一种风机并网回路多变量监测与保护系统及方法与流程

本发明涉及风电技术领域，具体地讲，涉及一种风机并网回路多变量监测与保护系统及方法。

背景技术：

电压穿越(lvrt)是指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

风电场大多地处偏远地区，交通闭塞。加之大型并网风电机组均为户外高空作业设备。一旦发生火灾，扑救难度大，一旦发生就造成极大的直接损失，且外部救援的可能性极低。其中，双馈风力发电机组因其组成设备数目多、结构复杂紧凑，故火灾问题尤其突出。从火灾类型上，风电机组在设计、制造过程中涉及润滑油脂、液压油、电气设备、电线电缆、叶片、机舱罩及其保温层等多种材料，可燃物类型较多。所以，机组火灾类型复杂，可分为电气火灾、固体火灾和液体火灾。机组火灾原因有二，一是因叶轮旋转超速造成主轴轴承及齿轮箱油脂油液超温起火，二是因发电机控制设备损坏造成的并网起火。例如授权公告号为cn105162084b的专利：一种风电机组实现电气安全保护的方法，该专利通过目标熔断器执行风电机组中高压侧的短路保护以及低压侧的后备保护，具有实现方法简单、电气安全设备保护特性与风电机组电气故障特性相匹配、能够实现链式保护且电气安全性能高的优点，但是没有对风电机组机械传动方进行监测保护，机组的安全运行得不到全面的保护。

目前国内外主要的风机火灾问题主要有以下缺点：（1）缺少针对风机起火的根本原因及其相应应急措施的针对性研究和解决方案；（2）缺少从机组捕能和电气控制两个方面，提取具体的故障特征参数对风电机组进行实时监测；（3）所需成本较高，用途单一，普适性较差。

因此，有必要设计一种功能完善、系统全面的风机并网回路多变量监测与保护系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理、系统完善的风机并网回路多变量监测与保护系统，应用该系统对并网回路进行预测诊断和危险情况下进行动作保护，并配套智能消防系统，应用于风电机组，保证机组安全运行，避免机组因超速或并网开关问题引起的火灾事故。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种风机并网回路多变量监测与保护系统，其特征在于：包括主变压器、箱变主断路器、并网接触器、综保模块、防冲击lvrt单元、轮捕能侧并行测速装置、风轮捕能侧保护装置、安全链、智能分析保护系统；所述主变压器和箱变主断路器位于箱式变电站内，外部电网通过电线与主变压器连接，所述主变压器与箱变主断路器连接，所述箱变主断路器与并网接触器连接，所述并网接触器与风力发电机机舱内的发电机连接；所述综保模块和防冲击lvrt单元分别与并网接触器连接，所述综保模块还与安全链连接；

所述综保模块用于根据并网接触器的特性参数、选择动作对象及动作速度，通过与箱变主断路器的配合，根据实时分断电流和故障状态，对并网接触器或箱变主断路器进行分断，避免大电流带载工况下使用并网接触器脱网损坏相关器件；

所述防冲击lvrt单元具有断路器的功能，用防冲击lvrt单元模拟断路器的功能，同时在不改变外部配电和备用电源容量的条件下解决并网接触器的低穿问题；并网接触器原本安装有断路器，本申请中将并网接触器中的断路器拆掉，利用防冲击lvrt单元替代断路器的功能。

所述轮捕能侧并行测速装置安装在风力发电机的轮毂位置，其用于对风力发电机的风轮转速变化进行实时监测，轮捕能侧并行测速装置与智能分析保护系统通信连接，当轮捕能侧并行测速装置监测到的风轮转速超过额定转速时，智能分析保护系统在风轮捕风侧直接控制安全链，跳过滑环通讯环节，使机组及时脱网停机；

所述风轮捕能侧保护装置安装在风力发电机的机舱位置处，风轮捕能侧保护装置与智能分析保护系统通信连接，风轮捕能侧保护装置用于在电气控制侧元件损害造成无法脱网的情况下以及当机组处于超速阶段时，向智能分析保护系统发出系统异常信号，防止机组超速事故发生；

