柴油发电机组控制系统及其技术发展趋势研究

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

柴油机以其高效、起动性好等一系列优势，在发电技术领域有着广泛应用[1-2]。柴油发电机组的电气控制系统包括各种传感器、起动电路、柴油机控制及保护、发电机励磁控制及保护、并联运行控制、通信及监控、供配电控制及各组成电气元件。因此，柴油发电机组的电气控制系统是机组起动、运行、监控、调节、保护、输出电能和通信的控制中心，是不可缺少的重要组成部分，也是近年来发电机组发展最快的技术。

1 柴油发电机组控制系统组成及其技术特点

柴油发电机组控制系统从早期的手动控制、半自动、全自动、机组一体化控制直到现代云服务的远程监控系统。控制屏从指针仪表发展为数码显示及液晶显示等。

1.1 指针仪表显示屏

1）主要用作发电机组控制、测量及简单保护配电使用。

2）主要配置为面板装有指示灯（信号状态指示灯）、直流电压表、直流电流表、功率表、功率因数表、频率表、交流电压表、交流电流表、计时表、油压表、水温表、按钮等显示和控制元件。

控制屏内配置有电压继电器、电流继电器、时间继电器、中间继电器等继电保护元件。测量功能实现由面板布置的仪表（电压表、电流表、频率表、功率表、功率因数表、计时表、油压表、水温表等）来实现发电机、柴油机相关主要参数的显示过程[3]。

操作功能：通过按钮开关实现柴油机的起动、停机，断路器的合闸、分闸控制。

保护功能：由自动开关进行过载及短路保护；电压继电器实现过电压、欠电压保护；柴油机的保护通过油压开关、水温开关动作来实现。

1.2 简单模块控制屏

1）主要用作发电机组控制、测量及简单保护配电使用。

2）主要配置：配置一个简单的起动、停止模块，面板装有指示灯（信号状态指示灯）、电压表、交流电流表、功率表、功率因数表、频率表、直流电压表、直流电流表、计时表、油压表、水温表和按钮等显示和控制元件。控制屏内配置有电压继电器、电流继电器、时间继电器、中间继电器等继电保护元件。

测量功能实现：由面板布置的仪表（电压表、电流表、频率表、功率表、功率因数表、计时表、油压表和水温表等）来实现发电机、柴油机主要参数显示。

操作功能：通过钥匙/开关实现柴油机的起动、停机，通过按钮控制断路器的合闸、分闸。

保护功能：由自动开关进行过载及短路保护；电压继电器实现过电压、欠电压保护；柴油机的保护通过油压开关、水温开关可以进入信号输入口，并可在面板显示报警指示，该模块也可以用来实现超速保护功能。

3）主要特点：采用控制模块，集成了开关量报警，具有充电失败、超速保护功能，钥匙/开关起动停止功能，将控制系统功能相对简化，向模块化发展。

1.3 具有通信功能的控制屏

1）主要作为发电机组控制、测量、柴油机保护、发电机保护使用。

2）主要配置集成可编程逻辑控制器（PLC）功能的控制模块，能够进行起动、停止、检测柴油机主要参数、发电机主要参数。控制面板仅仅配置一个紧急停机按钮，操作记录、报警历史记录都可以通过控制模块上的按键来进行操作翻看，交流电压表、交流电流表、功率表、功率因数表、频率表、直流电压表、直流电流表、计时表、油压表、水温表等仪表功能可以在模块上由液晶显示器（LCD）进行显示。

控制屏内主要配置有中间继电器、熔断器和转接端子等元件。

测量功能实现：面板布置的仪表（电压表、电流表、频率表、功率表、功率因数表、计时表、油压表和水温表等）都由控制模块上的LCD 屏幕来显示，通过翻页键即可显示各种参数。

操作功能：通过模块上“起动”“停止”“自动”“手动”按键来进行机组的操作控制，控制模块一般设置断路器的“合闸”“分闸”按键功能，通过模块上面的组合按键可以实现查看实时参数、报警记录和历史记录，也可以通过模块上的按键根据现场情况进行参数设置。

3）控制屏主要特点是控制模块的功能越来越强大，随着柴油机技术的发展，电控技术应用于柴油机的控制[4]，机组控制模块也需要能够与发动机进行通信，交换数据。机组控制系统这时也要求能够支持与柴油机的通信功能，例如具有控制器局域网总线技术（CANBUS）通信功能[5]，能够直接采集柴油机的主要参数，不用再加装柴油机的传感器，控制系统就可以读取到柴油机的水温、油压、油耗及故障代码等主要的参数。另外，控制系统还需要具备远程监控功能来满足机房的集中监控功能[6]。一般会为其配置Modbus监控接口，远程上位机可以对监控机房内单台或者多台机组的工作状况进行监控。

