塔北电网燃气轮机发电机组的PLC控制系统与建模仿真于佰建，刘君，贾志伟，王光亮（华北电力大学电气与电子工程学院，北京市昌平区102206 ）摘要：塔北电网是中国石化塔里木油田的自备电网，电源由六台燃气轮机发电机构成，一期的三台燃气轮发电机组每台采用一台AB的PLC—5控制器，另外采用一台PLC提供全站监控。

二期的三台机组采用三台AB的logix5555构成控制系统，并且发电控制模块CGCM（Combined Generator Control Module ）通过网络与主控制器相连。

论文论述了电站的三级控制网络，建立了CGCM的数学模型。

通过PSASP对一次事故的仿真，证明了建立的AC8B模型的正确性。

关键词：燃气轮发电机；PLC；CGCM；PSASPAC8B励磁模型；0引言塔里木油田电网由三个独立的电网：塔北电网、塔中电网和克拉2电网组成。

塔北电网于2007年5月同新疆电网并网。

轮南电站和英买力电站是塔北电网的两个电站，电站电源全部是燃气轮机发电机组。

研究燃气轮发电机的控制系统不仅可以保证单机正常稳定运行，同时可以保证系统稳定运行[1]。

轮南电站的六台发电机组分为两种类型：一期1#、2#、3#机组是10MW的MARS机组，二期4#、5#、6#机组是14MW的TITAN机组。

虽然同为美国索拉公司的燃气轮机发电机组但是它们的控制系统并不相同。

MARS机组的控制系统是Rockwell公司的PLC-5控制器，TITAN机组使用的是Logix5555控制器，另外MARS机组的励磁系统是独立系统，而TITAN机组的励磁系统采用了CGCM控制模块，可以利用编程环境以及人机界面进行励磁参数调节。

1 MARS机组的控制系统组成[2]四台PLC组成的控制系统如图1所示：三台控制单元分别控制三台MARS机组，通过一个控制单元进行整个变电站控制。

控制网络采用ControlNet控制网，扩展方便，可靠性高可以用于对时间要求比较苛刻的高速确定性网络。

同时可以传送对时间无苛刻要求的报文数据。

作为控制器和I/O设备之间的一条高速通信链路，可以连接各种设备包括PC、控制器、操作员界面，控制网络结构图如图2所示。

图2 PLC控制网络结构图图1 四台PLC控制系统接线图4 CGCM 控制结构图1.1塔北燃气轮机发电机组PLC 控制系统的具体配置发电机的控制单元采用PLC-5控制器，每个发电机控制单元含有两个机架，零号机架上的四个输入模块分别对应位移、加速度、以及速度的采集，一号机架上的模块对应发电机的负荷以及同步。

扩展I/O 使用七个远程I/O 适配器。

每个适配器下连接着不同的输入输出模块，模拟输入温度信号、离散数字输出报警、继电器、开关、按钮等信号。

控制网的连接通过标准的RG-6同轴电缆和Y 型分接器进行连接。

同时使用两个通道进行冗余备份。

当第一根通信电缆失效时第二根电缆即可提供后备。

节点通过比较每根电缆的信号质量选用信号较好的进行通讯。

在同一链路上可以有多个处理器，每个节点都可以从网上进行信息交换，并且可在网络干线上任何地方添加节点，控制系统的扩充及其方便。

1.2网络化编程和组态一个完整的控制监控程序，除了PLC 控制主程序外，还要进行上位机的组态以便进行远程监控。

PLC-5采用Rslogix5进行编辑程序，支持传统的梯形图，顺序功能图SFC 以及结构文本编程。

RSView32是一种简单易用的人机界面系统。

RSLinx 使编程软件，人机界面系统能够进行通讯。

在进行网络编程的过程中ControlNet 的的组建是一个重要的环节。

所有的网络节点的输入输出需要通过ControlNet 的配置映射到处理器的内部。

组建ControlNet 网络的基本步骤如下： （1）网络规划：根据系统需要选择节点、电缆，进行合理布线规划；（2）硬件设备连接：将ControlNet 网络节点设备连接到网络上，进行网络测试；（3）启动网络组态软件如RSNetworx for ControlNet ；（4）节点预配置：ControlNet 网络的通讯波特率为5Mbit/s ，每个网段最多允许有99个节点，且不允许有节点地址重复的设备，在设备添加到网络之前，应当按照网络规划给设备分配节点地址。

地址不一定连续，不过信息优先级高的设备节点地址应当尽量小，以保证信息及时传送；（5）将计算机或专用编程设备连接到网上，建立通信；（6）配置网络参数：通过扫描网络上的处理器RSNetworx for ControlNet 软件能计算出网络的通信负载情况，并给出合理的网络刷新时间，通过合理配置使网络性能达到最大化；（7）保存配置参数：将设备配置参数下载到节点和ControlNet Keeper 中，并保存到网络组态工具软件配置文件中。

