燃氣分布式能源站電氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

陳靖，張希，杜炬虎，劉靜

(1.中國華電科工集團有限公司，北京 100160；2.華電分布式能源工程技術(shù)有限公司，北京 100160)

0 引言

天然氣分布式能源是指利用天然氣為燃料，通過冷、熱、電三聯(lián)供等方式實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，并在負荷中心就近實現(xiàn)的能源供應(yīng)方式[1-4]。具有投資省、損耗低、能源種類多樣化、污染少等優(yōu)點[5-7]。能有效解決我國的能源和環(huán)境問題，面臨巨大發(fā)展機遇[8]。與智能微電網(wǎng)融合，帶動智能冷熱氣網(wǎng)發(fā)展，開展配售電和能源綜合服務(wù)業(yè)務(wù)，是未來天然氣分布式能源的重要發(fā)展方向[9-10]。

針對20 MW及以上機組需經(jīng)升壓變壓器升壓后接入電網(wǎng)，電氣控制較復(fù)雜，升壓站部分應(yīng)單獨配置計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對電氣設(shè)備的監(jiān)控及電氣參數(shù)的監(jiān)測，滿足電網(wǎng)調(diào)度自動化要求。而發(fā)電機和站用電的監(jiān)控通常納入分散控制系統(tǒng)(DCS)[11-12]。這種控制方式存在如下問題：將發(fā)電系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)與升壓站系統(tǒng)、接入系統(tǒng)完全分割成2個獨立的系統(tǒng)，主機/操作員站分別設(shè)置，由于發(fā)電系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)與升壓站系統(tǒng)、接入系統(tǒng)緊密相關(guān)，因此由2個獨立的系統(tǒng)來控制會給電氣專業(yè)運行人員帶來很大不便。

此外，DCS側(cè)重于汽輪機和鍋爐的控制，對電氣尤其是發(fā)電系統(tǒng)中的電氣數(shù)據(jù)考慮較少，控制較為簡單。而電氣設(shè)備的繼電保護和安全自動裝置對準確性要求非常高，任何疏忽和失誤都可能造成非常嚴重的后果，要求的動作速度也非?？靃13-15]。另外隨著售電業(yè)務(wù)的放開，分布式能源所發(fā)電力將直供用戶，配售電部分也應(yīng)納入分布式能源站的電氣監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)有的控制方式尚未考慮配售電系統(tǒng)的監(jiān)視與管理。

圖1 分布式能源站電氣監(jiān)控系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of an electrical control system in a gas distributed energy station

因此，本文提出一種天然氣分布式能源站的電氣監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有的分布式能源站電氣控制方式存在的不足，采用一體化的設(shè)計方案，將發(fā)電系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)與升壓站系統(tǒng)、遠動通信系統(tǒng)、配售電系統(tǒng)有效集成，便于運行人員對能源站和用戶的綜合管理與監(jiān)視。

1 電氣監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

天然氣分布式能源站的電氣監(jiān)控系統(tǒng)由順次連接的站控層設(shè)備、通信管理層設(shè)備和間隔層設(shè)備組成，間隔層設(shè)備經(jīng)通信管理層設(shè)備連接于站控層設(shè)備。通信管理層把不同通信接口和規(guī)約的間隔層設(shè)備連接在一起，經(jīng)統(tǒng)一的通信規(guī)約傳送至站控層設(shè)備，對間隔層設(shè)備實現(xiàn)統(tǒng)一配置。DCS與電氣監(jiān)控系統(tǒng)通過通信接口裝置實現(xiàn)信息交流。電氣監(jiān)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中：GPS為全球定位系統(tǒng)，UPS為不間斷電源。

1.1 站控層設(shè)備

站控層設(shè)備包括順次連接的打印機、操作員工作站、工程師工作站和五防工作站。站控層設(shè)備負責整個分布式能源站的監(jiān)控，操作員工作站可對所有被控對象進行一對一軟手操控制，并具有監(jiān)視、報警、記錄打印、性能計算等功能；工程師工作站可用于繼電保護的維護與仿真；還設(shè)置五防工作站用于實現(xiàn)開關(guān)設(shè)備內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)之間的操作閉鎖。

