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风力发电机组安全保护技术分析评价

文档作者：陈苏声张全成杨涛林钧斌张倚文档来源：上海市质量监督检验技术研究院		点击数：	更新时间： 2021年01月09日
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《电气自动化》2012年第34卷第1期 能源发电控制技术
The New Energy Power Control Technology
风力发电机组安全保护技术分析评价
陈苏声张全成杨涛林钧斌张倚
(上海市质量监督检验技术研究院，上海200072)
摘要：风力发电是目前应用最广可再生能源之一，其运行有很高的安全要求。介绍了风力发电机组安全保护系统，对目前使用的安
全保护系统进行技术分析，提出优化措施，谨希望可以为风电行业安全系统设计提供借鉴。
关键词：风力发电；安全保护；新能源
[中图分类号]TM614 [文献标志码]A [文章编号]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
本文首先介绍了风力发电机组安全保护系统，接着探讨了
IEC61511标准在风力发电机组安全保护系统的应用，并以风轮
超速保护功能为例，结合举例系统的工艺背景，说明如何确定安
全保护系统中的SIF(安全功能)，安全保护系统组成、分析和改
进，最后总结了风力发电机组安全保护系统的设计原则。
1 安全保护系统介绍
风力发电机组控制系统是一个综合性系统。尤其是对于并
网运行的风力发电机组，控制系统不仅要监视电网、风况和机组
运行数据，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程中的安
全性和可靠性，还需要根据风速和风向的变化对机组进行优化控
制，以提高机组的运行效率和发电质量。⋯
中国的风能资源较丰富的地区，主要分布在北部和沿海近海
岛屿两个带状范围内，分布区域的自然环境较恶劣，且远离主要
的人口聚集区，因而获得人工的检查维护的机会较少，一旦发生
故障或事故，及时获得修理的可能也较少。因此风力发电机组的
运行需要连续而且安全的控制系统，而且不能够被严酷的外部环
境所影响。
在风力发电机组控制系统中，安全保护系统是最高层的防护
措施，虽然其在控制系统中的工作时间与频率最少，但是优先级
却是最高的，一旦安全保护系统进人运行状态，整个控制系统的
其他各个子系统的控制功能则自动服从于安全保护系统。
风力发电机组安全保护系统需要实现的功能主要有
· 超速保护
· 电网失电保护
· 电气保护
收稿日期：2011—06—17
基金项目：本文为上海市科委研发平台专项基金资助项目“风电新能源
设备产品认证检测服务平台建设”(编号10DZ2292200)的研
究成果
46 ElectricaI Automation
’ · 机械装置保护
· 控制器保护
· 防雷击保护
· 抗干扰保护
· 接地保护
· 紧急停车保护 ．2]
2 安全保护系统安全功能分析
以下是风力发电机组安全保护系统的实例。
以超速保护为例，假设一台定浆距风力发电机组，其常规控
制系统的控制功能为：当转速传感器检测到发电机或风轮装束超
过额定转速的110％ 时，控制器将给出正常停机指令。
因此可以确定风力发电机组安全保护系统中与该控制功能
相对应的超速保护安全功能：在低速轴处设置风轮转速传感器，
信号传人紧急停车系统(ESD)，一旦风轮转速超出ESD中所设
置的超速上限，引发安全保护系统动作，即启动制动器，整个风力
发电机组得以安全停车。
在风力发电机组的实际运行过程中，发电机或风轮的转速应
保持在一定的限制之下，否则会导致发电机组过载，齿轮、转轴、
叶片受到损伤，产生不可修复的形变，甚至导致风机起火甚至叶
片飞出、风机塔架倒塌等严重的事故。对整个风电场乃至并网电
网都产生一定的影响。
因此，根据SIL的定性描述(表1)，确定该系统的安全完整
性等级应该达到SIL2。
表1 SIL的定性描述
SIL 事件后果
引起社会灾难性的影响
人员伤亡和对社会造成影响
引起财产损失，可能伤害人员
轻微的财产损失
— 』竟斤能源发电控制技术 皇 皇 竺兰兰 竺 竺
The New Energy Power Controf Technology
SIL事件后果4引起社会灾难性的影响3人员伤亡和对社会
造成影响2引起财产损失，可能伤害人员1轻微的财产损失。
3 安全保护系统技术分析和改进建议
一个正常的安全保护系统通常由三个部分组成，传感器、逻
辑控制器和最终执行元件组成。传感器对一个或数个参数进行
监测，并将信号传输至逻辑控制器，逻辑控制器接受到信号后，判
断是否要启动安全功能，判断需要启动安全功能后，逻辑控制器
发送启动信号至最终执行元件，最终执行元件接收到信号之后启
动安全功能。
根据前文所述，风机超速保护安全系统的传感部分为风轮转
