分布式發電系統保護控制研究（三）：系統調試方案設計及測試結果

賀 軍，羅華峰，戚宣威，楊 猛，吳建洪，嵇興康

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.浙江浙能長興發電有限公司，浙江 長興 313000）

0 引言

分布式電源通過為IDC（互聯網數據中心）提供了高效、清潔、可靠的冷電負荷，可產生巨大的社會、經濟效益[1-5]。分布式發電系統涉及電網、電源、負荷以及站內相關設備之間的協同配合，其調試工作難度較大，目前尚無成熟的經驗可循[6-10]。

為實現分布式發電保護控制系統網-源-荷的協同配合與正確動作，本文開展了系統調試方案研究：簡要論述了分布式發電系統的整體結構以及控制保護模式；依據“由簡至繁、循序漸進”的原則，結合相關重點技術內容，設計了各分系統和系統集成的調試方案；現場開展實際外部市電消失后的控制保護動作行為測試，結果表明在外部市電全失后，分布式發電系統可通過黑啟動流程在2 min 40 s內恢復數據中心的供電和制冷。

1 分布式發電系統簡介

1.1 整體系統結構

IDC對制冷和供電系統的可靠性要求極高，在外部市電消失后需要在5 min之內恢復冷電供應。為實現上述技術指標，分布式發電系統涉及多個分系統的協同配合，主要包括：110 kV變電站、分布式電源（包括柴油發電機和內燃機）、IDC（含UPS和站內電源切換裝置）和站用電系統（含電制冷設備）等。

為確保各個分系統協同配合并考慮運行的可靠性，需在系統間采用電纜硬接線回路傳輸少量的邏輯信息，同時通過就地檢測判據和相關時序配合完成復雜的控制流程。各分系統的主要功能配置和系統間的信息交互情況如圖1所示。

圖1 分布式發電系統各分系統功能配置及交互信息

1.2 分布式電源控制系統架構模式

圖1所示的各分系統中，分布式電源的控制系統是實現總體控制保護功能的主體與核心，該系統采用三級集中-分布控制模式，如圖2所示。

位于監控室的上位系統實現發電機組的協同控制（包括黑啟動功能）與監視，完成與站用電系統、IDC等其他分系統之間的信息交互，并將通過CAN網絡與各臺機組的并機柜相聯系。

在控制柜室內，按單臺發電機分別配置了并機柜，以實現發電機的頻率/電壓控制和并機操作，并機柜內還配置了發電機單體保護的裝置。此外，還按間隔配置了發電機主機并機柜和發電機母分并機柜，以控制發電機母線進線斷路器、母聯斷路器的同期合閘與分閘，同時主機并機柜還可以在獲取控制權限的情況下，同期合閘110 kV主變壓器（以下簡稱“主變”）低壓側斷路器，以實現與外部系統并網。

位于發電機本體附近的就地控制柜負責執行上級并機柜下發的調頻、調壓等控制信息，并將發電機本體的轉速等相關運行數據上傳，同時可實現發電機本體的基礎控制保護功能，如啟停機、手動調壓/調速等。

2 系統調試方案及結果

2.1 總體技術路線

由于分布式發電控制系統涉及各分系統之間的協同配合，故設計了“由簡至繁、循序漸進”的分步調試方案，其總體的技術路線包括：

（1）完成發電機本體、10 kV開關柜等一次設備調試，并確保與本體相關電壓、電流、信號、控制等二次回路的正確性。

（2）完成110 kV變電站、分布式電源、IDC及站用電系統等分布式發電相關分系統的調試。

（3）開展能源站內部黑啟動試驗，完成分布式電源與站用電系統之間的聯調。

（4）實際操作110 kV變電站中的110 kV進線斷路器，真實模擬IDC外部市電消失情況，以測試分布式發電系統的整體協同控制。

2.2 各分系統調試方案及結果

對于2.1部分所述的各分系統調試內容，110 kV變電站中的控制保護功能和IDC的電源切換功能較為簡單，目前已有成熟經驗，文中不再贅述。以下將重點介紹分布式電源控制系統以及涵蓋電制冷設備的站用電系統的調試方案及結果。

