柴油發電機組控制系統及其技術發展趨勢研究

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 引言

柴油機以其高效、起動性好等一系列優勢，在發電技術領域有著廣泛應用[1-2]。柴油發電機組的電氣控制系統包括各種傳感器、起動電路、柴油機控制及保護、發電機勵磁控制及保護、并聯運行控制、通信及監控、供配電控制及各組成電氣元件。因此，柴油發電機組的電氣控制系統是機組起動、運行、監控、調節、保護、輸出電能和通信的控制中心，是不可缺少的重要組成部分，也是近年來發電機組發展最快的技術。

1 柴油發電機組控制系統組成及其技術特點

柴油發電機組控制系統從早期的手動控制、半自動、全自動、機組一體化控制直到現代云服務的遠程監控系統?？刂破翉闹羔槂x表發展為數碼顯示及液晶顯示等。

1.1 指針儀表顯示屏

1）主要用作發電機組控制、測量及簡單保護配電使用。

2）主要配置為面板裝有指示燈（信號狀態指示燈）、直流電壓表、直流電流表、功率表、功率因數表、頻率表、交流電壓表、交流電流表、計時表、油壓表、水溫表、按鈕等顯示和控制元件。

控制屏內配置有電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、中間繼電器等繼電保護元件。測量功能實現由面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數表、計時表、油壓表、水溫表等）來實現發電機、柴油機相關主要參數的顯示過程[3]。

操作功能：通過按鈕開關實現柴油機的起動、停機，斷路器的合閘、分閘控制。

保護功能：由自動開關進行過載及短路保護；電壓繼電器實現過電壓、欠電壓保護；柴油機的保護通過油壓開關、水溫開關動作來實現。

1.2 簡單模塊控制屏

1）主要用作發電機組控制、測量及簡單保護配電使用。

2）主要配置：配置一個簡單的起動、停止模塊，面板裝有指示燈（信號狀態指示燈）、電壓表、交流電流表、功率表、功率因數表、頻率表、直流電壓表、直流電流表、計時表、油壓表、水溫表和按鈕等顯示和控制元件?？刂破羶扰渲糜须妷豪^電器、電流繼電器、時間繼電器、中間繼電器等繼電保護元件。

測量功能實現：由面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數表、計時表、油壓表和水溫表等）來實現發電機、柴油機主要參數顯示。

操作功能：通過鑰匙/開關實現柴油機的起動、停機，通過按鈕控制斷路器的合閘、分閘。

保護功能：由自動開關進行過載及短路保護；電壓繼電器實現過電壓、欠電壓保護；柴油機的保護通過油壓開關、水溫開關可以進入信號輸入口，并可在面板顯示報警指示，該模塊也可以用來實現超速保護功能。

3）主要特點：采用控制模塊，集成了開關量報警，具有充電失敗、超速保護功能，鑰匙/開關起動停止功能，將控制系統功能相對簡化，向模塊化發展。

1.3 具有通信功能的控制屏

1）主要作為發電機組控制、測量、柴油機保護、發電機保護使用。

2）主要配置集成可編程邏輯控制器（PLC）功能的控制模塊，能夠進行起動、停止、檢測柴油機主要參數、發電機主要參數。控制面板僅僅配置一個緊急停機按鈕，操作記錄、報警歷史記錄都可以通過控制模塊上的按鍵來進行操作翻看，交流電壓表、交流電流表、功率表、功率因數表、頻率表、直流電壓表、直流電流表、計時表、油壓表、水溫表等儀表功能可以在模塊上由液晶顯示器（LCD）進行顯示。

控制屏內主要配置有中間繼電器、熔斷器和轉接端子等元件。

測量功能實現：面板布置的儀表（電壓表、電流表、頻率表、功率表、功率因數表、計時表、油壓表和水溫表等）都由控制模塊上的LCD 屏幕來顯示，通過翻頁鍵即可顯示各種參數。

操作功能：通過模塊上“起動”“停止”“自動”“手動”按鍵來進行機組的操作控制，控制模塊一般設置斷路器的“合閘”“分閘”按鍵功能，通過模塊上面的組合按鍵可以實現查看實時參數、報警記錄和歷史記錄，也可以通過模塊上的按鍵根據現場情況進行參數設置。

3）控制屏主要特點是控制模塊的功能越來越強大，隨著柴油機技術的發展，電控技術應用于柴油機的控制[4]，機組控制模塊也需要能夠與發動機進行通信，交換數據。機組控制系統這時也要求能夠支持與柴油機的通信功能，例如具有控制器局域網總線技術（CANBUS）通信功能[5]，能夠直接采集柴油機的主要參數，不用再加裝柴油機的傳感器，控制系統就可以讀取到柴油機的水溫、油壓、油耗及故障代碼等主要的參數。另外，控制系統還需要具備遠程監控功能來滿足機房的集中監控功能[6]。一般會為其配置Modbus監控接口，遠程上位機可以對監控機房內單臺或者多臺機組的工作狀況進行監控。

