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摘要：本文介绍了一种在风力发电系统中，对发电机电弧光进行实时检测控制的方法。介绍了发电机电弧光实时检测的原理，弧光检测装置与主控制器PLC之间的Modbus RTU通讯配置，以及如何编写PLC程序接收弧光检测装置的保护报警状态字信号、复位弧光检测装置故障信号、主控制器PLC与弧光检测装置实现对时功能等。
关键词：风力发电；电弧光；PLC；Modbus RTU通讯
引言
随着我国清洁能源的大力发展，国家对清洁能源投入了越来越多的支持，风力发电已经成为第三大能源，风电装机规模还一直在不断的壮大。在高海拔以及沿海湿度较大地区，环境条件恶劣，会影响发电机设备的绝缘性能。当发电机一旦出现绝缘击穿短路现象时，其外部接线可能短路，就会引起发电机内部绕组过流，从而导致绕组温度上升。虽然当绕组温度上升到一定限值后会触发保护动作，但温度上升有一个过程，保护动作较慢，存在一定的滞后性，即使风力发电机组报温度高停机，但发电机绕组仍然可能因为过流而损坏。一旦风力发电机组的发电机发生故障，一般需要停机较长时间更换绕组或整台发电机，不但造成了发电量的巨大损失，还会带来高额的更换维修费用。通过分析得知，发电机内部短路电流、短路性质与短路位置有较大关系，在一般情况下都会产生电弧光。如果在风力发电机组运行过程中，能够及时的检测发电机的电弧光，并迅速的作出判断动作，使风力发电机组及时故障脱网运行，将会极大的提高风力发电机组的安全可靠性，避免产生较大的风险损失，从而有效提升风力发电产品的竞争力。
1检测原理
当发电机内部发生匝对地短路，或相间短路，亦或是匝间短路时，均可能会产生电弧光，而且弧光的产生是在毫秒级的。利用某厂家的弧光检测装置，其弧光传感器是探测弧光的光感应元件，在发电机重要而又较脆弱的部件两端，安装弧光检测传感器，实时检测发电机内部情况，一旦有電弧光产生，弧光强度会大幅度增加，弧光传感器就将光信号转换成电信号，传送给弧光检测装置保护单元，然后转换成报警信号。弧光检测装置与风力发电机组的机舱柜通过RS485通讯接口相连，机舱柜与塔基柜的主控制器PLC通过光纤相连，风力发电机组主控制器PLC通过Modbus RTU通讯，实时的读取弧光检测装置的保护报警信号，当读取到弧光报警信号时，对风力发电机组进行快速的停机脱网控制，实现对风力发电机组发电机的有效保护。原理框图如下图1所示：
2 主控控制
2.1通讯配置
风力发电系统的主控制器使用PLC，使用其RS485通讯端口的Modbus RTU协议与弧光检测装置通讯。因此，PLC程序需要配置如下内容：
1）在软件定义中绑定相对应的硬件组态端口；
2）配置通讯启动初始化参数波特率，与弧光检测装置设备保持一致；
3）配置Modbus RTU通讯的校验方式，根据弧光检测装置设备通讯协议确定；
4）配置Modbus RTU通讯的通讯方式，根据弧光检测装置设备协议规定选择半双工方式。
2.2 PLC控制
Modbus RTU库文件中包含多个功能函数，根据主控PLC与弧光检测装置通讯内容的需要，使用了三个功能函数，分别对弧光检测装置进行读取数据操作、写入数据复位操作、写入对时命令操作。
PLC通讯主程序使用case of 语句进行编程，实现每个周期只对Modbus RTU从站进行一个操作，正常通讯时，循环执行case 0，在没有复位也没有对时命令情况下，循环执行case 1读取弧光检测装置的保护报警状态字，判断是否有报警信号；当有复位指令时，执行一次case 2，对弧光检测装置进行复位操作；当有对时命令时，执行一次case 3，使PLC与弧光检测装置进行时钟同步操作。
3 控制结果
