风电机组常见通讯故障原因分析及处理方法

风电机组常见通讯故障原因分析及处理方法编制：王荟泽主讲：王荟泽风电机组常见通讯故障的分类•内部通讯故障主要指影响风电机组本身运行的通讯故障机组内部通讯网络主要由光端机、控制单元、机舱面板、多模光纤、管理型交换机、非管理型交换机、塔基面板、RJ45网线组成。•外部通讯故障主要指不影响风电机组本身运行的通讯故障外部通讯网络主要由环网光端机、管理型交换机、单模光纤、非管理型交换机、RJ45网线组成。内部通讯故障名词解释•什么是通讯？通讯：信息通过媒质从一点传递至另一点的过程。•什么是现场总线？一种用于连接现场设备、现场控制器（传感器(Sensors)、执行器及像PLC、调节器(Regulators)、驱动控制器等）的网络;现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。•什么是总线？总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道。各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，各个部件之间传送信息的公共通路。总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号内部通讯故障•风电机组常见现场总线电流环RS232/422/485KBUS、EBUSProfileBUS-DPTCP/IPCanBUSInterBUS内部通讯故障CANopen通讯及故障原因分析•在风机的使用环境中，由于电磁环境很复杂，存在来自发电机和变频器等大功率器件的电磁干扰，因此选择合适的电缆、电缆路由以及正确良好的屏蔽接线就变的尤为重要。•针对机组中使用的CANopen通讯，从接口定义、线缆连接、常规故障处理等方面进行分析CANopen接口终端电阻：使用滑动开关激活总线系统起点和终点处的终端电阻。与此同时，用于总线电缆出线端的端子关闭。必须禁用总线系统上其它所有节点处的终端电阻。与ProfiBUS-DP总线连接相同内部通讯故障CANopen插头插头针脚定义SUB-D9阳型连接器插头结构ProfiBUS插头插头针脚定义插头结构内部通讯故障•屏蔽线的接地方式：CANopen电缆的连接主要为这四根CAN_H、CAN_L、CAN_GND、CAN_SHIELD。其中CAN_H和CAN_L一定是一对双绞线，对于正常选择的电缆，H和L为一对双绞，GND可以使用另外一对双绞中的一根即可，SHIELD为外屏蔽层。•注意：a)CAN_GND与CAN_SHIELD是有本质区别的，CAN_GND是CAN物理层的参考电平；CAN_SHIELD是屏蔽层，正常情况下是需要可靠接地的。b)宁缺毋滥，对于CAN_GND，如果不能保证GND是纯净无干扰的情况下不要接，否则GND的接入不仅起不到正作用反而会将干扰引入。对于CAN_SHIELD，他本身是CAN线的屏蔽层，在进行屏蔽层的连接时，先将屏蔽层悬空，然后在屏蔽层的一端选择一个可靠的接地点进行接地，如果受现场条件限制无法找到可靠的接地点则屏蔽层要两端悬空。ProfiBUS-DP总线同样适用内部通讯故障•故障原因分析a)总线存在错误帧，占2%左右，属于非外接干扰错误。原因是信号幅值过小和节点的采样点不统一。信号幅值过小，与选用的线缆过细有很大关系，并且与节点的电路设计也有很大关系。节点采样点不统一与每个厂商的波特率寄存器配置有关系。错误帧，会导致节点的错误计数器增加，在严重情况下最终导致总线关闭。b)存在共模干扰，干扰强度超过阈时值会对通信质量产生严重干扰。c)信号质量差，主要体现在信号幅值过小，发出很多错误帧。d)报文发送周期不稳定，经常出现发送周期异常。ProfiBUS-DP总线同理内部通讯故障•解决措施（ProfiBUS-DP总线同理）a)信号幅值过小1)收发器选择不合适，导致本身的幅值偏小。2)电缆电阻大，若条件允许可更换为截面较大的电缆。