风力机组数据采集系统的优化方案

在风力机组的运行监控中，数据采集系统的主要应用目的是统计历史数据，以便对电网状态进行监控、计算机继电保护及风机设备保护、风机运行控制、状态调整等。

1.数据采集

根据风机运行控制保护需要，考虑到系统可靠性要求，信号设计采取反逻辑冗余校验。如电机转速与叶片转速相差固定的齿轮箱变比；风速与风机出力有一定的对应关系；主电气设备、机械设备温度与开关状态、负荷状况有一定的对应关系，相互之间可以作为彼此检测电路故障的判据。主要采集数据包括电量信号、温度信号、风向、风速以及风力发电机组转速。

（1）电量信号。

1）电压、电流：测量信号范围宽，要求有较好的线性度；测量信号谐波丰富，频谱特性复杂；电压、电流信号为矢量信号，暂态反应速度应低于0.02s，精度高于0.5级。

2）功率因数：影响风力发电机组发电量计量和补偿电容投入容量，要求较高精度。

3）电网频率：一般在工频附近，精度要求±0.1Hz，反应速度快。

一次电压、电流由TV、TA变换为可采样的交流信号，经滤波整形限幅后进行A/D转换。以上数据信号采集点集中，数据流量大，采样速度高。风力发电机组的电压电流的采样数据有两个用途：①在发电机或主回路元件故障及电网发生危及风力发电机运行的异常状态时作为微机保护的判据；②作为风力发电机组发电量统计、性能评估、状态显示的重要参数以及超功率和低功率时作为风力发电机组退出运行的判据。同时，也作为就地电容补偿投切的重要判据。风力发电机组继电保护属于低压电流、电压保护。根据风力发电机组的与电网连接和运行的特点，电力故障的形式比较简单，输入信号的暂态分量不丰富，仅要求纯基频分量的输入信号，即可作为风力发电机组电力故障判据。同时，算法选择还需兼顾数据统计的需要，因而选择傅氏全波算法作为风力发电机组微机继电保护的算法。傅氏算法数据窗长度为20ms，计算量和采样频率对于单片机系统来说是一个需要妥善处理的问题，对于IPC系统则需要妥善处理数据流量分配的问题，可直接应用于低压网络的电压、电流后备保护，配备差分滤波器以削弱电流中衰减的直流分量作为电流速断保护，加速出口故障的切除时间。

（2）温度数据信号采集点相对集中，距离主控位置50m。器件热容量较大，温度变化较慢，可采用铂电阻测量。温度参数可作为器件疲劳程度和风力发电机组运行效能的判据，而不宜作为突发故障的保护判据。温度统计对于故障分析和历史数据趋势分析有一定作用。

由PT100铂电阻对温度进行采样，采样信号经电路处理后形成0～5V电压。根据采样点空间布置和距离数据处理中心位置，在机舱上设计一个采集模块就地将温度值转化为数字信号，模块采用RS485通信方式把数据送给计算机。温度采集模块采用ICL7135芯片，其分辨率为十进制输出4.5位，可接受从±150mV～±10V之间不同范围的电压信号，并在与外界接口处加装DC 3000V的光耦合器隔离，保护采集模块不易受高压或地线电流的冲击而损坏。测量控制盘温度的传感器位于电控柜，经电路处理后形成0～5V电压直接送至A/D转换板，由计算机分析判断晶闸管的温度状况。

（3）风向风力发电机组对风向的测量由风向标实现。风向瞬时波动频繁，幅度不大。风力发电机组为主动对风设计，当风向发生变化时，由偏航机构根据风向标信号带动机头随风转动，对风向的测量不要求具体位置。风力发电机组对风向的测量由风向标来完成。随着数字电路的发展，风向标的种类也有许多。其中一种内部带有一个8位的格雷码盘，当风向标随风转动时，同时也带动格雷码盘转动，由此得到不同的格雷码数，通过光电感应元件，形成一组8位的数字输入信号。格雷码盘将360°划分成256个区，每个区分为1.41°，所以其测量精度为1.41°，这种风向标可以确定风向具体位置。(www.xing528.com)

