CN111911363A - 风电机组直流变桨系统故障快照系统及其监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种风电机组直流变桨系统故障快照系统及其监控方法，主要包括现场系统和中央监控系统；现场系统，主要包括数据采集与处理器、数据存储器、无线通讯模块、备用电源模块；中央监控系统，包括中央监控服务器服务器、通讯模块；中央监控服务器根据变桨系统运行数据和历史数据，基于人工神经网络进行数据进行故障分析与诊断。当机组触发故障或者异常状态时，可以触发机组变桨故障快照系统，可以在远程和本地进行数据调阅，同时可以在风电场主控室进行远程监控，同时基于人工神经网络对故障数据进行分析，以及提出检查顺序、可能损坏的部件或者初步处理方案。
Description
技术领域
本发明属于发电机组监控技术领域，具体涉及一种风电机组直流变桨系统故障快照系统及其监控方法。
背景技术
21世纪以来，在全球范围内的能源结构调整中，化石燃料的份额明显下降，风能、水能、太阳能的比重不断上升。近些年，以风能、太阳等为代表的可再生能源在能源总量中所占的比重日益增多，可再生能源技术发展迅速，它们普遍具有清洁、无污染、安全、储量丰富等特点。风力发电作为现阶段最具备开发前景的可再生能源，根据国家能源局发布的《2019年风电并网运行情况》，到 2019年底全国风电累计装机2.1亿千瓦。
风力发电机组变桨距系统作为风力发电机组核心控制系统之一，其设备稳定性、可靠性对风力发电机组可靠性和安全性具有非常重要的意义。目前较为常用的是电动变桨距系统，在少部分机组也安装液压变桨系统。而电动变桨系统广义上根据驱动变桨的电机分为直流变桨和交流变桨。直流变桨系统往往由独立的变桨控制器(变桨控制PLC)控制，与风机主控制器(PLC或CPU模块)通过现场总线进行数据交互，其余例如安全链等主要信号还通过信号电缆与主控输入板卡、卡件或者模块连接。
与传统火电机组故障不同，风力发电机组故障往往具有偶发性和随机性，加上风力发电机组主要运行监控在升压站或者主控室，在发生故障后检修人员往往需要二十分钟甚至更长的时间才能到达现场，许多故障在这个时间内故障现象可能已经恢复。
对于直流变桨系统而言，故障的偶发性和随机性更为明显，而受限于风机主控制器(PLC 或CPU模块)和变桨变桨控制器(PLC)的数据处理与存储能力，机组一般只能提供机组十分钟数据或者机组故障时刻的部分模拟量数据，而对于一些主要的开关量信号往往无法存储，这就为现场故障处理增加了难度。
因此如何在远程对于变桨系统进行监控，同时如何获取直流变桨系统故障时刻包括故障时刻前后一段时间内的模拟量、开关量甚至是主控制器和变桨控制器、驱动器等核心部件的状态码或者故障码，同时自动对数据进行初步分析，提出处理建议，这些对于故障或者事故分析与追忆，现场故障处理等具有现实意义。
现有风力发电机组直流变桨系统往往采用七柜设计，一般分为中控柜、轴一控制柜、轴一电池柜、轴二控制柜、轴二电池柜、轴三控制柜、轴三电池柜。
变桨控制器、断路器、充电器、电源模块、浪涌保护器等安装在中控柜。
变桨驱动器、变压器、部分接触器和断路器、电池电压监测模块等安装在轴控柜。
变桨后备电源(变桨电池)安装在电池柜。
各柜体之间，各柜体与变桨电机、变桨编码器通过动力电缆或信号电缆相连。
变桨系统由独立的变桨控制器(变桨控制PLC)控制，与风机主控制器(PLC或CPU模块)通过现场总线进行数据交互，其余例如安全链等主要信号还通过信号电缆与主控输入板卡、卡件或者模块连接。
中控柜是系统的核心柜体，变桨系统核心控制器变桨控制器就安放在其中。一方面可以将从滑环过来的电源分配到三个轴控柜与电池柜；与风机主控制器(PLC或CPU模块)通过现场总线进行数据交互，其余例如安全链等主要信号还通过信号电缆与主控输入板卡、卡件或者模块连接。
轴控柜是变桨系统执行机构，其核心部件为变桨驱动器，其可以根据中控柜内变桨控制器指令要求完成桨叶调整工作，也可以通过蓄电池回桨控制回路完成紧急回桨动作。
