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新聞主題 |
柴油發(fā)電機組的冗余并機和通信應用 |
摘要：康明斯柴油發(fā)電機組針對數據中心、船舶、石油等行業(yè)的高要求，高可靠性應用場(chǎng)景而設計的冗余控制系統，是冗余控制一體化的有效解決方案?？梢钥刂葡淠＝M的形式直接交付給客戶(hù)，控制箱內部集成了兩臺定制的柴油發(fā)電機組控制模塊，以及相應的保護和冗余硬件配置?？蛻?hù)只需按照普通單臺機組控制模塊的方式接線(xiàn)使用即可，無(wú)需考慮兩臺柴油發(fā)電機組之間如何控制/切換。
一、并機系統工作原理
并機系統是整個(gè)柴油發(fā)電機組集群的控制中樞，負責各機組的狀態(tài)、參數的監測、調整和控制，同時(shí)為機組提供必要的保護功能。并機系統的可靠性直接決定了柴發(fā)系統是否能夠可靠、穩定、高效地提供電能。
1、并機控制器的通訊拓撲
目前柴發(fā)并機系統多為分散控制系統（DCS），系統穩定性在很大程度上由其控制器的通訊拓撲決定。常見(jiàn)的拓撲有如下三種：
（1）星型拓撲
如圖1所示，星型拓撲以中央節點(diǎn)為中心，并用單獨的線(xiàn)路使中央節點(diǎn)與其他節點(diǎn)相連接，相鄰節點(diǎn)間的通信必須通過(guò)中心節點(diǎn)，所以中央節點(diǎn)故障會(huì )導致整個(gè)系統失效，單點(diǎn)隱患較為嚴重。另外，若其他節點(diǎn)與中央節點(diǎn)之間的線(xiàn)路中斷，也會(huì )導致該節點(diǎn)離線(xiàn)，喪失功能。
（2）環(huán)型拓撲
如圖2所示，環(huán)型拓撲較為簡(jiǎn)單，各個(gè)控制器通過(guò)線(xiàn)纜連接起來(lái)，最后形成一個(gè)閉環(huán)?？蓪?shí)現各節點(diǎn)的自舉控制，任意節點(diǎn)故障或者連線(xiàn)中斷都不會(huì )影響系統的整體功能。不過(guò)要注意節點(diǎn)之間的通訊方向和控制策略，若節點(diǎn)間僅能單向通訊，則任一節點(diǎn)的離線(xiàn)都會(huì )導致系統的失效。
（3）總線(xiàn)拓撲
如圖3所示，總線(xiàn)拓撲使用一條主線(xiàn)纜串接所有的節點(diǎn)，所有接入總線(xiàn)的節點(diǎn)都擁有平等的優(yōu)先權，可實(shí)現各節點(diǎn)的自舉控制。任一節點(diǎn)故障只會(huì )導致該節點(diǎn)離線(xiàn)，不會(huì )對系統的整體功能產(chǎn)生影響。但總線(xiàn)中斷會(huì )導致系統解體，甚至完全失效。
2、并機控制的方式
目前常用的柴發(fā)并機系統的同步控制實(shí)現方式有以下兩種：
（1）通過(guò)機組自帶控制器實(shí)現并機同步控制：
此類(lèi)系統中機組控制器不僅承擔了發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機的監測、調節、控制、保護功能，還承擔了機組并機的監測、控制、保護功能，包含各機組之間的同步（頻率、相位、幅值調節）、以及機組與外部并機柜的分合閘控制及保護；此種方式下，系統較為簡(jiǎn)單，機組自帶控制器不僅實(shí)現了機組自身保護，更是避免單機故障時(shí)影響系統整體可靠性的關(guān)鍵?？刂圃砣鐖D4所示。
（2）通過(guò)外部并機控制器實(shí)現并機同步控制（即常說(shuō)的并機分控柜）：
此類(lèi)系統中機組控制器僅承擔發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機的監測、調節、控制、保護功能，而機組并機的監測、控制、保護功能則由外部并機控制器負責，包含各機組之間的同步（頻率、相位、幅值調節）、以及機組與外部并機柜的分合閘控制及保護。此種方式下機組狀態(tài)控制與并機同步控制分別由機組控制器和并機控制器實(shí)現，而并機控制器則是避免單機故障時(shí)影響系統整體可靠性的關(guān)鍵。
3、并機系統的保護配置
為確保柴發(fā)系統保護的全面、可靠及有效，并機系統通常與并機柜共同承擔了保護功能，常見(jiàn)的保護功能如下：
（1）與并機同步邏輯無(wú)關(guān)的保護
① 柴發(fā)機組并機控制器根據采集的電量信號（如電壓、電流、功率、頻率等）和非電量信號（如機油溫度、機油壓力、燃油壓力、冷卻液溫度等）作為保護判據，比如單機故障時(shí)的保護；
② 并機柜根據采集的電量信號（如電壓、電流、頻率等）作為保護判據，比如一段、二段過(guò)流，差動(dòng)保護等，以及非電量信號（如由柴發(fā)機組并機控制器提供的故障聯(lián)動(dòng)信號等），比如短路故障時(shí)的保護。
