新聞主題	柴油發電機組的冗余并機和通信應用

 

摘要：康明斯柴油發電機組針對數據中心、船舶、石油等行業的高要求，高可靠性應用場景而設計的冗余控制系統，是冗余控制一體化的有效解決方案。可以控制箱模組的形式直接交付給客戶，控制箱內部集成了兩臺定制的柴油發電機組控制模塊，以及相應的保護和冗余硬件配置。客戶只需按照普通單臺機組控制模塊的方式接線使用即可，無需考慮兩臺柴油發電機組之間如何控制/切換。

 

一、并機系統工作原理

 

      并機系統是整個柴油發電機組集群的控制中樞，負責各機組的狀態、參數的監測、調整和控制，同時為機組提供必要的保護功能。并機系統的可靠性直接決定了柴發系統是否能夠可靠、穩定、高效地提供電能。

1、并機控制器的通訊拓撲

      目前柴發并機系統多為分散控制系統（DCS），系統穩定性在很大程度上由其控制器的通訊拓撲決定。常見的拓撲有如下三種：

（1）星型拓撲

      如圖1所示，星型拓撲以中央節點為中心，并用單獨的線路使中央節點與其他節點相連接，相鄰節點間的通信必須通過中心節點，所以中央節點故障會導致整個系統失效，單點隱患較為嚴重。另外，若其他節點與中央節點之間的線路中斷，也會導致該節點離線，喪失功能。

（2）環型拓撲

       如圖2所示，環型拓撲較為簡單，各個控制器通過線纜連接起來，最后形成一個閉環。可實現各節點的自舉控制，任意節點故障或者連線中斷都不會影響系統的整體功能。不過要注意節點之間的通訊方向和控制策略，若節點間僅能單向通訊，則任一節點的離線都會導致系統的失效。

（3）總線拓撲

       如圖3所示，總線拓撲使用一條主線纜串接所有的節點，所有接入總線的節點都擁有平等的優先權，可實現各節點的自舉控制。任一節點故障只會導致該節點離線，不會對系統的整體功能產生影響。但總線中斷會導致系統解體，甚至完全失效。

2、并機控制的方式

      目前常用的柴發并機系統的同步控制實現方式有以下兩種：

（1）通過機組自帶控制器實現并機同步控制：

      此類系統中機組控制器不僅承擔了發動機、發電機的監測、調節、控制、保護功能，還承擔了機組并機的監測、控制、保護功能，包含各機組之間的同步（頻率、相位、幅值調節）、以及機組與外部并機柜的分合閘控制及保護；此種方式下，系統較為簡單，機組自帶控制器不僅實現了機組自身保護，更是避免單機故障時影響系統整體可靠性的關鍵。控制原理如圖4所示。

（2）通過外部并機控制器實現并機同步控制（即常說的并機分控柜）：

      此類系統中機組控制器僅承擔發動機、發電機的監測、調節、控制、保護功能，而機組并機的監測、控制、保護功能則由外部并機控制器負責，包含各機組之間的同步（頻率、相位、幅值調節）、以及機組與外部并機柜的分合閘控制及保護。此種方式下機組狀態控制與并機同步控制分別由機組控制器和并機控制器實現，而并機控制器則是避免單機故障時影響系統整體可靠性的關鍵。

3、并機系統的保護配置

      為確保柴發系統保護的全面、可靠及有效，并機系統通常與并機柜共同承擔了保護功能，常見的保護功能如下：

（1）與并機同步邏輯無關的保護

① 柴發機組并機控制器根據采集的電量信號（如電壓、電流、功率、頻率等）和非電量信號（如機油溫度、機油壓力、燃油壓力、冷卻液溫度等）作為保護判據，比如單機故障時的保護；

② 并機柜根據采集的電量信號（如電壓、電流、頻率等）作為保護判據，比如一段、二段過流，差動保護等，以及非電量信號（如由柴發機組并機控制器提供的故障聯動信號等），比如短路故障時的保護。

（2）與并機同步邏輯相關的保護

① 柴發機組并機控制器根據采集的電量信號（如電流方向、功率方向等）作為保護判據，比如柴發機組失去同步時的保護；

② 柴發機組并機控制器根據采集的非電量信號（如各臺機組的通訊信號）作為保護判據，比如控制器通訊丟失后機組切除異常機組的保護；

③ 并機柜根據采集的電量信號（如電流方向、功率方向等）和非電量信號（如由柴發機組提供的失壓聯動信號等）作為保護判據。

 

圖1  柴油發電機組并聯系統星型拓撲圖	圖2  柴油發電機組并聯系統環型拓撲圖
圖3  柴油發電機組并聯系統總線拓撲圖	圖4  柴油發電機組并聯控制方式（自帶控制器）

 

二、并機系統的應用

 

1、冗余應用

      如圖5所示為康明斯電力技術有限公司柴油發電機組并機冗余控制系統。

（1）主、備控制器互為熱備用冗余配置

      主、備控制器互為熱備用冗余配置，主控制器故障時，另外一臺柴油發電機組的控制器會自動無縫接管柴油發電機組并機控制所有功能，接管過渡期間不會影響運行柴油發電機組的控制、保護、帶載響應等關鍵性能。

（2）控制總線冗余配置

      主、備控制器均采用雙CANBUS總線加模擬量負載分配總線三保險配置進行功率管理等功能，CANBUS總線冗余，當一條CANBUS總線出現故障中斷時，另外一條總線無縫接管柴油發電機組并機控制所有功能，雙總線故障，模擬量總線接管柴油發電機組并機控制所有功能，接管過渡期間不會影響運行柴油發電機組的控制、保護、帶載響應等關鍵性能。

