基于母管分系統(tǒng)控制的分布式能源站全自動運行

姚洋陽，邱亞鳴，胡 靜，朱 冬，陸裔晨，張 軍

（1.上海明華電力科技有限公司，上海 200090；2.上海電力綠色能源有限公司，上海 200120）

0 引言

現(xiàn)今城市環(huán)境問題日益突出，霧霾頻發(fā)，發(fā)展低碳經(jīng)濟刻不容緩[1]。分布式能源多采用天然氣、光能等清潔能源或可再生能源作為原動力，具有清潔環(huán)保、安裝運營靈活等特點，是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要措施，同時也彌補了傳統(tǒng)電網(wǎng)集中式供能的不足[2-4]。近年來，隨著微型、小型動力技術(shù)及余熱利用技術(shù)的逐漸突破，分布式能源得到廣泛的關(guān)注[5]。分布式能源可以實現(xiàn)能源的梯級利用，通過耦合各類能源和轉(zhuǎn)換設(shè)備，實現(xiàn)能源的互補，冷熱電三聯(lián)供是目前分布式能源站最常采用的多能互補方式[6-7]。為提高能源站的自動化水平，減輕運行人員負擔，提出了“無人值班，少人值守”的管理理念，對分布式能源控制系統(tǒng)提出了更高的要求，實現(xiàn)分布式能源站“全自動運行”成為亟待解決的問題[8-9]。

目前，對多能互補分布式能源站“全自動運行”策略的研究主要集中在負荷預(yù)測與負荷分配運行策略方面。羅必雄通過對分布式能源站系統(tǒng)集成和優(yōu)化運行控制策略的研究，提出了分布式能源站在經(jīng)濟工況下的有效運行方案，為能源站的全自動運行提供了強有力的支持，但缺乏實踐的檢驗[10]。崔瓊等歸納總結(jié)了分布式能源系統(tǒng)容量配置及優(yōu)化調(diào)度的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，為后續(xù)優(yōu)化運行研究提供了重要參考[11]。王禹等建立了分布式能源協(xié)同運行優(yōu)化模型，綜合考慮設(shè)備約束和系統(tǒng)約束、運行成本和環(huán)境成本，采用改進粒子群優(yōu)化算法求解最優(yōu)運行策略，但并沒有對運行策略在能源站的實現(xiàn)進行深入研究[12]。目前在分布式能源設(shè)備控制層對協(xié)調(diào)控制最優(yōu)運行策略進行實施的研究不足。邱亞鳴等研究并實施了基于西門子PCS7 控制系統(tǒng)的分布式能源站自動控制方案，但該方法需要人工干預(yù)的流程較多，順控過程中出現(xiàn)故障之后無法自行修復(fù)，系統(tǒng)運行靈活性不足[13]。張愛平等研究了子系統(tǒng)所需要的程控，提出了一鍵啟停的初步方案，但其設(shè)備數(shù)量較少，設(shè)備類型不多，采用枚舉法進行全自動控制，不具備普適性[14]。與傳統(tǒng)火電、燃機電廠相比，分布式能源站主機設(shè)備多元性強，供能方式更靈活，及時有效地全自動執(zhí)行優(yōu)化運行策略是提升分布式能源經(jīng)濟性的關(guān)鍵所在[15-19]。

本文以前灘分布式能源站為對象，提出了一種全自動運行的解決方案，重點解決了分布式能源站母管制系統(tǒng)下設(shè)備全自動運行控制問題。

1 前灘天然氣分布式能源站系統(tǒng)介紹

前灘分布式能源站采用冷熱電三聯(lián)供的制能形式，利用天然氣驅(qū)動內(nèi)燃機供電，再通過各種余熱利用設(shè)備對余熱進行回收利用。分布式能源站核心供能設(shè)備配置情況如表1 所示，能源站供能設(shè)備較多，給能源站全自動控制增加了難度。

