發(fā)電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)在G20微電網(wǎng)中的應(yīng)用

樂(lè)文海，陸海清，楊君，羅列琥，何春林

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)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(guó)網(wǎng)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(dòng)化控制系統(tǒng)在G20微電網(wǎng)中的應(yīng)用

樂(lè)文海1，陸海清2，楊君3，羅列琥4，何春林5

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)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(guó)網(wǎng)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(huì)文藝晚會(huì)涉及重要特殊用戶負(fù)荷，供電可靠性要求極高，為此構(gòu)建了以柴油發(fā)電機(jī)組作為主供和第一備供、市電作為第二備供的微電網(wǎng)供電系統(tǒng)，針對(duì)微電網(wǎng)供電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組間協(xié)調(diào)控制的難點(diǎn)，提出了一種既可同步也可異步運(yùn)行的發(fā)電站自動(dòng)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(jī)組AGC 3部分組成，通過(guò)CAN總線完成對(duì)電站、組內(nèi)及機(jī)組的邏輯控制，實(shí)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(wǎng)供電的可靠性。

發(fā)電站；自動(dòng)化；控制系統(tǒng)；微電網(wǎng)

0 引言

G20杭州峰會(huì)文藝晚會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)G20文藝晚會(huì)）涉及中控音響、水下舞臺(tái)、全息彩屏、大功率演藝燈光、央視轉(zhuǎn)播等重要特殊用電負(fù)荷，供電可靠性要求極高、專(zhuān)業(yè)技術(shù)管理要求極嚴(yán)、電能質(zhì)量的要求極苛刻，供電保障要實(shí)現(xiàn)“工作零差錯(cuò)、用戶零閃動(dòng)、設(shè)備零故障、服務(wù)零距離”的“四零”工作目標(biāo)。

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(zhǎng)無(wú)法管控。

（3）易受惡劣天氣影響引起供電故障。

（4）開(kāi)放式場(chǎng)地發(fā)配電設(shè)備易受外力破壞，難以管控。

（5）若進(jìn)行固定供電設(shè)施建設(shè)，面臨巨大的資金、工期、場(chǎng)地等困難。

為解決上述問(wèn)題，經(jīng)反復(fù)論證，確定了以柴油發(fā)電機(jī)組作為主供和第一備供、市電作為全負(fù)荷第二備供的微電網(wǎng)供電系統(tǒng)。其中，發(fā)電機(jī)組間的協(xié)調(diào)控制是微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。傳統(tǒng)的微電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組采用單臺(tái)或多臺(tái)并聯(lián)孤島運(yùn)行[1-5]，當(dāng)供電電源出線故障時(shí)，可能引起整個(gè)發(fā)電站供電電源的消失。結(jié)合G20文藝晚會(huì)微電網(wǎng)的特點(diǎn)，以下提出一種既可同步運(yùn)行（與傳統(tǒng)孤島運(yùn)行方式相同）、也可異步運(yùn)行（分列成2個(gè)不同步子系統(tǒng)）的發(fā)電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可實(shí)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(wǎng)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

G20文藝晚會(huì)微電網(wǎng)采用12臺(tái)1 250 kVA柴油發(fā)電機(jī)組作為主供及第一備供電源，總?cè)萘?5 000 kVA，冗余度為250%。12臺(tái)發(fā)電機(jī)分為2組，分別由2臺(tái)升壓集成箱式變壓器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)箱變）升壓至10 kV高壓電網(wǎng)，其一次電氣接線如圖1所示。

圖1 G20文藝晚會(huì)微電網(wǎng)發(fā)電站一次系統(tǒng)

由圖1可以看出，微電網(wǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由機(jī)組AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）、組控系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)組成。其中，12臺(tái)發(fā)電機(jī)均配置了機(jī)組AGC系統(tǒng)，按照組控系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)本發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、并網(wǎng)、負(fù)荷調(diào)整及停機(jī)等功能。每6臺(tái)機(jī)組配置1個(gè)組控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)本組內(nèi)發(fā)電機(jī)組及進(jìn)出線開(kāi)關(guān)的協(xié)調(diào)控制。整個(gè)供電系統(tǒng)共配置1個(gè)電站管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)2個(gè)組控系統(tǒng)及母聯(lián)開(kāi)關(guān)的控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)主要功能

該發(fā)電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)可應(yīng)用于微電網(wǎng)中，具有以下特點(diǎn)：

