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柴油发电机组的冗余并机和通信应用 |
摘要：康明斯柴油发电机组针对数据中心、船舶、石油等行业的高要求，高可靠性应用场景而设计的冗余控制系统，是冗余控制一体化的有效解决方案。可以控制箱模组的形式直接交付给客户，控制箱内部集成了两台定制的柴油发电机组控制模块，以及相应的保护和冗余硬件配置。客户只需按照普通单台机组控制模块的方式接线使用即可，无需考虑两台柴油发电机组之间如何控制/切换。
一、并机系统工作原理
并机系统是整个柴油发电机组集群的控制中枢，负责各机组的状态、参数的监测、调整和控制，同时为机组提供必要的保护功能。并机系统的可靠性直接决定了柴发系统是否能够可靠、稳定、高效地提供电能。
1、并机控制器的通讯拓扑
目前柴发并机系统多为分散控制系统（DCS），系统稳定性在很大程度上由其控制器的通讯拓扑决定。常见的拓扑有如下三种：
（1）星型拓扑
如图1所示，星型拓扑以中央节点为中心，并用单独的线路使中央节点与其他节点相连接，相邻节点间的通信必须通过中心节点，所以中央节点故障会导致整个系统失效，单点隐患较为严重。另外，若其他节点与中央节点之间的线路中断，也会导致该节点离线，丧失功能。
（2）环型拓扑
如图2所示，环型拓扑较为简单，各个控制器通过线缆连接起来，最后形成一个闭环。可实现各节点的自举控制，任意节点故障或者连线中断都不会影响系统的整体功能。不过要注意节点之间的通讯方向和控制策略，若节点间仅能单向通讯，则任一节点的离线都会导致系统的失效。
（3）总线拓扑
如图3所示，总线拓扑使用一条主线缆串接所有的节点，所有接入总线的节点都拥有平等的优先权，可实现各节点的自举控制。任一节点故障只会导致该节点离线，不会对系统的整体功能产生影响。但总线中断会导致系统解体，甚至完全失效。
2、并机控制的方式
目前常用的柴发并机系统的同步控制实现方式有以下两种：
（1）通过机组自带控制器实现并机同步控制：
此类系统中机组控制器不仅承担了发动机、发电机的监测、调节、控制、保护功能，还承担了机组并机的监测、控制、保护功能，包含各机组之间的同步（频率、相位、幅值调节）、以及机组与外部并机柜的分合闸控制及保护；此种方式下，系统较为简单，机组自带控制器不仅实现了机组自身保护，更是避免单机故障时影响系统整体可靠性的关键。控制原理如图4所示。
（2）通过外部并机控制器实现并机同步控制（即常说的并机分控柜）：
此类系统中机组控制器仅承担发动机、发电机的监测、调节、控制、保护功能，而机组并机的监测、控制、保护功能则由外部并机控制器负责，包含各机组之间的同步（频率、相位、幅值调节）、以及机组与外部并机柜的分合闸控制及保护。此种方式下机组状态控制与并机同步控制分别由机组控制器和并机控制器实现，而并机控制器则是避免单机故障时影响系统整体可靠性的关键。
3、并机系统的保护配置
为确保柴发系统保护的全面、可靠及有效，并机系统通常与并机柜共同承担了保护功能，常见的保护功能如下：
（1）与并机同步逻辑无关的保护
① 柴发机组并机控制器根据采集的电量信号（如电压、电流、功率、频率等）和非电量信号（如机油温度、机油压力、燃油压力、冷却液温度等）作为保护判据，比如单机故障时的保护；
② 并机柜根据采集的电量信号（如电压、电流、频率等）作为保护判据，比如一段、二段过流，差动保护等，以及非电量信号（如由柴发机组并机控制器提供的故障联动信号等），比如短路故障时的保护。
（2）与并机同步逻辑相关的保护
① 柴发机组并机控制器根据采集的电量信号（如电流方向、功率方向等）作为保护判据，比如柴发机组失去同步时的保护；
② 柴发机组并机控制器根据采集的非电量信号（如各台机组的通讯信号）作为保护判据，比如控制器通讯丢失后机组切除异常机组的保护；
③ 并机柜根据采集的电量信号（如电流方向、功率方向等）和非电量信号（如由柴发机组提供的失压联动信号等）作为保护判据。
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图1 柴油发电机组并联系统星型拓扑图 |
图2 柴油发电机组并联系统环型拓扑图 |
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图3 柴油发电机组并联系统总线拓扑图 |
图4 柴油发电机组并联控制方式（自带控制器） |
二、并机系统的应用
1、冗余应用
如图5所示为康明斯电力技术有限公司柴油发电机组并机冗余控制系统。
（1）主、备控制器互为热备用冗余配置
主、备控制器互为热备用冗余配置，主控制器故障时，另外一台柴油发电机组的控制器会自动无缝接管柴油发电机组并机控制所有功能，接管过渡期间不会影响运行柴油发电机组的控制、保护、带载响应等关键性能。
（2）控制总线冗余配置
主、备控制器均采用双CANBUS总线加模拟量负载分配总线三保险配置进行功率管理等功能，CANBUS总线冗余，当一条CANBUS总线出现故障中断时，另外一条总线无缝接管柴油发电机组并机控制所有功能，双总线故障，模拟量总线接管柴油发电机组并机控制所有功能，接管过渡期间不会影响运行柴油发电机组的控制、保护、带载响应等关键性能。