如圖1 所示，以大冷機制冷工況為例介紹前灘母管制系統(tǒng)，大冷機、一次泵、冷卻泵、冷卻塔風機各自組成自己的母管分系統(tǒng)，母管制系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，同時其運行靈活，有利于設(shè)備檢修。當母管分系統(tǒng)中有部分設(shè)備不具備啟動條件時，可以啟動分系統(tǒng)中的其余設(shè)備，以保證各輔機母管分系統(tǒng)運行情況滿足主機設(shè)備母管分系統(tǒng)運行要求，比如冷凍水、冷卻水流量滿足，冷卻水回水溫度滿足等。

母管制設(shè)計增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也提高了控制難度，前灘能源站的大、小冷機和風冷熱泵等制能設(shè)備，及其附屬的一次泵、二次泵、冷卻塔等輔機均采取母管制運行策略，程控無法采用簡單的單元制控制方式，且在系統(tǒng)運行過程中隨時可能會出現(xiàn)設(shè)備故障、流量不足或者溫度過高（過低）等異常情況，因此不能僅靠程控來實現(xiàn)能源站的全自動運行，還需在程控指令的基礎(chǔ)上，實時監(jiān)測系統(tǒng)運行參數(shù)，及時對運行設(shè)備進行調(diào)整，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

表1 前灘分布式能源站核心供能設(shè)備配置

圖1 大冷機制冷工況母管制工藝流程

2 基于母管分系統(tǒng)控制的能源站全自動運行策略

本文研究了一種基于母管分系統(tǒng)控制的分布式能源站全自動運行策略，控制目標圍繞所需運行的設(shè)備臺數(shù)展開，為了綜合考慮負荷分配系統(tǒng)需求及運行過程中異常狀況出現(xiàn)的情況，分為程控自動控制和參數(shù)監(jiān)測臺數(shù)控制兩套系統(tǒng)對運行臺數(shù)進行控制。能源站全自動控制系統(tǒng)框架如圖2 所示，綜合考慮了程控及參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖臺數(shù)計算系統(tǒng)對設(shè)備運行臺數(shù)的需求，將需求發(fā)送給母管設(shè)備臺數(shù)控制系統(tǒng)，由其對相應(yīng)的母管設(shè)備進行啟停控制，使各母管分系統(tǒng)運行設(shè)備臺數(shù)滿足需求。

程控主要接收來自負荷分配系統(tǒng)下發(fā)的優(yōu)化運行指令，包括各供能程控運行的套數(shù)及運行時間段，在程控系統(tǒng)執(zhí)行過程中，根據(jù)當前執(zhí)行步驟的需要，將所需運行的設(shè)備臺數(shù)送到當前需要執(zhí)行命令的母管設(shè)備臺數(shù)控制分系統(tǒng)，由母管設(shè)備臺數(shù)控制系統(tǒng)對相應(yīng)設(shè)備發(fā)出啟停指令。

參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖臺數(shù)計算系統(tǒng)主要用來接收壓力、溫度、流量等參數(shù)，在運行過程中，需要根據(jù)參數(shù)波動實時進行運行設(shè)備調(diào)整，參數(shù)監(jiān)測臺數(shù)控制系統(tǒng)可以實時計算出需要各母管分系統(tǒng)增減運行設(shè)備的臺數(shù)，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。例如，當冷凍水、冷卻水流量不足時，可以實時計算出一次泵和冷卻泵需要增運的臺數(shù)，并發(fā)送相應(yīng)啟動指令投運。

目前市面上的控制系統(tǒng)沒有針對分布式能源站多臺設(shè)備的控制模塊，無法很好地進行母管制多臺設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制。因此，基于SCL 編程語言自定義開發(fā)了母管設(shè)備臺數(shù)控制模塊與參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖臺數(shù)計算模塊，進而實現(xiàn)了分布式能源站母管制系統(tǒng)設(shè)備運行臺數(shù)的全自動控制。

2.1 程控自動控制運行策略

全自動控制的主體是程控控制，程控需要接收來自負荷分配系統(tǒng)的信息并進行判斷分析，最終發(fā)出啟停指令。前灘分布式能源站負荷分配系統(tǒng)以單日運行成本最低為目標，分別給出峰谷平時間段各系統(tǒng)需運行的套數(shù)及其運行時長，DCS（分散控制系統(tǒng)）則根據(jù)接收到的運行套數(shù)和運行時長信息，實現(xiàn)能源站的全自動運行。