电池柜是系统的后备电源柜，在系统供电不足时候为轴控柜提供电源，保证机组在低电压穿越状态下的正常并网运行；也可以通过轴控柜直接给变桨电机与变桨电磁刹车提供电脑，保证机组在极端故障情况下可以收桨保证机组安全。
中控柜的变桨控制器接收主控系统给出的变桨需求，将需求变桨速度及相关控制需求通过模拟量传给变桨驱动器，由变桨驱动器控制变桨电机执行变桨命令，完成机组变桨动作，确保机组稳定运行。
现有风力发电机组往往只通过光纤或以太网将风机主控制器(PLC或CPU模块)与升压站的数据采集与监视控制系统(SCADA)相连接，同时通过数据采集与监视控制系统监控风力发电机组主控制器(PLC或CPU模块)的数据和报警、故障信息。
该技术存在以下的缺点
1、现有直流变桨系统没有单独的数据采集与处理器，受限于变桨变桨控制器(PLC)的数据处理与存储能力，无法对变桨数据进行存储。同时受限于风机主控制器(PLC或CPU模块)，机组一般只能提供机组十分钟数据或者机组故障时刻的部分模拟量数据，而对于一些主要的开关量信号和全部模拟量信息无法进行存储。
2、直流变桨系统变桨主控制器与三个变桨驱动器之间只通过模拟量和数字量进行使能、速度等控制，现有直流变桨系统未采集变桨驱动器通讯数据，导致许多数据和状态无法采集。
3、在风力发电机组无法对机组故障数据进行存储，也不能提供现场进行进行调阅，不利于现场故障处理。
4、没有对于变桨系统进行单独监控，导致许多异常不能及早发现，导致机组故障甚至导致机组恶性事故。
5、现有直流变桨系统没有故障快照记录功能。
6、暂无基于人工神经网络对变桨系统数据进行故障分析与诊断技术。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种风电机组直流变桨系统故障快照系统，当机组触发故障或者异常状态时，可以触发机组变桨故障快照系统，可以在远程和本地进行数据调阅，同时可以在风电场主控室进行远程监控，同时基于人工神经网络对故障数据进行分析，以及提出检查顺序、可能损坏的部件或者初步处理方案。
具体技术方案为：
风电机组直流变桨系统故障快照系统，主要包括现场系统和中央监控系统；
所述的现场系统，主要包括数据采集与处理器、数据存储器、无线通讯模块、备用电源模块；还包括外接人机界面；
所述的数据采集与处理器，通过工业总线CAN通讯与变桨驱动器和变桨控制器相连，采集变桨控制器与变桨驱动器的状态数据、模拟量和数字量数据信息；同时；数据采集与处理器通过现场总线采集直流变桨系统在各种工况下运行的开关量、模拟量、主要部件状态信息；
数据采集与处理器通过无线通讯模块回传给中央监控系统的中央监控服务器，实现在现场和远方对数据进行调阅，同时对变桨系统的远程监控；
数据采集与处理器通过监控主控制器、变桨控制器和变桨驱动器的状态判断是否触发快照日志；
所述的中央监控系统，包括中央监控服务器服务器、通讯模块；中央监控服务器根据变桨系统运行数据和历史数据，基于人工神经网络进行数据进行故障分析与诊断。
上述风电机组直流变桨系统故障快照系统的监控方法，包括以下步骤：
数据采集与处理器通过与主控制器间的CAN通讯自动按照主控制器时间进行对时，保证时间的一致性；
对时完成，系统进行硬件与通讯自检，检查数据采集与处理器与主控制器、变桨控制器和3个变桨驱动器通讯是否正常，检查数据存储器是否可以正常写入数据，自检如不通过，系统通过无线通讯模块向中央监控服务器提示具体故障信息，同时本地蜂鸣器鸣响，提醒检修人员处理；
自检通过后系统进入启动阶段，系统启动后，自动运行数据采集功能，以40ms为时间间隔，记录变桨系统的模拟量和数字量信息；
主要包括：主控制器状态、变桨控制器状态、轴1/2/3变桨驱动器状态、轴1/2/3直流蓄电池电压、轴1/2/3变桨电机电流、轴1/2/3变桨电机热继电器状态、轴1/2/3A编码器角度值、轴1/2/3B编码器角度值、轴1/2/3的92°限位开关状态、轴1/2/3的95°限位开关状态、轮毂温度、轴1/2/3电池柜温度、轴1/2/3变桨速度给定、轴1/2/3变桨驱动器使能信号、轴1/2/3变桨电机温度、变桨旁路限位信号、变桨EFC信号、变桨通讯信号、转速正常信号、变桨充电循环信号以及变桨内接触器、继电器的使能信号和实际状态。