速传感器。风轮转速传感器检测出风轮的转速后之后，将测量信
号分为两路：一路信号去常规控制系统，参与常规的风力发电机
组的运行控制；另一路信号去逻辑控制器。逻辑控制器是整个紧
急停车系统(ESD)的一部分，通常选用高可靠性的安全PLC。输
入信号经过逻辑控制器运算处理后，输出信号传送到执行器，即
为制动器。若输出为启动信号，则制动器工作，从而对风机叶轮
进行制动。从整个信号的流向可以看到，这个安全保护系统的传
感器、逻辑控制器和最终执行元件三个部分都是串联关系，任何
一个环节的故障都会导致该安全功能的失效。
初始设计完成之后，根据安全生命周期需要对其SIL是否达
到Et标SIL进行验证。之前已经说明，该安全保护系统的传感
器、逻辑控制器和最终执行元件三个部分都是串联关系，任何一
个环节的故障都会导致该安全功能的失效。因此，该系统的可靠
性框图如图1所示。
图1 风机超速保护安全系统1的实现框图
各部件PFD(Probability of Failure Of Demand，失效率)如表2
所示：
表2 风机超速保护安全系统1中各部件的PFD
部件种类 单一部件的PFD
风轮转速传感器
安全PLC
制动器
在风机超速保护安全系统中，看到安全PLC(逻辑控制器)本
身的失效率是符合SIL2标准的，但是正如之前所言，要考虑整个
安全保护系统的所有部分并纳入计算范畴。那么整个风机超速
保护安全系统的PFD 则为：
P ’D =1一(1一PFDs)×(1一PFDc)x
(1一PFDE)=6．4 x 10 (1)
根据IEC6151 1得到这个风机超速保护安全系统的安全完整
性等级只有SILl，没有达到确定的目标SIL2，但是这个系统还是
有一定地提升余地。
考虑为风机超速保护安全系统增加一个安全功能。对于定
浆距风力发电机组，风轮超速时，液压缸中的压力会迅速升高。
因此可以在液压缸中设置一个压力传感器，信号传人紧急停车系
统(ESD)。当液压缸中的压力达到设定值时，引发安全保护系统
动作，即开启液压缸上的电磁阀，压力油泄回油箱，叶尖扰流器旋
转90。成为阻尼板，使得整个风力发电机组得以安全停车。
从整个信号的流向可以看到，传感器(压力传感器)、逻辑控
制器(安全PLC)和最终执行元件(电磁阀)三个部分都是串联关
系，任何一个环节的故障都会导致该安全功能的失效。
根据安全保护系统的三要素(传感器、逻辑控制器和最终执
行元件)对风机超速保护安全系统进行分析，现在这个安全保护
系统拥有两个并联的逻辑回路。其中一个逻辑回路是风轮转速
传感器——逻辑控制器A—— 制动器，另一个是压力传感器——
逻辑控制器B—— 电磁阀。两个逻辑回路互相独立。因此，该系
统的可靠性框图因如图2所示。
图2 风机超速保护安全系统2的实现框图
各部件PFD如表3所示：
表3 风机超速保护安全系统2中各部件的PFD
部件种类 单一部件的PFD
风轮转速传感器
安全PLC A
制动器
压力传感器
安全PLC B
电磁阀
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
整个风机超速保护安全系统的PFD 则为：
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，可以认为，对原有防护系统进行改进后，风机超速保护
安全系统的安全完整性等级可以达到SIL2。
从风机超速保护安全系统的设计与改进过程中可以看到，如
果需要对改进安全保护系统，提高其安全完整性等级，首先可以
考虑采用冗余配置。当然如果因为成本或安装的原因不适合采
用冗余配置，则应该采用比较更为可靠的部件。
在风力发电机组安全保护系统的设计中，对于安全完整性等
级要求较高的场合，应该使用多个逻辑回路来确保整个安全保护
系统的安全完整性等级，而且在使用中应注意使各逻辑回路间相
互独立，否则将会导致安全系统的SIL等级只能成为其最佳性能
而非可靠的性能。
结合IEC61511和风力发电机组的实际运行功能及需求，可
以总结出风力发电机组安全保护系统设计的几个原则：
(下转第79页)
Electrical Automation 47
Ⅲ枷 枷
4 O 7
肿 肿肿
电力系统及其自动化
Power System ＆ Automation
《电气自动化)2012年第34卷第1期
供的无线网络有足够的带宽满足营业所的网络需求，为将来实现
办公自动化，视频监控VoIP等多媒体业务建立良好的通信平台。
目前国内采用的用户电表采集方式有下面几种：① 人工抄
表：手工结算，误差大，效率低。②Ic卡预付费表：易造成人为破
坏不能及时监控。③有线抄表系统：施工周期长、工程安装及维
护成本高，有建筑改造也很不方便，耗时耗力。④无线抄表系统：
无需架设电缆，可迅速建起通信链路，工程周期大大缩短。
WiMAX建立的无线网络则可以实现抄表智能化的全面覆盖。
4．3 应急通信及配电自动化
电力在现代社会中扮演着越来越重要的角色，人们似乎一刻