1.4 智能型控制系統

1.4.1 智能型控制系統概述

柴油發電機組的智能型控制系統包括燃油管理系統或調速控制、發電機數字電壓調節器（DVR）或自動電壓調節器（AVR）、機組的測量與保護、并機的測量與控制、遙控遙測與通信等，將機組所需的控制全部由一個界面完成。康明斯電力的“PCC3100”控制系統就是典型的代表。

1.4.2 康明斯電力PCC3100控制系統

PCC3100 是康明斯電力系統發電機組上使用的以微處理器為基礎的控制器，其可用于提供燃油控制和柴油機調速功能、主發電機輸出電壓調整和全套機組控制和監測。同時，它還提供隔離母排或市電（主用電源）并聯電力系統的自動和半自動同步以及自動負載分配控制功能[7]。

操作軟件控制發電機組及其性能特征，并通過數字式顯示屏顯示機組的運行狀態，由前端面板上的按鍵進行控制或功能設定。

PCC3100控制器的主要控制功能：

柴油機轉速控制經由磁電式轉速傳感器（MPU）獲取頻率信號，控制盤送岀低功率脈沖寬度調制（PWM）信號到調速器輸出模塊，然后向柴油機燃油控制器輸出一個放大信號控制燃油量以控制柴油機的轉速。

發電機電壓信號通過電壓互感器（PT）/電流互感器（CT）模塊向控制器主板提供信號至發電機調壓器輸出模塊控制勵磁機的勵磁電流，以控制發電機的輸出電壓[8]。

機油、冷卻液和排煙溫度等由傳感器傳送信號至柴油機傳送器和傳感器模塊后再傳送至控制器主板，通過燃油控制卡控制燃油的關斷，以保護機組的運行安全。

母排電壓、頻率信號通過母排PT 模塊及發電機電壓、頻率、電流信號通過PT/CT 模塊分別送至并聯模塊向控制器主板傳送，由控制器主板分別調整機組的轉速（頻率）、電壓，待并聯條件滿足時控制并聯電路斷電器合閘，隨后控制機組的轉速（頻率）、電壓以進行有功和無功功率分配；監控通信功能通過網卡連接系統對發電機組進行通信、監控。

整個機組的參數設定包括轉速（頻率）、電壓、增益、穩定、下垂（速降、壓降）、傳感器設定、功率分配等均在面板上操作設定。

2 柴油發電機組控制系統的發展趨勢

柴油發電機組控制系統不僅要滿足發電機組控制、測量、柴油機保護、發電機保護等功能的需要，而且還要滿足日益增長的安全性和可靠性的需求。那么，對于控制系統的功能就需要個性化、復雜化，如果將每個項目都做單獨的設計，又將對設計工程師提出比較高的要求。這樣就需要投入比較多的人力和精力去做這方面的工作，如果能夠把不同的控制系統分為不同的模塊，需要哪一部分就安裝哪一部分，既能降低成本，又能實現各種功能。

2.1 個性化

1）功能個性化。在常規項目中普通的控制系統可以滿足客戶需要，應對不同客戶的不同需求，往往提出超出常用控制系統以外的功能要求。比如要運行、自動模式、手動模式、公共報警等輸岀繼電器信號，這些信號自身并不復雜，但是如果每個控制屏都配置的話，對于成本和實際需要而言將會產生較大的浪費。然而，如果根據需要進行配置，又會面臨無法進行標準化的問題，每臺控制屏都可能不盡相同，所以實現簡單的個性化需求，都是讓控制屏的設計人員和生產人員比較棘手的一件事情。

2）公司特色個性化。在柴油發電機組行業，柴油機和發電機的核心技術控制在主機廠家手中，原始設備制造商（OEM）能掌控的內容只有控制系統，市場上的競爭也越來越激烈，可能會出現相同的柴油機、發電機拼裝的機組，體現不同廠家機組性能的差異化的東西就只能是控制系統。此時的控制系統再體現公司的個性，例如：卡特彼勒的“奇才控制屏”，康明斯電力的“PCC”系列控制屏。

3）不管是功能的個性化，還是公司特色個性化，都為控制系統的標準化、安全性及可靠性帶來了挑戰。在設計生產中要盡量避免功能的個性化，否則如果測試驗證不足，則有可能帶來不可靠的風險。在生產數量沒有達到一定的量時，追求公司特色個性化則會引起成本的上升。

2.2 復雜化

隨著安全性意識的提高，往往要求控制屏滿足一定的安全功能。相較以往需要增加額外的保護功能。目前現有的控制模塊可以滿足大眾需要的控制保護要求，對于功能要求較多的項目就顯得明顯不足。比如差動保護功能往往需要一個差動繼電器和另外安裝兩組保護CT。接地保護功能需要加裝一組CT和漏電繼電器。

