(guān)鍵因素。隨著風電市場進入后市場運維服務(wù)階段，業(yè)主對變頻器遠程監(jiān)控的需求日益突出。本文基于C/S架構(gòu)，通過增加規(guī)約適配器，利用TCP/IP通訊協(xié)議和風機通訊環(huán)網(wǎng)，設(shè)計了完善且經(jīng)濟的變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案，使變頻器具備遠程監(jiān)視、故障數(shù)據(jù)錄波、事件導出等相關(guān)功能，并在風電場得到應(yīng)用，實現(xiàn)了良好的人機交互和經(jīng)濟效益。
【關(guān)鍵詞】 變頻器 遠程監(jiān)控 C/S架構(gòu) 人機交互
1.無論直驅(qū)還是雙饋型風力發(fā)電機組，都需要變頻器作為連接電網(wǎng)的關(guān)鍵部件。早期風電起步時，國外企業(yè)利用其技術(shù)和品牌優(yōu)勢，在內(nèi)資企業(yè)產(chǎn)品沒有形成優(yōu)勢前，快速占領(lǐng)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(qū)和韓國品牌約占6%。隨著風電行業(yè)在國內(nèi)的迅猛發(fā)展，高壓變頻器逐漸開始進入到風電領(lǐng)域。國內(nèi)品牌變頻器產(chǎn)品技術(shù)日趨成熟，內(nèi)資企業(yè)利用國產(chǎn)化、價格低、可靠性高、功率不斷擴大和服務(wù)等優(yōu)勢，市場份額逐年提升。針對已經(jīng)建設(shè)投產(chǎn)的風力發(fā)電機組，變頻器供應(yīng)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(xié)議與主控進行通訊，完成相關(guān)數(shù)據(jù)和信息交互，盡管能無縫接入整機SCADA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但并未實現(xiàn)變頻器的遠程監(jiān)控，包括遠程程序升級、參數(shù)配置、遠程調(diào)試、遠程故障信息獲取、遠程診斷、遠程監(jiān)視等功能[1-4]。
對于老舊機組改造和新機型配置，業(yè)主要求變頻器需配置以太網(wǎng)等接口具備獨立組網(wǎng)的能力，能上傳遠程實時數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，同時能夠遠程修改、查看變頻器內(nèi)部參數(shù)，實時監(jiān)控變頻器的運行狀態(tài)、詳細參數(shù)、故障告警信息等，具有實時錄波、故障錄波等功能，進而實現(xiàn)風電機組的大數(shù)據(jù)管理和信息化需求[5~6]。變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)與風場SCADA系統(tǒng)相互獨立，基于C/S架構(gòu)，采用通訊適配器，進行通訊規(guī)約轉(zhuǎn)化，將變頻器接入風機環(huán)網(wǎng)，與升壓站上位機進行數(shù)據(jù)交互。針對不同的操作系統(tǒng)安裝對應(yīng)運行環(huán)境，實現(xiàn)不同變頻器獨立監(jiān)控。變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)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(yīng)用潛力。
2.變頻器遠程監(jiān)控方案設(shè)計
2.1 系統(tǒng)C/S架構(gòu)
Client/Server架構(gòu)（C/S架構(gòu)）即客戶/服務(wù)器模式，建立在局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上，如圖2.1所示。服務(wù)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，采用的軟件支持開放模式。從經(jīng)濟適用性而言，整機SCADA操作站配置可用于環(huán)境安裝，避免系統(tǒng)冗雜也可單獨選配服務(wù)器。C/S架構(gòu)具有客戶端響應(yīng)速度快、充分發(fā)揮客戶端PC處理能力、客戶端處理將工作預(yù)處理后再提交服務(wù)器等優(yōu)點。
圖2.1 C/S架構(gòu)圖
2.2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
實現(xiàn)變頻器的遠程監(jiān)控功能，需要將每臺機組的變頻器接入通訊環(huán)網(wǎng)，要求變頻器通過改造需具備通訊接口。變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如下圖2.2所示。
圖2.2 變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
結(jié)合上圖，變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)的建立具體實施如下：
（1）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(guī)約轉(zhuǎn)化的網(wǎng)絡(luò)適配器，將變頻器通訊協(xié)議轉(zhuǎn)為TCP/IP協(xié)議，從而使變頻器具備通訊功能和接口；
（2）使用機艙和塔基光電轉(zhuǎn)換器（光電轉(zhuǎn)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(xiàn)通訊，必要時還需增加塔基和機艙通訊光纖；
（3）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(huán)網(wǎng)；
（4）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(huán)網(wǎng)；
（5）根據(jù)電網(wǎng)二次安防相關(guān)規(guī)定，變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)同屬于安全區(qū)I，可利用風機環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，從而將變頻器信號通過機組光纖環(huán)網(wǎng)回到升壓站；