也离不了，当面对自然灾害、突发事件或者临时施工的现场，则需
要建立临时的通信系统。有线通信恢复速度慢，架设周期相对较
长，WiMAX基站覆盖面广，建立简单迅速，建设地点灵活，可以提
供高速接入，因而在应急通信方面有着得天独厚的优越性。
配电自动化(DA)是一项集计算机技术、数据传输、控制技
术、现代化设备及管理于一体的综合信息管理系统，这就要求通
信的速度、安全性方面比较高。在工业发达国家，配电系统自动
化受到了广泛的重视，已经形成了集变电站自动化、馈线分段开
关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于
一体的配电网管理系统(DMS)。
在我国电力行业中，大量的配电网变电站、开关站，分布范围
广、终端数量大、分散、距离远，受通信能力限制，我国的配电自动
化则受到很大制约。这些大量的终端，无法全部铺设光纤，采取
与无线WiMAX相结合的方法，灵活多变，使电力通信有了双重
保障。
4．4 电力通信展望
电信市场的自由化为电力通信提供了新机遇，电力通信网除
(上接第47页)
· 安全保护系统应与控制系统完全分开
． · 控制系统处于常开状态，安全保护系统处于常闭状态
· 当控制系统失效时，安全保护系统启动
· 当安全保护系统启动时，控制系统应自行降至服从低位
· 与安全保护系统有关的单个元器件的失效，应不会导致
安全保护系统失效
· 根据“水桶理论”，整个安全保护系统的完整性等级取决于
其中可靠性最差的某个元器件，因此必须综合考虑每个元
器件的可靠性，而并非片面追求单一部件的高可靠性
· 对于安全等级较高的场合，应该使用多个相对独立的逻
辑回路来实现整个安全保护系统的安全等级
在风力发电机组的安全保护系统中，由于电子元器件的成本
较低、安装和更换也较为简易，因此传感器部分较多地采用冗余
配置。而执行器部分，由于工业用的机械设备的价格较高，体积
较大，安装繁复，因而进行冗余配置的难度较大，因此需要采用可
靠性较高设备。而逻辑控制器更是整个安全保护系统的心脏，因
而更需要采用高可靠性的部件。
4 结束语
IEC61511标准为风力发电机组安全保护系统的设计和改造
了保障自身通信的需求，还可以对外提供数据链路。
在美国，电力系统通信已成为政府提出的信息高速公路计划
的一个重要组成部分；韩国电力数据网络公司，向社会提供因特
网业务、有线电视传输业务、电力系统远方自动抄表业务以及向
有关部门出租OPGW 带宽容量业务；随着芬兰对电信管制的开
放，芬兰国家电力公司成立了TELIVO通信公司，对外出租光缆
纤芯、电路，出售带宽、经营长途通信业务。
我国电力通信主干线路已经完善，引入WiMAX与EPON融
合的接入网，让电力通信网在市场上更具竞争力，相信在可期待
的将来电力通信网提供的网络服务会成为电力公司的一个新的
业务增长点。
5 结束语
随着智能电网建设的不断深入和发展，对通信的要求也越来
越高，本文所采用的融合网络可以很好的满足电力系统通信的要
求。当然，融合网络的引入，使得电力通信网更加庞大复杂，这就
需要加强网络规划和统一管理，这也是WiMAX与EPON融合网
络的重点和难点。
参考文献
[1]唐雄燕，宽带无线接人技术及应用(第二版)[M]．北京：电子工业出
版社，2006．
[2]陈雪．无源光网络技术[M]．北京：北京邮电大学出版社，2005．
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[4]丁道齐，中国电力通信要创新机制，向新一代公共电信运营公司方
向转变[J]．中国电力，2001，34(3)：1—7．
【作者简介】王惠中(1962一)，男，河南洛阳人，教授，硕士研究生导师。
主要研究自动化仪器仪表、嵌入式系统、电磁场与电磁波等； 张奇侠
(1979一)，男，甘肃天水人，硕士研究生，专业：电力系统及其自动化。
提供了很好的指导作用，遵循IEC61511的设计指导，可以使风力
发电机组安全保护系统在规范、设计、安装、运行和维护的全生命
周期的流程得到不断的完善，是确保风力发电机组运行安全的重
要技术手段。
在风力发电机组安全保护系统设计和改造的过程中，仅仅关
注传感器或逻辑控制器或执行器各个部分是否能够达到安全需
求是不够的，需要对执行器的冗余配置、各个逻辑回路是否独立，
风机保护功能是否合适等各方面进行系统考虑，才可以达到较好
的防护效果，减少安全事故发生。
参考文献
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[4]阳宪惠，郭海涛．安全系统的功能安全[M]．北京：清华大学出版
社．2007．
【作者简介】 陈苏声，(1984一)，男，硕士，助理工程师；研究方向：主要
从事电气设备与系统质量与安全方面的研究。
Electrical Automation 79

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