燃氣分布式能源的電氣監控系統案例分析

徐靜靜，張希，張愛平，和彬彬，楊玲

（華電分布式能源工程技術有限公司國家能源分布式能源技術研發中心，北京100070）

燃氣分布式能源的電氣監控系統案例分析

徐靜靜，張希，張愛平，和彬彬，楊玲

（華電分布式能源工程技術有限公司國家能源分布式能源技術研發中心，北京100070）

從燃氣分布式能源的電氣監控對象、電氣控制特點、電氣監控方式等對電氣監控系統進行了總結，并結合工程案例對兩種類型的燃氣分布式能源的電氣監控系統方式進行了分析，論證了不同規模、不同類型的分布式能源項目需采用的電氣控制方式，為燃氣分布式能源項目的電氣監控系統提供設計依據。

分布式能源；電氣監控系統；DCS

0 引言

燃氣分布式能源以天然氣為燃料，通過冷、熱、電三聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上，它利用先進的燃氣輪機或燃氣內燃機發電，經過能源的梯級利用，為用戶解決能源需求。與傳統電廠相比，燃氣分布式能源機組容量一般較小，尤其是樓宇式分布式能源項目，一般采用一種電壓等級。燃氣分布式能源的電氣監控系統與傳統電廠相比，系統簡單，但具有其特殊性[1-2]。

本文從燃氣分布式能源的電氣監控對象、電氣控制特點、電氣監控方式等不同方面對電氣監控系統進行了較全面的總結分析，結合樓宇式及區域式分布式能源工程案例，對燃氣分布式能源的電氣監控系統進行了詳細的研究分析。

1 電氣監控對象

燃氣分布式能源的電氣監控對象主要分為電氣和工藝兩部分。電氣部分包括發電機系統、10kV電氣系統、380V電氣系統、廠用變壓器、直流及UPS系統等；工藝部分主要指高壓電動機、低壓電動機及其成套設備。

電氣部分的控制范圍主要包括以下方面：

（1）能源站10kV高壓電氣系統的正常分合閘操作，包括低壓變壓器和10kV饋線的工作電源進線斷路器及備用電源進線斷路器，10kV電力送出線路斷路器及發電機出口斷路器的分閘、合閘操作。

（2）380V低壓廠用電源之間的正常分合閘操作，包括各個低壓廠用變壓器380V側斷路器、各PC段間聯絡斷路器和低壓饋線回路斷路器的分閘、合閘操作。

（3）直流電源系統，僅設置監測，無控制。

（4）交流不停電電源系統（UPS），僅設置監測，無控制。

（5）數據采集與監視：包括10kV和380V斷路器的遙控信號、分閘合閘位置信號、故障信號、告警信號、保護動作信號等，回路三相電流信號、母線三相電壓信號等。

2 電氣監控系統的特點

電氣監控系統與熱工控制系統相比有很多不同點[3-4]：

（1）與熱工設備相比，電氣設備控制對象較少，控制信息采集量小，操作頻率低。電氣控制系統雖然相對簡單，但卻要求準確性較高，任何疏忽和失誤都可能造成較嚴重的后果。尤其是變壓器和廠用電源，不能出現制動延遲等現象，一旦出現問題后果會比較嚴重。

（2）電氣設備的自動保護裝置要求的動作速度非常快，對抗干擾要求也較高。

（3）電氣監控系統主要以數據采集系統和順序控制為主，設備間相互聯鎖的條件較為簡單，但聯鎖保護較多，某一設備故障受影響的范圍也較大。

（4）電氣監控系統的操作不但要滿足分布式能源機組運行情況的要求，而且與電網相關聯，需同時滿足機組和電網的共同要求。

3 電氣的監控方式

燃氣分布式能源按項目規模一般分為樓宇式、區域式兩種形式。樓宇式分布式能源項目一般以內燃機為核心設備，以滿足建筑用能為主；區域式分布式能源一般以燃氣輪機為核心設備，可向較大區域提供空調冷熱水以及蒸汽需求。樓宇式與區域式分布式能源由于機組構成不同，其電氣控制方式也應不同。對于機組容量小的樓宇式分布式能源，不宜配置單獨的電氣監控系統（電氣監控系統簡稱ECS），電氣監控系統可納入全廠DCS（或PLC）系統；對于機組容量較大的區域式分布式能源，必要時可配置單獨的ECS系統，電氣部分的監控由ECS實現，ECS通過通訊把信息傳輸到全廠DCS系統。

