文 | 王明軍

風(fēng)電機組通常安裝在人跡罕至的荒郊野外，現(xiàn)場技術(shù)力量薄弱、服務(wù)難度大、維修成本高，故障處理不及時帶來的發(fā)電量損失不容忽視。尤其是隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，登機處理故障的難度更大，因單機功率大，故障停機損失巨大。因此，風(fēng)電機組的故障容錯運行受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。通過有效的容錯機制以優(yōu)化機組運行，在不登機維修的情況下，還能繼續(xù)發(fā)電，將能有效降低機組故障帶來的損失。

由于我國風(fēng)電行業(yè)起步較晚，業(yè)內(nèi)對機組故障屏蔽在認(rèn)識上存在一定的偏差，普遍對故障屏蔽帶來的好處認(rèn)識不足，而對其帶來問題又過分夸大，這無疑為機組容錯運行制造了障礙。尤其是在我國風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展時期，一些事故原因未能查清，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)至今還存在不少誤解。國家電力管理部門對風(fēng)電機組的管理等同于火電、核電機組，規(guī)定不能通過互聯(lián)網(wǎng)和手機APP對風(fēng)電機組實施遠(yuǎn)程操控，從而失去了機組容錯運行的必要條件。因此，我國對風(fēng)電機組的遠(yuǎn)程故障處理及容錯運行研究較少。

從國外相關(guān)文獻(xiàn)及研究成果來看，目前，有關(guān)風(fēng)電機組的故障容錯研究主要從以下兩方面展開：

（1）變頻器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。增加一組備份冗余橋臂代替故障橋臂；采用6/5橋臂容錯變頻器拓?fù)鋵崿F(xiàn)故障容錯；利用直流電壓的中點進(jìn)行電路重組。

（2）電機本體改進(jìn)或設(shè)計。將多相電機應(yīng)用到大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。大功率變頻器通常是由許多單元級并聯(lián)而成，大功率電機的繞組通常也由許多并聯(lián)的線圈組成。因此，電機和電力電子電路可以通過重新配置應(yīng)用在多相發(fā)電系統(tǒng)中，并且不需要增加硬件。

上述方法中，需要修改原變頻器結(jié)構(gòu)和電機設(shè)計，技術(shù)難度大。在增加成本的同時使電路結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，且實際應(yīng)用中還受機艙空間的限制。因此，需要深入挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)的容錯潛力，在不改變或?qū)ΜF(xiàn)有硬件做微小改變的情況下，使機組具有更高的容錯能力，有效降低故障帶來的損失。同時，保證機組、部件及電網(wǎng)安全，避免重大事故的發(fā)生。

本文著重介紹當(dāng)機組主控報故障停機后，通過遠(yuǎn)程修改主控參數(shù)，即：修改相關(guān)主控運行參數(shù)，修改主控設(shè)置的狀態(tài)碼或溫度端口狀態(tài)等，實現(xiàn)機組容錯運行。

風(fēng)電機組按照主控程序在無人干預(yù)下自主運行，機組啟停通常是依據(jù)主控程序執(zhí)行。當(dāng)主控程序判斷機組存在故障時，則會執(zhí)行保護(hù)性停機。然而，按主控程序執(zhí)行的保護(hù)性停機故障，與專家判斷的機組不能運行之間存在著差距。在設(shè)計時，風(fēng)電機組的保護(hù)等普遍采用了冗余設(shè)計，這給容錯運行提供了條件。再者，因各種原因，還存在主控誤報等問題，因此，在機組報故障停機后，時?？赏ㄟ^專家診斷和遠(yuǎn)程操控使之繼續(xù)運行。

通過修改參數(shù)實現(xiàn)機組容錯運行，其技術(shù)簡單、操作方便、不改變機組結(jié)構(gòu)和性能。當(dāng)某個冗余保護(hù)、冗余部件出故障停機，可以通過遠(yuǎn)程屏蔽故障啟機，在機組維修后，再解開故障屏蔽。隨著互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代通信的發(fā)展，這種遠(yuǎn)程處理故障方式在國外的某些知名整機廠家中早已普遍運用。此技術(shù)在我國的普遍運用將能大幅度提高國產(chǎn)機組的可靠性和穩(wěn)定性。

