基于母管分系统控制的分布式能源站全自动运行

姚洋阳，邱亚鸣，胡 静，朱 冬，陆裔晨，张 军

（1.上海明华电力科技有限公司，上海 200090；2.上海电力绿色能源有限公司，上海 200120）

0 引言

现今城市环境问题日益突出，雾霾频发，发展低碳经济刻不容缓[1]。分布式能源多采用天然气、光能等清洁能源或可再生能源作为原动力，具有清洁环保、安装运营灵活等特点，是实现节能环保的重要措施，同时也弥补了传统电网集中式供能的不足[2-4]。近年来，随着微型、小型动力技术及余热利用技术的逐渐突破，分布式能源得到广泛的关注[5]。分布式能源可以实现能源的梯级利用，通过耦合各类能源和转换设备，实现能源的互补，冷热电三联供是目前分布式能源站最常采用的多能互补方式[6-7]。为提高能源站的自动化水平，减轻运行人员负担，提出了“无人值班，少人值守”的管理理念，对分布式能源控制系统提出了更高的要求，实现分布式能源站“全自动运行”成为亟待解决的问题[8-9]。

目前，对多能互补分布式能源站“全自动运行”策略的研究主要集中在负荷预测与负荷分配运行策略方面。罗必雄通过对分布式能源站系统集成和优化运行控制策略的研究，提出了分布式能源站在经济工况下的有效运行方案，为能源站的全自动运行提供了强有力的支持，但缺乏实践的检验[10]。崔琼等归纳总结了分布式能源系统容量配置及优化调度的国内外研究现状，为后续优化运行研究提供了重要参考[11]。王禹等建立了分布式能源协同运行优化模型，综合考虑设备约束和系统约束、运行成本和环境成本，采用改进粒子群优化算法求解最优运行策略，但并没有对运行策略在能源站的实现进行深入研究[12]。目前在分布式能源设备控制层对协调控制最优运行策略进行实施的研究不足。邱亚鸣等研究并实施了基于西门子PCS7 控制系统的分布式能源站自动控制方案，但该方法需要人工干预的流程较多，顺控过程中出现故障之后无法自行修复，系统运行灵活性不足[13]。张爱平等研究了子系统所需要的程控，提出了一键启停的初步方案，但其设备数量较少，设备类型不多，采用枚举法进行全自动控制，不具备普适性[14]。与传统火电、燃机电厂相比，分布式能源站主机设备多元性强，供能方式更灵活，及时有效地全自动执行优化运行策略是提升分布式能源经济性的关键所在[15-19]。

本文以前滩分布式能源站为对象，提出了一种全自动运行的解决方案，重点解决了分布式能源站母管制系统下设备全自动运行控制问题。

1 前滩天然气分布式能源站系统介绍

前滩分布式能源站采用冷热电三联供的制能形式，利用天然气驱动内燃机供电，再通过各种余热利用设备对余热进行回收利用。分布式能源站核心供能设备配置情况如表1 所示，能源站供能设备较多，给能源站全自动控制增加了难度。

如图1 所示，以大冷机制冷工况为例介绍前滩母管制系统，大冷机、一次泵、冷却泵、冷却塔风机各自组成自己的母管分系统，母管制系统可以提高系统运行的稳定性，同时其运行灵活，有利于设备检修。当母管分系统中有部分设备不具备启动条件时，可以启动分系统中的其余设备，以保证各辅机母管分系统运行情况满足主机设备母管分系统运行要求，比如冷冻水、冷却水流量满足，冷却水回水温度满足等。

母管制设计增加了系统的稳定性，但也提高了控制难度，前滩能源站的大、小冷机和风冷热泵等制能设备，及其附属的一次泵、二次泵、冷却塔等辅机均采取母管制运行策略，程控无法采用简单的单元制控制方式，且在系统运行过程中随时可能会出现设备故障、流量不足或者温度过高（过低）等异常情况，因此不能仅靠程控来实现能源站的全自动运行，还需在程控指令的基础上，实时监测系统运行参数，及时对运行设备进行调整，确保系统稳定运行。

表1 前滩分布式能源站核心供能设备配置

图1 大冷机制冷工况母管制工艺流程

2 基于母管分系统控制的能源站全自动运行策略

本文研究了一种基于母管分系统控制的分布式能源站全自动运行策略，控制目标围绕所需运行的设备台数展开，为了综合考虑负荷分配系统需求及运行过程中异常状况出现的情况，分为程控自动控制和参数监测台数控制两套系统对运行台数进行控制。能源站全自动控制系统框架如图2 所示，综合考虑了程控及参数监测联（闭）锁台数计算系统对设备运行台数的需求，将需求发送给母管设备台数控制系统，由其对相应的母管设备进行启停控制，使各母管分系统运行设备台数满足需求。

程控主要接收来自负荷分配系统下发的优化运行指令，包括各供能程控运行的套数及运行时间段，在程控系统执行过程中，根据当前执行步骤的需要，将所需运行的设备台数送到当前需要执行命令的母管设备台数控制分系统，由母管设备台数控制系统对相应设备发出启停指令。