為了保護系統(tǒng)的可靠性，站控層設(shè)備采用雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)、雙主機冗余配置，實現(xiàn)管理控制間隔層設(shè)備等功能。操作員工作站、工程師工作站、五防工作站和打印機均連接于雙以太網(wǎng)總線。

1.2 通信管理層設(shè)備

通信管理層設(shè)備的功能是實現(xiàn)間隔層設(shè)備與站控層設(shè)備的通信，把不同通信接口和規(guī)約的設(shè)備連接在一起，經(jīng)統(tǒng)一的通信規(guī)約傳送至站控層設(shè)備。

通信管理層設(shè)備由若干個通信管理機和通信接口裝置組成，DCS經(jīng)通信接口裝置連接于雙以太網(wǎng)總線和對時總線。DCS與電氣監(jiān)控系統(tǒng)通過通信接口裝置實現(xiàn)信息交流。通信管理層設(shè)備根據(jù)機組及系統(tǒng)的數(shù)量分別設(shè)置通信管理機。

1.3 間隔層設(shè)備

間隔層設(shè)備負責各間隔實時數(shù)據(jù)的采集和就地監(jiān)控功能的實現(xiàn)，間隔層設(shè)備由若干個監(jiān)控子系統(tǒng)組成，間隔層互相獨立，在站控層設(shè)備出現(xiàn)故障及網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控功能。

電氣監(jiān)控系統(tǒng)將配售電系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)、升壓站系統(tǒng)和遠動通信系統(tǒng)有效集成，上述各子系統(tǒng)均經(jīng)通信管理機連接于雙以太網(wǎng)總線和對時總線。該監(jiān)控系統(tǒng)將分布式能源站的所有電氣部分有機集成，納入統(tǒng)一的電氣監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制。間隔層設(shè)備通過現(xiàn)場總線方式通信連接至通信管理機，通信管理機將信息匯總并上傳至站控層設(shè)備的操作員工作站。

2 電氣監(jiān)控子系統(tǒng)

分布式能源站的電氣監(jiān)控系統(tǒng)由下列子系統(tǒng)組成：配售電監(jiān)控子系統(tǒng)、發(fā)電監(jiān)控子系統(tǒng)、站用電監(jiān)控子系統(tǒng)、升壓站監(jiān)控子系統(tǒng)和遠動通信監(jiān)控子系統(tǒng)。

2.1 配售電監(jiān)控子系統(tǒng)

能源站電氣監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對整個供配電系統(tǒng)的智能化管理，能夠?qū)┡潆娤到y(tǒng)中所有電氣設(shè)備的運行狀態(tài)進行安全、可靠、準確地實時監(jiān)視，實現(xiàn)系統(tǒng)故障、異常實時報警并具有故障追憶功能。

配售電監(jiān)控子系統(tǒng)采集配電范圍內(nèi)全部用戶的實時數(shù)據(jù)，包括下列設(shè)備：

(1)用戶側(cè)10 kV微機綜合保護測控裝置；

(2)380 V智能測控裝置；

(3)智能電動機控制器；

(4)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置；

(5)智能儀表。

以上配電側(cè)監(jiān)測裝置均通過通信管理機連接至能源站電氣監(jiān)控系統(tǒng)的雙以太網(wǎng)總線和對時總線。配電側(cè)的保護測控裝置分別用于各個用戶饋線回路的電氣設(shè)備的保護、控制與測量，布置于各饋線柜內(nèi)。用戶側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置用于各配電回路的電壓幅值、相位與波形的監(jiān)測，可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置采用RS232/RS485以太網(wǎng)通信接口，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸或定時提取，并能對通信口進行靈活配置與實時監(jiān)視。

2.2 發(fā)電監(jiān)控子系統(tǒng)

對于采用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的分布式能源站，發(fā)電監(jiān)控子系統(tǒng)包括下列設(shè)備：

(1)燃氣輪發(fā)電機自動同期裝置；

(2)燃氣輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)；

(3)汽輪發(fā)電機微機保護；

(4)汽輪發(fā)電機自動同期裝置；

(5)汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)；

(6)機組微機故障錄波裝置；

(7)機組測量裝置。

燃機發(fā)電系統(tǒng)控制采用隨燃氣輪機配供的控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，上述保護測控裝置均通過通信管理機連接于雙以太網(wǎng)總線和對時總線，與間隔層設(shè)備實現(xiàn)雙向通信。