（6）考慮經(jīng)濟性，變頻器監(jiān)控系統(tǒng)軟件安裝于SCADA操作站服務(wù)器，為保持更好人機交互且避免系統(tǒng)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；
（7）設(shè)定每臺機組變頻器IP地址，建立變頻器通訊局域網(wǎng)，在上位機布設(shè)安裝環(huán)境和監(jiān)控軟件，實現(xiàn)全場變頻器的通信。
3.方案實際應(yīng)用
基于上述變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)變頻器遠程監(jiān)控。該風場機組變頻器置于塔基，主控系統(tǒng)和變頻器之間使用PB通信，變頻器只有少數(shù)數(shù)據(jù)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(guān)數(shù)據(jù)和故障名稱，不利于遠程分析診斷、程序升級和參數(shù)優(yōu)化，對于一些可能發(fā)生且較重大的故障也難以做到提早預(yù)防。改造過程如下：
（1）硬件改造和通訊組網(wǎng)
每臺機組在變頻器內(nèi)安裝一個多功能監(jiān)控適配器，適配器固定到自帶的結(jié)構(gòu)件上，將結(jié)構(gòu)件安裝在配電柜門板下方，如下圖2.3所示。將變頻器預(yù)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(wǎng)線連接適配器RJ45接口和塔基光纖環(huán)網(wǎng)交換機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)風場環(huán)網(wǎng)分配的IP地址段進行適配器IP設(shè)置以及功能配置，完成變頻器局域網(wǎng)末端搭建。最后，在升壓站監(jiān)控室布設(shè)操作站服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)采集、存儲和實現(xiàn)人機交互。
圖2.3 機組變頻器柜安裝多功能監(jiān)控適配
（2）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(guān)數(shù)據(jù)輸出到適配器；其次，根據(jù)服務(wù)器的操作系統(tǒng)，在操作站安裝數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集存儲軟件、實時和歷史數(shù)據(jù)訪問軟件、客戶端等軟件，并完成相應(yīng)的配置，搭建好人機交互平臺；最后，利用風機局域網(wǎng)訪問風機SCADA的GPS時鐘服務(wù)器，完成變頻器的時間校準。
（3）實現(xiàn)功能
a變頻器集中監(jiān)控，如圖3.1所示，針對現(xiàn)場變頻器進行集中監(jiān)控，方便運行值班人員了解變頻器實時運行狀態(tài)。
圖3.1 變頻器集中監(jiān)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(tǒng)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(wù)器，變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)將定時對每臺變頻器進行校時，防止變頻器長時間系統(tǒng)掉電后，變頻器控制系統(tǒng)時間不準確。
d故障數(shù)據(jù)下載功能，如下圖3.3所示，變頻器故障信息在服務(wù)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(shè)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(tǒng)計功能，可以自定義生成變頻器故障統(tǒng)計報表。
圖3.3 故障數(shù)據(jù)下載功能
e遠程參數(shù)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(nèi)部配置參數(shù)，實現(xiàn)對變頻器問題的快速處理。
圖3.4 遠程參數(shù)修改功能
4.結(jié)語
變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)用來提高風力發(fā)電機組利用率，降低現(xiàn)場對變頻器維護工作量和成本，實現(xiàn)變頻器實時監(jiān)視和軟件維護。隨著風電行業(yè)蓬勃發(fā)展，越來越多新機組招標時業(yè)主要求配置變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其在風電后市場需求和作用愈加明顯。基于風機的具體配置，本文采用C/S架構(gòu)建立的變頻器遠程監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)點有三：首先，采用適配器變頻器連接，與風機SCADA共用風機環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)變頻器信息上傳，接入簡單，投資少；其次，節(jié)省風場運營費用，變頻器的網(wǎng)絡(luò)化將大大提升變頻器的維護效率，降低業(yè)主的維護成本，同時提供變頻器故障統(tǒng)計、報表輸出功能，為風場的少維護、免維護打下良好的基礎(chǔ)；最后，獲取專家技術(shù)支持功能，智能化的故障診斷系統(tǒng)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(yè)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(yīng)商技術(shù)支持，后續(xù)在滿足二次安防前提下，建立大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，可將故障數(shù)據(jù)反饋傳輸?shù)阶冾l器供應(yīng)商，便于廠家利用相關(guān)數(shù)據(jù)提供更全面的技術(shù)支持。
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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(chǎn)業(yè)》2021.06