另外可通过调大两端的终端电阻来进行适当的补偿，但具体调节到多少不好定量评估，可以通过使用CAN分析仪来辨识一个最优的终端电阻。b)共模干扰1)针对干扰寻找干扰源，如果干扰源可以消除最好，如果不能可以尽量通过调节电缆路由或别的方法来尽量避免干扰的引入。2)加磁环过滤掉固定频率的干扰，可针对特定频率进行处理。注意：必须使用双绞线提高抗干扰能力，总线必须远离动力线，最小距离在0.5米以上才可以避免干扰外部通讯故障风电场通讯网络的组成•分为风电机组内部通讯网络和风电场环网通讯网络机组内部通讯网络主要由光端机、控制单元、机舱面板、多模光纤、管理型交换机、非管理型交换机、塔基面板、RJ45网线组成。外部通讯网络主要由环网光端机、管理型交换机、单模光纤、非管理型交换机、RJ45网线组成。•单模光纤与多模光纤的区别单模光纤：色散小，适用于远程通讯多模光纤：价格经济、实惠，通讯距离短外部通讯故障•运行中的风电场通讯网络现状分析•发生故障的原因主要有以下几点：1.风电场在建厂时，光纤熔接未按标准规范熔接；调试初期，通讯调试人员未严格按照风电场通讯环网图纸配置交换机IP地址，为现场管理交换机带来巨大困难。2.由于塔基交换机可以即插即用，即使同一环网内网络冗余通讯协议不一致，也可以正常使用，但这却存在很大的安全隐患，极易引起广播风暴的产生。3.核心交换机在出厂时是默认配置，风电现场未根据风电场实际情况配置vlan（虚拟局域网），导致广播可以在整个风电场内传播，从而发生广播风暴。4.核心交换机网线未贴标签，十分混乱，为以后管理带来巨大麻烦。5.部分风电场技术员胡乱混用单模、多模光纤，或混用交换机单模、多模端口，造成更加复杂的通讯故障。6.交换机在夏季因天气较热，交换机工作环境温度高达40℃至60℃，交换机长时间在高温条件下工作会发生数据丢包现象，此时应特别注意交换机散热问题。7.现场遇到最棘手的问题是通讯网络发生广播风暴。外部通讯故障•广播风暴的产生与避免风电场通讯网络使用的是环形冗余双环网，由于其回路拓扑结构，本身就存在广播风暴的风险。风电场发生最大的通讯故障即是广播风暴。风电场交换机网络属于同一个广播域，广播会扩展到每一条线路、每一个节点，并且风电场网络中存在回路，广播封包会在回路中不停的循环，无限循环的结果，仅仅一个广播包就会消耗全部带宽，导致网络瘫痪。•某风场网络结构图示外部通讯故障•环形冗余双环网工作原理正常情况下，风电场塔基管理型交换机均启用了RSTP（快速生成树协议），或者不同交换机厂家均启用了自己私有协议，如科洛理思JetNet交换机启用了RapidSuperRing协议，MOXA交换机启用了TurboRing协议，这些协议工作原理基本相似，均定义了一台RM管理者的交换机来侦测环的状态，如果环网是闭合的，RM管理者自判断并热阻塞一条路径，这条阻塞的路径作为备援通路，它也同时切断回路防止广播风暴产生。如果该环形通讯网络某处发生开路，备援通路将立即启用，防止通讯中断。在将网络开路故障修复后，管理交换机将会再选择备援通路，并再热阻塞备援通路，防止形成通讯环路。然而不良的设计、设置或操作，都可能导致广播风暴。交换机网络冗余配置需要通讯调试技术员在通讯环网调试时进行配置，然而有些通讯调试技术员根本就未对交换机进行任何配置，即使通讯调试技术员对交换机进行了正确配置，在后期风电场风电机组运行后，由于个别交换机的损坏，风电场留守技术人员直接更换新交换机，未对交换机进行任何配置，导致网络冗余协议不匹配，从而发生网络故障，如数据丢包、数据丢失等。外部通讯故障•风电场通讯网络质量的好坏严重影响风电场SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition数据采集与监视控制系统）的正常工作，更为风电场监盘工作、数据上传、AGC与AVC调度远控命令执行带来巨大问题。风电场技术人员通常是在风电机组通讯突然批量丢失或信号闪断时才紧急查找故障原因，由于风电现场技术人员对风电场通讯网络了解甚少，处理此类通讯故障便力不从心，故处理故障时间较久。