论文部分内容阅读
摘要：以EGCP-3LS发电机综合控制器在小型数字化发电机组控制系统中的应用为例，简述了其结构、性能及应用前景。
关键词：发电机；综合控制器；电压调节；速度调节；
电力电子技术的迅猛发展和广泛应用，对石油工业的发展起到了十分重要的促进作用。在油区“油改电”钻机网电驱动的改造过程中，柴油发电机组仍然是油田钻井设备的重要组成部分，随着数控技术、自动化技术在柴油发电机组系统中越来越广泛的应用，移动式发电系统的设备性能和供电指标得到了很大提高。但如何保障柴油发电机组可靠性、稳定性及良好的排放性，实现系统的最佳运行方式，仍具有重要的意义。
WOODWORD发电机综合控制器EGCP-3LS以其优越的综合控制能力，对发电机组进行实时的监控和控制，大大提高了供电系统的静态和动态性能指标，同时也有利于提高钻井现场承受突加负载的能力。
如图1，以ZJ50LDB为例，其动力即可以由网电提供，又可以由两到三台580KW交流工频柴油发电机组提供。在油田滚动开发过程中，网电供电系统负荷高峰限电，或不具备网电供电的情况下要求能够靠柴油发电机组供电，在工作过程中要求机组既能任意一台单机运行，又能够随时根据设备的负荷变化由人工或自动完成并网运行，由同一公共母线输出电能。特殊情况要求柴油发电机组能与网电并网运行。
图1 油田网电钻机供电网络示意图
一、概述
以EGCP-3LS为控制核心的柴油发电机组控制系统如图2所示，包括断路器、发电机综合控制器、调速器器、调压器等。系统自动实现发电机组的闭环调节，运行操作及测量保护等功能，采用标准的RS系列通讯接口将数据传送到整个系统中组成完整的数字化系统。
图2柴油发电机组供电系统
EGCP-3LS发电机综合控制器是DECS-100和2301D的上位控制机构，综合控制其它两个模块协调工作。该系统实现了柴油发电机从启动、运行、并网到停止的所有过程控制。并提供手动和自动控制功能方式，即可以控制单机的运行，又可以控制多机的并列运行，及并网运行。
二、 控制器结构。
EGCP-3LS发电机综合控制器是完全基于微处理器控制的发动机-发电机控制的综合管理装置。主要包括功率输入板（Power Supply Board）、功率检测板（PowerSense Board）及主控制器板（SmartCore Board）。
1、功率输入板，位于距控制器显示屏最远的板，其供电输入为双通道，在机组启动初期通过24VDC蓄电池供电，至发电机组上线后通过电源模块PS01提供24VDC供电；输出为12路带短路和过载保护的数字量信号。母线上电蓄电池充电机对蓄电池进行充电，以供下次启动之用。外部24VDC电源同时为功率检测和主控制板提供工作电压。
2、功率检测板通过采集电压测量变压器（PT）和电流互感器（CT）采集发电机及母线的三相输出电压和电流信号，经过比较运算后输出速度偏置信号和电压偏置信号，对速度控制器和电压调节器进行控制。测量机构由一系列的电压互感器、电流互感器和转速传感器等元件组成，主要为控制系统提供机组运行时的状态信息，控制系统实时监测机组的运行状态，由执行器适时对其作出相应的调整，保证系统穩定运行。
3、主控制板位于装置内靠近显示屏的位置，具有发电机速度反馈输入信号、4路模拟量输入信号、16路数字量输入信号、3路通讯接口以及4路模拟量输出信号。数字量输入用于采集控制屏上急停、模式选择、RUN W/LOAD、转速调节、电压调节以及发电机断路器合闸反馈等信号。
整个EGCP-SLS控制器的输入信号为功能选择信号、起停操作信号、速度给定（SPD REF）、电压给定（VOLT REF）、电压互感器PT的反馈信号、电流互感器CT反馈信号、转速传感器（TACH）反馈信号和调压板电流（Iex）反馈信号。主控制器的输出信号是发电机电压调节信号、转速调节信号以及断路器控制，集中报警等。
三、现场使用分析
控制器根据测量系统采集到的电压、电流等信号，实时监控机组的运行状况，对突发事件做出快速有效的响应，及时通过调压器和调速器调整发电机组的运行状态，使其在短时间内恢复正常运行。
1、速度调节。控制器提供完整的控制功能，包括启动、怠速、额定速度等状态的控制及各速度之间的稳定过渡控制。在控制器内部已经预设发电机的额定转速，速度调节信号也可由操作者在控制柜面板上的速度调节旋钮手动给出，小于8VDC为减小，大于16VDC为增加。经过EGCP-3发电机综合控制模块处理后，输出一个偏置电压信号（SPEED BIAS）给调速器，调节柴油发动机供油量大小。