所述智能分析保护系统用于对发电场单台机组发生的过电压、低电压、不平衡、频率异常、功率异常、谐波、短路以及超速问题进行监测、记录、分析和系统保护，同时能为设备的问题查找、后续优化提供数据和理论支撑。

优选的，该风机并网回路多变量监测与保护系统还包括智能自动消防装置，所述智能自动消防装置安装在并网接触器一侧旁，其外接气溶胶灭火装置；智能自动消防装置用于进行气体/烟雾探测、温度探测和火焰探测；所述智能自动消防装置与智能分析保护系统通信连接，配合智能分析保护系统进行逻辑判定故障、预警和火警；智能自动消防装置配合智能分析保护系统动作，进行定点消除起火点；当智能分析保护系统确认发生大电流放电状态时，智能分析保护系统向智能自动消防装置发出确认保护需求信号，智能分析保护系统立刻对箱变主断路器进行分断，并且智能自动消防装置进行自动消防灭火。

优选的，所述轮捕能侧并行测速装置包括接近开关、信号隔离器、plc控制器和陀螺仪；所述接近开关设置若干个，若干个接近开关通过信号隔离器与plc控制器连接，所述陀螺仪安装在风力发电机的轮毂的六角柜外，陀螺仪与plc控制器连接，所述plc控制器还与安全链通信连接。

优选的，所述风轮捕能侧保护装置包括撞铁，所述撞铁安装在风力发电机的机舱上。

优选的，该风机并网回路多变量监测与保护系统还包括系统冗余保护单元，所述系统冗余保护单元分别与智能分析保护系统、并网接触器和安全链通信连接；所述系统冗余保护单元用于当机组出现超速情况时，通过判断分断电流和风轮转速，分别控制并网接触器和安全链，使机组及时脱网卸载，保证设备完全。

优选的，该风机并网回路多变量监测与保护系统还包括远程状态监测系统，所述远程状态监测系统分别与综保模块、防冲击lvrt单元、轮捕能侧并行测速装置、风轮捕能侧保护装置、安全链和智能分析保护系统通信连接；

所述远程状态监测系统用于支持监测人员的远程实时波形记录及特征量计算、系统问题警示和后备保护、常规并网特性分析、故障过程暂态及稳态分析、整场发电设备相关性分析、发电场故障分析和定位、机组超速记录操作。

本发明还提供了一种风机并网回路多变量监测与保护方法，采用上述的风机并网回路多变量监测与保护系统进行实施，其特征在于：风机并网回路多变量监测与保护方法采用电气控制保护机制方法与机械传动保护机制方法相结合；

电气控制保护机制方法为：

首先，利用综保模块根据并网接触器的特性参数、选择动作对象及动作速度，通过和箱变主断路器的配合，根据实时分断电流和故障状态，对并网接触器或箱变主断路器进行分断，避免大电流带载工况下使用并网接触器脱网损坏相关器件的风险；

