樂文海，陸海清，楊君，羅列琥，何春林

（1.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；3.安新能源有限公司上海分公司，上海201100；4.國網浙江省電力公司，杭州310007；5.杭州大有科技發(fā)展有限公司，杭州310051）

發(fā)電站自動化控制系統(tǒng)在G20微電網中的應用

樂文海1，陸海清2，楊君3，羅列琥4，何春林5

（1.國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；3.安新能源有限公司上海分公司，上海201100；4.國網浙江省電力公司，杭州310007；5.杭州大有科技發(fā)展有限公司，杭州310051）

G20杭州峰會文藝晚會涉及重要特殊用戶負荷，供電可靠性要求極高，為此構建了以柴油發(fā)電機組作為主供和第一備供、市電作為第二備供的微電網供電系統(tǒng)，針對微電網供電系統(tǒng)中發(fā)電機組間協(xié)調控制的難點，提出了一種既可同步也可異步運行的發(fā)電站自動化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由電站管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)及機組AGC 3部分組成，通過CAN總線完成對電站、組內及機組的邏輯控制，實現(xiàn)了在任意一路發(fā)電故障、任意一路線路故障等情況下均能保證微電網供電的可靠性。

發(fā)電站；自動化；控制系統(tǒng)；微電網

0 引言

G20杭州峰會文藝晚會（以下簡稱G20文藝晚會）涉及中控音響、水下舞臺、全息彩屏、大功率演藝燈光、央視轉播等重要特殊用電負荷，供電可靠性要求極高、專業(yè)技術管理要求極嚴、電能質量的要求極苛刻，供電保障要實現(xiàn)“工作零差錯、用戶零閃動、設備零故障、服務零距離”的“四零”工作目標。

傳統(tǒng)的市電供電模式存在以下不可控因素：

（1）外部供電線路太長無法管控。

（3）易受惡劣天氣影響引起供電故障。

（4）開放式場地發(fā)配電設備易受外力破壞，難以管控。

（5）若進行固定供電設施建設，面臨巨大的資金、工期、場地等困難。

為解決上述問題，經反復論證，確定了以柴油發(fā)電機組作為主供和第一備供、市電作為全負荷第二備供的微電網供電系統(tǒng)。其中，發(fā)電機組間的協(xié)調控制是微電網供電系統(tǒng)的重點與難點。傳統(tǒng)的微電網發(fā)電機組采用單臺或多臺并聯(lián)孤島運行[1-5]，當供電電源出線故障時，可能引起整個發(fā)電站供電電源的消失。結合G20文藝晚會微電網的特點，以下提出一種既可同步運行（與傳統(tǒng)孤島運行方式相同）、也可異步運行（分列成2個不同步子系統(tǒng)）的發(fā)電站自動化控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)在任意一路發(fā)電故障、任意一路線路故障等情況下均能保證供電可靠性。

1 微電網供電系統(tǒng)簡介

G20文藝晚會微電網采用12臺1 250 kVA柴油發(fā)電機組作為主供及第一備供電源，總容量15 000 kVA，冗余度為250%。12臺發(fā)電機分為2組，分別由2臺升壓集成箱式變壓器（以下簡稱箱變）升壓至10 kV高壓電網，其一次電氣接線如圖1所示。

圖1 G20文藝晚會微電網發(fā)電站一次系統(tǒng)

由圖1可以看出，微電網自動化控制系統(tǒng)由機組AGC（自動發(fā)電控制）、組控系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)組成。其中，12臺發(fā)電機均配置了機組AGC系統(tǒng)，按照組控系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)對本發(fā)電機組的啟動、并網、負荷調整及停機等功能。每6臺機組配置1個組控系統(tǒng)，負責本組內發(fā)電機組及進出線開關的協(xié)調控制。整個供電系統(tǒng)共配置1個電站管理系統(tǒng)，負責協(xié)調2個組控系統(tǒng)及母聯(lián)開關的控制。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 控制系統(tǒng)主要功能