塔北电网轮南电站的燃气轮机发电机组的现场控制柜的人机界面如图3所示。

2 TITAN 的CGCM 控制系统[3]轮南电站二期的三台TITAN 机组控制系统与一期的显著差别是采用的控制器是logix5555，励磁系统采用的是CGCM 控制模块。

CGCM 是一个控制器通过控制网接口连接到控制网络上，主控制器可以方便的对它的设定值进行编程。

它还有另外两个通讯接口一个是可以连接另外一个CGCM 来进行冗余备份，一个用于厂家的调校。

CGCM 是基于微机的用于发电机发电管理的控制和保护元件。

典型应用是同步发电机的励磁控制如图4所示。

图3 控制柜人机界面它有四种励磁控制模式：自动电压调整（A VR ）、手动或现场电流调整（FCR ）、功率因数（PF ）以及无功控制（var ）；软启动到A VR 和FCR 的斜坡控制模式。

每种控制模式一个控制范围或者设定预定值控制；A VR 、V AR 、PF 控制模式下的过励（OLE ）/欠励（UEL ）限制；低频补偿（V/H ）；线性下降补偿；自动运行模式和CGCM 单元的自动跟踪；在冗余情况下可以自动在运行和备用之间转换；此外还有十三种发电机保护功能：发电机失励保护，发电机过电压保护，过频保护，低频保护等。

巴斯勒的CGCM 励磁系统采用的数学模型是IEEE 推荐的AC8B 模型，如图5所示。

前面是PID 控制模型后面是励磁机的数学模型。

AC8B 模型可以应用于巴斯勒DECS 数字式自动励磁调 节器。

AC8B 中的K P 、K I 、K D 分别对于比例,积分,微分。

T E 、K E 、S E 可以简单代表无刷发电机的数学模型。

模型中的K G 可以用来调整粗糙的闭环增益和A VR 的整体运行模式。

其中K P 、K I 、K D 可以人为进行调节来获得最适合的控制策略[4][5]。

3 基于CGCM 的励磁系统建模与故障仿真塔北电网采用了CGCM 的发电机控制系统，要建立明确的控制模型，需要从控制系统和励磁机两方面通过不同方法来获取数据。

上位机对CGCM 模块中的参数进行编辑，可以设定PID 的控制参数。

但是励磁机的模型参数无法得到，目前只能采用典型数据。

其中如图五所示前面的CGCM 控制参数由上位机读出，后面的励磁机模型参数采用典型参数[5]。

AC8B 励磁模型参数如表一所示。

事故过程：由于塔北地区发生强烈雷阵雨，同时伴随冰雹、大风天气，首先是一条110KV 线路零序过流，重合闸后甩掉5MW 负荷。

在随后的几分钟内由于几条10KV 线路经受不住天气考验先后推出运行但是整个系统还能对主要线路进行供电。

在轮南电站35KV 侧PT 的BC 相发生短路爆炸后，短路电流过大导致轮南变电站内变压器的差动保护误动致使两台主变退出运行。

正在运行的4#、5#、6# 发电机失磁跳机。

1＃发电机由于伺服油压力低跳机，全网停电。

由于CGCM 采用的数学模型是AC8B 模型，在BPA 中没有与之对应的励磁卡片，采用电科院的PSASP 软件来进行自建AC8B 励磁模型进行故障仿真。

为检查励磁控制器的特性，在系统未加故障情况下，系统的励磁电压和端电压特性如图6所示。

在正常运行满足之后，进行轮南变35kV Ⅱ母线发生B 、C 相短路接地故障仿真，表1 励磁系统参数表K G K D K P T D K 1 T A 3.0 75 200 0.01 100 0 K E V RLMT S E -V RLMT T E 1.010.01.361.0图5 AC8B 励磁系统方框图CGCM 的PID 控制参励磁机数学模型取4＃发电机的端电压和励磁电压曲线得到图7。

通过正常以及故障情况下的励磁电压曲线可以看到励磁系统的PID调节很好的发挥了在正常并网以及故障情况下的励磁电压调节作用，仿真结果与现场记录情况吻合。

4 结论塔北电网的一期二期两种型号的燃气轮机发电机组都采用了RockWell的PLC控制系统。

除了能提供监视能外还能进行励磁控制，提供了手动自动励磁转换功能，特别是CGCM模块与整个控制网络的连接，提高了系统电压调节能力。

文章通过一个事故过程的仿真验证了事故过程记录情况，证明了建立的AC8B模型是准确可信的。

参考文献[1]塔里木油田十一五电力规划。

中国石油天然气股份有限公司。

2006，1[2]Mars 100 Generator Wiring Diagram。

SOLAR TURBINESINCORPORATED。

1999,1[3]Combined Generator Control Module User ManualROCKWELLAUTOMATION。

2002,7[4]IEEE Recommended Practice for Excitation System Modelsfor Power System Stability Studies。

IEEE Std 421.5TM-2005 [5]L.M.Hajagos，M.J.Basler。

Changes to IEEE 421.5Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies。

Panel Session Paper for the IEEE/PES 2005 Meeting，San Fracisco，CA.作者简介：于佰建（1984-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统分析与控制。

Email：yubaijian@。

刘君（1970-），女，副教授，研究方向为电力系统分析与控制。

图6正常并网励磁电压曲线图7 故障后励磁电压调节曲线。