•常见光纤故障1.光纤断裂通常是由于外力物理挤压或过度弯折；2.传输功率不足；3.光纤铺设距离过长可能造成信号丢失；4.连接器受损可能造成信号丢失；5.光纤接头和连接器（connectors）故障可能造成信号丢失；6.使用过多的光纤接头和连接器可能造成信号丢失；7.光纤配线盘（patchpanel）或熔接盘（splicetra）连接处故障。外部通讯故障•故障原因通常而言，如果连接完全不通，那么很可能是光纤断裂。但如果连接时断时续，可能有以下原因：1.结合处制作水平低劣或结合次数过多造成光纤衰减严重；2.由于灰尘、指纹、擦伤、湿度等因素损伤了连接器；3.传输功率过低；4.在配线间连接器错误。外部通讯故障•影响光纤损耗的人为因素•1.敷设时产生的大衰耗点在施工中，由于光缆直埋敷设穿越的障碍物较多，敷设人员较多，敷设距离较远，难以保证所有敷设人员协调行动，特别是通过障碍物较多时，容易出现俗称的光缆打背扣（出现死弯）现象，对光缆造成严重伤害，一旦发生死弯现象，此处必然会出现一个大衰耗点，严重的会发生部分或全部光纤断裂现象，这是光缆施工中容易出现的故障现象。此外，在敷设光缆时，光缆端头的光缆最容易受到损伤，在接续时，往往在接续点处显示有较大衰耗值，此时，即使多次重复熔接，也不能降低接续损耗值，从而形成一个较大的衰耗点。•2.接续过程中产生的大衰耗点在光缆接续过程中，产生大衰耗点是经常发生的，由于光纤制造过程中存在的差异性，两根光纤不可能完全一致，总是存在模场直径不一致现象。在接续时，一般用实时监测法，基本能保证熔接损耗达到控制目标，但经常产生大损耗点的原因是在熔接完毕后进行光纤收容时，部分光纤受压或弯曲半径过小，即形成一个大衰耗点。因为1550nm波长的光纤对微弯损耗非常敏感，光纤一旦受压，即产生一个微弯点，或盘纤时，弯曲半径过小，光纤信号在此处也产生较大的衰耗，表现在光纤后向散射曲线上，就形成了一个较大的衰耗台阶；另外，一个比较容易忽视的原因是光缆接头盒组装完成后，固定接头盒和固定光缆时，由于光缆在接头盒内固定的不是很牢固，造成光缆拧转，使光纤束管变形，光纤受压，造成光纤衰耗值急剧增加，形成衰耗台阶。•3.运输和装卸造成的大衰耗点在光缆运输到施工现场时，由于现场环境比较恶劣，常常是通过人力装卸光缆，在光缆卸下的过程中，外层光缆经常受到损伤，当光缆外层受到硬物硌伤或其他损伤后，光纤在束管中受压，即产生一个衰耗台阶，表现在光纤后向散射曲线上，就形成一个较大的衰耗点。•4.成端过程中产生的大衰耗点在光缆成端过程中，也经常会产生大衰耗点。在成端时凭经验操作，产生大衰耗点的几率也大增。此外，在光纤熔接后安装收容盘时，往往造成收容盘附近的光纤束管弯曲半径过小或造成光纤束管拧转变形，使光纤在此处产生一个较大的衰耗点，此类大衰耗点一般比较隐蔽，不易测出。•案例•以桥四测风塔至监控中心光缆发生故障为例•光缆全长2.4公里，从通信室光纤收发器上看RX(收光)灯亮，TX(发光)灯不亮，ACT灯偶尔闪，测风塔光纤收发器RX(收光)灯不亮，TX(发光)灯亮，ACT灯不亮，表示测风塔只有发信号没收信号。于是，我们在两端把收发光纤都互相交换，现象是通信室RX灯不亮，TX灯亮，测风塔RX灯亮，TX灯不亮。因此我们判断有一芯光缆出现故障。•由于该光缆是地埋式，人为损坏可能性不大。因此我们判断两端光终端盒或尾纤出问题的可能性较大，于是重新熔接尾纤，做两端的终端盒。做完后用红光笔测试，两芯都能够收到光，表示终端盒、尾纤、光缆均正常。•接上光收发器后，两端的光收发器的收光灯都不亮。用光表和光功率计测试两芯光纤不通。对于这个故障现象感到很奇怪，一般来说红光笔能够测通，光缆肯定没有问题，而现在红光笔能够测通，但用光表却测不通。我们用红光笔和光表再次测试，现象照旧。•为了解决故障，用OTDR(光时域测试仪)测试，从通信室看故障点在约8公里处，从测风塔测试，故障点在约3.5公里处，于是我们顺着光缆检查，发现分段可通，由于采用尾纤跳线连接数量过多，我们推测由于天气温度变化及尾纤