发电站自动化控制系统在G20微电网中的应用

乐文海，陆海清，杨君，罗列琥，何春林

（1.国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310009；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；3.安新能源有限公司上海分公司，上海201100；4.国网浙江省电力公司，杭州310007；5.杭州大有科技发展有限公司，杭州310051）

发电站自动化控制系统在G20微电网中的应用

乐文海1，陆海清2，杨君3，罗列琥4，何春林5

（1.国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州310009；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；3.安新能源有限公司上海分公司，上海201100；4.国网浙江省电力公司，杭州310007；5.杭州大有科技发展有限公司，杭州310051）

G20杭州峰会文艺晚会涉及重要特殊用户负荷，供电可靠性要求极高，为此构建了以柴油发电机组作为主供和第一备供、市电作为第二备供的微电网供电系统，针对微电网供电系统中发电机组间协调控制的难点，提出了一种既可同步也可异步运行的发电站自动化控制系统。该控制系统由电站管理系统、组控系统及机组AGC 3部分组成，通过CAN总线完成对电站、组内及机组的逻辑控制，实现了在任意一路发电故障、任意一路线路故障等情况下均能保证微电网供电的可靠性。

发电站；自动化；控制系统；微电网

0 引言

G20杭州峰会文艺晚会（以下简称G20文艺晚会）涉及中控音响、水下舞台、全息彩屏、大功率演艺灯光、央视转播等重要特殊用电负荷，供电可靠性要求极高、专业技术管理要求极严、电能质量的要求极苛刻，供电保障要实现“工作零差错、用户零闪动、设备零故障、服务零距离”的“四零”工作目标。

传统的市电供电模式存在以下不可控因素：

（1）外部供电线路太长无法管控。

（3）易受恶劣天气影响引起供电故障。

（4）开放式场地发配电设备易受外力破坏，难以管控。

（5）若进行固定供电设施建设，面临巨大的资金、工期、场地等困难。

为解决上述问题，经反复论证，确定了以柴油发电机组作为主供和第一备供、市电作为全负荷第二备供的微电网供电系统。其中，发电机组间的协调控制是微电网供电系统的重点与难点。传统的微电网发电机组采用单台或多台并联孤岛运行[1-5]，当供电电源出线故障时，可能引起整个发电站供电电源的消失。结合G20文艺晚会微电网的特点，以下提出一种既可同步运行（与传统孤岛运行方式相同）、也可异步运行（分列成2个不同步子系统）的发电站自动化控制系统，可实现在任意一路发电故障、任意一路线路故障等情况下均能保证供电可靠性。

1 微电网供电系统简介

G20文艺晚会微电网采用12台1 250 kVA柴油发电机组作为主供及第一备供电源，总容量15 000 kVA，冗余度为250%。12台发电机分为2组，分别由2台升压集成箱式变压器（以下简称箱变）升压至10 kV高压电网，其一次电气接线如图1所示。

图1 G20文艺晚会微电网发电站一次系统

由图1可以看出，微电网自动化控制系统由机组AGC（自动发电控制）、组控系统、电站管理系统组成。其中，12台发电机均配置了机组AGC系统，按照组控系统的指令，实现对本发电机组的启动、并网、负荷调整及停机等功能。每6台机组配置1个组控系统，负责本组内发电机组及进出线开关的协调控制。整个供电系统共配置1个电站管理系统，负责协调2个组控系统及母联开关的控制。

2 控制系统设计

2.1 控制系统主要功能

该发电站自动化控制系统可应用于微电网中，具有以下特点：

哪怕是远离家乡，抑或是生与死的隔绝，依然斩不断对亲人爱人的思念。直到后来读到陆游“死去元知万事空”的句子，才醍醐灌顶。原来死亡的奥秘竟是如此简单，眼睛闭上，陷入无尽黑暗，从此这世上的一切都与己无关。再也没有人能够看见、听见、触摸，大家会逐渐忘却这个世界上曾经存在过这么一个人。对于死亡的恐惧和害怕时常在黑夜里打搅我的睡眠，幸好我是个乐天派，白天忙碌的节奏让人可以不去杞人忧天。