其次，利用防冲击lvrt单元模拟原断路器的功能，同时在不改变外部配电和备用电源容量的条件下解决并网接触器低穿问题；

再次，智能分析保护系统能够对发电场单台机组发生的过电压、低电压、不平衡、频率异常、功率异常、谐波、短路以及超速问题进行监测、记录、分析和系统保护，同时能为设备的问题查找、后续优化提供数据和理论支撑；智能分析保护系统还能够在机组主控或并网接触器中的变频器发出分断并网开关要求时，通过分断电流实时值，判断分断并网接触器或上一级保护断路器，使断路器和接触器在最合理分断状态下工作，达到最佳使用寿命，避免事故发生；智能分析保护系统同时对并网接触器的分断次数进行统计，在达到理论最大寿命前对设备健康状况进行提醒；智能分析保护系统还对风力发电机的风轮转速变化实时监测，为防止变桨控制系统传输设备损坏造成通讯失去同步的情况，当转速超过额定转速时，智能分析保护系统在风轮捕风侧直接控制安全链，跳过滑环通讯环节，使机组及时脱网停机，同时，在机组超速阶段，为防止电气控制侧元件损害造成无法脱网情况，风轮捕能侧控制环节可对其进行及时补救，防止机组超速事故发生；此外，还通过内置分断保护要求，以最符合风力发电机组实际使用要求，当并网回路发生严重问题时，如较大不平衡状态，严重负功率状态等情况下，配合主控系统完成立刻分断主回路保护功能，避免事故发生；

机械传动保护机制方法为：

采用轮捕能侧并行测速装置和风轮捕能侧保护装置相结合的方式，利用轮捕能侧并行测速装置对风力发电机的风轮转速变化实时监测，为防止变桨控制系统传输设备损坏造成通讯失去同步的情况，当转速超过额定转速时，智能分析保护系统在风轮捕风侧直接控制安全链，跳过滑环通讯环节，使机组及时脱网停机；同时，为防止电气控制侧元件损害造成无法脱网情况，在机组超速阶段，由风轮捕能侧保护装置发出系统异常信号，防止机组超速事故发生。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明是从机组捕能层面和电气控制层面两个方面，研究在不同运行工况下机组安全运行的实际需求，提取相应的特征变量参数，通过智能分析保护系统对并网回路进行预测诊断和危险情况下进行动作保护，并配套智能消防系统，应用于风电机组，保证机组安全运行，避免机组因超速或并网开关问题引起的火灾事故；

2、本发明通过对风电机组起火事故问题的深入理论研究，结合机械传动和电气控制两个环节，形成机组运行状态的多层监测保护机制，并配备与之对应的自动消防装置，全面保障机组安全运行，避免因超速或电气元件故障造成的机组起火事故发生；

3、本发明可使并网开关一直处于其分断能力要求范围内工作，避免风机因并网接触器问题导致的起火风险。同时增加了故障诊断的信息量，具有对故障进行监测的功能，可对过电压、低电压、不平衡、频率异常、功率问题、谐波、短路问题进行监测、记录、分析和系统保护，为设备的问题查找、后续优化提供数据和理论支撑，提高风电场工作针对性，提高设备可靠运行能力。从而可以提高对风机在线监测的可靠性和灵活性，是一种新型的监测保护方法，进一步提高了风机的防火安全稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的结构示意图。

附图标记说明：主变压器1、箱变主断路器2、并网接触器3、综保模块4、防冲击lvrt单元5、安全链6、接近开关7、信号隔离器8、plc控制器9、陀螺仪10、撞铁11、发电机12。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

目前，引起风力发电机起火的主要原因是并网器件损坏和超速失控：

并网器件损坏：

双馈风力发电机组通常选用断路器或接触器作为并网开关，但其性能各有优劣：断路器分断能力较强，但寿命有限，需要频繁更换元器件；接触器寿命较长，但分断能力较弱，有时不能准确判断机组运行状态，造成脱网失败。目前，大多数双馈机组使用接触器作为并网开关，但因其灭弧能力较差，且易出现元件老化等问题，有时不能准确执行机组脱网动作。同时造成触电粘连、弧光放电等现象，导致风力发电机起火；

超速失控：

风电机组为保障其安全运行，通常设有两级安全链保护。其中，第二安全链与变桨系统垂直对接。当风速大于机组切出风速或风轮转速超过额定转速时，机组第二安全链断开，桨叶执行顺桨动作以防止机组超速情况。但整个控制环节涉及到传感器、滑环、通讯线路等多个设备，任一设备出现故障都有可能造成超速控制过程无法实现，使机组出现“飞车”情况。严重时会造成主轴轴承油脂过热，引发机组火灾。

