分布式发电系统保护控制研究（二）：电源侧保护控制方案研究

罗华峰，戚宣威，汪冬辉，王 松，陆承宇，张淦锋

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

0 引言

近年来，分布式发电技术在世界各国得到快速发展。分布式发电技术以其清洁环保、经济高效、供电可靠、运行灵活的技术优势，在当前燃煤发电厂的建设放缓的背景下，不断释放出生机和动力，使得分布式新能源电厂的建设进入迅猛增长期[1-3]。

同时，随着移动互联网、大数据和云计算等通信业务需求的爆炸式增长，通信服务商或互联网企业急需建设大批IDC（互联网数据中心）用于业务扩张。IDC以机架式数据服务器作为主要负载，需要消耗大量的电负荷和冷负荷，而且对供电和供冷的可靠性供应要求相当高。因此，当前有许多作为IDC配套建设的分布式新能源电厂相继出现，它们依托灵活的分布式发电技术实现冷电联供，以极短的电气距离为IDC供能[4-6]。

分布式新能源电厂往往机组数量多、单机组出力较小、机组启停机速度快，出线的电压等级远低于一般的火电厂，因此对这类电厂的继电保护配置和控制策略设定不同于大型火电厂。

本文以浙江地区某采用分布式发电的IDC工程建设为依托，开展分布式新能源电厂电源侧的保护与控制策略研究。本文介绍了电源侧（即能源站）的控制系统配置情况，从控制系统的目标和策略、能源站孤岛检测策略、柴油发电机群控策略等多方面分析了现有保护和控制配置方案的技术细节，并针对控制系统设计和调试中出现的技术难点进行了探讨，提出了相关技术和管理方面的改进建议。

1 系统概况

1.1 系统简介

电气系统由110 kV变电站、能源站及数据中心三部分组成。能源站与110 kV变电站之间通过两回10 kV封闭母线进行电气联系，而数据中心的电负荷挂载于110 kV变电站的10 kV母线上。分布式发电系统的电气主接线如图1所示。

图1 发电系统电气主接线

1.2 发电机控制系统介绍

发电机控制系统采用法国CRE公司生产的GENSYS 2.0系列发电机组控制模块，具有集成功能模块丰富、高度可编程、稳定可靠等特点，控制模块支持冗余配置且具备开关同期控制功能，不需要额外配置同期装置。

系统采用三级控制模式，分别在就地控制柜、并机柜和上位机监控后台实现对发电机组的监视和控制。正常运行时，用户在上位机监控后台实现对所有机组的监视和控制；而在单机试验或检修时，允许运行或检修人员在并机柜或就地控制柜上进行操作。

针对每一台机组，均在控制柜室设置有相应的并机柜。柜内安装有独立的GENSYS模块，用于实现对单台发电机组的调速、调压、同期等控制。GENSYS模块通过RS485串口与PLC-1200可编程逻辑控制器、HMI（人机接口界面）通讯，实现自定义编程和可视化、图像化的人机交互，如图2所示。而在站控层层面设有主备模式的主控柜1、主控柜2和母联控制柜。主控柜内均安装有2个独立的GENSYS模块，互为备用，可实现对所有机组的集群控制，也可实现对MB1、MB2、TB12、TB22（编码如图1所示）等开关的分合控制。

图2 并机柜内控制系统布置

为了实现上位机监控后台对所有机组及系统相关开关的控制，构建了CAN（控制器局域网络）总线网络和基于TCP/IP的以太网网络，系统的通信拓扑图如图3所示。可以看到，主控柜内的GENSYS模块通过CAN总线与各并机柜内的GENSYS模块互连，实现多机组的在线监测以及功率均分等集群控制策略；各并机柜内的PLC模块和HMI模块通过网络与上位机监控后台服务器相连，满足远端操作员站的监视和控制需求。