参数监测联（闭）锁台数计算系统主要用来接收压力、温度、流量等参数，在运行过程中，需要根据参数波动实时进行运行设备调整，参数监测台数控制系统可以实时计算出需要各母管分系统增减运行设备的台数，保证系统运行的稳定。例如，当冷冻水、冷却水流量不足时，可以实时计算出一次泵和冷却泵需要增运的台数，并发送相应启动指令投运。

目前市面上的控制系统没有针对分布式能源站多台设备的控制模块，无法很好地进行母管制多台设备间的协调控制。因此，基于SCL 编程语言自定义开发了母管设备台数控制模块与参数监测联（闭）锁台数计算模块，进而实现了分布式能源站母管制系统设备运行台数的全自动控制。

2.1 程控自动控制运行策略

全自动控制的主体是程控控制，程控需要接收来自负荷分配系统的信息并进行判断分析，最终发出启停指令。前滩分布式能源站负荷分配系统以单日运行成本最低为目标，分别给出峰谷平时间段各系统需运行的套数及其运行时长，DCS（分散控制系统）则根据接收到的运行套数和运行时长信息，实现能源站的全自动运行。

能源站程控自动控制流程如图3 所示，各供能程控系统均实时监测负荷分配系统发送的数据，当到达自身供能时间段时，实时判断现运行系统套数与所需要套数之间的关系。图3 中，M表示所需要该供能系统运行的套数，m 表征该系统正在运行的套数（若现在需要的是大冷机供冷系统，则1 台大冷机供冷环路成为1 套系统，以此类推）。

当M＞m 时，现供能能力不足以满足供能需求，需要增加主机运行台数以提高供能出力，在启动主机之前先确认运行工况，若工况未切换，则先运行工况切换程控，待工况切换完成之后运行相应供能系统启动程控。在供能程控运行过程中，每一组母管分系统设备对应一个“母管设备台数控制”模块，按照启动工艺流程，当需要启动某母管分系统设备时，“母管设备台数控制”模块会对相应设备发出启动指令，等待该母管分系统设备启动完成之后再运行程控下一步操作，直至程控结束，供能系统运行套数满足所需要求。

当M＜m 时，现运行供能能力超过供能需求，需要减少主机运行台数降低供能出力节约能源，此时自动运行供能系统停止程控，按照停止工艺流程，当需要停止某母管分系统设备时，该母管分系统对应的“母管设备台数控制”会向相应的设备发出停止指令，等待该母管分系统设备停止完成之后再运行程控下一步操作，直至程控结束，供能系统运行套数满足所需要求。

图2 能源站全自动控制框架

程控控制流程按照工艺流程设计，只是在对主、辅机进行启停操作时将需要的运行设备台数传送给对应的“母管设备台数控制”模块，由母管设备台数控制系统进行设备启停操作，从而实现单套程控程序同时启停多套供能设备的功能。

2.2 参数监测联（闭）锁增减运行设备台数控制策略

能源站运行过程中，难免会出现流量不足、压力过低、温度不满足或设备故障等情况，“参数监测台数控制”功能块可以在程控的基础上，实时计算各母管分系统所需增减的运行设备台数，将该增减台数指令传送给对应的“母管设备台数控制”模块，保证系统参数的稳定。

根据系统参数实时计算得到设备所需增减台数，功能通过编写逻辑代码实现，输入的参数有：监测参数、设备台数、高参数定值、低参数定值、高定值监测周期、低定值监测周期、增减模式选择和复位，输出参数为所需运行设备变化台数。

该“参数监测联闭锁台数计算”功能块有两种增减模式选择。在模式1 的情况下，监测参数高于高定值时需要减少运行台数，低于低定值时需要增加运行台数，适用于冷冻水、冷却水母管流量等控制；在模式2 的情况下，监测参数高于高定值时需要增加运行台数，低于低定值时需要减少台数，适用于冷却塔回水温度等的控制。

“参数监测联（闭）锁台数计算”功能块运行流程如图4 所示，以模式1 为例，“所需运行设备变化台数”原始值为0，即不需要增减运行设备台数。当监测参数小于低定值时“所需运行设备变化台数”开始计数，一个低定值周期后若监测参数仍小于低定值，则“所需运行设备变化台数”加1，以此类推，若下一个低定值周期后监测参数仍小于低定值，则“所需运行设备变化台数”再加1。“所需运行设备变化台数”增加台数的上限为总台数减去已运行台数。

同理，当监测参数大于高定值，一个高定值周期后若监测参数仍大于低定值，则“所需运行设备变化台数”减1，以此类推，若下一个高定值周期后监测参数仍大于低定值，则“所需运行设备变化台数”再减1。“所需运行设备变化台数”减少台数的上限为已运行台数。