轴1/2/3为三片叶片1/2/3简称。
数据采集与处理器对模拟量数据保留2位小数，数字量按照0或1进行记录，同时通过无线通讯模块将数据传给中央监控服务器，机组数据记录时间长短取决于存储器内存容量，当划定的可供存储的存储容量全部使用后，系统会持续记录数据同时将最早记录的数据进行删除；
当数据采集与处理器通过CAN通讯监测变桨控制器状态、主控制器状态和3个变桨驱动器状态，当任意一个设备状态切换为非正常运行时，触发快照日志系统，同时通过无线通讯模块在中央监控服务器发出告警信号；
系统将触发这个时刻定义为触发时刻(0s)，同时继续记录t(可根据实际需要设置60-120s 之间，一般为90s)时间间隔的数据，当达到预设t间隔后，系统暂停工作，将故障触发(0s) -t和+t的数据按照触发时刻为0，40ms为前后时间间隔，将数据以故障时刻时间为名存储作为故障快照的内容(例：2020010117301230)，存储至系统历史故障快照中。
在机组就地可以通过连接人机界面，进行数据查阅、曲线绘制，支持将机组故障数据以 csv格式进行数据导出。
在中央监控系统自行选定时间间隔，提供图像绘制、对比分析、数据导出，同时基于历史数据和人工神经网络，给出初步处理建议；
当系统检测到机组主控制器状态仍为正常运行状态，机组将在预设延时Q秒后，继续开始记录数据，但此时会在中央监控系统发出告警信号，提示工作人员检查处理，防止酿成恶性事故。
本发明的技术手段，具有以下技术效果：
(1)现场系统主要由数据采集与处理器、数据存储器、无线通讯模块、备用电源模块组成。现场系统的数据采集与处理器通过现场总线采集直流变桨系统在各种工况下运行的开关量、模拟量、主要部件状态信息，通过无线通讯模块回传给中央监控服务器。
在实现数据本地存储与计算的同时，实现实时数据远程回传至中央监控服务器，一是可以实现在主控室对变桨系统进行单独监控，二是实现在风机和主控室都可以对数据进行调阅，方便运行与检修人员。
(2)现场数据采集系统单独采集风机主控制器和变桨控制器、三个变桨驱动器的状态码，当任意一个状态码由正常运行变为告警或者故障状态时，立即触发快照；
可以通过对主控制器状态码的判断，确认机组是否触发警告、故障，同时对数据进行记录。可以对变桨系统故障和非变桨系统故障、告警等异常状态，导致的机组停机过程中的相关变桨数据进行记录，以便事故的追忆分析。
(3)中央监控系统主要由数据存储与计算服务器、监控电脑组成，实现对回传数据、告警或者故障信息的实时显示与数据存储。
一是基于人工神经网络，利用本地数据存储与计算服务器的计算能力，对故障数据进行分析，以及提出检查顺序、可能损坏的部件或者初步处理方案。二是在直流变桨系统控制器或三个驱动器等核心部件发生异常但未触发故障时，可以在监控电脑给出告警提示，提醒检修维护人员处理，避免事故的扩大。
(4)当现场数据采集系统开始工作，会将机组在正常运行过程中一段时间(t)的变桨系统全部数据和主控制器的运行状态等数据以40ms为一个点进行实时存储与回传。
通过监控主控制器、变桨控制器和变桨驱动器的状态判断是否触发快照日志。
当现场数据采集系统监测到主控制器、变桨控制器和变桨驱动器任意一个设备状态码发生改变，立即触发快照日志，将该时刻时间记录为触发时刻(0s)，本地将故障触发(0s)-t 和+t的数据存储作为故障快照的内容(t可以根据存储器容量及需要进行自定义)，远程服务器对全部数据进行存储。
一是在现场数据采集系统可以调阅时间为2t机组故障快照，而在远程服务器可以调阅全部机组数据，便于故障处理与分析。二是通过现场总线40ms存储一次数据，满足对于数据精度的要求。三是可以对存储时间段t进行定义，满足多样化需求。
理论上说，该风电机组直流变桨系统故障快照系统采集的数据主要包括：主控制器状态、变桨控制器状态、轴1/2/3变桨驱动器状态、轴1/2/3直流蓄电池电压、轴1/2/3变桨电机电流、轴1/2/3变桨电机热继电器状态、轴1/2/3A编码器角度值、轴1/2/3B编码器角度值、轴 1/2/3的92°限位开关状态、轴1/2/3的95°限位开关状态、轮毂温度、轴1/2/3电池柜温度、轴1/2/3变桨速度给定、轴1/2/3变桨驱动器使能信号、轴1/2/3变桨电机温度、变桨旁路限位信号、变桨EFC信号、变桨通讯信号、转速正常信号、变桨充电循环信号以及变桨内接触器、继电器的使能信号或实际状态。