（2）與并機同步邏輯相關(guān)的保護
① 柴發(fā)機組并機控制器根據采集的電量信號（如電流方向、功率方向等）作為保護判據，比如柴發(fā)機組失去同步時(shí)的保護；
② 柴發(fā)機組并機控制器根據采集的非電量信號（如各臺機組的通訊信號）作為保護判據，比如控制器通訊丟失后機組切除異常機組的保護；
③ 并機柜根據采集的電量信號（如電流方向、功率方向等）和非電量信號（如由柴發(fā)機組提供的失壓聯(lián)動(dòng)信號等）作為保護判據。
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圖1 柴油發(fā)電機組并聯(lián)系統星型拓撲圖 |
圖2 柴油發(fā)電機組并聯(lián)系統環(huán)型拓撲圖 |
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圖3 柴油發(fā)電機組并聯(lián)系統總線(xiàn)拓撲圖 |
圖4 柴油發(fā)電機組并聯(lián)控制方式（自帶控制器） |
二、并機系統的應用
1、冗余應用
如圖5所示為康明斯電力技術(shù)有限公司柴油發(fā)電機組并機冗余控制系統。
（1）主、備控制器互為熱備用冗余配置
主、備控制器互為熱備用冗余配置，主控制器故障時(shí)，另外一臺柴油發(fā)電機組的控制器會(huì )自動(dòng)無(wú)縫接管柴油發(fā)電機組并機控制所有功能，接管過(guò)渡期間不會(huì )影響運行柴油發(fā)電機組的控制、保護、帶載響應等關(guān)鍵性能。
（2）控制總線(xiàn)冗余配置
主、備控制器均采用雙CANBUS總線(xiàn)加模擬量負載分配總線(xiàn)三保險配置進(jìn)行功率管理等功能，CANBUS總線(xiàn)冗余，當一條CANBUS總線(xiàn)出現故障中斷時(shí)，另外一條總線(xiàn)無(wú)縫接管柴油發(fā)電機組并機控制所有功能，雙總線(xiàn)故障，模擬量總線(xiàn)接管柴油發(fā)電機組并機控制所有功能，接管過(guò)渡期間不會(huì )影響運行柴油發(fā)電機組的控制、保護、帶載響應等關(guān)鍵性能。
（3）控制器的信號冗余配置
主、備控制器的輸入輸出線(xiàn)路均采用開(kāi)關(guān)量的形式進(jìn)行隔離，調壓信號采用開(kāi)關(guān)量并聯(lián)，調速信號采用雙CANBUS線(xiàn)，兩個(gè)控制器的信號是獨立的，具備防火墻隔離功能，每臺柴油發(fā)電機組配套的兩個(gè)并機控制器其中任何一個(gè)出現故障甚至出現短路，線(xiàn)路燒損等嚴重故障，完全不會(huì )影響另外一個(gè)控制器的功能實(shí)現。
（4）檢測控制線(xiàn)路冗余
如圖6所示，線(xiàn)路1和線(xiàn)路2分別獨立為主、備模塊的電壓檢測線(xiàn)；線(xiàn)路3和線(xiàn)路4分別獨立為主、備模塊的斷路器合、分控制線(xiàn)；線(xiàn)路5和線(xiàn)路6分別獨立為主、備模塊的發(fā)動(dòng)機ECU數據檢測線(xiàn)；線(xiàn)路7和線(xiàn)路8分別獨立為主、備模塊的發(fā)電機電壓、電流信號檢測線(xiàn)。
（5）負載分配線(xiàn)路冗余
柴油發(fā)電機組之間優(yōu)先通過(guò)CANBUS 進(jìn)行負載分配管理，一旦該通信線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)內部配置的IOM230模塊進(jìn)行模擬量負載分配管理
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圖5 兩臺柴油發(fā)電機組冗余控制系統 |
圖6 兩臺柴油發(fā)電機組冗余控制系統接線(xiàn)圖 |
2、 通信應用
柴油發(fā)電機組控制系統主要的通信在工業(yè)控制、電力通信、智能儀表等領(lǐng)域，通常情況下是采用串口通信的方式進(jìn)行數據交換。柴油發(fā)電機組行業(yè)也不例外，最初采用的方式是RS232接口，由于工業(yè)現場(chǎng)比較復雜，各種電氣設備會(huì )在環(huán)境中產(chǎn)生比較多的電磁干擾，會(huì )導致信號傳輸錯誤。除此之外，RS232接口只能實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，最大傳輸距離只有十幾米，不能滿(mǎn)足遠距離通信要求。而RS485數據信號采用差分傳輸方式，可以有效地解決共模干擾問(wèn)題，最大傳送距離可達1200m，并且允許多個(gè)收發(fā)設備接到同一條總線(xiàn)上。