本实施例中公开了一种风机并网回路多变量监测与保护系统，旨在为了提高双馈式风力发电机组火灾预测诊断的可靠性，本申请建立多变量参数和火灾引起的原因与信号表现之间的多变量监测模型，同时从机组捕能和电气控制两方面相融合的监测手段提高火灾预测诊断的可靠性，本申请在多变量监测模型基础上，设计智能分析保护系统，并配备相应的智能自动消防装置，实现了基于并网回路多变量监测的风电机组智能化监测与防护。

参见图1，本风机并网回路多变量监测与保护系统包括主变压器1、箱变主断路器2、并网接触器3、综保模块4、防冲击lvrt单元5、轮捕能侧并行测速装置、风轮捕能侧保护装置、安全链6、智能分析保护系统、智能自动消防装置、系统冗余保护单元和远程状态监测系统。

本实施例中，主变压器1和箱变主断路器2位于箱式变电站内，外部电网通过电线与主变压器1连接，主变压器1与箱变主断路器2连接，箱变主断路器2与并网接触器3连接，并网接触器3与风力发电机机舱内的发电机12连接；综保模块4和防冲击lvrt单元5分别与并网接触器3连接，综保模块4还与安全链6连接。

本实施例中，综保模块4用于根据并网接触器3的特性参数、选择动作对象及动作速度，通过与箱变主断路器的配合，根据实时分断电流和故障状态，对并网接触器3或箱变主断路器进行分断，避免大电流带载工况下使用并网接触器3脱网损坏相关器件。

本实施例中，防冲击lvrt单元5具有断路器的功能，同时在不改变外部配电和备用电源容量的条件下解决并网接触器3的低穿问题。

本实施例中，轮捕能侧并行测速装置安装在风力发电机的轮毂位置，其用于对风力发电机的风轮转速变化进行实时监测，轮捕能侧并行测速装置与智能分析保护系统通信连接，当轮捕能侧并行测速装置监测到的风轮转速超过额定转速时，智能分析保护系统在风轮捕风侧直接控制安全链6，跳过滑环通讯环节，使机组及时脱网停机。具体地讲，轮捕能侧并行测速装置包括接近开关7、信号隔离器8、plc控制器9和陀螺仪10。接近开关7设置三个，三个接近开关7通过信号隔离器8与plc控制器9连接，陀螺仪10安装在风力发电机的轮毂的六角柜外，陀螺仪10与plc控制器9连接，plc控制器9还与安全链6通信连接。

本实施例中，轮捕能侧并行测速装置采用接近开关7与陀螺仪10并行测速机制；接近开关7与陀螺仪10并行测速机制为将接近开关7测速机制与陀螺仪10测速机制并行。接近开关7测速机制为接近开关7将检测到的脉冲电信号接入plc控制器9，当某路信号超出预定报警值时，风机系统进入报警状态，当其余的两个通道当此过程持续一定时间保持不变时，则输出报警信号，切断安全链6，控制风机系统执行顺桨动作。陀螺仪10测速机制为陀螺仪10安装在轮毂的六角柜外，当陀螺仪10测量结果超出预警值时且持续一定时间保持不变时，断开安全链6，控制风机系统执行顺桨动作。

本实施例中，风轮捕能侧保护装置安装在风力发电机的机舱位置处，风轮捕能侧保护装置与智能分析保护系统通信连接，风轮捕能侧保护装置用于在电气控制侧元件损害造成无法脱网的情况下以及当机组处于超速阶段时，向智能分析保护系统发出系统异常信号，防止机组超速事故发生。具体地讲，风轮捕能侧保护装置包括撞铁11，撞铁11安装在风力发电机的机舱上。在风轮捕能侧保护装置中，撞铁11容易在风轮有相对位移时与接近开关7发生碰撞现象。当接近开关7出现故障时，三个开关速度异常，超速保护系统此时不会停止工作，依靠陀螺仪10进行转速测量，但此时保护系统会发出系统异常信号。