1.4 智能型控制系统

1.4.1 智能型控制系统概述

柴油发电机组的智能型控制系统包括燃油管理系统或调速控制、发电机数字电压调节器（DVR）或自动电压调节器（AVR）、机组的测量与保护、并机的测量与控制、遥控遥测与通信等，将机组所需的控制全部由一个界面完成。康明斯电力的“PCC3100”控制系统就是典型的代表。

1.4.2 康明斯电力PCC3100控制系统

PCC3100 是康明斯电力系统发电机组上使用的以微处理器为基础的控制器，其可用于提供燃油控制和柴油机调速功能、主发电机输出电压调整和全套机组控制和监测。同时，它还提供隔离母排或市电（主用电源）并联电力系统的自动和半自动同步以及自动负载分配控制功能[7]。

操作软件控制发电机组及其性能特征，并通过数字式显示屏显示机组的运行状态，由前端面板上的按键进行控制或功能设定。

PCC3100控制器的主要控制功能：

柴油机转速控制经由磁电式转速传感器（MPU）获取频率信号，控制盘送岀低功率脉冲宽度调制（PWM）信号到调速器输出模块，然后向柴油机燃油控制器输出一个放大信号控制燃油量以控制柴油机的转速。

发电机电压信号通过电压互感器（PT）/电流互感器（CT）模块向控制器主板提供信号至发电机调压器输出模块控制励磁机的励磁电流，以控制发电机的输出电压[8]。

机油、冷却液和排烟温度等由传感器传送信号至柴油机传送器和传感器模块后再传送至控制器主板，通过燃油控制卡控制燃油的关断，以保护机组的运行安全。

母排电压、频率信号通过母排PT 模块及发电机电压、频率、电流信号通过PT/CT 模块分别送至并联模块向控制器主板传送，由控制器主板分别调整机组的转速（频率）、电压，待并联条件满足时控制并联电路断电器合闸，随后控制机组的转速（频率）、电压以进行有功和无功功率分配；监控通信功能通过网卡连接系统对发电机组进行通信、监控。

整个机组的参数设定包括转速（频率）、电压、增益、稳定、下垂（速降、压降）、传感器设定、功率分配等均在面板上操作设定。

2 柴油发电机组控制系统的发展趋势

柴油发电机组控制系统不仅要满足发电机组控制、测量、柴油机保护、发电机保护等功能的需要，而且还要满足日益增长的安全性和可靠性的需求。那么，对于控制系统的功能就需要个性化、复杂化，如果将每个项目都做单独的设计，又将对设计工程师提出比较高的要求。这样就需要投入比较多的人力和精力去做这方面的工作，如果能够把不同的控制系统分为不同的模块，需要哪一部分就安装哪一部分，既能降低成本，又能实现各种功能。

2.1 个性化

1）功能个性化。在常规项目中普通的控制系统可以满足客户需要，应对不同客户的不同需求，往往提出超出常用控制系统以外的功能要求。比如要运行、自动模式、手动模式、公共报警等输岀继电器信号，这些信号自身并不复杂，但是如果每个控制屏都配置的话，对于成本和实际需要而言将会产生较大的浪费。然而，如果根据需要进行配置，又会面临无法进行标准化的问题，每台控制屏都可能不尽相同，所以实现简单的个性化需求，都是让控制屏的设计人员和生产人员比较棘手的一件事情。

2）公司特色个性化。在柴油发电机组行业，柴油机和发电机的核心技术控制在主机厂家手中，原始设备制造商（OEM）能掌控的内容只有控制系统，市场上的竞争也越来越激烈，可能会出现相同的柴油机、发电机拼装的机组，体现不同厂家机组性能的差异化的东西就只能是控制系统。此时的控制系统再体现公司的个性，例如：卡特彼勒的“奇才控制屏”，康明斯电力的“PCC”系列控制屏。

3）不管是功能的个性化，还是公司特色个性化，都为控制系统的标准化、安全性及可靠性带来了挑战。在设计生产中要尽量避免功能的个性化，否则如果测试验证不足，则有可能带来不可靠的风险。在生产数量没有达到一定的量时，追求公司特色个性化则会引起成本的上升。

2.2 复杂化

随着安全性意识的提高，往往要求控制屏满足一定的安全功能。相较以往需要增加额外的保护功能。目前现有的控制模块可以满足大众需要的控制保护要求，对于功能要求较多的项目就显得明显不足。比如差动保护功能往往需要一个差动继电器和另外安装两组保护CT。接地保护功能需要加装一组CT和漏电继电器。