RS485采用半雙工通信方式，數據可以進(jìn)行雙向傳送，同一時(shí)刻，只能發(fā)送數據或者接收數據。波特率一般設置9600，對于單個(gè)柴油發(fā)電機組設備的監控還是能夠適用，如果應用于多臺柴油發(fā)電機組且有距離較遠的項目，這種方式就遠遠不夠。這時(shí)就需要采用工業(yè)以太網(wǎng)的形式進(jìn)行。主流的柴油發(fā)電機組控制模塊一般都配置有RJ45端口，能夠供遠程上位機通過(guò)MODBUS TCP/IP協(xié)議進(jìn)行監控。采用工業(yè)以太網(wǎng)監控方式最大的優(yōu)點(diǎn)就傳輸速率快，滿(mǎn)足多臺柴油發(fā)電機組構成的總線(xiàn)結構進(jìn)行監控。
柴油發(fā)電機組自動(dòng)控制屏一般默認配置RS485通信端口，通信線(xiàn)需要在現場(chǎng)鋪設，有時(shí)候上位機不能采集到柴油發(fā)電機組的數據，可以采用以下方法進(jìn)行逐一判斷：
（1）檢查控制模塊設備地址，波特率；
（2）檢查RS485通信線(xiàn)A、B是否接反，如果距離遠，注意首尾兩端加裝120Ω電阻；
（3）確定通信線(xiàn)完好無(wú)斷線(xiàn)現象。推薦采用屏蔽雙絞線(xiàn)，屏蔽層接地；
（4）以上檢查完好沒(méi)有問(wèn)題，用計算機的串口通信測試工具對端口進(jìn)行測試。
3、快速并機應用
在一些特殊項目中，往往要求柴油發(fā)電機組在15s內為負載提供電源。單組應用中這是很容易實(shí)現的。然而，一些大的項目中往往并不是僅僅滿(mǎn)足于一臺柴油發(fā)電機組的在線(xiàn)運行，多臺發(fā)電機并聯(lián)為負載提供電源往往成為常態(tài)。多臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)且要求比較短的時(shí)間內為負載供電的快速并機應用采用“dead bus”的方案。
在柴油發(fā)電機組開(kāi)始之前，負載開(kāi)關(guān)閉合。斷路器的控制電源采用直流控制。交流發(fā)電機的勵磁通過(guò)控制模塊進(jìn)行控制，柴油發(fā)電機組啟動(dòng)前，發(fā)電機勵磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，柴油發(fā)電機組參數滿(mǎn)足控制模塊設置值時(shí)，勵磁開(kāi)關(guān)閉合，柴油發(fā)電機組輸出電壓。該類(lèi)型柴油發(fā)電機組特點(diǎn)：
（1）不需要發(fā)電機同步和等待所有的柴油發(fā)電機組同步到一個(gè)母排上。
（2）從啟動(dòng)命令8～10s后系統應具有滿(mǎn)負載的帶負載能力。
（3）系統運行在UPS是比較理想的方案。
（4）不允許停電的項目（醫院，數據中心）。
（5）軟勵磁減壓系統。
4、與電網(wǎng)并聯(lián)應用
（1）單機并市電
市電故障GCB分閘（自動(dòng)模式下），市電故障，GCB不能合閘，不許孤島運行；控制GCB開(kāi)關(guān)同步/合閘，不控制市電開(kāi)關(guān)MCB；負載功率控制，或輸入/輸出功率控制。
（2）多機并聯(lián)
控制MCB反向同步，市電控制系統控制GCB同步/合閘/分閘；不并市網(wǎng)時(shí)，柴油發(fā)電機組負載分配，采用柴油發(fā)電機組并機的功率管理模式；當與市網(wǎng)并聯(lián)運行時(shí)，市電控制系統控制柴油發(fā)電機組多種功率控制，基數負載、輸入/輸出，外部控制功率，模擬量信號控制功率；遠程干接點(diǎn)遠程啟動(dòng)或市電故障自啟動(dòng)。
總結：
在柴油發(fā)電機行業(yè)，術(shù)語(yǔ)“并聯(lián)發(fā)電機”通常是指2臺或更多物理上相互連接的柴油發(fā)電機組，并且發(fā)電機的電力輸出同步并連接到公共電源。主配電板上的總線(xiàn)。這會(huì )創(chuàng )建一個(gè)管道，允許將組合的電力輸出輸送到設施。為了實(shí)現并聯(lián)同步，連接的發(fā)電機必須在多個(gè)規格上相互匹配，包括節距、電壓、相位和頻率。隨著(zhù)現代技術(shù)的進(jìn)步，并聯(lián)發(fā)電機系統比以往任何時(shí)候都更好。正如我們在此討論的，它們可以為電力至關(guān)重要的成長(cháng)型企業(yè)提供一些真正的優(yōu)勢。此外，這些系統現在很容易獲得，相對容易控制，并且可以以最少的初始投資快速部署。
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