能源站程控自動控制流程如圖3 所示，各供能程控系統(tǒng)均實時監(jiān)測負荷分配系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，當?shù)竭_自身供能時間段時，實時判斷現(xiàn)運行系統(tǒng)套數(shù)與所需要套數(shù)之間的關(guān)系。圖3 中，M表示所需要該供能系統(tǒng)運行的套數(shù)，m 表征該系統(tǒng)正在運行的套數(shù)（若現(xiàn)在需要的是大冷機供冷系統(tǒng)，則1 臺大冷機供冷環(huán)路成為1 套系統(tǒng)，以此類推）。

當M＞m 時，現(xiàn)供能能力不足以滿足供能需求，需要增加主機運行臺數(shù)以提高供能出力，在啟動主機之前先確認運行工況，若工況未切換，則先運行工況切換程控，待工況切換完成之后運行相應(yīng)供能系統(tǒng)啟動程控。在供能程控運行過程中，每一組母管分系統(tǒng)設(shè)備對應(yīng)一個“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊，按照啟動工藝流程，當需要啟動某母管分系統(tǒng)設(shè)備時，“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊會對相應(yīng)設(shè)備發(fā)出啟動指令，等待該母管分系統(tǒng)設(shè)備啟動完成之后再運行程控下一步操作，直至程控結(jié)束，供能系統(tǒng)運行套數(shù)滿足所需要求。

當M＜m 時，現(xiàn)運行供能能力超過供能需求，需要減少主機運行臺數(shù)降低供能出力節(jié)約能源，此時自動運行供能系統(tǒng)停止程控，按照停止工藝流程，當需要停止某母管分系統(tǒng)設(shè)備時，該母管分系統(tǒng)對應(yīng)的“母管設(shè)備臺數(shù)控制”會向相應(yīng)的設(shè)備發(fā)出停止指令，等待該母管分系統(tǒng)設(shè)備停止完成之后再運行程控下一步操作，直至程控結(jié)束，供能系統(tǒng)運行套數(shù)滿足所需要求。

圖2 能源站全自動控制框架

程控控制流程按照工藝流程設(shè)計，只是在對主、輔機進行啟停操作時將需要的運行設(shè)備臺數(shù)傳送給對應(yīng)的“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊，由母管設(shè)備臺數(shù)控制系統(tǒng)進行設(shè)備啟停操作，從而實現(xiàn)單套程控程序同時啟停多套供能設(shè)備的功能。

2.2 參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖增減運行設(shè)備臺數(shù)控制策略

能源站運行過程中，難免會出現(xiàn)流量不足、壓力過低、溫度不滿足或設(shè)備故障等情況，“參數(shù)監(jiān)測臺數(shù)控制”功能塊可以在程控的基礎(chǔ)上，實時計算各母管分系統(tǒng)所需增減的運行設(shè)備臺數(shù)，將該增減臺數(shù)指令傳送給對應(yīng)的“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊，保證系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定。

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)實時計算得到設(shè)備所需增減臺數(shù)，功能通過編寫邏輯代碼實現(xiàn)，輸入的參數(shù)有：監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備臺數(shù)、高參數(shù)定值、低參數(shù)定值、高定值監(jiān)測周期、低定值監(jiān)測周期、增減模式選擇和復(fù)位，輸出參數(shù)為所需運行設(shè)備變化臺數(shù)。

該“參數(shù)監(jiān)測聯(lián)閉鎖臺數(shù)計算”功能塊有兩種增減模式選擇。在模式1 的情況下，監(jiān)測參數(shù)高于高定值時需要減少運行臺數(shù)，低于低定值時需要增加運行臺數(shù)，適用于冷凍水、冷卻水母管流量等控制；在模式2 的情況下，監(jiān)測參數(shù)高于高定值時需要增加運行臺數(shù)，低于低定值時需要減少臺數(shù)，適用于冷卻塔回水溫度等的控制。