2.2.1 分布式電源控制系統調試

圖2所示的分布式電源控制系統包含三級結構，各級控制的調試內容如表1所示。在調試過程中，重點工作是根據實際帶負荷運行情況，整定發電機頻率/電壓控制模塊的PI調節參數，該參數的設定需兼顧調節的響應速度和超調范圍，特別是在多臺機組同時運行期間，PI參數若調節不當，將會在機組之間引發功率振蕩。

為確保柴油發電機組帶冷電負荷黑啟動試驗的順利進行，在分布式電源調試期間提前開展了11臺柴油發電機組快速啟機以及帶電制冷機硬啟動試驗。11臺柴油發電機組可以在15 s以內全部啟動且并網至發電機母線；2臺柴油發電機即可帶額定功率為800 kW的電制冷設備硬啟動（瞬時啟動電流為額定電流的4～5倍）。上述調試結果表明，柴油發電機組具有很快的啟動速度和較強的帶載能力，可為快速恢復負荷供電制冷提供有利條件。

表1 分布式電源控制系統調試方案

此外，在分布式電源控制系統調試期間，采用在控制柜端子排上強制二次電壓和開關位置等信號的方法，以模擬一次系統的不同運行方式，從而初步驗證發電機黑啟動順控流程的正確性，為后續實際黑啟動測試的成功開展奠定基礎。

2.2.2 站用電系統

站用電系統采用Rockwell PLC控制構建自動控制系統，以實現站用變、電制冷、380 V開關和工藝負荷（如電動機）的控制。

如圖2所示，站用電系統需要與分布式電源控制系統完成一定的信息交互，并配合完成部分黑啟動流程。站用電系統的調試首先采用強制二次信號、手動觸發等方式單獨驗證站用電系統的清排、加載和啟動電制冷功能，以確保后續系統集成調試的順利進行，主要調試的站用系統功能及其目的包括：在進入孤島運行模式下清排站內負荷，為柴油發電機組的空載啟動創造條件；在發電機母線恢復供電后，加載工藝負荷、啟動電制冷設備，恢復IDC供冷。

圖2 分布式電源控制系統架構

在上述調試工作中，重點是站內電制冷設備的調試。電制冷設備具有快速啟動功能，在供電中斷后，若電壓恢復，則可自動快速啟動，以恢復制冷工作，該功能對于黑啟動后恢復IDC的供冷極為重要。為此，結合實際運行情況，專門設計、開展了電制冷快速啟動試驗，內容包括：

（1）實際啟動10 kV站用母線的事故快切功能，以模擬電制冷設備供電閃斷情況。

（2）供電中斷后，利用柴油發電機組帶電制冷設備硬啟動，模擬黑啟動期間恢復制冷的工作流程。

結果表明，在供電中斷后64 s內，電制冷設備可以快速重啟以恢復正常制冷。其中，對于柴油發電機帶電制冷硬啟動，調試期間發現由于啟動電流過大，導致發電機母線電壓發生了明顯波動。電制冷設備本體帶有低壓和過壓保護功能，其定值需要躲過硬啟動期間的電壓波動，否則將造成電制冷跳機而導致快啟失敗。經試驗，低電壓和過電壓保護的定值分別設定為90%Ue和110%Ue（Ue為額定電壓），動作延時均為3 s。在該定值下，電制冷設備可以由柴油發電機組供電順利快啟。

2.3 系統集成調試方案及結果

在完成各分系統調試以及系統間信號聯調的基礎上，開展集成調試，包括站內黑啟動試驗和IDC失電試驗。

2.3.1 站內黑啟動試驗

為確保全站失電試驗的順利開展，首先需進行站內黑啟動試驗。在正常運行情況下，拉開發電機母線進線的10 kV開關，模擬能源站內部設備失電，驗證發電機控制系統和站用電系統之間的協同配合。

試驗結果表明：在發電機母線進線斷開后，發電機控制系統可在站內負荷清排后，快速啟動柴油發電機組，并在柴油發電機容量滿足后發送電制冷快速啟動指令；電制冷設備在斷電64 s后，恢復正常供冷。通過站內黑啟動，可在外部站用電源失去情況下，利用柴油發電機和電制冷設備的快速啟動功能，恢復站內負荷與IDC供冷。

2.3.2 IDC失電試驗

通過向電網申請，實際操作110 kV進線開關，真實模擬IDC外部電源消失情況，以測試整個分布式發電系統的整體協同控制。試驗內容為：兩回110 kV進線供電情況下的單回110 kV進線供電失去試驗（包括10 kV系統備自投動作和不動作2種情況）、110 kV進線供電全失情況下的黑啟動試驗。