（1）依据发电站运行情况和实际负荷需要，按预定顺序自动启动备用机组，并能自动投入、自动停机；实现了故障状态下自动解列、停机的控制。

（2）实现了机组间及组间的自动并网、电压及无功功率的自动调节、并联运行中功率的自动分配和转移、电网频率的自动调整等功能。

（3）具备电站综合保护（包括发电机组机电故障的自动处理与报警）及运行状态监视（包括电站断电、欠频监视）功能，并支持在线参数修改。

2.2 控制系统组成

发电站自动化控制系统由电站管理系统、组控系统和机组AGC组成。

电站管理系统和组控系统均采用PLC（可编程控制器）S7-300实现。这种控制器自带输入、输出及ROM-H存储器模块，可实现与电站之间数字量及模拟量交换，并完成逻辑、顺序、定时、计数、运算等功能，另外，可根据现场修改控制逻辑，大大提高了控制系统的适应性。PLC在设计和制造过程中通过精选元件和采用多层次抗干扰措施，可在恶劣环境下与强电设备一起工作，保证了发电站运行的稳定和可靠。

机组AGC由独立的装置实现，能完成发电机的启动、停机，单机固定频率运行，能完成静态同步、动态同步功能，并具备逆功率和过流保护。同时，机组控制部分还配有TCP/IP服务网口，可实现远程监测。

2.3 控制模式分析

发电站自动化控制系统依据发电机组运行及实际负荷情况，协调完成微电网供电系统电站、组内及机组的逻辑控制，确保供电的可靠性。控制模式可分为机组控制模式和电站控制模式。

2.3.1 机组控制模式

机组控制模式主要由机组AGC系统实现，并受组控系统控制。机组AGC按照组控系统的设定，自动完成启动、并网、调整负荷或停机，并在故障状态下实现自动解列或停机。

其具体实现过程如下：当接收到组控系统起机命令后，机组AGC能够自动启动机组，若连续3次启动失败，则发出报警；若启动成功，则升速至额定电压。并在1 s（可设定）内检测电压，如建压不成功，则启动停机命令；若建压成功，则检测电网电压。若电网无压，开关合闸供电，并进入定时10 s合闸程序（开关10 s未能合闸则自动停机，并通知组控系统启动下一台机组，发出报警）；若检测电网有电时，请求并网，同时调整机组电压，进入定时10 s合闸程序，若电压差ΔU＜5%Un，调整机组频率至同步点启动合闸程序，开关合闸，合闸成功后，机组AGC通知组控系统并复归10 s定时器。机组控制模式流程如图2所示。

图2 机组控制模式流程

机组控制模式并网时的波形如图3所示。

此外，机组控制模式还能完成组控系统要求的负荷、电压调整等指令，实现机组间电压及无功功率的自动调节，有功功率的自动分配、转移以及电网频率的自动调整；实现运行状态显示及故障监视（包括电站断电、欠频监视），以及系统给定参数的监视与修改。

图3 机组控制模式并网波形

2.3.2 电站控制模式

电站控制模式由电站管理系统和组控系统实现，主要完成逻辑控制以及与机组AGC间的通信。其中，电站控制系统实现2组发电单元间的功率分配、同步等功能，组控系统实现本组内各机组的启停顺序控制、负荷分配、电压调整、频率调整等功能。

组控系统的控制过程如下：组控系统预先设定本组内机组的启动顺序。在运行过程中，应保证每组中至少1台发电机组在线运行。同时，为保证小组内热备用出力均能应对机组故障时的有功缺额，确保供电的可靠性，当单台发电机组的负载超过80%Pn（可设定）并持续5 s后，组控系统控制启动第2台发电机，待机组并网后，通过CAN总线控制机组进行调频调载，使有功分配差度不超过5%；若2 min后，仍未能并网，则发出报警，并启动下一台机组。此外，因低负荷运行机组的效率较低，当并网机组超过2台，且总负荷小于总额定负载的20%并持续10 s后，组控系统将按顺序自动解列机组，保证各机组负荷率。

当任何一台甚至多台机组故障时，组控系统均能快速协调本组内其他替代机组，若本组内机组出力不足，组控系统还能够将信息上报电站管理系统，由电站管理系统完成2组发电单元间的协调配合，保证组内供电的可靠性。