遠(yuǎn)程管理、故障診斷與處理

在保證電網(wǎng)、機組及部件安全的前提下，充分利用現(xiàn)代通信技術(shù)實施遠(yuǎn)程登錄，并加強機組的操控、修改權(quán)限管理。通過遠(yuǎn)程判斷和機組故障處理，減少現(xiàn)場服務(wù)和登機次數(shù)，將能大幅度降低機組運營成本。

可通過遠(yuǎn)程處理的機組故障包括：通過故障屏蔽、修改參數(shù)等手段實現(xiàn)容錯運行的機組故障和通過特殊容錯技術(shù)處理實現(xiàn)容錯運行的機組故障。下面就遠(yuǎn)程容錯處理恢復(fù)機組運行予以分析和討論。

一、遠(yuǎn)程管理與權(quán)限設(shè)置

業(yè)內(nèi)有這樣的說法：“現(xiàn)場由于某些原因（備件不足、缺少備件），使得風(fēng)電機組某些故障被屏蔽掉，這樣做會非常危險，有些故障的屏蔽甚至?xí)?dǎo)致機組倒塌，造成極為惡劣的后果。”如果某個故障被屏蔽掉就導(dǎo)致機組倒塌，那么，應(yīng)該由主控程序設(shè)定該故障不能屏蔽。若確實因現(xiàn)場維修人員屏蔽了某個故障后造成了機組飛車倒塌事故，其主要是由主控程序不夠完善、編程人員考慮不周，或權(quán)限管理等問題造成，而非現(xiàn)場故障屏蔽引起。但是，某些主控由主控程序設(shè)置了可以屏蔽的故障，如果沒有經(jīng)過充分、周密思考和判斷，以及相應(yīng)的保證措施，屏蔽故障確實可能帶來不良后果。因此，需通過加強對數(shù)據(jù)修改、故障屏蔽的權(quán)限管理，以保證部件安全，提高發(fā)電量。下面以設(shè)計優(yōu)良相對完善的WP3100直流變槳主控程序為例，對機組權(quán)限管理和故障屏蔽等問題展開論述。

為了便于機組管理、保證機組安全， WP3100主控程序設(shè)置了多級控制權(quán)限，有100級、99級、80級、10級等，這些權(quán)限都能用于復(fù)位啟機。為了能辨別操作者身份，在99級、80級、10級中，可以設(shè)置多個登錄身份和密碼。每次利用登錄身份和密碼登錄后，主控均有記載。權(quán)限級別與屏蔽故障、參數(shù)修改相對應(yīng)，不同權(quán)限能操作屏蔽的狀態(tài)碼和修改的參數(shù)是不同的。99級權(quán)限是現(xiàn)場操作的最高權(quán)限，能操作的狀態(tài)碼和參數(shù)最多，主要在調(diào)試階段和機組維修時使用；機組投入正常運行，現(xiàn)場使用的權(quán)限一般為80級，主要用于查看機組狀態(tài)和復(fù)位啟機；10級權(quán)限最低，能查看的項目較少，主要用于復(fù)位啟機。100級權(quán)限由主控程序設(shè)定，只有一個，除了具有最高修改權(quán)限外，主要用于權(quán)限管理，可以控制和管理所有低級別權(quán)限的賬戶和密碼。

高權(quán)限可設(shè)置多個比自己權(quán)限低的登錄賬戶。根據(jù)現(xiàn)場需要，通過100級權(quán)限給現(xiàn)場維修維護(hù)人員授權(quán)，并提供與其維護(hù)、維修及故障處理相當(dāng)?shù)牡卿涃~戶和密碼，對于具有修改權(quán)限的99級，在故障處理使用完畢后，應(yīng)通過賬戶和密碼管理及時收回。