转速的反馈通过安装在飞轮壳上的转速电磁传感器给出。速度传感器产生频率正比于柴油机转速的交流信号，其变化频率f等于齿轮的齿数和转速的乘积(f=Gn,G为齿数，n为转速)。在同期负载分配模式下，能够精确控制发电机组的有功输出，完全满足系统对有功分配功能的需求。
2、电压调节。控制器通过采集发电机组和母线的实际电压信号并与设定值或给定值相比较运算后经PID调节输出辅助控制信号给调节器，构成一个闭环控制。通过调节同步发电机的输出电压, 在并网运行时还能实时控制发电机组的无功输出, 具有很好的无功补偿能力。
3、功率分配 。智能控制发电机组有功和无功功率的分配，并列运行时该装置采集电压和电流互感器的信号精确计算功率有效值，通过软件设定自动完成对加载和卸载斜率的控制，并可以通过自动或手动调整功率输出。
4、同步及并网控制。在遥控启动机组的基础上，通过自动调节离线机组输出与母线的电压、频率、相位同期，完成同步并网。在自动控制模式下减少了人为干预的因素，为柴油机组热备份提供了支持。
5、辅助控制。发电机断路器隔离发电机母线与电网母线。当电路发生欠频、超频、过压、欠压、无脉冲和逆功率等故障状态时，保护电路使欠压脱扣线圈自动脱扣，断路器跳闸，保护发电机组。
6、通讯及报警。在显示屏上提供了系统实时数据显示及报警信息提示，也可对部分系统数据进行标定。系统支持上位工控机的信息采集和传输 ，可以通过上位机设定好的软件下传到EGCP-3LS来实现初始化的配置或优化。其强大的通讯功能为远程信息化控制提供支持。
目前，柴油发电机组自动并车、并网控制及与上位计算机智能通信一直都是重点技术。相信无论是在钻机发电机控制方面还是作为热备用应急电源控制方面都会有很大的应用空间。
参考文献
[1]张奇志. 电动钻机自动化技术[M]. 北京:石油工业出版社，2006.
[2]董云飞，戴树涛，卢群辉，丁晓鹏. 钻机网电拖动技术改造的方案. 甘肃科技2008，24(13): 13-15.
[3]成锋，张福民等.柴油发电机综合控制系统设计。自动化工程.2008,10:52-54.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：发电机；综合控制器；电压调节；速度调节；
电力电子技术的迅猛发展和广泛应用，对石油工业的发展起到了十分重要的促进作用。在油区“油改电”钻机网电驱动的改造过程中，柴油发电机组仍然是油田钻井设备的重要组成部分，随着数控技术、自动化技术在柴油发电机组系统中越来越广泛的应用，移动式发电系统的设备性能和供电指标得到了很大提高。但如何保障柴油发电机组可靠性、稳定性及良好的排放性，实现系统的最佳运行方式，仍具有重要的意义。
WOODWORD发电机综合控制器EGCP-3LS以其优越的综合控制能力，对发电机组进行实时的监控和控制，大大提高了供电系统的静态和动态性能指标，同时也有利于提高钻井现场承受突加负载的能力。
如图1，以ZJ50LDB为例，其动力即可以由网电提供，又可以由两到三台580KW交流工频柴油发电机组提供。在油田滚动开发过程中，网电供电系统负荷高峰限电，或不具备网电供电的情况下要求能够靠柴油发电机组供电，在工作过程中要求机组既能任意一台单机运行，又能够随时根据设备的负荷变化由人工或自动完成并网运行，由同一公共母线输出电能。特殊情况要求柴油发电机组能与网电并网运行。
图1 油田网电钻机供电网络示意图
一、概述
以EGCP-3LS为控制核心的柴油发电机组控制系统如图2所示，包括断路器、发电机综合控制器、调速器器、调压器等。系统自动实现发电机组的闭环调节，运行操作及测量保护等功能，采用标准的RS系列通讯接口将数据传送到整个系统中组成完整的数字化系统。
图2柴油发电机组供电系统
EGCP-3LS发电机综合控制器是DECS-100和2301D的上位控制机构，综合控制其它两个模块协调工作。该系统实现了柴油发电机从启动、运行、并网到停止的所有过程控制。并提供手动和自动控制功能方式，即可以控制单机的运行，又可以控制多机的并列运行，及并网运行。
二、 控制器结构。
EGCP-3LS发电机综合控制器是完全基于微处理器控制的发动机-发电机控制的综合管理装置。主要包括功率输入板（Power Supply Board）、功率检测板（PowerSense Board）及主控制器板（SmartCore Board）。