該發(fā)電站自動化控制系統(tǒng)可應用于微電網中，具有以下特點：

哪怕是遠離家鄉(xiāng)，抑或是生與死的隔絕，依然斬不斷對親人愛人的思念。直到后來讀到陸游“死去元知萬事空”的句子，才醍醐灌頂。原來死亡的奧秘竟是如此簡單，眼睛閉上，陷入無盡黑暗，從此這世上的一切都與己無關。再也沒有人能夠看見、聽見、觸摸，大家會逐漸忘卻這個世界上曾經存在過這么一個人。對于死亡的恐懼和害怕時常在黑夜里打攪我的睡眠，幸好我是個樂天派，白天忙碌的節(jié)奏讓人可以不去杞人憂天。

（1）依據(jù)發(fā)電站運行情況和實際負荷需要，按預定順序自動啟動備用機組，并能自動投入、自動停機；實現(xiàn)了故障狀態(tài)下自動解列、停機的控制。

（2）實現(xiàn)了機組間及組間的自動并網、電壓及無功功率的自動調節(jié)、并聯(lián)運行中功率的自動分配和轉移、電網頻率的自動調整等功能。

（3）具備電站綜合保護（包括發(fā)電機組機電故障的自動處理與報警）及運行狀態(tài)監(jiān)視（包括電站斷電、欠頻監(jiān)視）功能，并支持在線參數(shù)修改。

2.2 控制系統(tǒng)組成

發(fā)電站自動化控制系統(tǒng)由電站管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)和機組AGC組成。

電站管理系統(tǒng)和組控系統(tǒng)均采用PLC（可編程控制器）S7-300實現(xiàn)。這種控制器自帶輸入、輸出及ROM-H存儲器模塊，可實現(xiàn)與電站之間數(shù)字量及模擬量交換，并完成邏輯、順序、定時、計數(shù)、運算等功能，另外，可根據(jù)現(xiàn)場修改控制邏輯，大大提高了控制系統(tǒng)的適應性。PLC在設計和制造過程中通過精選元件和采用多層次抗干擾措施，可在惡劣環(huán)境下與強電設備一起工作，保證了發(fā)電站運行的穩(wěn)定和可靠。

機組AGC由獨立的裝置實現(xiàn)，能完成發(fā)電機的啟動、停機，單機固定頻率運行，能完成靜態(tài)同步、動態(tài)同步功能，并具備逆功率和過流保護。同時，機組控制部分還配有TCP/IP服務網口，可實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

2.3 控制模式分析

發(fā)電站自動化控制系統(tǒng)依據(jù)發(fā)電機組運行及實際負荷情況，協(xié)調完成微電網供電系統(tǒng)電站、組內及機組的邏輯控制，確保供電的可靠性?？刂颇Ｊ娇煞譃闄C組控制模式和電站控制模式。

2.3.1 機組控制模式

機組控制模式主要由機組AGC系統(tǒng)實現(xiàn)，并受組控系統(tǒng)控制。機組AGC按照組控系統(tǒng)的設定，自動完成啟動、并網、調整負荷或停機，并在故障狀態(tài)下實現(xiàn)自動解列或停機。

其具體實現(xiàn)過程如下：當接收到組控系統(tǒng)起機命令后，機組AGC能夠自動啟動機組，若連續(xù)3次啟動失敗，則發(fā)出報警；若啟動成功，則升速至額定電壓。并在1 s（可設定）內檢測電壓，如建壓不成功，則啟動停機命令；若建壓成功，則檢測電網電壓。若電網無壓，開關合閘供電，并進入定時10 s合閘程序（開關10 s未能合閘則自動停機，并通知組控系統(tǒng)啟動下一臺機組，發(fā)出報警）；若檢測電網有電時，請求并網，同時調整機組電壓，進入定時10 s合閘程序，若電壓差ΔU＜5%Un，調整機組頻率至同步點啟動合閘程序，開關合閘，合閘成功后，機組AGC通知組控系統(tǒng)并復歸10 s定時器。機組控制模式流程如圖2所示。

圖2 機組控制模式流程

機組控制模式并網時的波形如圖3所示。

此外，機組控制模式還能完成組控系統(tǒng)要求的負荷、電壓調整等指令，實現(xiàn)機組間電壓及無功功率的自動調節(jié)，有功功率的自動分配、轉移以及電網頻率的自動調整；實現(xiàn)運行狀態(tài)顯示及故障監(jiān)視（包括電站斷電、欠頻監(jiān)視），以及系統(tǒng)給定參數(shù)的監(jiān)視與修改。

