3. 风机运行状态与主控状态机设计

主控系统的核心职责之一，是把风电机组从“静止待风”到“满发并网”的全过程管理成一组边界清晰、迁移可控的状态。状态定义不清，现场就会出现“明明已停机却报并网”“限功率时误触发安全链”等难以复现的问题。本节围绕停机、启动、并网、发电、限功率、故障六类基本状态，说明其定义、迁移条件，并给出可落地的状态机代码结构。

一、状态定义与边界

状态不是简单的运行标志，而是“一组允许的动作 + 一组禁止的动作 + 一组进入/退出条件”的集合。工程上通常按以下方式定义：

• 停机（Stop）：叶轮转速低于切入阈值，变桨系统处于顺桨位置（约 88°～90°），主接触器断开，机组不向电网输出功率。此状态允许偏航对风、液压建压、加热除湿等辅助动作。
• 启动（Startup）：已满足启动条件，正在执行“解缆检查→偏航对风→变桨至启动角→转速爬升”的过程。此时尚未并网，发电机可能处于空转或软启励磁阶段。
• 并网（GridConnected）：发电机转速、电压、频率、相位满足并网窗口，主接触器闭合，但功率尚未达到设定值，处于“已连接、待加载”的过渡状态。
• 发电（Generating）：转矩给定投入，功率随风速上升，处于最大功率跟踪（MPPT）或额定功率运行区间。
• 限功率（PowerLimit）：因调度指令、电网约束或机组自身降载需求，将输出功率限制在设定值以下。此状态仍并网，但转矩/桨距控制目标被限幅。
• 故障（Fault）：检测到不可继续运行的条件，立即执行安全停机逻辑，禁止自动重启，等待人工复位或故障清除。

需要强调的是，限功率不是故障，它是有序降载；而故障停机与正常停机的差别在于：前者触发安全链、记录故障码并锁定重启，后者可由运行条件恢复后自动重新启动。

二、状态迁移条件

迁移条件应尽量用可测量的物理量与逻辑量表达，避免“感觉风速够了”这类模糊判断。以下为示例参数（属于教学假设，实际项目需按机型标定）：

迁移条件中，并网窗口和限功率斜率是最容易出问题的两处。并网窗口过宽会导致冲击电流，过窄则频繁并网失败；限功率斜率过大则功率骤降，可能引发电网考核不合格。

三、状态机代码实现

推荐采用“状态枚举 + 迁移表 + 周期扫描”的结构，而不是把判断散落在各个功能块中。以下为 C 语言示例，运行周期设为 100 ms：

typedef enum {
    ST_STOP = 0,
    ST_STARTUP,
    ST_GRID_CONNECTED,
    ST_GENERATING,
    ST_POWER_LIMIT,
    ST_FAULT
} TurbineState;

typedef struct {
    TurbineState cur;
    float windSpeed10min;
    float genSpeed;
    float gridVoltage;
    float gridFreq;
    float activePower;
    float powerLimit;
    int   faultActive;
    int   faultReset;
    int   startCmd;
} TurbineCtx;

static TurbineState next_state(TurbineCtx *c)
{
    switch (c->cur) {
    case ST_STOP:
        if (c->faultActive) return ST_FAULT;
        if (c->startCmd && c->windSpeed10min >= 3.5f)
            return ST_STARTUP;
        return ST_STOP;

    case ST_STARTUP:
        if (c->faultActive) return ST_FAULT;
        if (c->genSpeed >= 1050.0f &&
            fabsf(c->gridVoltage - 690.0f) <= 69.0f &&
            fabsf(c->gridFreq - 50.0f) <= 0.5f)
            return ST_GRID_CONNECTED;
        if (c->windSpeed10min < 2.5f) return ST_STOP;
        return ST_STARTUP;

    case ST_GRID_CONNECTED:
        if (c->faultActive) return ST_FAULT;
        if (c->activePower >= 20.0f) return ST_GENERATING;
        return ST_GRID_CONNECTED;

    case ST_GENERATING:
        if (c->faultActive) return ST_FAULT;
        if (c->powerLimit < 0.95f * c->activePower)
            return ST_POWER_LIMIT;
        if (c->windSpeed10min < 2.5f) return ST_STOP;
        return ST_GENERATING;

    case ST_POWER_LIMIT:
        if (c->faultActive) return ST_FAULT;
        if (c->powerLimit >= 0.98f * c->activePower)
            return ST_GENERATING;
        return ST_POWER_LIMIT;

    case ST_FAULT:
        if (!c->faultActive && c->faultReset)
            return ST_STOP;
        return ST_FAULT;
    }
    return ST_FAULT;
}

主循环中每 100 ms 调用一次 next_state()，若返回值与当前状态不同，则先执行退出动作（如断开接触器、顺桨），再执行进入动作（如使能转矩、投入限功率）。这种“先退后进”的顺序能避免两个状态的动作同时生效。

四、状态迁移关系图

下图给出六类状态之间的主要迁移路径与触发条件，便于对照代码检查逻辑完整性。

对照上图检查代码时，重点确认三件事：每个状态是否都有明确的退出条件；故障是否可以从任意状态进入；限功率与发电之间是否形成闭环而非单向。实际调试中，可先在 PLC 或仿真环境中强制注入风速、转速、电网参数，观察状态跳转是否符合预期，再接入真实机组。