读取弧光检测装置保护报警状态字信号，使用对应功能码16#03函数。通讯配置ID地址为1，起始地址从0开始，连续读取10个寄存器的数据。循环读取保护报警状态字信号，实现对发电机弧光的实时监测。弧光检测装置保护报警状态字在无故障情况下，读取到数值为16进制8000，如果通讯中断读取数据均为0，保护报警状态字的低8位分别对应不同的故障，当主控程序解析到某一位出现高电平时，立即报出相对应的故障，并控制风力发电系统停机，发电机从电网中脱网，最大程度的保护发电机。
当弧光检测装置触发报警信号后，需要对弧光检测装置进行复位操作，即复位装置内部的保护报警状态字，清除状态字寄存器中的数据，使其恢复到正常情况下，需要使用对应功能码16#06函数，对复位地址写入数据0。
对弧光检测装置进行对时操作，使用对应功能码16#10函数。ID地址使用广播地址255，写入的数据根据通讯协议要求将主控PLC系统时间换算为弧光检测装置支持的时间格式，分成3个字写入，年份取后两位数作为第1个字的高8位，月份作为第1个字的低8位；日作为第2个字的高8位，小时作为第2个字的低8位；分钟作为第3个字的高8位，秒作为第3个字的低8位。再通过定时写入的方式，定时与弧光检测装置对时，保持其与主控PLC系统的时间一致。
4 结束语
本文讨论了风力发电系统中，对发电机电弧光进行实时在线检测控制的方法，介绍了风力发电系统的主控制器PLC与弧光检测装置之间基于Modbus RTU的通讯配置，实现了实时读取弧光检测装置的保护报警状态字，快速解析出弧光检测装置的报警信号，有效的对风力发电机组进行保护动作，减少风力发电系统的损失。此方法安装控制简单，实时性较好，实现了对风力发电系统较好的保护效果。
参考文献：
[1]陈源东，徐吉用，梁倩，张元龙.用于弧光保护装置的检测系统 [D].电子世界.2017.
[2]李洁，李慧勇.浅谈电弧光保护的组成及优点 [D].中国战略新兴产业.2017.
[3]李喜东，刘波涛，刘刚.Modbus RTU串行通讯协议在工业现场的应用[D].自动化技术与应用.2005.
[4]汪静，李寒生.基于485总线的Modbus协议在DCS与PLC通讯中的应用[D].科技风.2017.
关键词：风力发电；电弧光；PLC；Modbus RTU通讯
引言
随着我国清洁能源的大力发展，国家对清洁能源投入了越来越多的支持，风力发电已经成为第三大能源，风电装机规模还一直在不断的壮大。在高海拔以及沿海湿度较大地区，环境条件恶劣，会影响发电机设备的绝缘性能。当发电机一旦出现绝缘击穿短路现象时，其外部接线可能短路，就会引起发电机内部绕组过流，从而导致绕组温度上升。虽然当绕组温度上升到一定限值后会触发保护动作，但温度上升有一个过程，保护动作较慢，存在一定的滞后性，即使风力发电机组报温度高停机，但发电机绕组仍然可能因为过流而损坏。一旦风力发电机组的发电机发生故障，一般需要停机较长时间更换绕组或整台发电机，不但造成了发电量的巨大损失，还会带来高额的更换维修费用。通过分析得知，发电机内部短路电流、短路性质与短路位置有较大关系，在一般情况下都会产生电弧光。如果在风力发电机组运行过程中，能够及时的检测发电机的电弧光，并迅速的作出判断动作，使风力发电机组及时故障脱网运行，将会极大的提高风力发电机组的安全可靠性，避免产生较大的风险损失，从而有效提升风力发电产品的竞争力。
1检测原理
当发电机内部发生匝对地短路，或相间短路，亦或是匝间短路时，均可能会产生电弧光，而且弧光的产生是在毫秒级的。利用某厂家的弧光检测装置，其弧光传感器是探测弧光的光感应元件，在发电机重要而又较脆弱的部件两端，安装弧光检测传感器，实时检测发电机内部情况，一旦有電弧光产生，弧光强度会大幅度增加，弧光传感器就将光信号转换成电信号，传送给弧光检测装置保护单元，然后转换成报警信号。弧光检测装置与风力发电机组的机舱柜通过RS485通讯接口相连，机舱柜与塔基柜的主控制器PLC通过光纤相连，风力发电机组主控制器PLC通过Modbus RTU通讯，实时的读取弧光检测装置的保护报警信号，当读取到弧光报警信号时，对风力发电机组进行快速的停机脱网控制，实现对风力发电机组发电机的有效保护。原理框图如下图1所示：