該主控設(shè)置了幾百個表明機組狀態(tài)的狀態(tài)碼，大多數(shù)狀態(tài)碼及所有溫度端口均能用100級和99級權(quán)限屏蔽，屏蔽狀態(tài)碼通常又叫屏蔽故障。該主控有49個關(guān)系到機組、人身安全的狀態(tài)碼（其中，有的既屬于機組故障，同時又表示機組狀態(tài)；有的則僅表示機組狀態(tài)）只能報出和顯示，任何權(quán)限均不能屏蔽。也就是說，即便使用100級最高權(quán)限也不能屏蔽。對于這類不能屏蔽的故障，應(yīng)引起重視。不能采取回避、跳過此類故障的錯誤處理方式。例如，采取線路短接跳過此類故障，或采取錯誤手段跳過機組自檢等。

例如，狀態(tài)碼1159，脫離限位開關(guān)故障，屬于由主控程序設(shè)定的不能屏蔽狀態(tài)碼。剎車190，通常葉片回到90°，不能到正常的92度限位開關(guān)位置。當(dāng)存在此故障時，報高級別剎車電池順槳，機組只能通過輪轂驅(qū)動器順槳，而不能切換到正常的電池順槳。如不處理，在適當(dāng)?shù)臈l件下可導(dǎo)致三支槳葉同時不能順槳，導(dǎo)致飛車事故的發(fā)生，這個故障可能由接線錯誤或短接造成，啟機時不能通過機組自檢，也不能遠(yuǎn)程復(fù)位。

該故障的危險性在于，一方面，如果機組存在該安全隱患，且在機組并網(wǎng)運行期間沒有報故障停機，也沒有出現(xiàn)定期機組自動電池檢測、登機維修（如：實施機組斷電、啟動葉片維護(hù)開關(guān)）或集電線路停電等。這樣，機組就不會出現(xiàn)高級別剎車或自檢，就難以發(fā)現(xiàn)該故障。這就是為何“倒塌機組都是運行得特別好的”。另一方面，在現(xiàn)場可以通過非正常手段繞過機組自檢實現(xiàn)并網(wǎng)。當(dāng)機組并網(wǎng)后，只要不出現(xiàn)高級別剎車和電池檢測，機組就一切狀態(tài)正常。如機組維修人員對該故障的危險性認(rèn)識不足，或重視度不夠，并采取錯誤方式啟機并網(wǎng)，也可能造成機組飛車倒塌事故的發(fā)生。再如，狀態(tài)碼13（手動停機），也屬于由主控程序設(shè)定不能實施屏蔽（修改）的狀態(tài)碼。該狀態(tài)碼不僅涉及機組安全，更關(guān)系到人身安全。

在我國風(fēng)電的快速發(fā)展期，不少機組實現(xiàn)了主控國產(chǎn)化。在主控研發(fā)和生產(chǎn)初期，由于編程人員缺乏實踐經(jīng)驗，沒有深入理解風(fēng)電機組的運行原理，僅是通過國外知名廠家的主控說明書仿冒編程。有的主控把絕大部分主控參數(shù)設(shè)置為不能修改，所有故障都不能屏蔽，這樣，必然會造成不必要的發(fā)電量損失；有的國產(chǎn)主控則是只要權(quán)限足夠，所有參數(shù)均可修改，所有狀態(tài)碼都可以屏蔽，如果出現(xiàn)了屏蔽錯誤，則可能造成嚴(yán)重后果。由于開發(fā)時間短，在主控編程和硬件設(shè)計上，國產(chǎn)主控大多很少或沒有考慮現(xiàn)場維修和判斷故障方便問題，更沒有考慮通過遠(yuǎn)程實施安全檢查、故障診斷及故障處理等對主控軟件硬件的一系列要求。

二、遠(yuǎn)程故障診斷與處理

設(shè)計完善的主控程序和后臺軟件，在機組故障診斷和遠(yuǎn)程故障處理中起著重要作用。在適當(dāng)?shù)臈l件下，可以通過主控的參數(shù)修改和故障屏蔽實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷和處理等。