圖3 機組控制模式并網波形

2.3.2 電站控制模式

電站控制模式由電站管理系統(tǒng)和組控系統(tǒng)實現(xiàn)，主要完成邏輯控制以及與機組AGC間的通信。其中，電站控制系統(tǒng)實現(xiàn)2組發(fā)電單元間的功率分配、同步等功能，組控系統(tǒng)實現(xiàn)本組內各機組的啟停順序控制、負荷分配、電壓調整、頻率調整等功能。

組控系統(tǒng)的控制過程如下：組控系統(tǒng)預先設定本組內機組的啟動順序。在運行過程中，應保證每組中至少1臺發(fā)電機組在線運行。同時，為保證小組內熱備用出力均能應對機組故障時的有功缺額，確保供電的可靠性，當單臺發(fā)電機組的負載超過80%Pn（可設定）并持續(xù)5 s后，組控系統(tǒng)控制啟動第2臺發(fā)電機，待機組并網后，通過CAN總線控制機組進行調頻調載，使有功分配差度不超過5%；若2 min后，仍未能并網，則發(fā)出報警，并啟動下一臺機組。此外，因低負荷運行機組的效率較低，當并網機組超過2臺，且總負荷小于總額定負載的20%并持續(xù)10 s后，組控系統(tǒng)將按順序自動解列機組，保證各機組負荷率。

當任何一臺甚至多臺機組故障時，組控系統(tǒng)均能快速協(xié)調本組內其他替代機組，若本組內機組出力不足，組控系統(tǒng)還能夠將信息上報電站管理系統(tǒng)，由電站管理系統(tǒng)完成2組發(fā)電單元間的協(xié)調配合，保證組內供電的可靠性。

電站管理系統(tǒng)控制過程如下：運行中，若某小組功率不夠、備用發(fā)電機不能啟動、調度或功率管理需要時，組控系統(tǒng)判定會向電站管理系統(tǒng)發(fā)出請求，電站管理系統(tǒng)協(xié)調2個組控系統(tǒng)，經過調頻調壓同步，實現(xiàn)2組發(fā)電單元的并聯(lián)運行；若調度或功率管理需要解列運行時，電站管理系統(tǒng)根據(jù)當前運行情況，平均分配每組有功功率。電站控制模式流程如圖4所示。

圖4 電站控制模式流程

當解列（雙母線運行方式）運行時，2組發(fā)電單元相當于2個與常規(guī)保供電系統(tǒng)模式相同的微電網，可實現(xiàn)異步運行；當需要并聯(lián)運行時，電站管理系統(tǒng)能夠控制組控系統(tǒng)實現(xiàn)2個異步電網的同步運行，并能夠實現(xiàn)組間功率流動。即使某一組內全部機組發(fā)生故障或者發(fā)電單元與母線之間的線路故障，仍能保證供電系統(tǒng)正常運行。該發(fā)電站自動化控制系統(tǒng)運行靈活，可靠性高。

3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

電站管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)與機組AGC的結合使用，組成了高度可靠和全功能的多機組全自動電站控制與管理系統(tǒng)（如圖5所示）。

圖5 控制系統(tǒng)組成

從圖5可見：電站管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，負責協(xié)調整站內發(fā)電機的運行；機組AGC是機組啟動、并網、負荷分配及停機功能的具體執(zhí)行者；PC為控制邏輯、流程的在線修改和信息查詢提供了操作終端。

機組的啟動、停機等功能由機組AGC控制，機組間的邏輯控制由組控系統(tǒng)完成，組間的邏輯控制則由電站管理系統(tǒng)完成，三者分工明確，能夠大大提高控制系統(tǒng)組建的效率。微電網中12臺發(fā)電機組共有上百種組合順序啟動方法，電站管理管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)采用PLC完成，可根據(jù)現(xiàn)場情況進行修改，因此控制方式靈活、適應性強。