控制系统LCD 能够以数字形式显示电压、电流、频率、水温、油压等参数，然而，对于一些比较传统的客户更喜欢指针仪表的简单直接，就再配置—组指针仪表，增加了越来越多的功能，也就添加了更多的元件。如果有一处接触不良，就可能产生故障，从而降低了控制系统的可靠性。

对于发电机应用的项目日趋高端，一个发电机组在整个项目中扮演的不仅仅是能发出电就可以的简单角色，它往往是在供电系统扮演着重要的角色。后台系统也越来越智能，与柴油发电机交换信息的界面也越来越复杂。系统后台要对柴油发电机组系统进行监视控制，就需要柴油发电机组对后台系统进行配合。系统后台对柴油发电机组的控制要求越多，柴油发电机组的控制系统的生产设计就越复杂。

2.3 模块化

目前，柴油发电机组控制系统采用专用的PLC控制模块，集合了发电机保护、柴油机保护、柴油机主要参数、发电机参数，具备三遥功能，满足一般的功能要求。随着个性化、复杂化的控制系统需求的增加，控制模块自身也在不断地将新的功能集成进去，然而还是跟不上实际应用的需要，这时就需要外部逻辑来完成。不少发电机组厂家为了满足项目需要，基于现有的控制模块进行二次设计开发，增加保护模块[9]，或者增加PC在外面做逻辑。

然而，复杂的逻辑，不但增加了设计人员的设计难度，也降低了系统的可靠性，同时也给后期维护增加了成本。这时候就需要在专用模块的基础上进行模块化，在专用控制模块内置PLC 功能，可以满足机组厂家进行简单的编程，另外一些实在不能内置的功能作为辅助功能模块，需要该功能就安装，不需要就拆除。

目前，具有复杂系统需求项目往往在数量上不足以引起国内模块厂家的重视，进口模块价格成本则居高不下，一定程度上也限制了模块化趋势的发展。随着控制模块竞争越来越激烈，利润的空间越来越小，厂家就会把目光投向满足不同应用的模块市场控制系统用户，制作接线简单，增加功能简单，调试也简单的控制系统。

既要满足发电机组OEM 工厂的技术要求及设计生产简单、调试维护方便的需要，又要满足最终使用客户日益增加的功能需要，就需要牢牢把握模块化的趋势。就发电机组控制系统的发展方向来看，应以模块化组合方式为主，即根据用户的不同要求，选用不同功能的控制模块组合成各种不同功能的柴油发电机组控制系统。模块功能的高度集成化和使用的高度灵活性，将会使柴油发电机组自动化控制系统的功能变得越来越完美、设计起来更简单[10-12]、使用起来更可靠。

2.4 集成化

随着使用计算机作为信息来源的与日俱增，触摸屏易于操作、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，在工业控制领域得到了广泛的应用。随着该领域技术的进步，国内该类型产品的兴起，触摸屏在技术上成熟可靠，在经济上性价比较高，对集中监控采用该元件的全面推广提供可能。

在柴油发电机组主要项目中往往会使用人机接口（HMI）触摸控制技术编写相应的组态，将常用的一些参数、报警信息以动态直观的形式表现出来，不再是看起来比较枯燥的文字。另外，HMI 触摸屏是用于整合整个机房的专用模块，做到集中监视，测试控制，大屏幕快捷直观操作，满足运维人员的及时査看，不需要到机房的每个机组控制屏进行查看，读取参数，减少人员成本，降低运维人员技术水平门槛。HMI 触摸屏越来越得到用户的认可。目前，制约HMI控制系统应用的主要原因还是HMI屏的本身工作环境不能适应所有的机组环境，作为应急电源一大部分柴油发电机组工作在高温、高湿等恶劣环境，国内不少HMI触摸屏的使用环境不能适应极限环境。另外，对应的HMI的组态软件还是需要机组控制系统厂家进行编写，也要投入一定的成本[13]。

3 结论及展望

尽管整机输出功率通常低于汽轮机及燃气轮机等动力装置[14-17]，难以承担发电基本负荷，但考虑到柴油机自身的技术特点，其在移动发电设备中依然有着广泛应用。在此前提下，针对柴油机发电机组控制技术而开展的相关研究仍有着重要意义。就目前而言，控制系统在柴油发电机组领域仍扮演着重要角色，并且会向着个性化、复杂化、模块化及集成化的方向不断发展。