实现了直流变桨系统全部模拟量、开关量(数字量)和状态码的采集，有利于数据的分析与处理。
(5)将故障时刻设置为0s，以0s为数据原点，40ms为间隔对数据进行存储。
可以直观的确认故障时刻，也可以直观的确认故障时刻前后按照时间为序的数据信息，便于现场数据和远程的数据存储。
(6)根据风电机组主控制器状态码、变桨控制器状态码、变桨驱动器状态码的监测，只要发现非正常状态即触发快照日志。
一是实现了对变桨系统、主控系统故障、告警及其他异常情况准确识别，二是可以记录包括故障的全部异常情况下的数据，有利于人工神经网络对于数据进行分析、处理与学习。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流程示意图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
如图1为本发明系统结构示意图。流程如图2所示。
具体技术方案为：
当系统得电后，系统会自启动。
启动后，系统的数据采集与处理器通过与主控制器间的CAN通讯，按照主控制器时间进行对时，保证系统与主控系统的时间时间的一致性，为保证系统的冗余性，当对时失败后，系统会沿用本地时间继续启动，但会在系统日志内给出对时失败的日志记录；
对时完成后，系统进行内部自检，主要检查数据采集与处理器与主控制器、变桨控制器和3个变桨驱动器通讯是否正常，检查数据存储器是否可以正常写入数据，检查测试发送现在状态信息至中央监控服务器，测试是否能正确收到中央监控服务器反馈的状态数据。
如果系统软件或硬件故障导致自检不通过，系统通过无线通讯模块向中央监控服务器提示具体故障信息，同时本地蜂鸣器鸣响，提醒检修人员处理；
如果系统无法与中央服务器建立数据通讯，则中央服务器在延迟5分钟后，在监控系统页面给出报警提示，提示通讯丢失，但不影响系统正常启动。
自检通过后系统进入启动阶段，系统启动后，运行数据采集功能会自动运行，以40ms为时间间隔，根据在系统文件的配置内容，记录变桨系统的模拟量和数字量信息；
系统将采集的模拟量按照实际数据需求保留2位小数，数字量按照0或1实时写入到数据库中。同时通过无线通讯模块将数据传给中央监控服务器，机组数据记录时间长短取决于存储器内存容量，当划定的可供存储的存储容量全部使用后，系统会持续记录数据同时将最早记录的数据进行删除，进而保证数据记录的一致性和连续性；
数据采集与处理器通过CAN通讯监测变桨控制器状态、主控制器状态和3个变桨驱动器状态，当系统监测到任意一个设备状态切换为非正常运行(故障或者告警状态)时，触发快照日志系统，同时通过无线通讯模块在中央监控服务器发出告警信号；
同时在触发快照日志的时刻，系统将触发这个时刻定义为触发时刻(0s)，同时继续记录 t(可根据实际需要设置60-120s之间，一般为90s)时间间隔的数据，当达到预设t间隔后，系统暂停工作。
系统将将故障触发(0s)-t和+t的数据按照触发时刻为0，40ms为前后时间间隔，进行数据整理，将数据以故障时刻时间为名存储作为故障快照的内容(例：2020010117301230)，存储至系统历史故障快照中。
而中央监控服务器会记录下0s后，持续进行数据记录，同时将0s点定义为故障信息原点，可在中央监控服务器上进行数据的前后调阅、曲线绘制、趋势查看、对比分析等操作。同时基于历史数据和人工神经网络，给出初步原因分析及处理建议。
而在机组就地可以通过连接人机界面，进行数据查阅、曲线绘制，同时支持将机组故障数据以csv格式进行数据导出。
当系统检测到机组主控制器状态始终为正常运行状态，但变桨控制器状态、主控制器状态和3个变桨驱动器状态仍至少有一个为告警状态时间，机组将在预设延时Q秒(可自由定义)后，继续开始记录数据，但此时会在中央监控系统发出告警信号，提示工作人员检查处理，防止酿成恶性事故。