电站管理系统控制过程如下：运行中，若某小组功率不够、备用发电机不能启动、调度或功率管理需要时，组控系统判定会向电站管理系统发出请求，电站管理系统协调2个组控系统，经过调频调压同步，实现2组发电单元的并联运行；若调度或功率管理需要解列运行时，电站管理系统根据当前运行情况，平均分配每组有功功率。电站控制模式流程如图4所示。

图4 电站控制模式流程

当解列（双母线运行方式）运行时，2组发电单元相当于2个与常规保供电系统模式相同的微电网，可实现异步运行；当需要并联运行时，电站管理系统能够控制组控系统实现2个异步电网的同步运行，并能够实现组间功率流动。即使某一组内全部机组发生故障或者发电单元与母线之间的线路故障，仍能保证供电系统正常运行。该发电站自动化控制系统运行灵活，可靠性高。

3 控制系统的实现

电站管理系统、组控系统与机组AGC的结合使用，组成了高度可靠和全功能的多机组全自动电站控制与管理系统（如图5所示）。

图5 控制系统组成

从图5可见：电站管理系统、组控系统是整个控制系统的核心，负责协调整站内发电机的运行；机组AGC是机组启动、并网、负荷分配及停机功能的具体执行者；PC为控制逻辑、流程的在线修改和信息查询提供了操作终端。

机组的启动、停机等功能由机组AGC控制，机组间的逻辑控制由组控系统完成，组间的逻辑控制则由电站管理系统完成，三者分工明确，能够大大提高控制系统组建的效率。微电网中12台发电机组共有上百种组合顺序启动方法，电站管理管理系统、组控系统采用PLC完成，可根据现场情况进行修改，因此控制方式灵活、适应性强。

该自动化控制系统在G20杭州峰会召开前进行了近十次实操演练。演练模拟微电网系统任意一路发电故障、任意一路线路故障等情形，控制系统均实现了自动控制、快速切换，电网电压、频率均能在3 s内恢复稳定，电能质量稳定可靠，用户端不受任何影响。

4 结语

电站管理系统、组控系统与机组AGC相结合的发电站自动化控制系统，在G20文艺晚会微电网供电系统中发挥了核心作用。与继电器控制系统相比，采用该发电站自动化控制系统，机组控制线路简单，控制系统可靠性高，通过通信网络可以方便地将发电站控制程序纳入到中央管理系统中，利用计算机及网络技术、软件工程、通信技术及测控技术等，实现了对被控发电站设备遥信、遥测、遥控的集中监控管理，具有快速切换、自动分配功率、高冗余度、无人值守、远程监控等特点，圆满完成了G20杭州峰会特别重大供电保障任务。

[1]薛迎成，邰能灵，刘立群，等.微电网孤岛运行模式下的协调控制策略[J].中国电力，2009，42（7）∶36-40.

[2]黄伟，牛铭.微电网非计划孤网控制策略分析[J].电力自动化设备，2011，35（9）∶42-46.

[3]李涵，王毅，张丽荣，等.孤岛模式下的微电网频率的协调控制研究[J].2012，28（12）∶56-62.

[4]杨征.可编程控制器（PLC）在自动并联柴油发电机组中的应用[J].移动电源与车辆，2010（1）∶25-27.

[5]曹相芹，鞠平，蔡昌春.微电网仿真分析与等效化简[J].电力自动化设备，2011，31（5）∶94-98.

[6]焦素敏.PLC在自动化柴油发电机组中的应用[J].电工技术，2000（9）∶25.

[7]刘宗德，陈定先.船舶电站及自动化装置[M].北京：科学技术文献出版社，1992.

[8]谭金超，谭学知，谢晓丹.10 kV配电工程设计手册[M].北京：中国电力出版社，2014.

[9]姜乐.船舶电站并车与保护单元的设计与实现[D].大连：大连海事大学，2013.

[10]白明，邹福顺，林阳峰，等.基于工业以太网的船舶电站系统设计[J].广州航海学院学报，2014，22（2）∶5-7.

[11]陈荣柱，林世溪，孙景钌，等.孤立海岛微电网供电模式下的柴油发电系统改造方案研究[J].浙江电力，2014，33（6）∶1-5.

（本文编辑：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

乐文海（1967），男，高级技师，工程师，从事用电检查及用电管理工作。