首先，通過修改主控參數(shù)實現(xiàn)機組遠(yuǎn)程故障診斷。

WP3100主控具有眾多可通過SCADA軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程操控并可設(shè)置為不同狀態(tài)的硬件端口，以及大量與機組故障診斷有關(guān)的可修改參數(shù)，極大地方便了遠(yuǎn)程及現(xiàn)場故障診斷。如不能修改參數(shù)和屏蔽故障，判斷和處理機組故障的難度將增加，給機組維修帶來不便。尤其是在實施風(fēng)電場機組的“集中監(jiān)控，區(qū)域維修”時，故障屏蔽和參數(shù)修改權(quán)限授權(quán)給整機廠商總部現(xiàn)場經(jīng)驗豐富的專家，則便于他們遠(yuǎn)程診斷故障。

例如，判斷機組的“異常振動”是否與并網(wǎng)后有關(guān)。故障檢查時，需要暫時甩開變頻器，讓機組在不同轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)運行。對于WP3100主控，只要修改相關(guān)參數(shù)，改變相應(yīng)的主控硬件端口狀態(tài)，屏蔽相關(guān)狀態(tài)碼，就能實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的機組空轉(zhuǎn)運行，很容易判斷出機組振動是否與并網(wǎng)加載有關(guān)，給遠(yuǎn)程故障檢查和判斷帶來了方便。

其次，通過主控參數(shù)修改和故障屏蔽實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障處理。

在保證機組及部件安全的前提下，通過短時間的參數(shù)修改和故障屏蔽，盡量多地讓機組發(fā)電。在機組及主控程序設(shè)計完善的情況下，在適當(dāng)?shù)臈l件下，一方面，通過參數(shù)修改和故障屏蔽，讓機組性能得以充分發(fā)揮。另一方面，應(yīng)經(jīng)過處理者周密的判斷和分析，確保在機組遠(yuǎn)程故障處理到故障維修的時間段內(nèi)，不會產(chǎn)生新問題。

在參數(shù)修改后，應(yīng)有詳細(xì)記載。通過適當(dāng)措施保證機組的遺留故障能及時處理，在故障處理后，把修改參數(shù)恢復(fù)到正常設(shè)置值。對遠(yuǎn)程故障處理的遺留問題，應(yīng)根據(jù)故障和現(xiàn)實情況的不同，選取不同的時間點處理：可以在小風(fēng)、無風(fēng)時再作處理；與必須登機處理的機組故障一并處理；也可以在機組維護(hù)時再對遺留故障進(jìn)行處理。

另外，參數(shù)修改和故障屏蔽是車間、現(xiàn)場調(diào)試及現(xiàn)場維修的需要。

在車間調(diào)試階段，因不滿足現(xiàn)場運行條件，主控的眾多參數(shù)與現(xiàn)場不同，很多故障需要屏蔽；在現(xiàn)場調(diào)試階段和故障處理時，需要屏蔽故障，當(dāng)調(diào)試和故障處理完畢，符合并網(wǎng)條件后，再把全部故障解開，恢復(fù)到正常的參數(shù)設(shè)置。

容錯運行

提高系統(tǒng)可靠性的一個基本方法就是使用容錯技術(shù)，即一個系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時能夠依靠系統(tǒng)內(nèi)在的能力保持連續(xù)正常的運行。對于機組的傳感器故障、線路故障、個別部件損壞以及輕微電氣故障，可通過修改參數(shù)、優(yōu)化控制算法和硬件重構(gòu)等方式實現(xiàn)容錯運行。

容錯，顧名思義就是允許出錯，工程上指在系統(tǒng)中，當(dāng)一個或多個部件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)必須將發(fā)生故障的部件從系統(tǒng)中隔離開，然后采取相應(yīng)措施維持其規(guī)定功能，或在可接受的性能指標(biāo)變化下，繼續(xù)穩(wěn)定可靠運行。