1.3 系统控制目标和策略

工程中能源站紧挨着IDC建设，所产生的能量就地消纳、满足数据中心的负荷需求是能源站控制策略制定的首要目标，此外还需满足能源站内制冷、低压配电、辅助设备等各类系统的稳定可靠运行。因此，能源站发电机控制系统的控制目标可从以下几方面阐述。

1.3.1 满足数据中心运行需求

数据中心需要消纳大量的电量和冷量，且对电和冷的供应可靠性要求极高。根据可研分析和工程设计，由110 kV变电站来保障数据中心的供电可靠性，由能源站的溴化锂机组和电制冷机组来保障数据中心的供冷可靠性。当然，上述考虑的是正常运行方式（本文所述的正常运行方式是指110 kV变电站两条110 kV线路、能源站和110 kV变电站之间的联络线均在运行态）下的供需情况，数据中心实际使用方对特定运行方式或故障情况下系统供能的可靠性也提出了很高的要求，包括：

（1）正常运行方式下能源站的控制目标是实时满足数据中心的冷量需求，采用“以冷定电”的控制策略。正常运行时，数据中心可从电网系统取得可靠稳定的电力供应，因此在能源站侧，发电机控制系统利用溴化锂制冷和电制冷制冷重点需要满足能源站的冷量需求。根据冷量需求调整发电机组的出力，所产生的出力没有转化为冷量的部分由电制冷和站内负荷消纳。

（2）当某条110 kV线路故障或检修时，数据中心认为仅由外部电网单条110 kV线路供电，数据中心的供电可靠性是不够的，需要能源站发电控制系统及时投入更多的发电机组用于产生足够的备用容量。这种情况下，能源站的控制目标是满足数据中心供电和供冷的全方位需求，采用使得数据中心与运行的单条110 kV线路之间的潮流交互为零或接近零的控制策略。

（3）当两回110 kV线路均故障时，能源站和数据中心与外部大电网完全隔离，形成孤岛模式。此时，能源站的控制目标是尽可能快的完成黑启动，在尽可能短的时间内恢复对数据中心的供电和供冷。根据数据中心UPS（不间断电源）容量和蓄冷水罐能够支撑的时间，设定具体控制目标为自外部两回110 kV线路均跳开时起，3 min内恢复对数据中心的供电，5 min内恢复对数据中心的供冷。

1.3.2 满足能源站内系统运行稳定可靠

能源站内发电机组包括天然气发电机组和柴油发电机组。其中燃气发电机组作为主力发电设备，但可调节能力较差，负荷突增、突减都可能会造成机组停机，如若机组故障停机，则机组重启时间较长，势必影响供电可靠性。柴油发电机组是作为能源站和数据中心的备用电源存在的，采用电喷启动方式，启动时间极短，可在较短时间内完成11台柴油发电机的同步并网。因此，当系统在正常运行方式、单路市电失去和双路市电失去几种运行方式之间切换时，燃气发电机组和柴油发电机组的主动隔离或主动并网策略需要根据实际需要按场景制定，控制目标是不让燃气机组故障停机且柴油发电机组能够尽快并机增加系统的备用容量。

图3 控制系统通信拓扑

另一方面如1.1部分所述，电制冷作为能源站内的重要负荷，是为数据中心提供冷量的重要设备。电制冷设备启动时对能源站发电组影响较大，经试验单台电制冷启动电流能够达到额定运行电流的4~5倍。如果发电机组容量不够，电制冷设备启动时会大幅度拉低发电机母线的电压，可能触发电制冷设备本身的低电压保护造成设备启动不成功。经试验，至少有4台柴油发电机同时并机发电时，能够支撑单台电制冷设备的正常启动。同时电制冷设备的启动工艺复杂，启动流程搭建于由Rockwell PLC控制构建的自动控制系统（以下简称“PLC控制系统”），因此发电机控制系统与PLC控制系统之间还需建立问询机制。特别是在能源站孤岛模型下运行时，PLC控制系统若想启动某台电制冷设备，应先问询发电机控制系统储备容量是否足够，只有接收到发电机控制系统的“允许启动电制冷”信号后才能触发电制冷的启动流程。所以，对于能源站内电制冷设备的控制策略是仅当发电机组储备容量足够、且发电机控制系统与PLC控制系统之间通信交互正常情况下允许启动，当然在PLC控制系统中还有根据冷量需求设定的电制冷设备增、减机控制逻辑。