哪怕是遠(yuǎn)離家鄉(xiāng)，抑或是生與死的隔絕，依然斬不斷對(duì)親人愛(ài)人的思念。直到后來(lái)讀到陸游“死去元知萬(wàn)事空”的句子，才醍醐灌頂。原來(lái)死亡的奧秘竟是如此簡(jiǎn)單，眼睛閉上，陷入無(wú)盡黑暗，從此這世上的一切都與己無(wú)關(guān)。再也沒(méi)有人能夠看見(jiàn)、聽(tīng)見(jiàn)、觸摸，大家會(huì)逐漸忘卻這個(gè)世界上曾經(jīng)存在過(guò)這么一個(gè)人。對(duì)于死亡的恐懼和害怕時(shí)常在黑夜里打攪我的睡眠，幸好我是個(gè)樂(lè)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(yùn)行情況和實(shí)際負(fù)荷需要，按預(yù)定順序自動(dòng)啟動(dòng)備用機(jī)組，并能自動(dòng)投入、自動(dòng)停機(jī)；實(shí)現(xiàn)了故障狀態(tài)下自動(dòng)解列、停機(jī)的控制。

（2）實(shí)現(xiàn)了機(jī)組間及組間的自動(dòng)并網(wǎng)、電壓及無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)、并聯(lián)運(yùn)行中功率的自動(dòng)分配和轉(zhuǎn)移、電網(wǎng)頻率的自動(dòng)調(diào)整等功能。

（3）具備電站綜合保護(hù)（包括發(fā)電機(jī)組機(jī)電故障的自動(dòng)處理與報(bào)警）及運(yùn)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(dòng)化控制系統(tǒng)由電站管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)和機(jī)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(shí)現(xiàn)。這種控制器自帶輸入、輸出及ROM-H存儲(chǔ)器模塊，可實(shí)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(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算等功能，另外，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)修改控制邏輯，大大提高了控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。PLC在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中通過(guò)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(qiáng)電設(shè)備一起工作，保證了發(fā)電站運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠。

機(jī)組AGC由獨(dú)立的裝置實(shí)現(xiàn)，能完成發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)，單機(jī)固定頻率運(yùn)行，能完成靜態(tài)同步、動(dòng)態(tài)同步功能，并具備逆功率和過(guò)流保護(hù)。同時(shí)，機(jī)組控制部分還配有TCP/IP服務(wù)網(wǎng)口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

2.3 控制模式分析

發(fā)電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)依據(jù)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行及實(shí)際負(fù)荷情況，協(xié)調(diào)完成微電網(wǎng)供電系統(tǒng)電站、組內(nèi)及機(jī)組的邏輯控制，確保供電的可靠性?？刂颇Ｊ娇煞譃闄C(jī)組控制模式和電站控制模式。

2.3.1 機(jī)組控制模式

機(jī)組控制模式主要由機(jī)組AGC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并受組控系統(tǒng)控制。機(jī)組AGC按照組控系統(tǒng)的設(shè)定，自動(dòng)完成啟動(dòng)、并網(wǎng)、調(diào)整負(fù)荷或停機(jī)，并在故障狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解列或停機(jī)。

其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：當(dāng)接收到組控系統(tǒng)起機(jī)命令后，機(jī)組AGC能夠自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)組，若連續(xù)3次啟動(dòng)失敗，則發(fā)出報(bào)警；若啟動(dòng)成功，則升速至額定電壓。并在1 s（可設(shè)定）內(nèi)檢測(cè)電壓，如建壓不成功，則啟動(dòng)停機(jī)命令；若建壓成功，則檢測(cè)電網(wǎng)電壓。若電網(wǎng)無(wú)壓，開(kāi)關(guān)合閘供電，并進(jìn)入定時(shí)10 s合閘程序（開(kāi)關(guān)10 s未能合閘則自動(dòng)停機(jī)，并通知組控系統(tǒng)啟動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組，發(fā)出報(bào)警）；若檢測(cè)電網(wǎng)有電時(shí)，請(qǐng)求并網(wǎng)，同時(shí)調(diào)整機(jī)組電壓，進(jìn)入定時(shí)10 s合閘程序，若電壓差ΔU＜5%Un，調(diào)整機(jī)組頻率至同步點(diǎn)啟動(dòng)合閘程序，開(kāi)關(guān)合閘，合閘成功后，機(jī)組AGC通知組控系統(tǒng)并復(fù)歸10 s定時(shí)器。機(jī)組控制模式流程如圖2所示。

圖2 機(jī)組控制模式流程

機(jī)組控制模式并網(wǎng)時(shí)的波形如圖3所示。

此外，機(jī)組控制模式還能完成組控系統(tǒng)要求的負(fù)荷、電壓調(diào)整等指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)組間電壓及無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，有功功率的自動(dòng)分配、轉(zhuǎn)移以及電網(wǎng)頻率的自動(dòng)調(diào)整；實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(jī)組控制模式并網(wǎng)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(shí)現(xiàn)，主要完成邏輯控制以及與機(jī)組AGC間的通信。其中，電站控制系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)本組內(nèi)各機(jī)組的啟停順序控制、負(fù)荷分配、電壓調(diào)整、頻率調(diào)整等功能。