該自動化控制系統(tǒng)在G20杭州峰會召開前進行了近十次實操演練。演練模擬微電網系統(tǒng)任意一路發(fā)電故障、任意一路線路故障等情形，控制系統(tǒng)均實現(xiàn)了自動控制、快速切換，電網電壓、頻率均能在3 s內恢復穩(wěn)定，電能質量穩(wěn)定可靠，用戶端不受任何影響。

4 結語

電站管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)與機組AGC相結合的發(fā)電站自動化控制系統(tǒng)，在G20文藝晚會微電網供電系統(tǒng)中發(fā)揮了核心作用。與繼電器控制系統(tǒng)相比，采用該發(fā)電站自動化控制系統(tǒng)，機組控制線路簡單，控制系統(tǒng)可靠性高，通過通信網絡可以方便地將發(fā)電站控制程序納入到中央管理系統(tǒng)中，利用計算機及網絡技術、軟件工程、通信技術及測控技術等，實現(xiàn)了對被控發(fā)電站設備遙信、遙測、遙控的集中監(jiān)控管理，具有快速切換、自動分配功率、高冗余度、無人值守、遠程監(jiān)控等特點，圓滿完成了G20杭州峰會特別重大供電保障任務。

[1]薛迎成，邰能靈，劉立群，等.微電網孤島運行模式下的協(xié)調控制策略[J].中國電力，2009，42（7）∶36-40.

[2]黃偉，牛銘.微電網非計劃孤網控制策略分析[J].電力自動化設備，2011，35（9）∶42-46.

[3]李涵，王毅，張麗榮，等.孤島模式下的微電網頻率的協(xié)調控制研究[J].2012，28（12）∶56-62.

[4]楊征.可編程控制器（PLC）在自動并聯(lián)柴油發(fā)電機組中的應用[J].移動電源與車輛，2010（1）∶25-27.

[5]曹相芹，鞠平，蔡昌春.微電網仿真分析與等效化簡[J].電力自動化設備，2011，31（5）∶94-98.

[6]焦素敏.PLC在自動化柴油發(fā)電機組中的應用[J].電工技術，2000（9）∶25.

[7]劉宗德，陳定先.船舶電站及自動化裝置[M].北京：科學技術文獻出版社，1992.

[8]譚金超，譚學知，謝曉丹.10 kV配電工程設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2014.

[9]姜樂.船舶電站并車與保護單元的設計與實現(xiàn)[D].大連：大連海事大學，2013.

[10]白明，鄒福順，林陽峰，等.基于工業(yè)以太網的船舶電站系統(tǒng)設計[J].廣州航海學院學報，2014，22（2）∶5-7.

[11]陳榮柱，林世溪，孫景釕，等.孤立海島微電網供電模式下的柴油發(fā)電系統(tǒng)改造方案研究[J].浙江電力，2014，33（6）∶1-5.

（本文編輯：方明霞）

Application of Automatic Control System for Power Station in G20 Microgrid

LE Wenhai1，LU Haiqing2，YANG Jun3，LUO Liehu4，He Chunlin5
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China; 2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China; 3.Shanghai Branch of United Power&Resources Pte.Ltd.，Shanghai 201100，China；4.State Grid Zhejiang Electric Power Cooperation，Hangzhou 310027，China；5.Hangzhou Dayou Science and Technology Development Co.，Ltd.，Hangzhou 310051，China）

As a key and special user's load，power supply reliability for G20 Hangzhou Summit evening gala is strictly required.Therefore，a microgrid-based power supply system is built，in which diesel generating units were taken as main power supply and primary backup power supply，and AC was taken as secondary backup power supply.In accordance to difficulties in generating sets coordination and control in the microgrid power supply system，the paper introduces an automatic control system for power station that can operate synchronously and asynchronously.The automatic control system consists of power station management system，group master and AGC，and implements logic control of power station，group and units through CAN bus.The control system can guarantee the reliability of microgrid power supply in the condition of any power generation and line failures.

power station；automatic；control system；microgrid

10.19585/j.zjdl.201706002

1007-1881（2017）06-0008-04

TM76

B

2017-03-24

樂文海（1967），男，高級技師，工程師，從事用電檢查及用電管理工作。