（3）控制器的信號冗余配置

      主、備控制器的輸入輸出線路均采用開關量的形式進行隔離，調壓信號采用開關量并聯，調速信號采用雙CANBUS線，兩個控制器的信號是獨立的，具備防火墻隔離功能，每臺柴油發電機組配套的兩個并機控制器其中任何一個出現故障甚至出現短路，線路燒損等嚴重故障，完全不會影響另外一個控制器的功能實現。

（4）檢測控制線路冗余

      如圖6所示，線路1和線路2分別獨立為主、備模塊的電壓檢測線；線路3和線路4分別獨立為主、備模塊的斷路器合、分控制線；線路5和線路6分別獨立為主、備模塊的發動機ECU數據檢測線；線路7和線路8分別獨立為主、備模塊的發電機電壓、電流信號檢測線。

（5）負載分配線路冗余

      柴油發電機組之間優先通過CANBUS 進行負載分配管理，一旦該通信線發生故障時，可以通過內部配置的IOM230模塊進行模擬量負載分配管理

 

圖5  兩臺柴油發電機組冗余控制系統

圖6  兩臺柴油發電機組冗余控制系統接線圖

 

2、 通信應用

      柴油發電機組控制系統主要的通信在工業控制、電力通信、智能儀表等領域，通常情況下是采用串口通信的方式進行數據交換。柴油發電機組行業也不例外，最初采用的方式是RS232接口，由于工業現場比較復雜，各種電氣設備會在環境中產生比較多的電磁干擾，會導致信號傳輸錯誤。除此之外，RS232接口只能實現點對點通信，不具備聯網功能，最大傳輸距離只有十幾米，不能滿足遠距離通信要求。而RS485數據信號采用差分傳輸方式，可以有效地解決共模干擾問題，最大傳送距離可達1200m，并且允許多個收發設備接到同一條總線上。

      RS485采用半雙工通信方式，數據可以進行雙向傳送，同一時刻，只能發送數據或者接收數據。波特率一般設置9600，對于單個柴油發電機組設備的監控還是能夠適用，如果應用于多臺柴油發電機組且有距離較遠的項目，這種方式就遠遠不夠。這時就需要采用工業以太網的形式進行。主流的柴油發電機組控制模塊一般都配置有RJ45端口，能夠供遠程上位機通過MODBUS TCP/IP協議進行監控。采用工業以太網監控方式最大的優點就傳輸速率快，滿足多臺柴油發電機組構成的總線結構進行監控。

      柴油發電機組自動控制屏一般默認配置RS485通信端口，通信線需要在現場鋪設，有時候上位機不能采集到柴油發電機組的數據，可以采用以下方法進行逐一判斷：

（1）檢查控制模塊設備地址，波特率；

（2）檢查RS485通信線A、B是否接反，如果距離遠，注意首尾兩端加裝120Ω電阻；

（3）確定通信線完好無斷線現象。推薦采用屏蔽雙絞線，屏蔽層接地；

（4）以上檢查完好沒有問題，用計算機的串口通信測試工具對端口進行測試。

3、快速并機應用

      在一些特殊項目中，往往要求柴油發電機組在15s內為負載提供電源。單組應用中這是很容易實現的。然而，一些大的項目中往往并不是僅僅滿足于一臺柴油發電機組的在線運行，多臺發電機并聯為負載提供電源往往成為常態。多臺柴油發電機組并聯且要求比較短的時間內為負載供電的快速并機應用采用“dead bus”的方案。

      在柴油發電機組開始之前，負載開關閉合。斷路器的控制電源采用直流控制。交流發電機的勵磁通過控制模塊進行控制，柴油發電機組啟動前，發電機勵磁開關斷開，柴油發電機組參數滿足控制模塊設置值時，勵磁開關閉合，柴油發電機組輸出電壓。該類型柴油發電機組特點：

（1）不需要發電機同步和等待所有的柴油發電機組同步到一個母排上。

（2）從啟動命令8～10s后系統應具有滿負載的帶負載能力。

（3）系統運行在UPS是比較理想的方案。

（4）不允許停電的項目（醫院，數據中心）。

（5）軟勵磁減壓系統。

4、與電網并聯應用

（1）單機并市電

      市電故障GCB分閘（自動模式下），市電故障，GCB不能合閘，不許孤島運行；控制GCB開關同步/合閘，不控制市電開關MCB；負載功率控制，或輸入/輸出功率控制。

（2）多機并聯

      控制MCB反向同步，市電控制系統控制GCB同步/合閘/分閘；不并市網時，柴油發電機組負載分配，采用柴油發電機組并機的功率管理模式；當與市網并聯運行時，市電控制系統控制柴油發電機組多種功率控制，基數負載、輸入/輸出，外部控制功率，模擬量信號控制功率；遠程干接點遠程啟動或市電故障自啟動。

 

總結：

      在柴油發電機行業，術語“并聯發電機”通常是指2臺或更多物理上相互連接的柴油發電機組，并且發電機的電力輸出同步并連接到公共電源。主配電板上的總線。這會創建一個管道，允許將組合的電力輸出輸送到設施。為了實現并聯同步，連接的發電機必須在多個規格上相互匹配，包括節距、電壓、相位和頻率。隨著現代技術的進步，并聯發電機系統比以往任何時候都更好。正如我們在此討論的，它們可以為電力至關重要的成長型企業提供一些真正的優勢。此外，這些系統現在很容易獲得，相對容易控制，并且可以以最少的初始投資快速部署。

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