分布式发电系统保护控制研究（三）：系统调试方案设计及测试结果

贺 军，罗华峰，戚宣威，杨 猛，吴建洪，嵇兴康

（1.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；3.浙江浙能长兴发电有限公司，浙江 长兴 313000）

0 引言

分布式电源通过为IDC（互联网数据中心）提供了高效、清洁、可靠的冷电负荷，可产生巨大的社会、经济效益[1-5]。分布式发电系统涉及电网、电源、负荷以及站内相关设备之间的协同配合，其调试工作难度较大，目前尚无成熟的经验可循[6-10]。

为实现分布式发电保护控制系统网-源-荷的协同配合与正确动作，本文开展了系统调试方案研究：简要论述了分布式发电系统的整体结构以及控制保护模式；依据“由简至繁、循序渐进”的原则，结合相关重点技术内容，设计了各分系统和系统集成的调试方案；现场开展实际外部市电消失后的控制保护动作行为测试，结果表明在外部市电全失后，分布式发电系统可通过黑启动流程在2 min 40 s内恢复数据中心的供电和制冷。

1 分布式发电系统简介

1.1 整体系统结构

IDC对制冷和供电系统的可靠性要求极高，在外部市电消失后需要在5 min之内恢复冷电供应。为实现上述技术指标，分布式发电系统涉及多个分系统的协同配合，主要包括：110 kV变电站、分布式电源（包括柴油发电机和内燃机）、IDC（含UPS和站内电源切换装置）和站用电系统（含电制冷设备）等。

为确保各个分系统协同配合并考虑运行的可靠性，需在系统间采用电缆硬接线回路传输少量的逻辑信息，同时通过就地检测判据和相关时序配合完成复杂的控制流程。各分系统的主要功能配置和系统间的信息交互情况如图1所示。

图1 分布式发电系统各分系统功能配置及交互信息

1.2 分布式电源控制系统架构模式

图1所示的各分系统中，分布式电源的控制系统是实现总体控制保护功能的主体与核心，该系统采用三级集中-分布控制模式，如图2所示。

位于监控室的上位系统实现发电机组的协同控制（包括黑启动功能）与监视，完成与站用电系统、IDC等其他分系统之间的信息交互，并将通过CAN网络与各台机组的并机柜相联系。

在控制柜室内，按单台发电机分别配置了并机柜，以实现发电机的频率/电压控制和并机操作，并机柜内还配置了发电机单体保护的装置。此外，还按间隔配置了发电机主机并机柜和发电机母分并机柜，以控制发电机母线进线断路器、母联断路器的同期合闸与分闸，同时主机并机柜还可以在获取控制权限的情况下，同期合闸110 kV主变压器（以下简称“主变”）低压侧断路器，以实现与外部系统并网。

位于发电机本体附近的就地控制柜负责执行上级并机柜下发的调频、调压等控制信息，并将发电机本体的转速等相关运行数据上传，同时可实现发电机本体的基础控制保护功能，如启停机、手动调压/调速等。

2 系统调试方案及结果

2.1 总体技术路线

由于分布式发电控制系统涉及各分系统之间的协同配合，故设计了“由简至繁、循序渐进”的分步调试方案，其总体的技术路线包括：

（1）完成发电机本体、10 kV开关柜等一次设备调试，并确保与本体相关电压、电流、信号、控制等二次回路的正确性。

（2）完成110 kV变电站、分布式电源、IDC及站用电系统等分布式发电相关分系统的调试。

（3）开展能源站内部黑启动试验，完成分布式电源与站用电系统之间的联调。

（4）实际操作110 kV变电站中的110 kV进线断路器，真实模拟IDC外部市电消失情况，以测试分布式发电系统的整体协同控制。

2.2 各分系统调试方案及结果

对于2.1部分所述的各分系统调试内容，110 kV变电站中的控制保护功能和IDC的电源切换功能较为简单，目前已有成熟经验，文中不再赘述。以下将重点介绍分布式电源控制系统以及涵盖电制冷设备的站用电系统的调试方案及结果。