本实施例中，智能分析保护系统用于对发电场单台机组发生的过电压、低电压、不平衡、频率异常、功率异常、谐波、短路以及超速问题进行监测、记录、分析和系统保护，同时能为设备的问题查找、后续优化提供数据和理论支撑。智能分析保护系统还具有以下功能：1）通过分析风机历史数据，配合防冲击lvrt单元5对控制机组脱并网相关设备参数要求进行模拟，计算在满足接触器、断路器使用寿命及机组超速跳机转速，最合理分断电流，当电流超过某个值时，分断箱变主断路器，低于此值时，分断并网接触器3；2）通过对历史故障数据分析，确认脱网智能保护系统的保护条件，至少包括风轮额定转速、风轮极限转速、三相电流不平衡度、负功率。

本实施例中，智能自动消防装置安装在并网接触器3一侧旁，其外接气溶胶灭火装置；智能自动消防装置用于进行气体/烟雾探测、温度探测和火焰探测；智能自动消防装置与智能分析保护系统通信连接，配合智能分析保护系统进行逻辑判定故障、预警和火警；智能自动消防装置配合智能分析保护系统动作，进行定点消除起火点；当智能分析保护系统确认发生大电流放电状态时，智能分析保护系统向智能自动消防装置发出确认保护需求信号，智能分析保护系统立刻对箱变主断路器进行分断，并且智能自动消防装置进行自动消防灭火。

本实施例中，系统冗余保护单元分别与智能分析保护系统、并网接触器3和安全链6通信连接；系统冗余保护单元用于当机组出现超速情况时，通过判断分断电流和风轮转速，分别控制并网接触器3和安全链6，使机组及时脱网卸载，保证设备完全。

本实施例中，远程状态监测系统分别与综保模块4、防冲击lvrt单元5、轮捕能侧并行测速装置、风轮捕能侧保护装置、安全链6和智能分析保护系统通信连接。远程状态监测系统用于支持监测人员的远程实时波形记录及特征量计算、系统问题警示和后备保护、常规并网特性分析、故障过程暂态及稳态分析、整场发电设备相关性分析、发电场故障分析和定位、机组超速记录操作。

本发明还提供了一种风机并网回路多变量监测与保护方法，采用上述的风机并网回路多变量监测与保护系统进行实施，风机并网回路多变量监测与保护方法采用电气控制保护机制方法与机械传动保护机制方法相结合。

考虑到双馈风力发电机有三个转速，定子同步转速n，转子旋转转速n1和转子电磁转速n2。机组通过计算滑差率调节转子变流器，调整励磁电流的频率和幅值，保证转子电磁转速n2与实时的转子旋转转速n1相加等于同步转速n，以此确保定子侧工频工压，并将发电机定子通过并网开关直接与电网相连。定子并网开关通常使用接触器或断路器。以及，双馈风力发电机组在风速超过最低启动风速的工况下，通过变桨系统展开叶片吸收风能，当发电机转速达到最低并网要求时，变频器回路进行预充电，之后吸合网侧接触器，变频器继续运行至同步状态后，检测频率、电压、相位符合并网要求，则吸合定子并网开关。机组安全链处于上电状态，变桨控制器与发电机控制器不对安全链发生动作。

因此，本申请结合机械传动保护机制和电气控制保护机制两个环节，形成机组运行状态的多层监测保护机制，并配备与之对应的自动消防装置，全面保障机组安全运行，避免因超速或电气元件故障造成的机组起火事故发生。

电气控制保护机制的设计背景为：在发电机并网环节，双馈风力发电机组一般选用接触器或断路器作为并网开关使用。交流接触器工作主要部件为低压线圈和衔铁，给绕在铁心上的线圈通电后，产生电磁感应，吸合动触头，接触器闭合，其灭弧能力较弱，分断电流一般仅几千a。接触器电气寿命一般可达几十万次。接触器一般在温度高于60℃后，会出现高温降容情况，容量和使用寿命均会受到影响。断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来对电源线路及电动机等实行保护，当发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路。断路器靠机械结构实现快速闭合和分断，其灭弧能力强，一般分断电流可达数万a。通过继保可实现短延时保护，长延时保护和瞬断保护等功能，但电气寿命仅几千次。