“參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖臺數(shù)計算”功能塊運行流程如圖4 所示，以模式1 為例，“所需運行設(shè)備變化臺數(shù)”原始值為0，即不需要增減運行設(shè)備臺數(shù)。當監(jiān)測參數(shù)小于低定值時“所需運行設(shè)備變化臺數(shù)”開始計數(shù)，一個低定值周期后若監(jiān)測參數(shù)仍小于低定值，則“所需運行設(shè)備變化臺數(shù)”加1，以此類推，若下一個低定值周期后監(jiān)測參數(shù)仍小于低定值，則“所需運行設(shè)備變化臺數(shù)”再加1。“所需運行設(shè)備變化臺數(shù)”增加臺數(shù)的上限為總臺數(shù)減去已運行臺數(shù)。

同理，當監(jiān)測參數(shù)大于高定值，一個高定值周期后若監(jiān)測參數(shù)仍大于低定值，則“所需運行設(shè)備變化臺數(shù)”減1，以此類推，若下一個高定值周期后監(jiān)測參數(shù)仍大于低定值，則“所需運行設(shè)備變化臺數(shù)”再減1。“所需運行設(shè)備變化臺數(shù)”減少臺數(shù)的上限為已運行臺數(shù)。

圖3 能源站程控自動控制流程

“參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖臺數(shù)計算”功能塊的復(fù)位引腳用于輸出復(fù)位，當給復(fù)位引腳置1 后，輸出的“所需運行設(shè)備變化臺數(shù)”賦0；當復(fù)位引腳重新置0 后，繼續(xù)進行聯(lián)（閉）鎖臺數(shù)運算。

2.3 母管設(shè)備臺數(shù)控制策略

分布式能源站母管制系統(tǒng)中可運行設(shè)備數(shù)量較多，為準確啟停設(shè)備，設(shè)計了優(yōu)先級系統(tǒng)，具體分為手動優(yōu)先級和自動優(yōu)先級兩套系統(tǒng)，運行人員可以通過控制畫面進行優(yōu)先級系統(tǒng)切換。手動優(yōu)先級由運行人員通過運行畫面設(shè)定，根據(jù)設(shè)備總臺數(shù)進行定義，如風冷熱泵有21 臺，則每臺風冷熱泵的優(yōu)先級可設(shè)置為1～21 的任一非重復(fù)整數(shù)，且內(nèi)部設(shè)計了優(yōu)先級閉鎖邏輯，保證設(shè)備優(yōu)先級不會重復(fù)。自動優(yōu)先級由控制系統(tǒng)自動判斷定義，根據(jù)設(shè)備運行時長進行排序。若設(shè)備總臺數(shù)為N，則運行時長最短的設(shè)備為優(yōu)先級1，以此類推，運行時長最長的設(shè)備為優(yōu)先級N，每臺設(shè)備的優(yōu)先級均為1～N 的不等整數(shù)。

本文基于SCL 語言編譯“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊，為程控控制及參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖增減運行設(shè)備臺數(shù)控制提供設(shè)備管理服務(wù)，接收兩者發(fā)出的臺數(shù)控制信息，進行相應(yīng)設(shè)備的啟停操作，實現(xiàn)能源站的全自動控制。

“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊輸入、輸出參數(shù)如表2 所示。

母管設(shè)備控制策略如圖5 所示，當運行設(shè)備臺數(shù)大于需要的臺數(shù)（N＞NNeed）時，“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊可以綜合評估各設(shè)備的優(yōu)先級、設(shè)備運行狀態(tài)和停止允許條件，給具備停止允許條件且運行中的優(yōu)先級最大的N-NNeed 臺設(shè)備發(fā)送停止指令信號，直至設(shè)備運行臺數(shù)等于所需要的設(shè)備臺數(shù)（N=NNeed）；當設(shè)備運行臺數(shù)等于需要的臺數(shù)（N=NNeed）時，不發(fā)出啟動或停止指令，設(shè)備維持現(xiàn)狀運行；當系統(tǒng)檢測到設(shè)備臺數(shù)小于需要的臺數(shù)（N＜NNeed）時，“母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊通過對各設(shè)備的優(yōu)先級、運行狀態(tài)和啟動允許條件進行綜合判斷，給具備啟動允許條件且停運中的優(yōu)先級最小的NNeed-N 臺設(shè)備發(fā)送啟動指令信號，直至設(shè)備運行臺數(shù)等于所需要的設(shè)備臺數(shù)（N=NNeed），為防止同一電氣母線上的設(shè)備同時啟動造成瞬時電流過載，引起線路故障，每兩個相鄰啟動指令間隔3 s 發(fā)出。