图9-15　四象限风向标原理示意图

另一种风向标如图9-15所示。风向标形成的信号为两个开关量，正向是一号传感器，为0°轴，二号传感器同一号传感器成90°夹角，为90°轴，这样形成一个具有四个象限的虚拟坐标。当风向标转动后，就会同风力发电机组现在的方向形成夹角，而风力发电机组现在的方向必定会落在风向标所形成的坐标象限内，从而来确定风力发电机组的偏航方向和停止偏航的标记。其中0/1表示传感器送来的信号在0和1之间不停的摆动；表示传感器送来的信号可以为0也可以为1。

（4）风轮转速范围10～30r/min。根据现场空间布置，可采用霍尔元件将转速信号转换为窄脉冲。脉冲频率范围为7～20 Hz。通常工作在10 Hz以上。叶片转速与电机转速相差一个固定变化，可以相互校验被测信号的可靠性。

风力发电机组转速的测量点有两个：发电机主轴转速和风轮转速。转速信号由霍尔传感器进行采样，经整形滤波后输入信号为频率信号，经光耦合器隔离后送至频率数字化模块。一般测频的方法有两种：一种通过计量单位时间内的脉冲个数获得，另一种通过测量相邻脉冲的时间间隔，再求倒数获得频率。对于频率较高的信号采用前一种方法可以获得较高精度，对于频率较低的信号采用后一种方法可以节省系统资源，获得较高精度。模块类型与测量风速的模块类型相同。模块采用RS485通信方式把数据送至工控机，由计算机把频率信号转换成对应的转速，频率与转速的对应关系为线性的。风轮转速和发电机转速可以进行相互校验，风轮转速乘以56.6等于发电机转速，如果不符，表示两个转速信号的采集部分有故障，风力发电机组退出运行。转速测量用于判断风力发电机组并网和脱网，还可用于判别超速条件，当风轮转速超过30r/min或电机转速超过1575r/min时，应停机。

（5）风速通过安装在机舱外的光电数字式风速仪测得。风速仪送出的信号为频率值，经光耦合器隔离后送至频率数字化模块。模块可处理的最大输入频率值为6.8k Hz。模块采用RS458通信方式把数据送给工控机，计算机把传送来的频率信号经平均后转换成风速，由于频率—风速的转换关系是非线性的，在转换过程中采用了分段线性的方法进行处理。风速值可根据功率进行校验，当风速在3m/s以下，功率高于150kW持续1min时，或风速在8m/s以上，功率低于100kW持续1min时，表示风速计有故障。

2.系统结构

考虑信号的特征和分布的位置，数据流量作如下分配：电压、电流采用DMA方式，在主控机内进行转换。温度参数集中由一个单片机系统就近转换为数字量，采用串口通信传送至主控机。电机转速、叶轮转速可以作为相互校验的依据，分别采用独立的测频系统获得频率，再采用串口通讯传送至主控机。由主控机还原为转速。风速与电机转速可共用一套测频电路。电网频率与叶轮转速共用一套电路。图9-16为风力机组数据采集系统结构图。

对风力发电机造成最突然、比较严重的损害是过流、过压和三相不平衡等不正常状态。无论是电气设备，还是机械设备都会因此而处于恶劣的运行状况甚至毁坏。因而要求电气量达至限值时要迅速反应，减少事故范围。可能发生的电气故障有：过电压、过电流、严重相不平衡、电网电压过低过高、电流跃落太快以及电网侧故障引起的其他故障等。

由TV来的信号经辅助变换器隔离、降压后，经低通滤波器（0～300 Hz为通频带）后交于采样保持器，形成电压信号。TA过来的信号经电阻并联，形成电流—电压采样信号，经低通滤波后交于采样保持器。采用一阶差分付氏12点采样算法。该算法对2～10次谐波可进行数字滤波。经过硬件、软件滤波后，能可靠抑制高次谐波干扰和衰减直流分量的影响，保证取样电压、电流值为基波分量，大大降低误动率，最终形成的交流电压（三相）、交流电流（三相）、电网频率用于判断风机运行状况。一旦超出额度，迅速动作于主接触器或采取相应措施，报告故障。

图9-16　风力机组数据采集系统结构图