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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)技術(shù)分析評價

文檔作者：陳蘇聲張全成楊濤林鈞斌張倚文檔來源：上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月09日
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《電氣自動化》2012年第34卷第1期 能源發(fā)電控制技術(shù)
The New Energy Power Control Technology
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)技術(shù)分析評價
陳蘇聲張全成楊濤林鈞斌張倚
(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200072)
摘要：風(fēng)力發(fā)電是目前應(yīng)用最廣可再生能源之一，其運(yùn)行有很高的安全要求。介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)，對目前使用的安
全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析，提出優(yōu)化措施，謹(jǐn)希望可以為風(fēng)電行業(yè)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；安全保護(hù)；新能源
[中圖分類號]TM614 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]1000—3886(2012)01—0046—02
Analysis on the Safety Protection Technique of Wind Turbine Facility
Chen Susheng Zhang Quancheng Yang Tao Lin Junbin Zhang Yi
(Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research 200072，China)
Abstract：Wind power was widely used presently，and safety performance was firstly important during operation．The safety protection system
was analyzed and improved methods were further presented in this paper，hoping to be somewhat helpful for wind power area．
Keywords：Wind power；safety protection；new energy resource
O 引 言
本文首先介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)，接著探討了
IEC61511標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用，并以風(fēng)輪
超速保護(hù)功能為例，結(jié)合舉例系統(tǒng)的工藝背景，說明如何確定安
全保護(hù)系統(tǒng)中的SIF(安全功能)，安全保護(hù)系統(tǒng)組成、分析和改
進(jìn)，最后總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。
1 安全保護(hù)系統(tǒng)介紹
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是一個綜合性系統(tǒng)。尤其是對于并
網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組
運(yùn)行數(shù)據(jù)，對機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)行過程中的安
全性和可靠性，還需要根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化對機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控
制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電質(zhì)量。?
中國的風(fēng)能資源較豐富的地區(qū)，主要分布在北部和沿海近海
島嶼兩個帶狀范圍內(nèi)，分布區(qū)域的自然環(huán)境較惡劣，且遠(yuǎn)離主要
的人口聚集區(qū)，因而獲得人工的檢查維護(hù)的機(jī)會較少，一旦發(fā)生
故障或事故，及時獲得修理的可能也較少。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的
運(yùn)行需要連續(xù)而且安全的控制系統(tǒng)，而且不能夠被嚴(yán)酷的外部環(huán)
境所影響。
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中，安全保護(hù)系統(tǒng)是最高層的防護(hù)
措施，雖然其在控制系統(tǒng)中的工作時間與頻率最少，但是優(yōu)先級
卻是最高的，一旦安全保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)人運(yùn)行狀態(tài)，整個控制系統(tǒng)的
其他各個子系統(tǒng)的控制功能則自動服從于安全保護(hù)系統(tǒng)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有
· 超速保護(hù)
· 電網(wǎng)失電保護(hù)
· 電氣保護(hù)
收稿日期：2011—06—17
基金項(xiàng)目：本文為上海市科委研發(fā)平臺專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目“風(fēng)電新能源
設(shè)備產(chǎn)品認(rèn)證檢測服務(wù)平臺建設(shè)”(編號10DZ2292200)的研
究成果
46 ElectricaI Automation
’ · 機(jī)械裝置保護(hù)
· 控制器保護(hù)
· 防雷擊保護(hù)
· 抗干擾保護(hù)
· 接地保護(hù)
· 緊急停車保護(hù) ．2]
2 安全保護(hù)系統(tǒng)安全功能分析