Claims (5)
1.风电机组直流变桨系统故障快照系统，其特征在于，主要包括现场系统和中央监控系统；
所述的现场系统，主要包括数据采集与处理器、数据存储器、无线通讯模块、备用电源模块；
所述的数据采集与处理器，通过工业总线CAN通讯与变桨驱动器和变桨控制器相连，采集变桨控制器与变桨驱动器的状态数据、模拟量和数字量数据信息；同时；数据采集与处理器通过现场总线采集直流变桨系统在各种工况下运行的开关量、模拟量、主要部件状态信息；
数据采集与处理器通过无线通讯模块回传给中央监控系统的中央监控服务器，实现在现场和远方对数据进行调阅，同时对变桨系统的远程监控；
数据采集与处理器通过监控主控制器、变桨控制器和变桨驱动器的状态判断是否触发快照日志；
所述的中央监控系统，包括中央监控服务器服务器、通讯模块；中央监控服务器根据变桨系统运行数据和历史数据，基于人工神经网络进行数据进行故障分析与诊断。
2.根据权利要求1所述的风电机组直流变桨系统故障快照系统，其特征在于，所述的现场系统还包括外接人机界面。
3.风电机组直流变桨系统故障快照系统的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
数据采集与处理器通过与主控制器间的CAN通讯自动按照主控制器时间进行对时，保证时间的一致性；
对时完成，系统进行硬件与通讯自检，检查数据采集与处理器与主控制器、变桨控制器和3个变桨驱动器通讯是否正常，检查数据存储器是否可以正常写入数据，自检如不通过，系统通过无线通讯模块向中央监控服务器提示具体故障信息，同时本地蜂鸣器鸣响，提醒检修人员处理；
自检通过后系统进入启动阶段，系统启动后，自动运行数据采集功能，以40ms为时间间隔，记录变桨系统的模拟量和数字量信息；
数据采集与处理器对模拟量数据保留2位小数，数字量按照0或1进行记录，同时通过无线通讯模块将数据传给中央监控服务器，机组数据记录时间长短取决于存储器内存容量，当划定的可供存储的存储容量全部使用后，系统会持续记录数据同时将最早记录的数据进行删除；
当数据采集与处理器通过CAN通讯监测变桨控制器状态、主控制器状态和3个变桨驱动器状态，当任意一个设备状态切换为非正常运行时，触发快照日志系统，同时通过无线通讯模块在中央监控服务器发出告警信号；
系统将触发这个时刻定义为触发时刻即0s，同时继续记录t时间间隔的数据，当达到预设t间隔后，系统暂停工作，将故障触发(0s)-t和+t的数据按照触发时刻为0，40ms为前后时间间隔，将数据以故障时刻时间为名存储作为故障快照的内容存储至系统历史故障快照中；
在中央监控系统自行选定时间间隔，提供图像绘制、对比分析、数据导出，同时基于历史数据和人工神经网络，给出初步处理建议；
当系统检测到机组主控制器状态仍为正常运行状态，机组将在预设延时Q秒后，继续开始记录数据，但此时会在中央监控系统发出告警信号，提示工作人员检查处理，防止酿成恶性事故。
4.根据权利要求3所述的风电机组直流变桨系统故障快照系统的监控方法，其特征在于，所述的记录变桨系统的模拟量和数字量信息，主要包括：主控制器状态、变桨控制器状态、轴1/2/3变桨驱动器状态、轴1/2/3直流蓄电池电压、轴1/2/3变桨电机电流、轴1/2/3变桨电机热继电器状态、轴1/2/3A编码器角度值、轴1/2/3B编码器角度值、轴1/2/3的92°限位开关状态、轴1/2/3的95°限位开关状态、轮毂温度、轴1/2/3电池柜温度、轴1/2/3变桨速度给定、轴1/2/3变桨驱动器使能信号、轴1/2/3变桨电机温度、变桨旁路限位信号、变桨EFC信号、变桨通讯信号、转速正常信号、变桨充电循环信号以及变桨内接触器、继电器的使能信号和实际状态。
5.根据权利要求3或4所述的风电机组直流变桨系统故障快照系统的监控方法，其特征在于，还包括，在机组就地通过连接人机界面，进行数据查阅、曲线绘制，支持将机组故障数据以csv格式进行数据导出。
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