钻机柴油发电机组自动并网控制系统设计

刘 政

（福建福清核电有限公司，福建福清350318）

1 系统介绍

本设计主要对3台柴油发电机组进行控制，实现同期并网、负荷分配等功能，同时对发电机组运行状态进行实时监控。经过查阅相关资料，发电机组并入电网运行，需满足3个条件：①发电机输出电压要和电网电压相等；②发电机的输出频率要和电网频率相同；③发电机的相位要和电网相位一致（允许相位差在±5°以内）。

每台柴油发电机组控制系统主要由测量机构、调压系统、调速系统、控制器组成。系统主要结构如图1所示。

图1 柴油发电机组自动并网控制系统结构图

1.1 测量机构

测量机构由转速传感器、电压互感器和电流互感器组成，为控制系统提供柴油发电机组的运行信息。通过实时监测发电机组运行参数，经过控制系统逻辑判断后，由相应的执行机构及时作出调整，来保证发电机组稳定运行。

1.2 调压系统

同步发电机的调压系统主要由电压调节器和电流调节器两大部分组成。其中电流调节器向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流，而电压调节器根据输入信号和给定的调节准则控制电流调节器的输入。整个调压系统是由电压调节器、电流调节器、电压传感器、电流传感器和发电机构成的一个双闭环电压控制反馈系统，如图2所示。

图2 电压控制系统结构图

调压系统的主要作用如下：

（1）根据发电机负荷变化相应地调节励磁电流，维持发电机输出电压为设定值；

（2）控制3台并列运行的柴油发电机间无功功率分配；

（3）根据机组运行要求对发电机实行最大励磁限制和最小励磁限制，确保机组的各参数不越过限值。

本设计选用DECS＿100数字电压调节器用于柴油发电机的输出电压控制和无功功率分配。DECS＿100数字电压调节器能为各种功率等级的发电机主磁场或励磁机磁场提供精确、可靠的控制，并集成了励磁调节、限制、保护、测量、显示和无功功率分配等功能于一体，具有励磁电流调节（FCR）、自动电压调节（AVR）、功率因素控制（PF）和无功功率控制（VAR）4种控制模式。DECS＿100数字电压调节器采用PWM方式输出，可以控制一台发电机与其他发电机并联运行或并网运行，适用于分布式发电、集中式发电和调峰发电等应用场合。

1.3 调速系统

调速系统主要用来控制柴油机的引擎执行器，通过执行器的调节连杆拉动喷油泵齿杆，进行供油量的调节，从而使发电机保持设定转速或协调有功功率的均衡分配问题。调速系统主要作用如下：

（1）稳定发电机输出功率的频率在设定等级内，以满足机组并网的频率要求。柴油发电机单机运行时，调速系统通过执行器的调节连杆来改变柴油机油门的大小，控制发电机保持设定转速，从而控制发电机输出功率的频率在设定等级内。

（2）控制有功功率的均衡分配。柴油发电机组并联运行时，会遇到负载不均衡的情况，这就要求发电机组在无转速差的情况下保持有功功率的均衡。将有功功率的差值比例变换，加到油门信号中去改变油门的平衡位置。油门开度增大，动力矩增大，负载的阻力矩增大；油门开度减少，动力矩减小，负载的阻力矩减小。由此来实现有功功率的调节。

本设计选用2301E数字式速度调节器来实现柴油发电机的速度控制和有功功率均衡分配。2301E数字式速度调节器基于32位高性能微处理器设计，可以通过串口与PC机通讯来完成各种参数设置和调整，还能为柴油机提供完整的控制功能，其包括启动、怠速、额定速度等状态的控制和各速度间的稳定过渡控制。在多台柴油发电机组并列运行情况下，能够精确地控制发电机组有功输出，满足调速系统对有功均衡分配的要求。