組控系統(tǒng)的控制過(guò)程如下：組控系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定本組內(nèi)機(jī)組的啟動(dòng)順序。在運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)保證每組中至少1臺(tái)發(fā)電機(jī)組在線運(yùn)行。同時(shí)，為保證小組內(nèi)熱備用出力均能應(yīng)對(duì)機(jī)組故障時(shí)的有功缺額，確保供電的可靠性，當(dāng)單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載超過(guò)80%Pn（可設(shè)定）并持續(xù)5 s后，組控系統(tǒng)控制啟動(dòng)第2臺(tái)發(fā)電機(jī)，待機(jī)組并網(wǎng)后，通過(guò)CAN總線控制機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻調(diào)載，使有功分配差度不超過(guò)5%；若2 min后，仍未能并網(wǎng)，則發(fā)出報(bào)警，并啟動(dòng)下一臺(tái)機(jī)組。此外，因低負(fù)荷運(yùn)行機(jī)組的效率較低，當(dāng)并網(wǎng)機(jī)組超過(guò)2臺(tái)，且總負(fù)荷小于總額定負(fù)載的20%并持續(xù)10 s后，組控系統(tǒng)將按順序自動(dòng)解列機(jī)組，保證各機(jī)組負(fù)荷率。

當(dāng)任何一臺(tái)甚至多臺(tái)機(jī)組故障時(shí)，組控系統(tǒng)均能快速協(xié)調(diào)本組內(nèi)其他替代機(jī)組，若本組內(nèi)機(jī)組出力不足，組控系統(tǒng)還能夠?qū)⑿畔⑸蠄?bào)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(diào)配合，保證組內(nèi)供電的可靠性。

電站管理系統(tǒng)控制過(guò)程如下：運(yùn)行中，若某小組功率不夠、備用發(fā)電機(jī)不能啟動(dòng)、調(diào)度或功率管理需要時(shí)，組控系統(tǒng)判定會(huì)向電站管理系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，電站管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)2個(gè)組控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)調(diào)頻調(diào)壓同步，實(shí)現(xiàn)2組發(fā)電單元的并聯(lián)運(yùn)行；若調(diào)度或功率管理需要解列運(yùn)行時(shí)，電站管理系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前運(yùn)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(dāng)解列（雙母線運(yùn)行方式）運(yùn)行時(shí)，2組發(fā)電單元相當(dāng)于2個(gè)與常規(guī)保供電系統(tǒng)模式相同的微電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)異步運(yùn)行；當(dāng)需要并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，電站管理系統(tǒng)能夠控制組控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2個(gè)異步電網(wǎng)的同步運(yùn)行，并能夠?qū)崿F(xiàn)組間功率流動(dòng)。即使某一組內(nèi)全部機(jī)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(yùn)行。該發(fā)電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行靈活，可靠性高。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

電站管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)與機(jī)組AGC的結(jié)合使用，組成了高度可靠和全功能的多機(jī)組全自動(dòng)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(jiàn)：電站管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整站內(nèi)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行；機(jī)組AGC是機(jī)組啟動(dòng)、并網(wǎng)、負(fù)荷分配及停機(jī)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(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)等功能由機(jī)組AGC控制，機(jī)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(wǎng)中12臺(tái)發(fā)電機(jī)組共有上百種組合順序啟動(dòng)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(chǎng)情況進(jìn)行修改，因此控制方式靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。

該自動(dòng)化控制系統(tǒng)在G20杭州峰會(huì)召開(kāi)前進(jìn)行了近十次實(shí)操演練。演練模擬微電網(wǎng)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制、快速切換，電網(wǎng)電壓、頻率均能在3 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，電能質(zhì)量穩(wěn)定可靠，用戶端不受任何影響。

4 結(jié)語(yǔ)

電站管理系統(tǒng)、組控系統(tǒng)與機(jī)組AGC相結(jié)合的發(fā)電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)，在G20文藝晚會(huì)微電網(wǎng)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(dòng)化控制系統(tǒng)，機(jī)組控制線路簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)可靠性高，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件工程、通信技術(shù)及測(cè)控技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控發(fā)電站設(shè)備遙信、遙測(cè)、遙控的集中監(jiān)控管理，具有快速切換、自動(dòng)分配功率、高冗余度、無(wú)人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控等特點(diǎn)，圓滿完成了G20杭州峰會(huì)特別重大供電保障任務(wù)。

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（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(lè)文海（1967），男，高級(jí)技師，工程師，從事用電檢查及用電管理工作。