（1）單回110 kV進線失電，變電站內10 kV備自投正確動作。

試驗前系統的運行方式如圖 3所示，兩回110 kV線路均處于運行情況，110 kV變電站處于“兩線帶兩變”的正常運行方式，110 kV和10 kV的分段母線的母聯開關均處于斷開位置；10 kV發電機母線通過主變受電帶站內電制冷負荷，發電機母線的母分開關斷開，內燃機和柴油發電機均未運行。

圖3 系統接線

試驗時，手動跳開1回110 kV線路，110 kV變電站內的10 kV備自投正確動作以恢復IDC供電。各分控制系統的動作行為如表2所示。通過分析可見，在單回市電失去情況下，若變電站系統備自投正確動作，則可快速恢復IDC的冷電負荷。

表2 各分系統的動作結果（單回110 kV進線失電，變電站內10 kV備自投正確動作）

（2）單回110 kV進線失電，變電站內10 kV備自投不動作。

試驗前的運行方式與前文所述相同，將110 kV變電站內的10 kV備自投由動作改為信號。

試驗時，手動跳開單回110 kV線路的進線開關Q2，此時變電站內的10 kV備自投由于改信號而不動作。發電機控制系統通過合上發電機母線的分段開關BTB2，實現負荷轉供（如圖4所示），各分控制系統的動作行為如表3所示。通過分析可見，在單回市電失去情況下，發電機母線的母聯開關BTB2可在備自投失敗的情況下，起到負荷轉供的功能，從而恢復IDC的冷電負荷。

（3）2路110 kV線路均失電。

為模擬全站市電情況，變電站110 kV系統采用“一線帶兩變”的運行方式，如圖5所示。在該系統運行方式下，110 kV的母分開關處于合位，站內負荷由單回110 kV進線提供，另一回進線的開關Q2處于斷開狀態。

圖4 利用發電機母線BTB2實現負荷轉供

表3 各分系統的動作結果（單回110 kV進線失電，變電站內10 kV備自投不動作）

圖5 110 kV系統“一線帶兩變”運行模式

試驗時手動跳開110 kV進線開關Q1，變電站全站失電（記為0 s）。分布式能源的控制系統在檢測到變電站失電后，開始控制進入黑啟動程序，其試驗記錄如表4所示。在失電46.86 s后，所有柴油發電機組并至發電機母線；電制冷設備在68.92 s快速啟動成功；IDC的電負荷在155.42 s后恢復正常供應。

表4 各分系統的動作結果（2路110 kV線路均失電）

柴油發電機組黑啟動成功，在IDC負荷穩定運行30 min后，恢復110 kV電源。開展發電機組同期與外部電源的并網試驗，試驗結果表明，在發出并網指令13.56 s后，柴油發電機組可同步并網至外部市電，并隨后正確解列，冷卻停機。

試驗結果表明，在外部市電全部失去后，通過各分系統之間的協同控制，可在2 min 40 s內恢復IDC的冷熱負荷供應，該時間小于預期要求的5 min。

3 問題與討論

分布式發電系統控制涉及電源、電網、負荷以及站用電等多個系統之間的協同配合，其測試工作點多面廣、難度較大。在現場開展聯調測試工作的試驗條件和試驗時間均有限制，該工作僅能驗證各分系統的基本控制策略，難以全面細致地驗證邏輯細節。

對此，可考慮構建仿真測試環境來模擬分布式發電系統的一次電氣設備，對控制保護系統，特別是針對核心的發電機控制系統開展仿真試驗，以充分驗證控制保護邏輯的有效性和正確性。

4 結語

本文論述了分布式發電保護控制系統的調試方案與測試結果。為實現分布式發電系統的網-源-荷協同配合，遵循“由簡至繁、循序漸進”的原則，設計并開展了分布式發電系統保護控制的調試工作：分別開展110 kV變電站、分布式電源（包括柴油發電機和內燃機）、IDC（含UPS和站內電源切換裝置）和站用電系統（含電制冷設備）等分系統的單獨調試；在此基礎上，分步開展分系統之間的集成測試；最后通過實際切除外部市電，開展黑啟動測試。結果表明，在外部市電全失后，分布式發電系統可在2 min 40 s內恢復IDC的供電和制冷，從而確保IDC的穩定可靠運行。