图3 2301E速度调节器调速原理图

调速系统主要由电子调速器单元、转速检测单元和执行机构组成。如图3所示为2301E速度调节器组成的调速系统。转速检测单元主要由转速电磁传感器和飞轮齿圈组成，电磁传感器安装在飞轮壳上，柴油机转动时，飞轮齿圈随之转动，传感器与齿轮的间隙发生变化，从而传感器磁路中磁通量发生变化，产生类似正弦波信号。该信号经转换器转换成数字信号，与给定转速进行比较，产生的差值经过一个PID控制环节被送往引擎执行器，从而控制柴油机油门增大或减小，使柴油机转速与给定转速相等。当发电机并网运行时，此时转速给定变为负荷百分比给定，即发电机输出功率占负荷总功率的百分比，其差值经过PID控制环节输出给执行器，通过调节柴油机的有功出力，而使发电机输出设定的有功功率。

1.4 控制器

控制器主要用来协调调压系统和调速系统的工作，根据测量机构采集的电压、电流信号，实时监测发电机组的运行状况。当负载发生波动时，对调压器和调速器进行相应的调整，使发电机组处于最佳的运行状态。

为协调DECS＿100和2301E对柴油发电机组的控制，使发电机组发挥最优的性能，选用easY－gen－3200综合控制模块作为DECS＿100和2301E的上位控制器。图1所示给出了它们之间的连接关系。easYgen－3200综合控制模块以强大的微处理器为基础，集成了对发电机组的引擎、发电机、母线的监控以及保护功能，能够很好的实现柴油发电机组的并网控制。在满足控制要求的情况下，因其控制速度快、抗干扰性强、易于维护、使用简单、针对性强和性价比高等优势，被广泛应用于柴油发电机组并网控制。easYgen－3200综合控制模块主要功能如下：

（1）有功功率的分配和控制。能够根据电流和电压互感器的信号精确计算功率有效值，对并列运行的发电机组进行负荷均衡分配；

（2）无功功率的分配和控制。为电压调节系统提供电压偏差信号，对负载无功功率在电网和机组间的百分比额度进行控制；

（3）同期并网。对电压、频率和相序进行匹配，以满足自动并网和人工并网操作。

除以上几个主要功能，easYgen－3200综合控制模块还提供了很多自动控制功能，如机组从启动经过怠速再到额定速度运行过程的自动控制，其性能能够满足本设计对柴油发电机组的控制要求。

2 程序设计

石油钻采控制系统中，一般选择技术成熟的PLC作为核心控制器，而柴油发电机组并网控制系统属于其中的一部分，可以利用PLC与触摸屏来实时监测发电机组的各种参数。国内知名的石油钻采系统生产厂家某电气传动研究所采用的控制器就是S7－300 PLC，本方案以S7－300 PLC为硬件基础进行程序设计。

在软件设计中采用模块化设计思想，将整个监控系统分解成5个功能块，把每一个功能做成一个子程序，然后在主程序OB1块中调用子程序。这5个功能块分别是数据采集、数据标准化、最大功率比较、超额定功率报警处理和计算视在功率，如图4所示为OB1主程序块。下面简单地介绍其中几个子程序块。

图4 OB1主程序块

2.1 数据采集子程序设计

柴油发电机组监控系统中，需要将3台发电机组输出的三相电流、电压、无功功率、有功功率、频率和功率因数等数据显示在监控画面上。在数据传送过程时，STEP7软件中的I/O存取命令不允许用单字节、单字或双字命令去存取具有3个或大于4字节的相连续的DP数据区域（模块）。为了读取这种封闭结构相连续的数据区域，使用系统功能块SFC14。

将DP从站采集上来的数据包送到主站，通过调用SFC14“DPRD＿DAT”功能块将数据解包至数据块DB10。在主站中将采集的数据通过标准化处理，以满足触摸屏的显示要求。经查easYgen－3200综合控制器产品说明书可知，采集上来的A、B、C三相电流以及无功和有功功率都需乘以系数0.1，对电压不做处理，功率因数乘以系数0.001，频率乘以系数0.01，最后将数据存入数据块DB100中，数据采集流程图如图5所示。