以下是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)例。
以超速保護(hù)為例，假設(shè)一臺定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其常規(guī)控
制系統(tǒng)的控制功能為：當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器檢測到發(fā)電機(jī)或風(fēng)輪裝束超
過額定轉(zhuǎn)速的110％ 時，控制器將給出正常停機(jī)指令。
因此可以確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)中與該控制功能
相對應(yīng)的超速保護(hù)安全功能：在低速軸處設(shè)置風(fēng)輪轉(zhuǎn)速傳感器，
信號傳人緊急停車系統(tǒng)(ESD)，一旦風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超出ESD中所設(shè)
置的超速上限，引發(fā)安全保護(hù)系統(tǒng)動作，即啟動制動器，整個風(fēng)力
發(fā)電機(jī)組得以安全停車。
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)或風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)
保持在一定的限制之下，否則會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組過載，齒輪、轉(zhuǎn)軸、
葉片受到損傷，產(chǎn)生不可修復(fù)的形變，甚至導(dǎo)致風(fēng)機(jī)起火甚至葉
片飛出、風(fēng)機(jī)塔架倒塌等嚴(yán)重的事故。對整個風(fēng)電場乃至并網(wǎng)電
網(wǎng)都產(chǎn)生一定的影響。
因此，根據(jù)SIL的定性描述(表1)，確定該系統(tǒng)的安全完整
性等級應(yīng)該達(dá)到SIL2。
表1 SIL的定性描述
SIL 事件后果
引起社會災(zāi)難性的影響
人員傷亡和對社會造成影響
引起財(cái)產(chǎn)損失，可能傷害人員
輕微的財(cái)產(chǎn)損失
— 』竟斤能源發(fā)電控制技術(shù) 皇 皇 竺蘭蘭 竺 竺
The New Energy Power Controf Technology
SIL事件后果4引起社會災(zāi)難性的影響3人員傷亡和對社會
造成影響2引起財(cái)產(chǎn)損失，可能傷害人員1輕微的財(cái)產(chǎn)損失。
3 安全保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)分析和改進(jìn)建議
一個正常的安全保護(hù)系統(tǒng)通常由三個部分組成，傳感器、邏
輯控制器和最終執(zhí)行元件組成。傳感器對一個或數(shù)個參數(shù)進(jìn)行
監(jiān)測，并將信號傳輸至邏輯控制器，邏輯控制器接受到信號后，判
斷是否要啟動安全功能，判斷需要啟動安全功能后，邏輯控制器
發(fā)送啟動信號至最終執(zhí)行元件，最終執(zhí)行元件接收到信號之后啟
動安全功能。
根據(jù)前文所述，風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)的傳感部分為風(fēng)輪轉(zhuǎn)
速傳感器。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速傳感器檢測出風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速后之后，將測量信
號分為兩路：一路信號去常規(guī)控制系統(tǒng)，參與常規(guī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)
組的運(yùn)行控制；另一路信號去邏輯控制器。邏輯控制器是整個緊
急停車系統(tǒng)(ESD)的一部分，通常選用高可靠性的安全PLC。輸
入信號經(jīng)過邏輯控制器運(yùn)算處理后，輸出信號傳送到執(zhí)行器，即
為制動器。若輸出為啟動信號，則制動器工作，從而對風(fēng)機(jī)葉輪
進(jìn)行制動。從整個信號的流向可以看到，這個安全保護(hù)系統(tǒng)的傳
感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件三個部分都是串聯(lián)關(guān)系，任何
一個環(huán)節(jié)的故障都會導(dǎo)致該安全功能的失效。
初始設(shè)計(jì)完成之后，根據(jù)安全生命周期需要對其SIL是否達(dá)
到Et標(biāo)SIL進(jìn)行驗(yàn)證。之前已經(jīng)說明，該安全保護(hù)系統(tǒng)的傳感
器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件三個部分都是串聯(lián)關(guān)系，任何一
個環(huán)節(jié)的故障都會導(dǎo)致該安全功能的失效。因此，該系統(tǒng)的可靠
性框圖如圖1所示。
圖1 風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)1的實(shí)現(xiàn)框圖
各部件PFD(Probability of Failure Of Demand，失效率)如表2
所示：
表2 風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)1中各部件的PFD
部件種類 單一部件的PFD
風(fēng)輪轉(zhuǎn)速傳感器
安全PLC
制動器
在風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)中，看到安全PLC(邏輯控制器)本
身的失效率是符合SIL2標(biāo)準(zhǔn)的，但是正如之前所言，要考慮整個
安全保護(hù)系統(tǒng)的所有部分并納入計(jì)算范疇。那么整個風(fēng)機(jī)超速
保護(hù)安全系統(tǒng)的PFD 則為：
P ’D =1一(1一PFDs)×(1一PFDc)x
(1一PFDE)=6．4 x 10 (1)
根據(jù)IEC6151 1得到這個風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)的安全完整
性等級只有SILl，沒有達(dá)到確定的目標(biāo)SIL2，但是這個系統(tǒng)還是
有一定地提升余地。