因此，本申请通过软、硬件算法相结合的综合判断方式来延长并网接触器的使用寿命，电气控制保护机制方法为：

首先，利用综保模块4根据并网接触器3的特性参数、选择动作对象及动作速度，通过和箱变主断路器的配合，根据实时分断电流和故障状态，对并网接触器3或箱变主断路器进行分断，避免大电流带载工况下使用并网接触器3脱网损坏相关器件的风险；

其次，利用防冲击lvrt单元5模拟原断路器的功能，同时在不改变外部配电和备用电源容量的条件下解决并网接触器3低穿问题；

再次，智能分析保护系统能够对发电场单台机组发生的过电压、低电压、不平衡、频率异常、功率异常、谐波、短路以及超速问题进行监测、记录、分析和系统保护，同时能为设备的问题查找、后续优化提供数据和理论支撑；智能分析保护系统还能够在机组主控或并网接触器3中的变频器发出分断并网开关要求时，通过分断电流实时值，判断分断并网接触器3或上一级保护断路器，使断路器和接触器在最合理分断状态下工作，达到最佳使用寿命，避免事故发生；智能分析保护系统同时对并网接触器3的分断次数进行统计，在达到理论最大寿命前对设备健康状况进行提醒；智能分析保护系统还对风力发电机的风轮转速变化实时监测，为防止变桨控制系统传输设备损坏造成通讯失去同步的情况，当转速超过额定转速时，智能分析保护系统在风轮捕风侧直接控制安全链，跳过滑环通讯环节，使机组及时脱网停机，同时，在机组超速阶段，为防止电气控制侧元件损害造成无法脱网情况，风轮捕能侧控制环节可对其进行及时补救，防止机组超速事故发生；此外，还通过内置分断保护要求，以最符合风力发电机组实际使用要求，当并网回路发生严重问题时，如较大不平衡状态，严重负功率状态等情况下，配合主控系统完成立刻分断主回路保护功能，避免事故发生。

机械传动保护机制的设计背景为：风电机组变桨控制系统无论是在控制逻辑上，还是在安装位置上，与机组其他系统相对独立。变桨系统自身存在完整的逻辑判断和设备状态分析的功能体系，并通过通讯、电路和安全链的方式与机组主控进行垂直关联。受机组设计环节的影响，当变桨系统运行正常时，风电机组通常不会出现超速情况。所以，大部分的风电机组不配备叶轮超速报警功能。取而代之的做法是单纯的通过检测主轴或叶轮转速，人为设定转速阈值。当主轴转速超过阈值时，进行通过主控控制变桨系统完成顺桨动作。但是，在实际应用中发现：因为传感器故障、滑环故障或通讯线路虚接等情况造成通讯和控制功能无法实现的情况时有发生。这些问题均会导致机组出现超速现象，严重时会造成主轴轴承碳化、起火等灾难性事故。

因此，本申请采用轮捕能侧并行测速装置和风轮捕能侧保护装置相结合的机械传动保护机制方法。机械传动保护机制方法为：采用轮捕能侧并行测速装置和风轮捕能侧保护装置相结合的方式，利用轮捕能侧并行测速装置对风力发电机的风轮转速变化实时监测，为防止变桨控制系统传输设备损坏造成通讯失去同步的情况，当转速超过额定转速时，智能分析保护系统在风轮捕风侧直接控制安全链6，跳过滑环通讯环节，使机组及时脱网停机；同时，为防止电气控制侧元件损害造成无法脱网情况，在机组超速阶段，由风轮捕能侧保护装置发出系统异常信号，防止机组超速事故发生。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。