表2 “母管設(shè)備臺數(shù)控制”模塊接口清單

圖4 參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖增減運行設(shè)備臺數(shù)控制策略

3 運行案例分析

3.1 程控自動控制運行案例分析

以空氣源熱泵制冷工況為例，將空氣源制冷程控相關(guān)設(shè)備均切換至自動模式，初始狀態(tài)下空氣源熱泵均在停止狀態(tài)，通過負荷分配系統(tǒng)給定空氣源熱泵制冷在13:00—13:30 需要運行3 套，空氣源熱泵制冷程控監(jiān)測到運行臺數(shù)不足之后自動啟動，按照工藝流程，先進行空氣源熱泵制冷工況切換，之后開啟滿足要求的空氣源熱泵進口閥門，進口閥開到位之后啟動空氣源熱泵一次泵，當冷凍水流量滿足空氣源熱泵啟動條件之后，啟動優(yōu)先級較低且滿足啟動條件的3 臺空氣源熱泵。在程控運行過程中，若存在空氣源熱泵啟動失敗的情況，則關(guān)閉該空氣源熱泵進口閥，并尋找下一個優(yōu)先級設(shè)備，向進口閥和空氣源熱泵發(fā)送啟動指令，直到3 套空氣源熱泵啟動完畢。程控過程如圖6 所示。

3.2 參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖增減運行設(shè)備臺數(shù)控制案例分析

圖5 母管設(shè)備臺數(shù)控制策略

圖6 空氣源熱泵制冷程控過程母管設(shè)備運行臺數(shù)變化情況

圖7 空氣源熱泵冷凍水流量不足時一次泵運行臺數(shù)變化情況

以空氣源熱泵制冷時冷凍水流量監(jiān)測為例，通過后臺程序模擬3 臺空氣源熱泵在運行狀態(tài)，進行流量監(jiān)測閉鎖一次泵運行臺數(shù)試驗，設(shè)置冷凍水流量為290 t/h，低于空氣源熱泵冷凍水流量監(jiān)測低值300 t/h，在監(jiān)測到冷凍水流量不足后一次泵運行臺數(shù)變化情況如圖7 所示，一個低定值周期60 s 后，冷凍水流量不足，開啟一臺備用一次泵，繼續(xù)強制冷凍水流量不足，此后，每60 s就會啟動一臺備用一次泵，直到4 臺空氣源熱泵一次泵全部開啟。

4 結(jié)語

分布式供能近年來發(fā)展迅速，其設(shè)備數(shù)量較多，考慮到運行的安全性多采用母管制設(shè)計，然而現(xiàn)在市面上并沒有非常契合分布式能源的DCS系統(tǒng)，本文基于西門子PCS7 系統(tǒng)，開發(fā)了“參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖臺數(shù)計算”與“母管設(shè)備臺數(shù)控制”的自定義模塊，提出了一種基于母管分系統(tǒng)控制方法的全自動控制策略，控制系統(tǒng)可以按照負荷分配要求利用程控啟停相關(guān)供能系統(tǒng)，并利用參數(shù)監(jiān)測聯(lián)（閉）鎖臺數(shù)控制系統(tǒng)對相關(guān)運行參數(shù)進行實時監(jiān)控，并及時作出調(diào)整，對設(shè)備故障等引起的緊急情況可以及時補救。經(jīng)試驗表明，西門子PCS7 控制平臺開發(fā)的自定義功能塊，能夠?qū)崟r接收來自能源站負荷分配系統(tǒng)計算得到的分時段設(shè)備運行臺數(shù)指令，自動進行工況切換且實時調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)，在控制層真正實現(xiàn)了分布式能源站設(shè)備的全自動啟停控制功能，離能源站“無人值班，少人值守”的運行目標更進一步。