考慮為風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)增加一個安全功能。對于定
漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)輪超速時，液壓缸中的壓力會迅速升高。
因此可以在液壓缸中設(shè)置一個壓力傳感器，信號傳人緊急停車系
統(tǒng)(ESD)。當(dāng)液壓缸中的壓力達(dá)到設(shè)定值時，引發(fā)安全保護(hù)系統(tǒng)
動作，即開啟液壓缸上的電磁閥，壓力油泄回油箱，葉尖擾流器旋
轉(zhuǎn)90。成為阻尼板，使得整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得以安全停車。
從整個信號的流向可以看到，傳感器(壓力傳感器)、邏輯控
制器(安全PLC)和最終執(zhí)行元件(電磁閥)三個部分都是串聯(lián)關(guān)
系，任何一個環(huán)節(jié)的故障都會導(dǎo)致該安全功能的失效。
根據(jù)安全保護(hù)系統(tǒng)的三要素(傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)
行元件)對風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)進(jìn)行分析，現(xiàn)在這個安全保護(hù)
系統(tǒng)擁有兩個并聯(lián)的邏輯回路。其中一個邏輯回路是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速
傳感器——邏輯控制器A—— 制動器，另一個是壓力傳感器——
邏輯控制器B—— 電磁閥。兩個邏輯回路互相獨(dú)立。因此，該系
統(tǒng)的可靠性框圖因如圖2所示。
圖2 風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)2的實(shí)現(xiàn)框圖
各部件PFD如表3所示：
表3 風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)2中各部件的PFD
部件種類 單一部件的PFD
風(fēng)輪轉(zhuǎn)速傳感器
安全PLC A
制動器
壓力傳感器
安全PLC B
電磁閥
PFD =3．4× 10一
PFD“ =4．0×10一
PFDE=2．7 X10一
PFD =2．6×10一
PFDc8=4．0 Xi0
PFD =6．5×10
整個風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)的PFD 則為：
尸， s口=[1一(1一PFDs)x(1一PFD )×[(1一PFDE)]x
(I—PFDP)×(1一P ’D∞)X(1一PFD )]=5．9×10一 (2)
因此，可以認(rèn)為，對原有防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，風(fēng)機(jī)超速保護(hù)
安全系統(tǒng)的安全完整性等級可以達(dá)到SIL2。
從風(fēng)機(jī)超速保護(hù)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)過程中可以看到，如
果需要對改進(jìn)安全保護(hù)系統(tǒng)，提高其安全完整性等級，首先可以
考慮采用冗余配置。當(dāng)然如果因?yàn)槌杀净虬惭b的原因不適合采
用冗余配置，則應(yīng)該采用比較更為可靠的部件。
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對于安全完整性等
級要求較高的場合，應(yīng)該使用多個邏輯回路來確保整個安全保護(hù)
系統(tǒng)的安全完整性等級，而且在使用中應(yīng)注意使各邏輯回路間相
互獨(dú)立，否則將會導(dǎo)致安全系統(tǒng)的SIL等級只能成為其最佳性能
而非可靠的性能。
結(jié)合IEC61511和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功能及需求，可
以總結(jié)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個原則：
(下轉(zhuǎn)第79頁)
Electrical Automation 47
Ⅲ枷 枷
4 O 7
腫 腫腫
電力系統(tǒng)及其自動化
Power System ＆ Automation
《電氣自動化)2012年第34卷第1期
供的無線網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬滿足營業(yè)所的網(wǎng)絡(luò)需求，為將來實(shí)現(xiàn)
辦公自動化，視頻監(jiān)控VoIP等多媒體業(yè)務(wù)建立良好的通信平臺。
目前國內(nèi)采用的用戶電表采集方式有下面幾種：① 人工抄
表：手工結(jié)算，誤差大，效率低。②Ic卡預(yù)付費(fèi)表：易造成人為破
壞不能及時監(jiān)控。③有線抄表系統(tǒng)：施工周期長、工程安裝及維
護(hù)成本高，有建筑改造也很不方便，耗時耗力。④無線抄表系統(tǒng)：
無需架設(shè)電纜，可迅速建起通信鏈路，工程周期大大縮短。
WiMAX建立的無線網(wǎng)絡(luò)則可以實(shí)現(xiàn)抄表智能化的全面覆蓋。
4．3 應(yīng)急通信及配電自動化
電力在現(xiàn)代社會中扮演著越來越重要的角色，人們似乎一刻
也離不了，當(dāng)面對自然災(zāi)害、突發(fā)事件或者臨時施工的現(xiàn)場，則需
要建立臨時的通信系統(tǒng)。有線通信恢復(fù)速度慢，架設(shè)周期相對較
長，WiMAX基站覆蓋面廣，建立簡單迅速，建設(shè)地點(diǎn)靈活，可以提
供高速接入，因而在應(yīng)急通信方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)越性。
配電自動化(DA)是一項(xiàng)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、控制技
術(shù)、現(xiàn)代化設(shè)備及管理于一體的綜合信息管理系統(tǒng)，這就要求通
信的速度、安全性方面比較高。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，配電系統(tǒng)自動
化受到了廣泛的重視，已經(jīng)形成了集變電站自動化、饋線分段開
關(guān)測控、電容器組調(diào)節(jié)控制、用戶負(fù)荷控制和遠(yuǎn)方抄表等系統(tǒng)于
一體的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)(DMS)。