故障容錯可分為參數(shù)修改容錯、硬件容錯和軟件容錯。參數(shù)修改容錯主要指故障停機后，保證機組及部件安全和原機組性能基本不變的條件下，通過修改主控參數(shù)、屏蔽主控溫度端口，或屏蔽主控設(shè)置的狀態(tài)碼等手段使機組再次恢復(fù)運行；硬件容錯主要指故障后的硬件系統(tǒng)重構(gòu)，著眼于機組本體的容錯設(shè)計和變頻器的結(jié)構(gòu)容錯等；軟件容錯主要考慮故障容錯控制，著眼于故障后的控制策略與算法優(yōu)化。

要實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障處理、容錯運行，還需有以下幾方面作為支持和保障：

第一，在產(chǎn)品設(shè)計上，采用冗余設(shè)計，有充分的余量。

在設(shè)計時，機組應(yīng)有多重保護(hù)和冗余的硬件設(shè)置。如：每臺機組安裝兩個風(fēng)速儀、兩個風(fēng)向標(biāo)，每支葉片均有兩個檢測葉片角度的編碼器等。當(dāng)兩傳感器中的一個出現(xiàn)故障后，便于采用修改參數(shù)容錯，使機組恢復(fù)運行。

第二，在產(chǎn)品設(shè)計上，采用容錯技術(shù)。

硬件容錯。如，備份式冗余設(shè)計是在原來的系統(tǒng)設(shè)計中加入冗余硬件開關(guān)代替故障開關(guān)，實現(xiàn)容錯控制；變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計是在故障后改變原來的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配合適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫崿F(xiàn)容錯運行；多相電機具有較低的轉(zhuǎn)矩脈動、更高的容錯性能。大功率變流器常常是由許多單元級并聯(lián)而成，大功率電機的繞組通常也由許多并聯(lián)的線圈組成。因此，電機和電力電子電路可以通過重新配置應(yīng)用在多相發(fā)電系統(tǒng)中，并且不需要增加硬件。當(dāng)一相故障或缺失，功率損失比一般電機小得多。

軟件容錯。如，脈寬調(diào)制算法改進(jìn)，當(dāng)變流器中某一個IGBT故障后，由于其反并聯(lián)的二極管仍是完好的，變流器仍可以在三相條件下運行，但電壓矢量會產(chǎn)生畸變。用一個正常矢量來補償代替發(fā)生畸變的矢量，實現(xiàn)容錯運行；矢量控制容錯，在運用矢量控制的容錯系統(tǒng)中，一般是對PWM調(diào)制方法進(jìn)行改進(jìn)，使系統(tǒng)良好穩(wěn)定運行；直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）和直接功率控制（DPC）分別應(yīng)用在永磁同步發(fā)電機機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的故障容錯控制中。

第三，合格的維修維護(hù)人員和完善的制度。

容錯運行使用不當(dāng)，則可能使小故障變成大故障，使機組利用率更低，發(fā)電量損失更大。遠(yuǎn)程故障處理技術(shù)人員應(yīng)有豐富的風(fēng)電場機組維修維護(hù)的實踐經(jīng)驗、較高的技術(shù)水平及責(zé)任心。并采取有效措施確保在近期或機組維護(hù)時處理遺留問題，以保證機組和部件安全，以及下一次在遠(yuǎn)程處理故障時，采用容錯運行的可能。

因在遠(yuǎn)程故障處理中采取了容錯運行，為了讓可能產(chǎn)生的問題得到及時糾正和處理。在機組維護(hù)、維修時還應(yīng)檢查機組主控的參數(shù)及狀態(tài)碼設(shè)置等。在登機進(jìn)行維護(hù)、維修時，應(yīng)讓機組的參數(shù)、軟件和硬件均恢復(fù)到正常設(shè)置和正常狀態(tài)。

遠(yuǎn)程管理與電網(wǎng)安全

前面介紹的風(fēng)電機組遠(yuǎn)程故障檢查、診斷和處理，需通過遠(yuǎn)程通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，并以機組的遠(yuǎn)程操控為基礎(chǔ)。而國家電監(jiān)會于2012年3月1日發(fā)布的《關(guān)于加強風(fēng)電安全工作的意見》中要求：“禁止通過公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)直接對風(fēng)電機組進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制和維護(hù)。”