對于采用燃氣內(nèi)燃機的分布式能源站，發(fā)電監(jiān)控子系統(tǒng)包括下列設(shè)備：

(1)內(nèi)燃機保護測控裝置；

(2)內(nèi)燃機發(fā)電機勵磁系統(tǒng)；

(3)機組微機故障錄波裝置；

(4)機組測量裝置。

燃氣內(nèi)燃機保護測控裝置通過通信管理機連接于雙以太網(wǎng)總線和對時總線。發(fā)電系統(tǒng)與間隔層設(shè)備之間通信，使得操作員工作站可對燃氣內(nèi)燃機組實時監(jiān)控。

2.3 站用電監(jiān)控子系統(tǒng)

站用電監(jiān)控子系統(tǒng)包括下列設(shè)備：

(1)10 kV(或6 kV)微機綜合保護測控裝置；

(2)10 kV(或6 kV)廠用電源切換裝置；

(3)燃機380 V智能保護測控裝置；

(4)汽機及公用380 V智能保護測控裝置；

(5)化學及水工380 V智能保護測控裝置；

(6)機組直流系統(tǒng)測控裝置；

(7)UPS測控裝置。

分布式能源站的站用電系統(tǒng)包括中壓站用電系統(tǒng)，380 V站用電系統(tǒng)和直流、UPS設(shè)備，其中中壓站用電系統(tǒng)為6 kV站用電系統(tǒng)或10 kV站用電系統(tǒng)。站用電監(jiān)控子系統(tǒng)的間隔層設(shè)備均通過通信管理機連接于雙以太網(wǎng)總線和對時總線。中壓站用電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有若干個高壓智能保護測控裝置，該裝置集保護、測量、控制、通信于一體，分散式就地安裝在高壓站用電系統(tǒng)的開關(guān)柜內(nèi)。380 V站用電系統(tǒng)采用380 V智能保護測控裝置和智能電動機保護器，380 V智能保護測控裝置用于380 V低壓電氣設(shè)備的保護，布置于380 V開關(guān)柜內(nèi)；智能電動機保護器用于低壓電動機的保護，就地布置于所保護的電動機附近，380 V智能保護測控裝置和智能電動機保護器均經(jīng)通信管理機連接至間隔層設(shè)備。

2.4 升壓站監(jiān)控子系統(tǒng)

根據(jù)能源站發(fā)電容量，升壓等級采用35 kV或110 kV或220 kV。升壓站監(jiān)控子系統(tǒng)包括下列設(shè)備：

(1)線路保護測控裝置；

(2)升壓主變保護測控裝置；

(3)母線保護測控裝置；

(4)電能量采集終端裝置；

(5)升壓站故障錄波裝置。

以上保護測控裝置均通過通信管理機連接于雙以太網(wǎng)總線和對時總線，由站控層設(shè)備進行集中控制。其中線路保護測控裝置以電流、電壓保護及三相重合閘為基本配置的成套線路保護裝置；升壓主變保護測控裝置具有主變壓器差動保護、主變壓器非電量保護、主變壓器后備保護、測控功能、通信功能；母線保護測控裝置用于母線的保護與測控；電能量采集終端裝置能夠收集升壓站各電能表的數(shù)據(jù)，并進行處理存儲，同時能和站控層設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。

2.5 遠動通信監(jiān)控子系統(tǒng)

遠動通信監(jiān)控子系統(tǒng)包括下列設(shè)備：

(1)遠動裝置；

(2)電能計量裝置；

(3)自動電壓控制(AVC)；

(4)數(shù)字網(wǎng)關(guān)。

遠動通信系統(tǒng)配置2套遠動工作站完成遠動信息傳輸功能，為雙冗余配置。

其中遠動裝置具有遙測、遙信、遙調(diào)、遙控4遙及順序記錄功能，通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)把遠動信息傳送到站控層設(shè)備，并接收站控層設(shè)備傳送來的各種調(diào)節(jié)命令，通過采集電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)，自行計算出功率、電量、功率因數(shù)等參數(shù)。以網(wǎng)絡(luò)通信方式和專線方式與電網(wǎng)調(diào)度端通信。遠動裝置直接從電能計量裝置獲取調(diào)度所需的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠動信息的直采直送。