2.2.1 分布式电源控制系统调试

图2所示的分布式电源控制系统包含三级结构，各级控制的调试内容如表1所示。在调试过程中，重点工作是根据实际带负荷运行情况，整定发电机频率/电压控制模块的PI调节参数，该参数的设定需兼顾调节的响应速度和超调范围，特别是在多台机组同时运行期间，PI参数若调节不当，将会在机组之间引发功率振荡。

为确保柴油发电机组带冷电负荷黑启动试验的顺利进行，在分布式电源调试期间提前开展了11台柴油发电机组快速启机以及带电制冷机硬启动试验。11台柴油发电机组可以在15 s以内全部启动且并网至发电机母线；2台柴油发电机即可带额定功率为800 kW的电制冷设备硬启动（瞬时启动电流为额定电流的4～5倍）。上述调试结果表明，柴油发电机组具有很快的启动速度和较强的带载能力，可为快速恢复负荷供电制冷提供有利条件。

表1 分布式电源控制系统调试方案

此外，在分布式电源控制系统调试期间，采用在控制柜端子排上强制二次电压和开关位置等信号的方法，以模拟一次系统的不同运行方式，从而初步验证发电机黑启动顺控流程的正确性，为后续实际黑启动测试的成功开展奠定基础。

2.2.2 站用电系统

站用电系统采用Rockwell PLC控制构建自动控制系统，以实现站用变、电制冷、380 V开关和工艺负荷（如电动机）的控制。

如图2所示，站用电系统需要与分布式电源控制系统完成一定的信息交互，并配合完成部分黑启动流程。站用电系统的调试首先采用强制二次信号、手动触发等方式单独验证站用电系统的清排、加载和启动电制冷功能，以确保后续系统集成调试的顺利进行，主要调试的站用系统功能及其目的包括：在进入孤岛运行模式下清排站内负荷，为柴油发电机组的空载启动创造条件；在发电机母线恢复供电后，加载工艺负荷、启动电制冷设备，恢复IDC供冷。

图2 分布式电源控制系统架构

在上述调试工作中，重点是站内电制冷设备的调试。电制冷设备具有快速启动功能，在供电中断后，若电压恢复，则可自动快速启动，以恢复制冷工作，该功能对于黑启动后恢复IDC的供冷极为重要。为此，结合实际运行情况，专门设计、开展了电制冷快速启动试验，内容包括：

（1）实际启动10 kV站用母线的事故快切功能，以模拟电制冷设备供电闪断情况。

（2）供电中断后，利用柴油发电机组带电制冷设备硬启动，模拟黑启动期间恢复制冷的工作流程。

结果表明，在供电中断后64 s内，电制冷设备可以快速重启以恢复正常制冷。其中，对于柴油发电机带电制冷硬启动，调试期间发现由于启动电流过大，导致发电机母线电压发生了明显波动。电制冷设备本体带有低压和过压保护功能，其定值需要躲过硬启动期间的电压波动，否则将造成电制冷跳机而导致快启失败。经试验，低电压和过电压保护的定值分别设定为90%Ue和110%Ue（Ue为额定电压），动作延时均为3 s。在该定值下，电制冷设备可以由柴油发电机组供电顺利快启。

2.3 系统集成调试方案及结果

在完成各分系统调试以及系统间信号联调的基础上，开展集成调试，包括站内黑启动试验和IDC失电试验。

2.3.1 站内黑启动试验

为确保全站失电试验的顺利开展，首先需进行站内黑启动试验。在正常运行情况下，拉开发电机母线进线的10 kV开关，模拟能源站内部设备失电，验证发电机控制系统和站用电系统之间的协同配合。

试验结果表明：在发电机母线进线断开后，发电机控制系统可在站内负荷清排后，快速启动柴油发电机组，并在柴油发电机容量满足后发送电制冷快速启动指令；电制冷设备在断电64 s后，恢复正常供冷。通过站内黑启动，可在外部站用电源失去情况下，利用柴油发电机和电制冷设备的快速启动功能，恢复站内负荷与IDC供冷。

2.3.2 IDC失电试验

通过向电网申请，实际操作110 kV进线开关，真实模拟IDC外部电源消失情况，以测试整个分布式发电系统的整体协同控制。试验内容为：两回110 kV进线供电情况下的单回110 kV进线供电失去试验（包括10 kV系统备自投动作和不动作2种情况）、110 kV进线供电全失情况下的黑启动试验。