图5 数据采集流程图

2.2 功率过限报警子程序设计

在程序中，设置 M30.0、M30.1、M30.2、M30.3四个点，分别作为无功功率高额报警点、无功功率超额报警点、有功功率高额报警点和有功功率超额报警点。当3台柴油发电机组中的无功功率最大值占相应的额定功率的90%以上时，M30.0置位，触发无功功率高额报警；当3台柴油发电机组中的无功功率的最大值占相应的额定功率的95%以上时，M30.1置位，产生无功功率超额报警。有功功率的报警情况设置同无功功率的报警设置，在此不再复述。当出现报警时，需维护人员采取相应的措施，防止设备损坏。

2.3 计算视在功率子程序设计

由于视在功率无法测量，而3台柴油发电机组的无功功率和有功功率是可以测量的，因此，由已知的无功功率和有功功率可以计算出总的视在功率。

先计算总无功功率Qtotal和总有功功率Ptotal，其中：

式中，Q1、Q2、Q3分别是 3台柴油发电机组的无功功率；P1、P2、P3分别是3台柴油发电机组的有功功率。再计算总无功功率的平方Qsq和总有功功率的平方Psq如下式所示：

根据上述数据，可以计算出总视在功率的平方Wsq：

然后，再对总视在功率的平方Wsq开方，就可得到总视在功率Wtotal：

最后将总视在功率Wsq输出显示在画面中。

2.4 人机界面设计

为了便于和S7－300 PLC通讯，本方案采用WinCC flexible软件来设计组态画面。发电机组数据通过Profibus－DP总线传输至PLC，经PLC处理后存放在DB100数据块中，监控系统只需从数据块中读取所需的数据即可显示。如图6所示为柴油发电机组监控系统画面，图中模拟两台发电机组并网运行，且触发了无功功率和有功功率超额报警。

图6 柴油发电机组监控系统画面

柴油发电机组监控系统提供了友好的人机界面，可以通过文字、图像、动画等效果形象地表示控制系统的工作状况和被控参数，同时由于其强大的数据统计功能，为操作人员提供了极大的方便。

3 通讯的实现

easYgen－3200综合控制模块带有 CAN＃1、CAN ＃2、RS 232和RS 485总线通信接口。easYgen－3200综合控制模块上的CAN＃1接口最多能实现32台综合控制模块互连，从而对发电机组进行负荷分配；CAN＃2为扩展卡件接口，本设计中无需对综合模块进行功能扩展；RS 232是与计算机通讯的接口，计算机通过RS 232接口能对综合控制模块进行参数设定；RS 485接口能实现综合控制模块与PLC通讯，发电机组的运行数据经RS 485总线送往PLC进行处理。

图7所示为easYgen－3200综合控制模块与PLC通讯原理图。3台发电机组的综合控制模块经CAN＃1口通讯，实现负荷均衡分配。PB－B－Modbus总线桥为Modbus协议设备（3台综合控制模块）连接到Profibus总线网络提供解决方案。可实现Modbus协议232/485设备接入Profibus总线网络（S7－300 PLC）的异构网络需求。PB－B－Modbus总线桥带有双重性质，它既作为Modbus的主站，又作为Profibus的从站，由此实现3台easYgen－3200综合控制模块与PLC通讯。

图7 easYgen－3200综合控制模块与PLC通讯原理图

4 结束语

DECS＿100数字电压调节器能够准确控制柴油发电机单机运行的输出电压和并网时的无功功率，2301E速度调节器能够精确控制发电机单机运行的频率和并网时的有功功率。easYgen－3200综合控制模块可以控制DECS＿100数字电压调节器和2301E速度调节器协调工作，检测电压、频率和相序是否满足并网条件，同时对3台柴油发电机组进行负荷均衡分配。PLC采集发电机组并网运行的各种参数，经过数据处理后显示在人机画面上。由上述几部分，构成了一个完整的柴油发电机组并网控制系统。该控制系统实现了对柴油发电机从启动、运行、停止整个过程控制，以及对机组运行状况的实时监控。