2 孤岛检测策略

能源站作为电网大系统的一个电源点，通过110 kV变电站与电网网架相连，两者之间有潮流交互时称为并网模式，与电网没有潮流交互、能源站仅为电厂自身和数据中心供能时称为孤岛模式。

孤岛检测问题是分布式发电控制系统的关键问题之一。孤岛运行可分为计划孤岛运行和非计划孤岛运行。如110 kV变电站按计划检修，则可通过运行操作使能源站与数据中心按计划进入孤岛稳定运行，相应提高了数据中心的供电可靠性。但事实上，更易出现的是非计划孤岛运行情况，如外部电网发生故障造成的孤岛运行。非计划孤岛需要能源站发电机控制系统能够及时检测发现并按控制策略做出响应，否则可能造成能源站全站失稳，从而失去对数据中心的应急响应能力。因此，具备完善的孤岛检测策略对于提升能源站和数据中心的安全稳定可靠运行非常重要。

针对孤岛检测问题，国内外学者提出了十多种孤岛检测方法，各自均有优缺点。目前孤岛检测方法可分为电网端和电源端两大类检测法[7-10]。结合工程配置和控制策略设计，本文使用如下孤岛检测方法。

2.1 电网端的检测法

电网端的检测法（也称远程检测法或外部法）是指在电网侧检测断路器的开断情况，将断路器开断情况通过无线通信或其他通信方式发送给电源侧控制系统，如电网断电时将孤岛信号发送给电源侧控制系统使其进去孤岛运行模式。这种方式判断结果比较可靠，但是需要添加通信设备，对通信网络要求比较高。

工程中未设置上述常规的电网端检测方法，但是在110 kV变电站配置的故障解列装置、110 kV备自投和10 kV备自投这些保护均会联跳能源站与110 kV变电站之间的两回联络线开关TB12和TB22，使能源站进入孤岛运行。能源站发电机控制系统检测到两回联络线均跳开，可判断出自身已经进入孤岛运行模式，进而进入黑启动等固定流程。因此，虽然110 kV变电站配置的这些保护装置是出于保护电网自身设备的角度进行整定的，但也间接上辅助了能源站发电机控制系统实现孤岛检测。

2.2 电源端的检测法

电源端的孤岛检测方法是依靠发电机控制系统所采电气量和开关量等信息，依靠控制系统自身来判断是否进入孤岛状态，不需要增加额外的设备，一般是通过监测输出端电压的幅值和频率来判断的，可分为被动法和主动法。

工程所采用的法国CRE公司的发电机控制系统具备两种被动式孤岛检测方法，分别是电压/频率检测法和电压相位突变检测法，所监测的电压点是110 kV变电站MB1，MB2开关上端头的电压。

（1）电压/频率检测法。电压/频率检测法也称为过/欠压和过/欠频检测法，它是通过监测PCC（公共耦合点）的电压核频率来判断并网系统是否出现孤岛状态。因为如果外部电网发生故障，与电源侧失去电气联系，那么公共耦合点的电压和频率势必会发生变化。事实上，这种检测方法的实现手段也非常简单。主控柜1和主控柜2分别接入了MB1开关及MB2开关上端头的电压采样，依靠GEMSYS 2.0控制模块中可配的过压保护、欠压保护、过频保护和欠频保护，通过设定正常运行阈值来实现孤岛状态的判断和检测。

该方法实现原理简单，经济性好，是比较常用的检测方法。但是当电网与能源站的交互潮流比较少时，电网断电后PCC点的电压和频率的变化波动可能很小，变化量不足以启动发电机控制系统的相应保护，就可能造成孤岛检测失败。