（1）单回110 kV进线失电，变电站内10 kV备自投正确动作。

试验前系统的运行方式如图 3所示，两回110 kV线路均处于运行情况，110 kV变电站处于“两线带两变”的正常运行方式，110 kV和10 kV的分段母线的母联开关均处于断开位置；10 kV发电机母线通过主变受电带站内电制冷负荷，发电机母线的母分开关断开，内燃机和柴油发电机均未运行。

图3 系统接线

试验时，手动跳开1回110 kV线路，110 kV变电站内的10 kV备自投正确动作以恢复IDC供电。各分控制系统的动作行为如表2所示。通过分析可见，在单回市电失去情况下，若变电站系统备自投正确动作，则可快速恢复IDC的冷电负荷。

表2 各分系统的动作结果（单回110 kV进线失电，变电站内10 kV备自投正确动作）

（2）单回110 kV进线失电，变电站内10 kV备自投不动作。

试验前的运行方式与前文所述相同，将110 kV变电站内的10 kV备自投由动作改为信号。

试验时，手动跳开单回110 kV线路的进线开关Q2，此时变电站内的10 kV备自投由于改信号而不动作。发电机控制系统通过合上发电机母线的分段开关BTB2，实现负荷转供（如图4所示），各分控制系统的动作行为如表3所示。通过分析可见，在单回市电失去情况下，发电机母线的母联开关BTB2可在备自投失败的情况下，起到负荷转供的功能，从而恢复IDC的冷电负荷。

（3）2路110 kV线路均失电。

为模拟全站市电情况，变电站110 kV系统采用“一线带两变”的运行方式，如图5所示。在该系统运行方式下，110 kV的母分开关处于合位，站内负荷由单回110 kV进线提供，另一回进线的开关Q2处于断开状态。

图4 利用发电机母线BTB2实现负荷转供

表3 各分系统的动作结果（单回110 kV进线失电，变电站内10 kV备自投不动作）

图5 110 kV系统“一线带两变”运行模式

试验时手动跳开110 kV进线开关Q1，变电站全站失电（记为0 s）。分布式能源的控制系统在检测到变电站失电后，开始控制进入黑启动程序，其试验记录如表4所示。在失电46.86 s后，所有柴油发电机组并至发电机母线；电制冷设备在68.92 s快速启动成功；IDC的电负荷在155.42 s后恢复正常供应。

表4 各分系统的动作结果（2路110 kV线路均失电）

柴油发电机组黑启动成功，在IDC负荷稳定运行30 min后，恢复110 kV电源。开展发电机组同期与外部电源的并网试验，试验结果表明，在发出并网指令13.56 s后，柴油发电机组可同步并网至外部市电，并随后正确解列，冷却停机。

试验结果表明，在外部市电全部失去后，通过各分系统之间的协同控制，可在2 min 40 s内恢复IDC的冷热负荷供应，该时间小于预期要求的5 min。

3 问题与讨论

分布式发电系统控制涉及电源、电网、负荷以及站用电等多个系统之间的协同配合，其测试工作点多面广、难度较大。在现场开展联调测试工作的试验条件和试验时间均有限制，该工作仅能验证各分系统的基本控制策略，难以全面细致地验证逻辑细节。

对此，可考虑构建仿真测试环境来模拟分布式发电系统的一次电气设备，对控制保护系统，特别是针对核心的发电机控制系统开展仿真试验，以充分验证控制保护逻辑的有效性和正确性。

4 结语

本文论述了分布式发电保护控制系统的调试方案与测试结果。为实现分布式发电系统的网-源-荷协同配合，遵循“由简至繁、循序渐进”的原则，设计并开展了分布式发电系统保护控制的调试工作：分别开展110 kV变电站、分布式电源（包括柴油发电机和内燃机）、IDC（含UPS和站内电源切换装置）和站用电系统（含电制冷设备）等分系统的单独调试；在此基础上，分步开展分系统之间的集成测试；最后通过实际切除外部市电，开展黑启动测试。结果表明，在外部市电全失后，分布式发电系统可在2 min 40 s内恢复IDC的供电和制冷，从而确保IDC的稳定可靠运行。