控制系統LCD 能夠以數字形式顯示電壓、電流、頻率、水溫、油壓等參數，然而，對于一些比較傳統的客戶更喜歡指針儀表的簡單直接，就再配置—組指針儀表，增加了越來越多的功能，也就添加了更多的元件。如果有一處接觸不良，就可能產生故障，從而降低了控制系統的可靠性。

對于發電機應用的項目日趨高端，一個發電機組在整個項目中扮演的不僅僅是能發出電就可以的簡單角色，它往往是在供電系統扮演著重要的角色。后臺系統也越來越智能，與柴油發電機交換信息的界面也越來越復雜。系統后臺要對柴油發電機組系統進行監視控制，就需要柴油發電機組對后臺系統進行配合。系統后臺對柴油發電機組的控制要求越多，柴油發電機組的控制系統的生產設計就越復雜。

2.3 模塊化

目前，柴油發電機組控制系統采用專用的PLC控制模塊，集合了發電機保護、柴油機保護、柴油機主要參數、發電機參數，具備三遙功能，滿足一般的功能要求。隨著個性化、復雜化的控制系統需求的增加，控制模塊自身也在不斷地將新的功能集成進去，然而還是跟不上實際應用的需要，這時就需要外部邏輯來完成。不少發電機組廠家為了滿足項目需要，基于現有的控制模塊進行二次設計開發，增加保護模塊[9]，或者增加PC在外面做邏輯。

然而，復雜的邏輯，不但增加了設計人員的設計難度，也降低了系統的可靠性，同時也給后期維護增加了成本。這時候就需要在專用模塊的基礎上進行模塊化，在專用控制模塊內置PLC 功能，可以滿足機組廠家進行簡單的編程，另外一些實在不能內置的功能作為輔助功能模塊，需要該功能就安裝，不需要就拆除。

目前，具有復雜系統需求項目往往在數量上不足以引起國內模塊廠家的重視，進口模塊價格成本則居高不下，一定程度上也限制了模塊化趨勢的發展。隨著控制模塊競爭越來越激烈，利潤的空間越來越小，廠家就會把目光投向滿足不同應用的模塊市場控制系統用戶，制作接線簡單，增加功能簡單，調試也簡單的控制系統。

既要滿足發電機組OEM 工廠的技術要求及設計生產簡單、調試維護方便的需要，又要滿足最終使用客戶日益增加的功能需要，就需要牢牢把握模塊化的趨勢。就發電機組控制系統的發展方向來看，應以模塊化組合方式為主，即根據用戶的不同要求，選用不同功能的控制模塊組合成各種不同功能的柴油發電機組控制系統。模塊功能的高度集成化和使用的高度靈活性，將會使柴油發電機組自動化控制系統的功能變得越來越完美、設計起來更簡單[10-12]、使用起來更可靠。

2.4 集成化

隨著使用計算機作為信息來源的與日俱增，觸摸屏易于操作、堅固耐用、反應速度快、節省空間等優點，在工業控制領域得到了廣泛的應用。隨著該領域技術的進步，國內該類型產品的興起，觸摸屏在技術上成熟可靠，在經濟上性價比較高，對集中監控采用該元件的全面推廣提供可能。

在柴油發電機組主要項目中往往會使用人機接口（HMI）觸摸控制技術編寫相應的組態，將常用的一些參數、報警信息以動態直觀的形式表現出來，不再是看起來比較枯燥的文字。另外，HMI 觸摸屏是用于整合整個機房的專用模塊，做到集中監視，測試控制，大屏幕快捷直觀操作，滿足運維人員的及時査看，不需要到機房的每個機組控制屏進行查看，讀取參數，減少人員成本，降低運維人員技術水平門檻。HMI 觸摸屏越來越得到用戶的認可。目前，制約HMI控制系統應用的主要原因還是HMI屏的本身工作環境不能適應所有的機組環境，作為應急電源一大部分柴油發電機組工作在高溫、高濕等惡劣環境，國內不少HMI觸摸屏的使用環境不能適應極限環境。另外，對應的HMI的組態軟件還是需要機組控制系統廠家進行編寫，也要投入一定的成本[13]。

3 結論及展望

盡管整機輸出功率通常低于汽輪機及燃氣輪機等動力裝置[14-17]，難以承擔發電基本負荷，但考慮到柴油機自身的技術特點，其在移動發電設備中依然有著廣泛應用。在此前提下，針對柴油機發電機組控制技術而開展的相關研究仍有著重要意義。就目前而言，控制系統在柴油發電機組領域仍扮演著重要角色，并且會向著個性化、復雜化、模塊化及集成化的方向不斷發展。