（3）控制器的信号冗余配置
主、备控制器的输入输出线路均采用开关量的形式进行隔离，调压信号采用开关量并联，调速信号采用双CANBUS线，两个控制器的信号是独立的，具备防火墙隔离功能，每台柴油发电机组配套的两个并机控制器其中任何一个出现故障甚至出现短路，线路烧损等严重故障，完全不会影响另外一个控制器的功能实现。
（4）检测控制线路冗余
如图6所示，线路1和线路2分别独立为主、备模块的电压检测线；线路3和线路4分别独立为主、备模块的断路器合、分控制线；线路5和线路6分别独立为主、备模块的发动机ECU数据检测线；线路7和线路8分别独立为主、备模块的发电机电压、电流信号检测线。
（5）负载分配线路冗余
柴油发电机组之间优先通过CANBUS 进行负载分配管理，一旦该通信线发生故障时，可以通过内部配置的IOM230模块进行模拟量负载分配管理
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图5 两台柴油发电机组冗余控制系统 |
图6 两台柴油发电机组冗余控制系统接线图 |
2、 通信应用
柴油发电机组控制系统主要的通信在工业控制、电力通信、智能仪表等领域，通常情况下是采用串口通信的方式进行数据交换。柴油发电机组行业也不例外，最初采用的方式是RS232接口，由于工业现场比较复杂，各种电气设备会在环境中产生比较多的电磁干扰，会导致信号传输错误。除此之外，RS232接口只能实现点对点通信，不具备联网功能，最大传输距离只有十几米，不能满足远距离通信要求。而RS485数据信号采用差分传输方式，可以有效地解决共模干扰问题，最大传送距离可达1200m，并且允许多个收发设备接到同一条总线上。
RS485采用半双工通信方式，数据可以进行双向传送，同一时刻，只能发送数据或者接收数据。波特率一般设置9600，对于单个柴油发电机组设备的监控还是能够适用，如果应用于多台柴油发电机组且有距离较远的项目，这种方式就远远不够。这时就需要采用工业以太网的形式进行。主流的柴油发电机组控制模块一般都配置有RJ45端口，能够供远程上位机通过MODBUS TCP/IP协议进行监控。采用工业以太网监控方式最大的优点就传输速率快，满足多台柴油发电机组构成的总线结构进行监控。
柴油发电机组自动控制屏一般默认配置RS485通信端口，通信线需要在现场铺设，有时候上位机不能采集到柴油发电机组的数据，可以采用以下方法进行逐一判断：
（1）检查控制模块设备地址，波特率；
（2）检查RS485通信线A、B是否接反，如果距离远，注意首尾两端加装120Ω电阻；
（3）确定通信线完好无断线现象。推荐采用屏蔽双绞线，屏蔽层接地；
（4）以上检查完好没有问题，用计算机的串口通信测试工具对端口进行测试。
3、快速并机应用
在一些特殊项目中，往往要求柴油发电机组在15s内为负载提供电源。单组应用中这是很容易实现的。然而，一些大的项目中往往并不是仅仅满足于一台柴油发电机组的在线运行，多台发电机并联为负载提供电源往往成为常态。多台柴油发电机组并联且要求比较短的时间内为负载供电的快速并机应用采用“dead bus”的方案。
在柴油发电机组开始之前，负载开关闭合。断路器的控制电源采用直流控制。交流发电机的励磁通过控制模块进行控制，柴油发电机组启动前，发电机励磁开关断开，柴油发电机组参数满足控制模块设置值时，励磁开关闭合，柴油发电机组输出电压。该类型柴油发电机组特点：
（1）不需要发电机同步和等待所有的柴油发电机组同步到一个母排上。
（2）从启动命令8～10s后系统应具有满负载的带负载能力。
（3）系统运行在UPS是比较理想的方案。
（4）不允许停电的项目（医院，数据中心）。
（5）软励磁减压系统。
4、与电网并联应用
（1）单机并市电
市电故障GCB分闸（自动模式下），市电故障，GCB不能合闸，不许孤岛运行；控制GCB开关同步/合闸，不控制市电开关MCB；负载功率控制，或输入/输出功率控制。
（2）多机并联
控制MCB反向同步，市电控制系统控制GCB同步/合闸/分闸；不并市网时，柴油发电机组负载分配，采用柴油发电机组并机的功率管理模式；当与市网并联运行时，市电控制系统控制柴油发电机组多种功率控制，基数负载、输入/输出，外部控制功率，模拟量信号控制功率；远程干接点远程启动或市电故障自启动。
总结：
在柴油发电机行业，术语“并联发电机”通常是指2台或更多物理上相互连接的柴油发电机组，并且发电机的电力输出同步并连接到公共电源。主配电板上的总线。这会创建一个管道，允许将组合的电力输出输送到设施。为了实现并联同步，连接的发电机必须在多个规格上相互匹配，包括节距、电压、相位和频率。随着现代技术的进步，并联发电机系统比以往任何时候都更好。正如我们在此讨论的，它们可以为电力至关重要的成长型企业提供一些真正的优势。此外，这些系统现在很容易获得，相对容易控制，并且可以以最少的初始投资快速部署。
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