在我國電力行業(yè)中，大量的配電網(wǎng)變電站、開關(guān)站，分布范圍
廣、終端數(shù)量大、分散、距離遠(yuǎn)，受通信能力限制，我國的配電自動
化則受到很大制約。這些大量的終端，無法全部鋪設(shè)光纖，采取
與無線WiMAX相結(jié)合的方法，靈活多變，使電力通信有了雙重
保障。
4．4 電力通信展望
電信市場的自由化為電力通信提供了新機(jī)遇，電力通信網(wǎng)除
(上接第47頁)
· 安全保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)與控制系統(tǒng)完全分開
． · 控制系統(tǒng)處于常開狀態(tài)，安全保護(hù)系統(tǒng)處于常閉狀態(tài)
· 當(dāng)控制系統(tǒng)失效時，安全保護(hù)系統(tǒng)啟動
· 當(dāng)安全保護(hù)系統(tǒng)啟動時，控制系統(tǒng)應(yīng)自行降至服從低位
· 與安全保護(hù)系統(tǒng)有關(guān)的單個元器件的失效，應(yīng)不會導(dǎo)致
安全保護(hù)系統(tǒng)失效
· 根據(jù)“水桶理論”，整個安全保護(hù)系統(tǒng)的完整性等級取決于
其中可靠性最差的某個元器件，因此必須綜合考慮每個元
器件的可靠性，而并非片面追求單一部件的高可靠性
· 對于安全等級較高的場合，應(yīng)該使用多個相對獨(dú)立的邏
輯回路來實(shí)現(xiàn)整個安全保護(hù)系統(tǒng)的安全等級
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全保護(hù)系統(tǒng)中，由于電子元器件的成本
較低、安裝和更換也較為簡易，因此傳感器部分較多地采用冗余
配置。而執(zhí)行器部分，由于工業(yè)用的機(jī)械設(shè)備的價格較高，體積
較大，安裝繁復(fù)，因而進(jìn)行冗余配置的難度較大，因此需要采用可
靠性較高設(shè)備。而邏輯控制器更是整個安全保護(hù)系統(tǒng)的心臟，因
而更需要采用高可靠性的部件。
4 結(jié)束語
IEC61511標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造
了保障自身通信的需求，還可以對外提供數(shù)據(jù)鏈路。
在美國，電力系統(tǒng)通信已成為政府提出的信息高速公路計(jì)劃
的一個重要組成部分；韓國電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)公司，向社會提供因特
網(wǎng)業(yè)務(wù)、有線電視傳輸業(yè)務(wù)、電力系統(tǒng)遠(yuǎn)方自動抄表業(yè)務(wù)以及向
有關(guān)部門出租OPGW 帶寬容量業(yè)務(wù)；隨著芬蘭對電信管制的開
放，芬蘭國家電力公司成立了TELIVO通信公司，對外出租光纜
纖芯、電路，出售帶寬、經(jīng)營長途通信業(yè)務(wù)。
我國電力通信主干線路已經(jīng)完善，引入WiMAX與EPON融
合的接入網(wǎng)，讓電力通信網(wǎng)在市場上更具競爭力，相信在可期待
的將來電力通信網(wǎng)提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)會成為電力公司的一個新的
業(yè)務(wù)增長點(diǎn)。
5 結(jié)束語
隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入和發(fā)展，對通信的要求也越來
越高，本文所采用的融合網(wǎng)絡(luò)可以很好的滿足電力系統(tǒng)通信的要
求。當(dāng)然，融合網(wǎng)絡(luò)的引入，使得電力通信網(wǎng)更加龐大復(fù)雜，這就
需要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和統(tǒng)一管理，這也是WiMAX與EPON融合網(wǎng)
絡(luò)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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[4]丁道齊，中國電力通信要創(chuàng)新機(jī)制，向新一代公共電信運(yùn)營公司方
向轉(zhuǎn)變[J]．中國電力，2001，34(3)：1—7．
【作者簡介】王惠中(1962一)，男，河南洛陽人，教授，碩士研究生導(dǎo)師。
主要研究自動化儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)、電磁場與電磁波等； 張奇?zhèn)b
(1979一)，男，甘肅天水人，碩士研究生，專業(yè)：電力系統(tǒng)及其自動化。
提供了很好的指導(dǎo)作用，遵循IEC61511的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，可以使風(fēng)力
發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)在規(guī)范、設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行和維護(hù)的全生命
周期的流程得到不斷的完善，是確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全的重
要技術(shù)手段。
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造的過程中，僅僅關(guān)
注傳感器或邏輯控制器或執(zhí)行器各個部分是否能夠達(dá)到安全需
求是不夠的，需要對執(zhí)行器的冗余配置、各個邏輯回路是否獨(dú)立，
風(fēng)機(jī)保護(hù)功能是否合適等各方面進(jìn)行系統(tǒng)考慮，才可以達(dá)到較好
的防護(hù)效果，減少安全事故發(fā)生。
參考文獻(xiàn)
[1]姚興佳，宋?。L(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版
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社．2007．
【作者簡介】 陳蘇聲，(1984一)，男，碩士，助理工程師；研究方向：主要
從事電氣設(shè)備與系統(tǒng)質(zhì)量與安全方面的研究。
Electrical Automation 79

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