图3 能源站程控自动控制流程

“参数监测联（闭）锁台数计算”功能块的复位引脚用于输出复位，当给复位引脚置1 后，输出的“所需运行设备变化台数”赋0；当复位引脚重新置0 后，继续进行联（闭）锁台数运算。

2.3 母管设备台数控制策略

分布式能源站母管制系统中可运行设备数量较多，为准确启停设备，设计了优先级系统，具体分为手动优先级和自动优先级两套系统，运行人员可以通过控制画面进行优先级系统切换。手动优先级由运行人员通过运行画面设定，根据设备总台数进行定义，如风冷热泵有21 台，则每台风冷热泵的优先级可设置为1～21 的任一非重复整数，且内部设计了优先级闭锁逻辑，保证设备优先级不会重复。自动优先级由控制系统自动判断定义，根据设备运行时长进行排序。若设备总台数为N，则运行时长最短的设备为优先级1，以此类推，运行时长最长的设备为优先级N，每台设备的优先级均为1～N 的不等整数。

本文基于SCL 语言编译“母管设备台数控制”模块，为程控控制及参数监测联（闭）锁增减运行设备台数控制提供设备管理服务，接收两者发出的台数控制信息，进行相应设备的启停操作，实现能源站的全自动控制。

“母管设备台数控制”模块输入、输出参数如表2 所示。

母管设备控制策略如图5 所示，当运行设备台数大于需要的台数（N＞NNeed）时，“母管设备台数控制”模块可以综合评估各设备的优先级、设备运行状态和停止允许条件，给具备停止允许条件且运行中的优先级最大的N-NNeed 台设备发送停止指令信号，直至设备运行台数等于所需要的设备台数（N=NNeed）；当设备运行台数等于需要的台数（N=NNeed）时，不发出启动或停止指令，设备维持现状运行；当系统检测到设备台数小于需要的台数（N＜NNeed）时，“母管设备台数控制”模块通过对各设备的优先级、运行状态和启动允许条件进行综合判断，给具备启动允许条件且停运中的优先级最小的NNeed-N 台设备发送启动指令信号，直至设备运行台数等于所需要的设备台数（N=NNeed），为防止同一电气母线上的设备同时启动造成瞬时电流过载，引起线路故障，每两个相邻启动指令间隔3 s 发出。

表2 “母管设备台数控制”模块接口清单

图4 参数监测联（闭）锁增减运行设备台数控制策略

3 运行案例分析

3.1 程控自动控制运行案例分析

以空气源热泵制冷工况为例，将空气源制冷程控相关设备均切换至自动模式，初始状态下空气源热泵均在停止状态，通过负荷分配系统给定空气源热泵制冷在13:00—13:30 需要运行3 套，空气源热泵制冷程控监测到运行台数不足之后自动启动，按照工艺流程，先进行空气源热泵制冷工况切换，之后开启满足要求的空气源热泵进口阀门，进口阀开到位之后启动空气源热泵一次泵，当冷冻水流量满足空气源热泵启动条件之后，启动优先级较低且满足启动条件的3 台空气源热泵。在程控运行过程中，若存在空气源热泵启动失败的情况，则关闭该空气源热泵进口阀，并寻找下一个优先级设备，向进口阀和空气源热泵发送启动指令，直到3 套空气源热泵启动完毕。程控过程如图6 所示。

3.2 参数监测联（闭）锁增减运行设备台数控制案例分析

图5 母管设备台数控制策略

图6 空气源热泵制冷程控过程母管设备运行台数变化情况

图7 空气源热泵冷冻水流量不足时一次泵运行台数变化情况

以空气源热泵制冷时冷冻水流量监测为例，通过后台程序模拟3 台空气源热泵在运行状态，进行流量监测闭锁一次泵运行台数试验，设置冷冻水流量为290 t/h，低于空气源热泵冷冻水流量监测低值300 t/h，在监测到冷冻水流量不足后一次泵运行台数变化情况如图7 所示，一个低定值周期60 s 后，冷冻水流量不足，开启一台备用一次泵，继续强制冷冻水流量不足，此后，每60 s就会启动一台备用一次泵，直到4 台空气源热泵一次泵全部开启。

4 结语

分布式供能近年来发展迅速，其设备数量较多，考虑到运行的安全性多采用母管制设计，然而现在市面上并没有非常契合分布式能源的DCS系统，本文基于西门子PCS7 系统，开发了“参数监测联（闭）锁台数计算”与“母管设备台数控制”的自定义模块，提出了一种基于母管分系统控制方法的全自动控制策略，控制系统可以按照负荷分配要求利用程控启停相关供能系统，并利用参数监测联（闭）锁台数控制系统对相关运行参数进行实时监控，并及时作出调整，对设备故障等引起的紧急情况可以及时补救。经试验表明，西门子PCS7 控制平台开发的自定义功能块，能够实时接收来自能源站负荷分配系统计算得到的分时段设备运行台数指令，自动进行工况切换且实时调整设备运行状态，在控制层真正实现了分布式能源站设备的全自动启停控制功能，离能源站“无人值班，少人值守”的运行目标更进一步。