2 主控控制
2.1通讯配置
风力发电系统的主控制器使用PLC，使用其RS485通讯端口的Modbus RTU协议与弧光检测装置通讯。因此，PLC程序需要配置如下内容：
1）在软件定义中绑定相对应的硬件组态端口；
2）配置通讯启动初始化参数波特率，与弧光检测装置设备保持一致；
3）配置Modbus RTU通讯的校验方式，根据弧光检测装置设备通讯协议确定；
4）配置Modbus RTU通讯的通讯方式，根据弧光检测装置设备协议规定选择半双工方式。
2.2 PLC控制
Modbus RTU库文件中包含多个功能函数，根据主控PLC与弧光检测装置通讯内容的需要，使用了三个功能函数，分别对弧光检测装置进行读取数据操作、写入数据复位操作、写入对时命令操作。
PLC通讯主程序使用case of 语句进行编程，实现每个周期只对Modbus RTU从站进行一个操作，正常通讯时，循环执行case 0，在没有复位也没有对时命令情况下，循环执行case 1读取弧光检测装置的保护报警状态字，判断是否有报警信号；当有复位指令时，执行一次case 2，对弧光检测装置进行复位操作；当有对时命令时，执行一次case 3，使PLC与弧光检测装置进行时钟同步操作。
3 控制结果
读取弧光检测装置保护报警状态字信号，使用对应功能码16#03函数。通讯配置ID地址为1，起始地址从0开始，连续读取10个寄存器的数据。循环读取保护报警状态字信号，实现对发电机弧光的实时监测。弧光检测装置保护报警状态字在无故障情况下，读取到数值为16进制8000，如果通讯中断读取数据均为0，保护报警状态字的低8位分别对应不同的故障，当主控程序解析到某一位出现高电平时，立即报出相对应的故障，并控制风力发电系统停机，发电机从电网中脱网，最大程度的保护发电机。
当弧光检测装置触发报警信号后，需要对弧光检测装置进行复位操作，即复位装置内部的保护报警状态字，清除状态字寄存器中的数据，使其恢复到正常情况下，需要使用对应功能码16#06函数，对复位地址写入数据0。
对弧光检测装置进行对时操作，使用对应功能码16#10函数。ID地址使用广播地址255，写入的数据根据通讯协议要求将主控PLC系统时间换算为弧光检测装置支持的时间格式，分成3个字写入，年份取后两位数作为第1个字的高8位，月份作为第1个字的低8位；日作为第2个字的高8位，小时作为第2个字的低8位；分钟作为第3个字的高8位，秒作为第3个字的低8位。再通过定时写入的方式，定时与弧光检测装置对时，保持其与主控PLC系统的时间一致。
4 结束语
本文讨论了风力发电系统中，对发电机电弧光进行实时在线检测控制的方法，介绍了风力发电系统的主控制器PLC与弧光检测装置之间基于Modbus RTU的通讯配置，实现了实时读取弧光检测装置的保护报警状态字，快速解析出弧光检测装置的报警信号，有效的对风力发电机组进行保护动作，减少风力发电系统的损失。此方法安装控制简单，实时性较好，实现了对风力发电系统较好的保护效果。
参考文献：
[1]陈源东，徐吉用，梁倩，张元龙.用于弧光保护装置的检测系统 [D].电子世界.2017.
[2]李洁，李慧勇.浅谈电弧光保护的组成及优点 [D].中国战略新兴产业.2017.
[3]李喜东，刘波涛，刘刚.Modbus RTU串行通讯协议在工业现场的应用[D].自动化技术与应用.2005.
[4]汪静，李寒生.基于485总线的Modbus协议在DCS与PLC通讯中的应用[D].科技风.2017.