小水电微网控制器研发与应用

(广州城市理工学院电气工程学院，广东 广州 510800)

1 概 述

我国水力资源丰富，但在季节上水电资源分布不均，限制了小水电的使用[1-2]，为了提升水电利用效率，提高供电可靠性，小水电微网作为一种有效方法，日益得到重视[3]。

小水电微网可提高小水电利用率，既可以通过联络变压器与传统电网(主网)并联运行，也可断开联络变压器孤岛运行，这两种状态可以做到平滑过渡。这样可大大提高小水电微网运行的灵活性，而且对于微网内的重要负荷有比传统电网更高的供电可靠性。此外，小水电微网通过控制联络变压器的功率传输，可以减少微网接入对主网的影响，并且可以充分利用微网内的分布式电源，提高小水电的利用率[4]。

小水电微网控制器应用于水电微电网协调控制，主要目的是在并网和孤网运行方式下，通过与并网点保护控制设备及水电智能综合控制器进行信息交互，对水电智能综合控制器进行模式切换、功率分配等操作，维持离网时微电网运行时功率和频率的稳定，并网时控制发电功率及功率因数，提高清洁能源的利用效率，提高水电发电经济效益，保障电网末端运行的灵活性、可靠性[5]。

2 原 理

小水电微网控制器上接调度主站，下接小水电微网控制器与水电智能综合控制器，通过对下端设备的数据(电压、电流、功率、状态等)采集，实现微网状态感知，根据调度指令或预设运行模式进行模式管理、切换等控制。

2.1 水电控制器控制模式切换

当微网孤岛运行时，须将水电控制器控制策略从P/Q控制切换为V/f控制，支撑系统的频率和电压；当并网运行时，须将水电控制器由V/f控制切换为P/Q控制，实现水电清洁经济效益。因此在离并网切换过程时，需要对水电智能综合控制器进行快速的切换。

可根据上述情况将微网系统分为4个工作状态，分别为准备离网、离网、准备并网、并网。根据微网运行的模式[6]，控制器具备并网转离网、离网转并网控制和并网控制功能(离网状态下由水电智能综合控制器维持电压、频率稳定，微网控制器不参与具体控制)。

2.2 状态控制

a.并网转离网控制。当微网控制器收到后台或调度下发的离网指令后，通过控制水电智能综合控制器的发电功率目标，进行联络线功率控制，确保联络线有功、无功限制在允许范围内；当多台水电机组同时运行，主控机组容量裕度足够时，应关闭非主控机组，当联络线功率在允许范围内后，控制水电智能综合控制器切换运行模式，由P/Q模式切换为V/F模式，切换成功后，分联络线开关(控制逻辑见图1)。

图1 并网转离网控制逻辑

b.离网转并网控制。当微网控制器收到后台或调度下发的并网指令后，通知并网点小水电微网控制器，并网点小水电微网控制器检测并网点两侧是否符合同期条件，同期条件满足则并网。微网控制器检测到并网成功后，命令水电智能综合控制器切换为并网控制模式，并根据调度指令或预先设置的目标值下发发电功率(控制逻辑见图2)。

图2 离网转并网控制逻辑

c.并网控制。在并网状态下，微网控制器接受调度或者后台的有功、功率因数遥调，并将指令转发给水电控制器，控制水电机组的发电功率及功率因数。

3 硬件模块

3.1 CPU插件

CPU插件为装置的核心部件，由高性能的SOC处理器及其最小系统、模拟量采集及开入/开出控制、通信接口等部分组成。SOC处理器运行高稳定性的实时操作系统，主要负责模拟量采集与监测、保护算法与逻辑判断、开入/开出控制、事件记录与扰动录波、站内通信及对时等任务。

对于RS-485口，需使用屏蔽双绞线，共有2对双绞线，外层包裹屏蔽层(屏蔽双绞线的构造见图3)。

图3 通信线示意图

对时端子将第一组双绞线的蓝线接RS-485接口的A，蓝白线接RS-485接口的B；将第二组双绞线的橙线、橙白线并接后接RS-485接口的GND。屏蔽层应在对时装置侧单点接地(见图4)。

图4 对时端子连接

3.2 电源/开入插件

电源/开入插件配置输入和输出隔离的电源转换模块，并提供15路光耦隔离开关量输入以及装置故障和运行异常触点输出。电源模块为装置其他各插件供电，其输出的直流电压为5V，最大输出功率为20W，电源模块支持直流电源极性反接。

3.3 开入/开出插件

开出插件B4521固定与电源/开入插件拼装，提供11组出口，共11副出口触点。

3.4 通信插件

通信插件B44205提供6路串口通信，可通过跳线设置为485通信或232通信。

3.5 人机接口

人机接口主要包括LED指示灯、LCD液晶显示屏、按键、调试口等主要部分。

LED指示灯。总共有10个“红”或“绿”颜色的LED指示灯，分别表征“装置运行”“任意告警信号动作”“并网状态”“离网状态”和六个“通信正常”的指示灯。

LCD液晶显示屏。装置采用240×160单色点阵液晶，用于显示各类状态、参数定值、事件报告等。液晶显示屏背光在无按键操作5min后自动关闭，当任意键按下或跳闸、告警时背光自动点亮。

按键。装置配置9键键盘，分别为“▲”键(上行)、“▼”键(下行)、“◀”键(左行)、“▶”健(右行)、“+”键(加)、“-”键(减)、“确认”键、“取消”键、“功能”键。“▲”键、“▼”键、“◀”键、“▶”键用于控制光标上、下、左、右移动。在多级菜单显示时，“◀”键、“▶”键可用于进行各级菜单间切换；在多页显示时，“▲”键、“▼”键可用于翻页。“确认”键确认当前修改、执行当前选择或操作，“取消”键取消当前修改或操作、退出某项选择。“+”键、“-”键用于数值增加、减小操作。“功能”键为特殊功能键，可作为转换键与其他按键组合使用(“功能”键+)，如信号复归(“功能”键+“取消”键)等。

