一、技术背景
近些年随着国家对新能源政策的不断调整，风电行业经历了培育期、高速发展期和平稳整合期，每年都有大量风力发电机装机并网。如此多的风机同时并网发电，势必需要一个对风机进行管理和控制的系统，那就是风力发电机监控系统，这套系统可以通过计算机同时远程监控整个风力发电厂甚至是多个风力发电厂的风力发电机，对风力发电机的运行情况进行数据采集监测、控制风机运行和检测并纠正风机错误。这套系统主要是从风力发电机的电气控制系统PLC中获取相关数据，来判定风机的运行状态和显示风机的相关参数，并进行控制的。
首先，对于风力发电机最重要部分变流器，这套系统提供的监控功能并不丰富，只能对变流器的错误和运行温度等常规参数进行检测，不能实时显示如变流器母线电压等重要参数，不能迅速定位设备故障，不能控制变流器，不能维护变流器，更不能在需要升级变流器控制系统时提供帮助。
再者，变流器和风机的电气控制系统使用不同的数据和控制协议，这就导致了原有的风机监控系统对于变流器的监控比较困难，它需要先通过风机的电气控制系统再去获得变流器的相关内容，这样的工作方式效率低，而且对于风机电气控制系统来说，运行负担比较大，实现起来比较困难。
最后，我国风力发电场选址多在新疆、内蒙古等北部地区和东部至南部沿海地带及岛屿等风力资源较为丰富的地方，风电场分布地域广、装机数量多并大多人烟稀少，环境恶劣。仅以，占风机总数的绝大部分的陆地风机为例，风机变流器70%以上的是放置在离地面60-80米的高空机舱中，风机的远程监控系统监控重点并不在风机变流器上，它能够为风机变流器提供的功能很有限。当变流器需要进行监控维护和程序升级时，总是需要技术人员到现场冒险攀爬80米左右的风力发电机机舱来处理，每个风力发电场有几百台风机，这样使得工作效率低，且有很大的安全隐患。所以迫切的需要新设计一套针对变流器的远程监控系统来补全风场监控系统的不足。本项目成果为实现风力发电机变流器的远程监控提供必要的软件支撑，整个系统的应用可大大提高风场设备监控和维护的工作效率，减轻风场维护工作的难度，保障风场工作人员的安全性，具有巨大的社会效益和经济效益。
二、项目研究内容
风机变流器实时监控系统在原有风力发电机变流器监控系统的基础上，一方面，通过通信模块完成对变流器的数据进行采集、转换、存储等基本功能，另一方面通过以太网与PC界面进行连接，完成设备发现、上传数据、下发数据、下发控制指令等功能。用户可通过PC机，对风力发电机的变流器进行功能控制，波形显示与存储，参数设置与存储，故障记录，变流器控制软件升级等相关操作，并能够同时对多台风力发电机变流器进行相关操作。系统结构如图1所示。
主要研究的内容为：通信模块与变流器协议的互相转换、通信模块与PC界面协议的相互转换、PC界面软件的设计。
1.通信模块与变流器协议的转换。通信模块与变流器DSP之间，采用RS485通信方式。变流器的DSP芯片，最高通信速率为115200bps，相比动辄上兆速率的USB、以太网、CAN等通信，串口通信速率捉襟见肘，加上DSP中数据量较大，因此需要一套行之有效的通信协议对其支持。在现有通信协议中，本设计参考了ModBus协议。ModBus协议是一个主从协议，遵循ModBus协议基本格式，对其进行相应修订。
图1 风电变流器实时监控系统结构图
2.通信模块与PC界面协议的相互转换。PC界面与通信模块之间，利用以太网TCP/IP通信，若干个PC界面可与同一网段内的若干设备建立连接。TCP/IP协议的网络层选择IP协议，主要功能是对要发送的数据加上报头，再发送给物理层，同时还要接受由链路层传来的数据包并对其处理。CP/IP协议的传输层选择UDP协议，并制定相应内容。
3.PC界面软件设计。PC界面软件，采用主流的“三层构架”进行设计。从顶至下分别为GUI(GraphicalUserInterface)层、设备层、通信层。GUI层采用MDI结构，配合经过专业美化设计的界面，轻易可以实现多个设备、多种功能同屏显示，其中包括参数/变量列表、示波器、用户自定义的图形化界面等等。设备层封装在一个独立的DLL(DynamiclinkLibrary)中，它是界面软件的核心。软件在网络上发现风电变流器设备后，设备层就将其映射为一个“设备”，它有存储空间、读取方法、写入方法、故障标志、示波器采样完成标志等一系列电力电子设备应有的属性和方法。通信层同样封装为一个独立DLL，它封装了网络通信协议、通信超时、超时重发等功能，方便设备层进行调用。利用DLL的好处是，今后功能进行扩展时，不用将整套软件进行发布，而可以根据改进的部分而发布一个新的DLL文件即可。界面展示如图2。