（2）电压相位突变检测法。电压相位突变检测法是通过测定发电组电源输出电流与PCC点电压之间的相位差来实现孤岛的检测。电源侧一般具备转动惯量，作为电流源输出的电流为频率和相位不变的正弦波，因此当外部电网断开后，对于非纯阻性负载，PCC点的电压相位发生突变，从而可帮助检测出孤岛状态。

2.3 多种孤岛检测方法的时序配合

在电网端和电源端都有相应的保护和控制策略来实现孤岛检测。事实上电网端的保护装置之所以来联跳能源站与用户变之间的联络线，一方面是为了尽快隔离开电源点，以避免故障点在电源侧，故障发生后没有及时将故障点隔离开；另一方面也是保护功能的需求，如10 kV备自投，若不跳开联络线，则能源站侧电源仍对用户变10 kV母线供电，备自投无法正确动作。

对于能源站而言，与其被动式地被对侧用户变内的保护装置跳闸隔离形成孤岛状态，不如主动式监测和控制，实现比电网侧更灵敏的孤岛检测。如此，能源站发电机控制系统能够主动做出相应对策，如快速启动柴油发电机提高备用容量、快速能源站内清排等，从而保证能源站系统的稳定运行。为了满足电源侧孤岛检测更加灵敏的需求，做了以下处理：

（1）通过时序配合达到灵敏度区分。表1罗列了涉及到能够跳开能源站与用户变之间联络线的电网侧及电源侧保护和控制装置的时序设定。可以看到，能源站发电机控制系统是无延时的，先于电网侧保护的动作时间，以期望更灵敏地更主动地进入孤岛状态。

表1 各装置整定时间时序

（2）通过定值设定达到可靠性区分。本文2.2节中所述的电压/频率检测法实际使用的就是GENSYS控制系统内的过/欠压和过/欠频保护模块，保护原理同本文110 kV变电站使用的故障解列装置类似。本文中的故障解列装置根据整定单投入了低频解列和低压解列，因此只需在发电机控制系统中将欠压保护和欠频保护的定值设定地比故障解列装置的定值略高。如此在系统发生波动或故障跳闸时，发电机控制系统先于故障解列装置动作，达到先于电网侧动作的目的。

3 柴发群控策略

发电机A/B段母线上共挂有11台柴油发电机，型号均相同。柴油发电机机组作为能源站和数据中心的备用电源，最主要的作用是在能源站和数据中心失去外部市电时及时自启动且并机到发电机母线上，满足能源站和数据中心的用电需求[11-12]。

3.1 启动策略

为了给能源站和数据中心提供供电质量较高的备用电源，尽快完成所有柴发的启动和并机，柴油发电机在启动时遵循以下策略：

（1）同步下发启机和并机指令。当外部市电失去使得能源站进入孤岛允许模式或其他触发条件满足时，发电机控制系统向11台柴发同时触发“启机”指令，11台柴发进入启机流程。此时无论哪台柴发事先达到稳定运行状态可先行通过“无压合”并机开关的方式并机到发电机母线上，后续柴发相继通过“同期合”并机开关的方式逐步并机至发电机母线。如此，完成11台柴发的启动和并机。经试验，首台柴发并机成功大约需要15 s，包含柴发本体启动的时间以及发电机控制系统检测到柴发稳态运行的裕度时间；而11台柴发完成全部并机大约需要50 s时间，主要受每台柴发并机时为满足并机开关“同期合”条件，发电机母线电压和柴发机端电压的动态调整时间的影响。

（2）所有柴发直接启动至额定运行态。在非试验或检修情况下，柴油发电机控制权交由发电机控制系统远端控制。为了尽快完成所有柴发的并机，发电机控制系统在启动所有柴发时，令其均启动至额定运行态（如机端电压10 kV,转速2 000 r/min，频率50 Hz），即所有柴发的目标态都是一致的，这样更容易满足并机开关“同期合”条件，有利于减少并机时发电机母线电压和柴发机端电压动态调整的时间。