3.6 菜单显示与操作

在主画面状态下按“功能”键可进入主菜单，通过“▲”键、“▼”键选择子菜单，按“确认”键进入所选子菜单，按“取消”键返回上一级子菜单。

信息查看菜单按包括各类开关量及模拟量查看、版本信息查看和参数定值查看等子菜单。在正常运行状况下，装置所反映的量值和实际系统的相应量一致。

定值整定菜单用来整定保护所需的各项参数及定值。在参数定值页面通过“▲”键、“▼”键选择要修改的参数定值项，按“确认”键进入参数定值项编辑界面，按“◀”键、“▶”键移动光标至要修改的数据位，使用“+”键、“-”键修改数值。参数定值编辑完成后按“确认”键自动退出该参数定值项的编辑界面，按相同方法继续编辑其他参数定值项。参数定值编辑完毕按 “取消”键，液晶提示“是否保存？”，选择“是”按“确认”键后输入4位密码(缺省值“右、左、下、上”)完成参数定值整定，选择“取消”返回参数定值页面，选择“否”按“确认”键放弃保存并退出。当整定保护定值时，需要先选择待整定的定值区号，可以是当前运行定值区，也可以是非运行定值区。当对当前运行定值区的保护定值进行整定并保存后，装置会短时闭锁并自动恢复正常运行状态。

3.7 调试接口

装置前面板配有RJ-45网络调试接口，用于与本地PC端保护和控制装置调试管理软件通信，实现参数定值整定、信号配置、逻辑编程、信号监视、报告及录波浏览、通信管理等功能。

4 主要功能

小水电微网控制器需要同时与多个小水电控制器和调度系统交互，通信功能是小水电微网控制器的一个重要功能。由微网控制器对上与调度或者监控后台通信，支持IEC101/104系列远动规约，实现远程监测、控制；对下与微网内各个控制设备通信，支持IEC101/104系列远动规约、IEC61850规约和IEC103规约，汇集整个微网区域内的状态信息，感知微网状态，实现整体统筹控制，并能够转达远方调度控制要求，实现离网自行管理并网统筹考虑功能。

小水电微网控制器可配置3个FE以太网电口，2个RS-485串口，用于与监控系统、保护信息管理系统通信。支持电力行业通信标准DL/T 667—1999(IEC60870-5-103)协议，支持串口Modbus协议。

本模块可以使小水电微网控制器各个网络口与各个串口之间实现通信。通信数据具体包括网络口报文的收发、串口报文的收发、双机交互的数据收发、报文的收发时间序列信息。

微网控制器对下与微网内其他保护控制设备通信，其信息获得与控制策略均通过通信执行，故通信状态尤为重用，微网控制器实时对与其通信的设备进行通信状态监测，发现异常立即报警，并闭锁相关微网功能。除此之外，还具有事件记录、时间管理、故障自检和参数定值等功能。

4.1 事件记录

小水电微网控制器支持以下几类事件记录：可循环记录1024次小水电微网控制器故障和运行异常告警报告、通信异常报告；可循环记录1024次状态变位报告，包括遥信开入、保护遥信、硬压板、软压板等状态变位；可循环记录64次操作报告。

4.2 时间管理

小水电微网控制器可连接多种时钟源信号进行准确的时钟同步，支持的时钟源包括差分IRIG-B、SNTP等。

4.3 故障自检

小水电微网控制器具备完备的硬件、软件自检功能以确保运行的高可靠性，当检测到小水电微网控制器内部故障时，运行指示灯灭、小水电微网控制器故障触点闭合，并闭锁所有保护和控制功能。小水电微网控制器故障包括CPU插件异常，主要包括程序、定值、数据存储器出错等。

4.4 参数定值

小水电微网控制器参数定值包括设备参数定值、保护定值、测控参数、通信参数、辅助参数等，以下分别介绍。

保护定值为多区定值，其余定值和参数不分区。小水电微网控制器提供4个独立的保护定值区，可以满足电力系统不同的运行工况和系统参数。正常运行时，运行定值区可以是其中任一个，且仅有运行保护定值区的保护定值是有效的。

5 应 用

所研发的小水电保护控制装置，已投入韶关乳源10kV东下山支线运行，研究以小水电为主电源的微电网并网运行、离网运行和并离网切换控制策略(见图5)。

图5 小水电微网控制器的应用

该小水电微网范围包括5个配变台区、1座带库容的小水电。目前开展的10kV东下山支线以小水电为主电源的微电网建设，效果良好。

5.1 小水电能量管理系统建设

建设本地能量管理系统，通过本地微网能量管理及控制系统对光伏、水电和储能系统的协调控制，实现离并网的无缝切换，以及各种运行工况下的稳定运行。该微电网的建设，可以实现区域内新能源的自消纳、自平衡，实现能源供给的绿色化、零碳化，实现小水电微网与大电网的友好互联。

5.2 通信系统建设

为保证本地能量管理系统对整个微网系统控制的时效性和可靠性，能量管理系统与水电站和并网开关之间需采用光纤通信。

6 结 语

小水电新型微网控制器作为小水电的重要控制设备，不仅可提升水电工作效率，提高经济效益，并且保证了电网信息交互，供电可靠性。研发的小水电微网控制器以CPU插件为核心部件，辅以其他模块插件，对微网各个工作状态模式进行模式管理与切换。该控制器的优点是：有良好的信息通信功能，可实现远程统筹控制，有完备的自检功能，可降低运营成本，有时间管理功能，可保证信息同步。