電能計量裝置包含各種類型的電能表，計量用電壓、電流互感器及其二次回路等，實現(xiàn)分布式能源站電能量管理、計量等功能，電能采集終端裝置通過RS485與電表通信，采集站內(nèi)有關(guān)電量并通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)傳送至遠方主站。

自動電壓控制AVC子站的上位機接收AVC主站下發(fā)的電壓控制目標值后，按照一定的控制策略，通過計算自動得出能源站需要承擔的總無功功率，并合理分配給每臺機組的下位機，各下位機向發(fā)電系統(tǒng)的勵磁系統(tǒng)發(fā)送增減磁信號以調(diào)節(jié)發(fā)電機無功出力，使電壓達到控制目標值，實現(xiàn)機組的電壓無功自動控制。上述裝置均通過通信管理機連接于雙以太網(wǎng)總線和對時總線，數(shù)字網(wǎng)關(guān)連接于以太網(wǎng)總線和對時總線。

3 電氣監(jiān)控系統(tǒng)的電源

電源設(shè)備采用交直流一體化UPS，包括交流電源進線、雙電源自動切換裝置、逆變器、充電模塊、直流轉(zhuǎn)直流(DC/DC)模塊、蓄電池組和一體化監(jiān)控模塊等，具體接線原理如圖2所示。

圖2 交直流一體化電源接線原理圖Fig.2 Schematic diagram of an AC and DC integrated power supply system

電源設(shè)備一共有4路交流電源進線，其中第1站用電進線和第3站用電進線來自站內(nèi)的一組低壓變壓器，第2站用電進線和第4站用電進線來自站內(nèi)另一組低壓變壓器。蓄電池組、充電模塊均連接在220 V直流母線上，充電模塊通過雙電源自動切換裝置與第1、第2等2路站用電源連接。UPS母線通過雙電源自動切換裝置與第3、第4等2路站用電源連接，還通過逆變器與220 V直流母線連接。48 V直流母線通過DC/DC模塊與220 V直流母線連接。DC/DC模塊將直流220 V轉(zhuǎn)換為通信電源所需直流48 V，保證通信設(shè)備工作電源不中斷。

直流饋線為分布式能源站提供直流電源，UPS饋線為分布式能源站提供穩(wěn)定交流電源，容量及數(shù)量根據(jù)分布式能源站實際需要配置。

正常運行時，由充電模塊為直流負荷供電，同時向蓄電池組充電，由站內(nèi)交流電源輸出220 V交流電，為UPS母線提供電源。當交流失電時，由蓄電池組提供直流電源，由蓄電池組提供的直流電逆變?yōu)?20 V交流電為UPS母線供電。

該電源將電氣監(jiān)控系統(tǒng)所需的220 V直流操作電源、交流不間斷電源、48 V通信電源整合為一體，節(jié)省了資源。

4 結(jié)束語

提出了一種新型的天然氣分布式能源站電氣監(jiān)控系統(tǒng)，由站控層設(shè)備、通信管理層設(shè)備和間隔層設(shè)備順次連接組成。電氣監(jiān)控子系統(tǒng)由配售電監(jiān)控子系統(tǒng)、發(fā)電監(jiān)控子系統(tǒng)、站用電監(jiān)控子系統(tǒng)、升壓站監(jiān)控子系統(tǒng)和遠動通信監(jiān)控子系統(tǒng)組成。將5個子系統(tǒng)納入統(tǒng)一的電氣監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制。實現(xiàn)了電能生產(chǎn)和銷售有機結(jié)合，有利于分布式能源站靈活、高效、經(jīng)濟運行。

該系統(tǒng)采用一體化的設(shè)計方案，將發(fā)電系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)與升壓站系統(tǒng)、遠動通信系統(tǒng)、配售電系統(tǒng)有效集成，便于運行人員對能源站和用戶的綜合管理與監(jiān)視。

電源設(shè)備采用交直流一體化不間斷電源，將電氣監(jiān)控系統(tǒng)所需的220V直流操作電源、交流不間斷電源、48V通信電源整合為一體，節(jié)省了資源。