發電站自動化控制系統在G20微電網中的應用

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.杭州大有科技發展有限公司，杭州310051）

發電站自動化控制系統在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，針對微電網供電系統中發電機組間協調控制的難點，提出了一種既可同步也可異步運行的發電站自動化控制系統。該控制系統由電站管理系統、組控系統及機組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，實現了在任意一路發電故障、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。

發電站；自動化；控制系統；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“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。其中，發電機組間的協調控制是微電網供電系統的重點與難點。傳統的微電網發電機組采用單臺或多臺并聯孤島運行[1-5]，當供電電源出線故障時，可能引起整個發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）的發電站自動化控制系統，可實現在任意一路發電故障、任意一路線路故障等情況下均能保證供電可靠性。

1 微電網供電系統簡介

G20文藝晚會微電網采用12臺1 250 kVA柴油發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文藝晚會微電網發電站一次系統

由圖1可以看出，微電網自動化控制系統由機組AGC（自動發電控制）、組控系統、電站管理系統組成。其中，12臺發電機均配置了機組AGC系統，按照組控系統的指令，實現對本發電機組的啟動、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，負責本組內發電機組及進出線開關的協調控制。整個供電系統共配置1個電站管理系統，負責協調2個組控系統及母聯開關的控制。

2 控制系統設計

2.1 控制系統主要功能

該發電站自動化控制系統可應用于微電網中，具有以下特點：

哪怕是遠離家鄉，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，白天忙碌的節奏讓人可以不去杞人憂天。

（1）依據發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；實現了故障狀態下自動解列、停機的控制。

（2）實現了機組間及組間的自動并網、電壓及無功功率的自動調節、并聯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（包括發電機組機電故障的自動處理與報警）及運行狀態監視（包括電站斷電、欠頻監視）功能，并支持在線參數修改。

2.2 控制系統組成

發電站自動化控制系統由電站管理系統、組控系統和機組AGC組成。

電站管理系統和組控系統均采用PLC（可編程控制器）S7-300實現。這種控制器自帶輸入、輸出及ROM-H存儲器模塊，可實現與電站之間數字量及模擬量交換，并完成邏輯、順序、定時、計數、運算等功能，另外，可根據現場修改控制邏輯，大大提高了控制系統的適應性。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，可在惡劣環境下與強電設備一起工作，保證了發電站運行的穩定和可靠。

機組AGC由獨立的裝置實現，能完成發電機的啟動、停機，單機固定頻率運行，能完成靜態同步、動態同步功能，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，可實現遠程監測。

2.3 控制模式分析

發電站自動化控制系統依據發電機組運行及實際負荷情況，協調完成微電網供電系統電站、組內及機組的邏輯控制，確保供電的可靠性。控制模式可分為機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系統實現，并受組控系統控制。機組AGC按照組控系統的設定，自動完成啟動、并網、調整負荷或停機，并在故障狀態下實現自動解列或停機。

其具體實現過程如下：當接收到組控系統起機命令后，機組AGC能夠自動啟動機組，若連續3次啟動失敗，則發出報警；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，并通知組控系統啟動下一臺機組，發出報警）；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要求的負荷、電壓調整等指令，實現機組間電壓及無功功率的自動調節，有功功率的自動分配、轉移以及電網頻率的自動調整；實現運行狀態顯示及故障監視（包括電站斷電、欠頻監視），以及系統給定參數的監視與修改。

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和組控系統實現，主要完成邏輯控制以及與機組AGC間的通信。其中，電站控制系統實現2組發電單元間的功率分配、同步等功能，組控系統實現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。

組控系統的控制過程如下：組控系統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，當單臺發電機組的負載超過80%Pn（可設定）并持續5 s后，組控系統控制啟動第2臺發電機，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10 s后，組控系統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，組控系統均能快速協調本組內其他替代機組，若本組內機組出力不足，組控系統還能夠將信息上報電站管理系統，由電站管理系統完成2組發電單元間的協調配合，保證組內供電的可靠性。

電站管理系統控制過程如下：運行中，若某小組功率不夠、備用發電機不能啟動、調度或功率管理需要時，組控系統判定會向電站管理系統發出請求，電站管理系統協調2個組控系統，經過調頻調壓同步，實現2組發電單元的并聯運行；若調度或功率管理需要解列運行時，電站管理系統根據當前運行情況，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組發電單元相當于2個與常規保供電系統模式相同的微電網，可實現異步運行；當需要并聯運行時，電站管理系統能夠控制組控系統實現2個異步電網的同步運行，并能夠實現組間功率流動。即使某一組內全部機組發生故障或者發電單元與母線之間的線路故障，仍能保證供電系統正常運行。該發電站自動化控制系統運行靈活，可靠性高。

3 控制系統的實現

電站管理系統、組控系統與機組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（如圖5所示）。

圖5 控制系統組成

從圖5可見：電站管理系統、組控系統是整個控制系統的核心，負責協調整站內發電機的運行；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完成，組間的邏輯控制則由電站管理系統完成，三者分工明確，能夠大大提高控制系統組建的效率。微電網中12臺發電機組共有上百種組合順序啟動方法，電站管理管理系統、組控系統采用PLC完成，可根據現場情況進行修改，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任意一路發電故障、任意一路線路故障等情形，控制系統均實現了自動控制、快速切換，電網電壓、頻率均能在3 s內恢復穩定，電能質量穩定可靠，用戶端不受任何影響。

4 結語

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

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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

樂文海（1967），男，高級技師，工程師，從事用電檢查及用電管理工作。