1、功率输入板，位于距控制器显示屏最远的板，其供电输入为双通道，在机组启动初期通过24VDC蓄电池供电，至发电机组上线后通过电源模块PS01提供24VDC供电；输出为12路带短路和过载保护的数字量信号。母线上电蓄电池充电机对蓄电池进行充电，以供下次启动之用。外部24VDC电源同时为功率检测和主控制板提供工作电压。
2、功率检测板通过采集电压测量变压器（PT）和电流互感器（CT）采集发电机及母线的三相输出电压和电流信号，经过比较运算后输出速度偏置信号和电压偏置信号，对速度控制器和电压调节器进行控制。测量机构由一系列的电压互感器、电流互感器和转速传感器等元件组成，主要为控制系统提供机组运行时的状态信息，控制系统实时监测机组的运行状态，由执行器适时对其作出相应的调整，保证系统穩定运行。
3、主控制板位于装置内靠近显示屏的位置，具有发电机速度反馈输入信号、4路模拟量输入信号、16路数字量输入信号、3路通讯接口以及4路模拟量输出信号。数字量输入用于采集控制屏上急停、模式选择、RUN W/LOAD、转速调节、电压调节以及发电机断路器合闸反馈等信号。
整个EGCP-SLS控制器的输入信号为功能选择信号、起停操作信号、速度给定（SPD REF）、电压给定（VOLT REF）、电压互感器PT的反馈信号、电流互感器CT反馈信号、转速传感器（TACH）反馈信号和调压板电流（Iex）反馈信号。主控制器的输出信号是发电机电压调节信号、转速调节信号以及断路器控制，集中报警等。
三、现场使用分析
控制器根据测量系统采集到的电压、电流等信号，实时监控机组的运行状况，对突发事件做出快速有效的响应，及时通过调压器和调速器调整发电机组的运行状态，使其在短时间内恢复正常运行。
1、速度调节。控制器提供完整的控制功能，包括启动、怠速、额定速度等状态的控制及各速度之间的稳定过渡控制。在控制器内部已经预设发电机的额定转速，速度调节信号也可由操作者在控制柜面板上的速度调节旋钮手动给出，小于8VDC为减小，大于16VDC为增加。经过EGCP-3发电机综合控制模块处理后，输出一个偏置电压信号（SPEED BIAS）给调速器，调节柴油发动机供油量大小。
转速的反馈通过安装在飞轮壳上的转速电磁传感器给出。速度传感器产生频率正比于柴油机转速的交流信号，其变化频率f等于齿轮的齿数和转速的乘积(f=Gn,G为齿数，n为转速)。在同期负载分配模式下，能够精确控制发电机组的有功输出，完全满足系统对有功分配功能的需求。
2、电压调节。控制器通过采集发电机组和母线的实际电压信号并与设定值或给定值相比较运算后经PID调节输出辅助控制信号给调节器，构成一个闭环控制。通过调节同步发电机的输出电压, 在并网运行时还能实时控制发电机组的无功输出, 具有很好的无功补偿能力。
3、功率分配 。智能控制发电机组有功和无功功率的分配，并列运行时该装置采集电压和电流互感器的信号精确计算功率有效值，通过软件设定自动完成对加载和卸载斜率的控制，并可以通过自动或手动调整功率输出。
4、同步及并网控制。在遥控启动机组的基础上，通过自动调节离线机组输出与母线的电压、频率、相位同期，完成同步并网。在自动控制模式下减少了人为干预的因素，为柴油机组热备份提供了支持。
5、辅助控制。发电机断路器隔离发电机母线与电网母线。当电路发生欠频、超频、过压、欠压、无脉冲和逆功率等故障状态时，保护电路使欠压脱扣线圈自动脱扣，断路器跳闸，保护发电机组。
6、通讯及报警。在显示屏上提供了系统实时数据显示及报警信息提示，也可对部分系统数据进行标定。系统支持上位工控机的信息采集和传输 ，可以通过上位机设定好的软件下传到EGCP-3LS来实现初始化的配置或优化。其强大的通讯功能为远程信息化控制提供支持。
目前，柴油发电机组自动并车、并网控制及与上位计算机智能通信一直都是重点技术。相信无论是在钻机发电机控制方面还是作为热备用应急电源控制方面都会有很大的应用空间。
参考文献
[1]张奇志. 电动钻机自动化技术[M]. 北京:石油工业出版社，2006.
[2]董云飞，戴树涛，卢群辉，丁晓鹏. 钻机网电拖动技术改造的方案. 甘肃科技2008，24(13): 13-15.
[3]成锋，张福民等.柴油发电机综合控制系统设计。自动化工程.2008,10:52-54.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。