3.2 功率均分策略

当柴油发电机组为能源站和数据中心供能时，为了所有机组的稳定运行，发电机控制系统使用功率均分策略控制所有柴发的出力，即根据系统中有功和无功的需求，11台柴发均匀分配有功和无功出力。主要通过主控柜和单机GENSYS模块中PID控制参数的设置实现该目标。

3.3 经济运行模式和增减机策略

工程中使用的卡特彼勒3516B型柴油发电机单机出力均是2 000 kW，因此当11台柴油发电机均并机到发电机母线上时，系统储备功率可达到22 000 kW。

由于启用柴发针对的是能源站孤岛运行模式或单路市电失去的运行情况，用户侧及能源站内一般仅保留必要的负荷，对出力需求没有那么大，此时发电机控制系统可考虑进入经济运行模式，即通过增减机策略使得并机的柴发台数根据用户负荷需求进行动态调整，当储备可用功率高于“减机值”时可考虑减机，当储备可用功率低于“增机值”时可考虑增机。系统进经济运行模式及增减机控制流程图如图4所示。

4 问题与讨论

本文所述的发电机控制系统相关控制策略虽在工程调试中得到了验证，满足工程运行需求，但是仍有部分策略值得商榷和进一步讨论优化，主要体现在以下几点：

图4 经济运行模式及增减机流程

（1）电源端孤岛检测的可靠性和灵敏性。如本文2.2节所述，能源站侧发电机控制系统采用电压/频率检测法和相位突变检测法实现孤岛检测，实际是利用GENSYS控制模块的保护功能模块实现的。能源站为了先于电网侧相应保护判出和实现孤岛隔离，将发电机控制系统中的保护定值设置地比电网侧相应保护灵敏。另一方面，发电机控制系统认为只有通过自己的控制实现孤岛隔离，才能在外部市电恢复时主动恢复；如若是电网侧的保护造成的孤岛模式，发电机控制系统拒绝主动恢复外部市电供电，只能由运行人员手动操作恢复正常运行模式。过度灵敏会造成能源站机组的频繁启停，影响设备寿命；可靠性得不到保障会造成严重的系统风险，对于数据中心而言，供能得不到有效保障。因此，发电机控制系统中保护功能的定值设定需要深究，应充分兼顾可靠性和灵敏性。

（2）柴发群控策略中PID（比例-积分-微分）参数的设置。工程中发电机控制系统为了尽快实现柴发的启机和并机，在群控时放弃了机组控制中常用的下垂特性，且将PID参数中的P值设定的较大，这会造成机组并机运行时在机组间存在无功环流，且存在无功震荡现象。但若P值设定的过小，会拉长机组电压和转速调整的时间，损失启机和并机的时间。因此，应充分试验调整PID参数达到稳定和快速的要求。

（3）增减机策略中“增机值”和“减机值”的设定。调试过程中发现若经济运行模式中“增机值”和“减机值”设置不妥，会造成机组增减机振荡的情况。如系统满足减机条件，完成减机后系统又满足了增机条件，如此在增机、减机之间循环，这样的情况是不允许的。同时，柴油发电机本身就是作为备用电源启动的，为了满足系统在孤岛模式的稳定运行，甚至可以不考虑经济运行模式。因此，在经济运行模式和增减机上可做进一步优化。

5 结语

本文以浙江地区某采用分布式发电的IDC工程项目为依托，开展分布式新能源电厂电源侧的保护与控制策略研究。首先简要介绍了项目所使用的发电机控制系统，探讨了发电机控制系统总体控制目标和策略，重点讨论了孤岛检测策略和柴发控制策略，并指出了项目中有关控制策略方面仍旧存在的问题和相应的优化意见；然后，针对电源侧的保护控制开展研究，提出了电源侧、电网侧和用户侧应紧密结合策略，从而实现对系统的可靠控制，满足了网-源-荷协调配合要求。