摘要：安全就是在人类生产过程中，将系统运行状态对人类生命、财产和环境可能造成的损害控制在可接受的水平以下。在大型风力发电机组中，安全系统用于确保风力发电机组中电气和机械设备的安全运行，保护员工的人身安全。安全系统是独立于控制系统的硬件保护措施，安全系统的响应动作优先于控制系统。即使控制系统出现异常，也不会影响安全系统的正常动作，从而最大限度地保证大型风电机组的安全。目前，在设计大型风力发电机组的安全系统时，缺乏一套标准化的方法，导致安全系统设计完成后，所能达到的安全等级并不明确，为风力发电机组的安全运行埋下了隐患。

关键词：安全系统；风险要素；安全等级评估；风力发电机组；

安全系统在大型风力发电机组中扮演着重要的角色，但目前安全系统的设计却缺少一套标准化的方法。针对安全系统开展设计方法的研究，对提升大型风力发电机组的安全具有重要的意义。

一、大型风力发电机组的风险要素分析

1.风力发电机组中的传动链。传动链一般由风轮、主轴承、齿轮箱和发电机等部件组成。传动链部件超速会导致部件自身乃至整个风机的损毁，因此一般选取传动链上一个部件的转速作为风险要素进行评估，并在设计安全系统时将该部件的超速情况作为安全系统的输入，其中选用较多的是风轮超速信号或发电机超速信号。

2.风力发电机组中的重要子系统。重要子系统包含偏航系统、变桨系统、变流器和振动监测系统4个部件。偏航系统中的扭缆限位开关保护着电缆不过度扭缆，否则将导致机组电气系统的损毁和失效。变桨系统作为风力发电机组的气动刹车机构，如果失效将引起机组的严重损毁。变流器作为机组并网的电力电子界面，如果失效将导致机组无法运行发电乃至变流器等部件的损毁。振动监测系统检测机组的振动情况，其失效可能导致机组的严重损毁。因此，重要子系统是安全系统的必需输入，也是需要着重考虑的风险要素。

3.风力发电机组中的控制系统。由于安全系统是风力发电机组控制系统中的最后一道保护，处于机组的逻辑控制保护之后，当控制器（如PLC）失效时，安全系统应当动作确保机组停机。因此，控制器的失效也应作为安全系统的输入，也是一个风险要素。

二、安全等级评估

1.安全完整性等级赋值法。某一风险要素风险等级的评估，首先需确定该风险要素发生时导致风力发电机组“损坏的严重性”，其次对该风险要素“暴露在危险下的频率”“危险情形发生的几率”和“避免或限制损害的可能性”进行分项评估打分，再将三项评估得分加和，结合“损坏的严重性”一项评分确定出该风险要素的安全完整性等级。

2.性能等级流程法。性能等级流程法通过评估过程中使用了Se、Fr和Av 3个评估参数，与安全完整性等级评估法相比较舍弃了Pr这个参数。同时采用了分支流程的评估方法，不在需要具体分数的评定与加和，使得评估更为快捷流畅。以通过性能等级流程法进行风险评估，得到各项风险因素的性能等级评估结果。

3.评估结果差异分析。对通过安全完整性等级赋值法与性能等级流程法两种方法评估得到的结果进行对比分析。风轮转速、偏航系统、变桨系统和振动等风险要素通过安全完整性等级评估法与性能等级流程法的评估结果是相匹配的。但变流器这一风险要素的安全完整性等级评估法的评估结果为SIL1，而性能等级流程法的评估结果为PL d，两个评估结果是不匹配的，通过PL方式评估的等级高于通过安全完整性等级方式评估的等级。一般导致出现此类情况的原因有以下3个方面：1）安全完整性等级赋值法与PL流程法的评估参数在数量上不一致，安全完整性等级赋值法需要通过4个评估参数完成评估，PL通过3个评估参数进行评估。评估参数的数量会导致评估结果的偏差。2）安全完整性等级赋值法与PL流程法的评估参数在粒度划分上的细致程度不同，安全完整性等级赋值法采用打分的形式，每个评估参数对应3～5个具体的分值，最终的评估结果也是通过具体的分数累加而来。PL流程法采用分支流程的方式，每个评估参数对应2个分支，最终的评估结果为选择分支流程的终点。3）评估人员的主观因素，无论是安全完整性等级赋值法中各项风险要素分数的给定，还是PL流程法中各项风险要素分支的选择，其中都必然包含了评估人员的主观判断。对各项风险要素的认知程度以及对大型风力发电机组系统的认知程度，都会影响评估人员的判断，导致出现差异性的安全等级评估结果。

4.安全等级的确定。对于变流器这一风险因素，由于在PL流程法中“Se2-->Fr2-->Av1-->PL d”的评估路径是清晰确定的，在SIL赋值法中评估参数Pr的赋值根据不同变流器的运行情况是可商榷的，因而对变流器的安全等级要求可以确定为PL d，在SIL等级中对应为SIL 2。

三、安全系统的实现与应用

在安全系统电路设计完成之后，配合安全控制器就可以构成大型风力发电机组的安全系统。在大型风力发电机组中，常用的安全控制器有3种：一是安全继电器，二是集成安全控制器，三是具有可编程功能的安全继电器。下面以具有可编程功能的安全继电器为例，介绍一种可应用于大型风力发电机组的独立安全系统。独立安全系统是使用具有可编程功能的安全继电器构建的安全系统，其特点如下：1）通用性好，可编程安全继电器的品牌可以灵活选用。2）功能独立，不参加主控系统中PLC控制器的组态。3）支持逻辑编程，可以实现较为复杂的安全逻辑。独立安全系统在硬件结构上由安全CPU、安全数字量输入模块、安全数字量输出模块和安全系统电路构成。独立安全系统采用了通用化的与主控系统PLC不紧密相关的总线通讯协议，如PROFIBUS DP或CANOPEN。同时安全CPU、安全数字量输入模块、安全数字量输出模块不参与主控系统PLC模块的组态。安全系统与主控系统PLC通过PROFIBUS DP总线进行数据交互，将安全系统的状态信号和主控系统的复位信号等进行传递。目前，该安全系统配合中广核国产化PLC构成的主控系统，已应用于内蒙古某风场25台2MW风力发电机组中，守护着中广核风力发电机组的运行安全。

总之，安全系统保障了大型风力发电机组的安全运行，也保护了风力发电行业从业人员的人身安全。从风险要素识别、安全标准的运用、安全等级的评估、安全电路与安全系统的设计等方面阐述了大型风力发电机组安全系统的设计方法。在实际的设计中，还需要考虑系统成本的约束、系统的可扩展性以及施工工艺的可操作性等因素，同时随着安全技术的发展，智能化也必将成为大型风力发电机组安全系统的发展趋势。

参考文献：

[1]郑萍.基于功能安全的风力发电机组安全系统设计方法探讨.2022.