三、系统功能性指标
1.接入以太网。以太网的接入，能够给数据传输带来更多可能性。首先，现场单台调试时候可以配合路由器实现无线调试，无线的优势毋庸置疑，特别是在现场恶劣条件或危险条件下;其次，配合风电场或光伏电场的交换机，实现坐在主控室监测所有变流器，极大降低了运行、维护、检修人员的工作量;最后，随着产业不断升级发展，能够方便的对今后业务进行扩展，例如网络的接入可以实现大数据、云计算等互联网高科技的衔接。
2.实时波形显示。波形最能直观表征电力电子设备运行状态，而实时波形更是在业内少有的功能之一。系统植入虚拟示波器功能，不仅可以省略现场连接示波器的麻烦，无论研发人员还是业主，都可以随时观察设备设定参数的波形，对整个机组运行状态有一个全面直观的了解;而且能够方便研发人员厂内测试，极大提高了工作效率。
3.故障录波功能。人吃五谷杂粮免不了生病，电力电子设备也是一样，有可能发生各种各样的故障。发生故障不要紧，重要的是应该有一个行之有效的方式，迅速定位并解决故障。故障时刻波形能够从根本上观测故障时刻的设备运行状态，以目前行业发展来看，没有任何一种技术，能够比故障时刻波形更能迅速有效的定位故障，因此故障时刻波形存储和显示功能是十分必要的。
4.对多台变流器同时监测。监测软件最终是要应用到风力发电场的，对于一个风力发电场往往有多台风电变流器设备的，那么就要求监测系统可以同时对若干台设备进行监测和操作。
四、技术创新点
对比目前市场上同类产品，该套风电变流器实时监测系统软件设计，在行业内具有如下突破:
1.无线调试。接入了以太网的设备，就可以通过WIFI路由器进行无线调试。这是一种无可比拟的优势，特别是在极端寒冷/炎热等恶劣的气候条件下，或操作危险设备的时候，这种优势可以发挥的淋漓尽致。
2.虚拟示波器功能。其它厂家一般都是点一下鼠标，过几秒钟出现一张波形，不仅速度慢，而且操作上有诸多不方便之处。而该系统让人感觉是在设备内部有一台示波器，波形显示实时、方便、快捷、实用。
3.故障录波功能。虽然已经有部分厂家具有故障记录功能，但是其采用片上存储器，每个故障只能存储几个通道的数据，存储故障个数也少，可配置的量也少。该系统通信模块有SD卡插槽，采用SD卡存储方案，若用最普通的8G的SD卡，按照每个每个故障点24通道波形，可以存储8万条，可以说在变流器寿命期限内根本不用清理SD卡。不仅如此，配置上也非常灵活，只要用户需要，每个故障点存储100通道的数据也是支持的。
4.同时操作多台设备。其它厂家的界面，都是“一对一”形式，即一个界面同时只能调试一台设备。而该系统采用“一对多”形式，只要是在同一个网段内的设备，界面都可以将其列在一个表内，可以随时操作任何一台设备。这尤其有利于设备统一管理，特别是在大规模风电场、光伏电站等场合。
五、社会效益和经济效益
随着世界各国风力发电技术的飞速进展，风力发电系统的规模也越来越大,相应的复杂程度也在急剧增大，风力系统各组成部分的稳定运行引起了人们的广泛注意。
风力发电系统主要包括风轮机、发电机、传动机构、齿轮箱、偏航装置以及控制器等,他们各部分的正常配合运行保证了整个发电系统的正常发电,而变流器是风力发电系统中重要的执行部件,能够优化发电机转子速度,可将风速波动或由阵风产生的功率波动转换电能平滑的注入电网,使发电系统获得更大的功率因数，从而降低对齿轮箱的冲击和注入电网的闪变,在风力发电系统中起着不可替代的作用。因此,如何保证风电系统中变流器装置安全、高效、可靠地运行,是在风电技术迅猛发展的今天,人们迫切需要解决的问题。对变流器中电力电子器件的稳定运行进行监测以及故障诊断对保障整个发电系统安全有效运行具有重大现实意义。从经济角度考虑，随着大批大型风力发电机组的并网发电,对变流器的要求也越来越高,同时造价也比较昂贵。同时由于大型风力发电系统载荷较大，不像小风机那样容易拆装、更换，且造价昂贵，因此一旦出现故障,将会对发电系统带来巨大麻烦和经济损失。另外，在对已经出厂的变流器进行日常监控、技术更新和售后服务方面，以往依靠经验人工观测的方法效率低，人员的安全性差，采用远程动态监测风力发电机变流器,实现在线诊断，从而减少并网故障的发生，保护电力电子器件，提高系统的可靠性，具有巨大的经济效益。