ECS系統信息傳輸到與DCS（PLC）的意義在于：

（1）完善并提高ECS系統運行時的監控能力水平；

（2）達到了完全集控的運行狀態；

（3）提高了控制可靠性。

4 工程應用

以下結合兩種不同典型的分布式能源案例，分別對樓宇型及區域型的分布式能源項目的電氣控制方式進行了研究分析。

4.1 樓宇型項目應用

（1）項目概況

項目一主要為25萬m2的辦公、酒店、商業建筑綜合體提供全部的空調冷熱、生活熱水及部分電力需求。能源站機組配置為2臺3349kW的燃氣內燃發電機組，內燃機煙氣及缸套水余熱由煙氣熱水型溴化鋰機組利用，調峰設備采用2臺直燃機及2臺電制冷機組。

（2）電氣控制設計方案

該工程采用電氣控制與熱控共用DCS系統的設計方案，包括兩臺主機及輔助電氣設備組成一體化控制模式，發電機、低壓配電設備等電氣元件的控制均設在集控室，由DCS系統控制。

表1 華電產業園能源站各子系統控制點統計

（3）電氣控制點統計分析

根據系統設備，能源站主要包含內燃機、電制冷機、定壓補水系統、通風系統及電氣系統，各系統的控制點數及各自所占比例如表1和圖1所示，其中定壓補水系統、通風系統和內燃機控制點較多，分析得出是由于該系統的電動機數量較多。

4.2 區域型項目應用

（1）項目概況

項目二主要為滿足某啤酒廠的蒸汽、冷水及電力需求，機組配套建設1臺6MW級燃氣輪發電機組+1臺補燃式余熱鍋爐+2臺20t/h燃氣鍋爐+1臺熱水型溴化鋰機組。

（2）電氣控制設計方案

該工程能源站分別設置DCS系統及ECS系統，10kV和380V電氣系統的保護、計量、測量均由ECS系統實現監視和控制，燃氣輪機及所有電動機的控制均納入DCS控制系統。該種方式不僅實現了電氣系統的協調控制、故障分析和運行管理，也減少了DCS的測點投資和硬接線方式下的電纜投資。

1）ECS系統部分

該工程能源站配置ECS系統，通過以太網將廠用電氣系統組成局域網，構建成專用的ECS，實現完全數字化的電氣信息量監控，同時為DCS提供高速實時的數字化通信接口。納入ECS系統控制的各配電柜的電氣測點統計見表2，各類型控制點分類如圖3所示。

表2 新都雪花啤酒能源站ECS系統電氣控制點統計

2）DCS系統控制部分

能源站的燃氣輪發電機和所有水泵電動機的控制均納入DCS控制系統。納入DCS系統的燃氣輪機發電機測點清單及各系統電動機控制測點統計見表3，各類型控制點分類如圖4所示。

5 結語

（1）從不同方面對電氣監控系統進行了較全面的總結分析，同時在此基礎上提出了樓宇式與區域式分布式能源項目由于機組型式及容量不同、系統設計等的差異，需采用不同的電氣監控方式。

（2）通過選取典型分布式能源工程案例，總結了樓宇式及區域式分布式能源的電氣監控方式，并分別對電氣二次控制點進行了統計及分析，可作為同類型分布式能源項目的設計參考。

表3 項目二能源站電動機控制點統計

（3）通過對比得出，樓宇式分布式能源的電氣部分相對比較簡單，控制點數不多，因此建議與工藝系統的電動機一起統一納入DCS系統控制；而區域式分布式能源的電氣部分設備較多，控制相對復雜，建議分別設置DCS系統及ECS系統。

[1]金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯產系統裝置及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]吳大為，王如竹.分布式能源定義及其與冷熱電聯產關系的探討[J].制冷與空調，2005,（5）：1～6.

[3]王娓娜.大型發電廠廠用電監控系統研究[J].沈陽工程學院學報，2009，（1）：47～49.

[4]鄒寧.電廠電氣自動化控制系統簡介[J].黑龍江科技信息，2015，（20）：18.

Case Analysis of Electrical Control System of Gas Distributed Energy

XU Jing-jing，ZHANG Xi，ZHANG Ai-ping，HE Bin-bin，YANG Ling
（Huadian Decentralized Energy Engineering Co.，Ltd，National Energy Distributed Energy Technology Research and Development Center，Beijing 100070，China）

This paper summarizes electrical control system of gas distributed energy from the electrical control object, characteristics of electrical control，the methods of electrical control system.Take two engineering cases of gas distributed energy as an example，the way of electrical control system are analyzed.It demonstrates that the different scale，different types of gas distributed energy projects need to use different electrical control modes，and provides the design basis for the electrical control system of gas distributed energy projects.

distributed energy；electrical control system；DCS

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.04.002

TM76

B

2095-3429（2016）04-0007-04

2016-04-05

修回日期：2016-05-30

國家能源分布式能源技術研發中心項目（CHDKJ14-01-26）

徐靜靜（1986-），女，山東臨沂人，碩士，工程師，主要從事分布式能源系統的設計及研發工作。