行業(yè)規(guī)定及思維觀念需持續(xù)更新，這正如銀行存款、取款業(yè)務(wù)。在現(xiàn)代通信和互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之前，存取款業(yè)務(wù)只能通過柜臺辦理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們的存取款業(yè)務(wù)可以通過網(wǎng)絡(luò)在世界各地辦理，極大地方便了顧客，減少了運營成本。風(fēng)電場設(shè)備管理，其服務(wù)對象主要是風(fēng)電機組，與銀行顧客一樣相當(dāng)分散。風(fēng)電機組又大都分布于人跡罕至的偏遠(yuǎn)地區(qū)，其狀態(tài)不定。應(yīng)做好遠(yuǎn)程管理和遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)，以提高服務(wù)的有效性和及時性。

實現(xiàn)機組的遠(yuǎn)程故障檢查、診斷和處理，同時保證機組、部件及電網(wǎng)安全，需要做好以下幾方面的工作：

首先，具有完善權(quán)限管理，并充分考慮了現(xiàn)場故障診斷與處理的主控程序，優(yōu)秀的遠(yuǎn)程操控軟件（SCADA軟件）和相關(guān)制度，以便于遠(yuǎn)程權(quán)限管理，保證機組運行、電網(wǎng)安全。在后臺軟件和主控的功能設(shè)置上，還應(yīng)充分考慮在機組登錄互聯(lián)網(wǎng)后，可能對電網(wǎng)造成的不利影響。例如，對于能夠遠(yuǎn)程操控的風(fēng)電機組，后臺軟件不能設(shè)置類似機組“群?！钡任＜半娋W(wǎng)安全的功能，以避免錯誤操作或惡意破壞，對電網(wǎng)安全造成不利影響。采取措施避免黑客攻擊等。

攝影：李新星

其次，除主控外，機組重要部件還應(yīng)與風(fēng)電場環(huán)網(wǎng)通信配套，以便于這些部件的遠(yuǎn)程檢查與故障診斷。在機組各部件設(shè)計時，應(yīng)充分考慮遠(yuǎn)程檢查與故障診斷。眾多故障診斷主要是通過主控得以實現(xiàn)。而類似變頻器等復(fù)雜且相對獨立的機組部件，應(yīng)具有與機組通信控制器相配套的軟硬件接口，以滿足變頻器等部件本身的故障檢查、診斷與處理；遠(yuǎn)程操控界面和使用軟件，應(yīng)力求與現(xiàn)場機組的人機界面、風(fēng)電場SCADA軟件及調(diào)試軟件一致，以利于遠(yuǎn)程指導(dǎo)。

再次，制定相關(guān)政策和措施以保證風(fēng)電機組遠(yuǎn)程操控的順利實施。國家電力部門在制定相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)充分考慮風(fēng)電設(shè)備的特點和特殊性，如：在通常情況下，風(fēng)電機組的單機發(fā)電功率不足大型火電設(shè)備的千分之一，且地處偏遠(yuǎn)，因此，在風(fēng)電管理時不能照搬火電、水電等其他電力設(shè)備的現(xiàn)成經(jīng)驗。

總之，在風(fēng)電機組的運行管理上，國家相關(guān)部門、電網(wǎng)、整機生產(chǎn)廠家及運營商等應(yīng)相互支持，共同營造風(fēng)電發(fā)展的有利環(huán)境，提高機組運行的穩(wěn)定性，最大限度地降低機組運維成本。

結(jié)語

依據(jù)風(fēng)電機組的固有特性及其運行、維修和維護(hù)的特點，充分利用手機APP和互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信技術(shù)，加強風(fēng)電機組的權(quán)限管理。通過遠(yuǎn)程故障檢查、診斷和機組的容錯運行，提高機組運行穩(wěn)定性和安全性。在保證機組及部件安全的前提下，盡量多地發(fā)電，以期最大限度地降低壽命期內(nèi)的機組度電成本。