抽水蓄能電站自動(dòng)化設(shè)備國(guó)產(chǎn)化實(shí)踐

王小建

摘 要：隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)化制造水平的提高，國(guó)內(nèi)廠家已逐步掌握了抽水蓄能自動(dòng)化設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)，文章主要介紹了江蘇沙河電站在近10年的時(shí)間里，依據(jù)我國(guó)相關(guān)國(guó)標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)組保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)、靜止變頻啟動(dòng)裝置（SFC）等自動(dòng)化裝置進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造，電站自動(dòng)化設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，推進(jìn)了抽水蓄能自動(dòng)化設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能；自動(dòng)化設(shè)備；國(guó)產(chǎn)化改造

中圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：TV743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）32-0118-02

我國(guó)抽水蓄能設(shè)備主要通過(guò)進(jìn)口成套采購(gòu)，隨著近年我國(guó)抽水蓄能電站的建設(shè)，通過(guò)打捆招標(biāo)，技術(shù)引進(jìn)等途徑，主機(jī)制造水平得到較大提升，達(dá)到國(guó)際水平，但是自動(dòng)化設(shè)備仍然以進(jìn)口為主。

1 江蘇沙河抽水蓄能電站自動(dòng)化設(shè)備概述

江蘇沙河抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱沙河電站）是江蘇省投產(chǎn)的首座大中型抽水蓄能電站，地處江蘇省溧陽(yáng)市境內(nèi)，裝機(jī)容量2×50 MW，自2002年建成投產(chǎn)以來(lái)，在江蘇電網(wǎng)較好地承擔(dān)了削峰填谷、事故備用等作用，主機(jī)設(shè)備通過(guò)國(guó)際招標(biāo)，由法國(guó)ALSTOM中標(biāo)，自動(dòng)化設(shè)備也基本由其成套供貨。經(jīng)過(guò)近10年的技術(shù)改造，電站大膽采用國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備替代進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備穩(wěn)定性和維護(hù)能力大幅提升，基本擺脫了國(guó)外自動(dòng)化設(shè)備廠家的制約。

2 自動(dòng)化設(shè)備國(guó)產(chǎn)化實(shí)踐

電站在建設(shè)期就嘗試采用國(guó)產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)替代進(jìn)口設(shè)備，投產(chǎn)后，結(jié)合機(jī)組技術(shù)改造，對(duì)機(jī)組保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造，靜止變頻啟動(dòng)裝置（SFC）國(guó)產(chǎn)化聯(lián)合試制工作也正在開(kāi)展當(dāng)中。

2.1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是抽水蓄能電站的“大腦”，主要承擔(dān)電站運(yùn)行監(jiān)視、操作控制和維護(hù)管理等工作，功能包括數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)通訊、控制調(diào)節(jié)、語(yǔ)音報(bào)警、人機(jī)聯(lián)系等功能。

沙河電站在建設(shè)時(shí)期，就從計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)入手，開(kāi)始了國(guó)產(chǎn)設(shè)備替代進(jìn)口設(shè)備的開(kāi)發(fā)，當(dāng)時(shí)，國(guó)網(wǎng)南京自動(dòng)化研究院設(shè)計(jì)制造的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)上基本滿足電站要求。該系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，雖然也暴露出部分控制程序不夠清晰，不具備數(shù)據(jù)整理分析功能等問(wèn)題，總體運(yùn)行穩(wěn)定。2007年，針對(duì)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展情況，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行了升級(jí)改造，將上位機(jī)以太網(wǎng)絡(luò)由單網(wǎng)改為雙網(wǎng)，增加2個(gè)廠級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器，對(duì)監(jiān)控軟件進(jìn)行了部分更新，同時(shí)更新了部分硬件設(shè)備等，現(xiàn)系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析匯總，歷史數(shù)據(jù)查詢也較為方便。沙河電站國(guó)產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上推進(jìn)了抽水蓄能監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，這是首次采用國(guó)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)和國(guó)外主機(jī)配套，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2.2 機(jī)組保護(hù)

可逆式抽水蓄能機(jī)組的水泵工況啟動(dòng)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，工況轉(zhuǎn)換多，機(jī)組保護(hù)要在保證這些功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，保障機(jī)組的安全。

沙河電站原機(jī)組保護(hù)采用分列式元件配置，由不同廠家的多臺(tái)保護(hù)裝置和中間繼電器組合而成，經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行，該套保護(hù)逐步暴露出設(shè)計(jì)、運(yùn)行方面存在的一些問(wèn)題：其一，任一保護(hù)裝置電源丟失或電源模塊損壞，保護(hù)動(dòng)作出口跳閘；其二，斷路器失靈保護(hù)所用電流錯(cuò)誤取自中性點(diǎn)側(cè)，且斷路器失靈保護(hù)的電流判據(jù)只采用相電流元件，缺少負(fù)序電流元件，不符合國(guó)內(nèi)技術(shù)規(guī)范；其三，發(fā)電電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)和發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)沒(méi)有CT斷線閉鎖功能，在機(jī)端或中性點(diǎn)CT任一相發(fā)生斷線時(shí)，裝置會(huì)出口跳閘；其四，單元件橫差保護(hù)未濾除三次諧波分量，靠抬高定值躲過(guò)三次諧波，靈敏度低。

單位決定從2010年開(kāi)始，分別對(duì)兩臺(tái)保護(hù)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造。改造后的保護(hù)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，不僅能夠滿足國(guó)家相關(guān)要求，性能也得到了提升：

①原有機(jī)組保護(hù)裝置僅部分保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)雙重化，多項(xiàng)重要保護(hù)功能為單套配置，影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)也不符合國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)反事故措施要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本次改造嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)內(nèi)技術(shù)規(guī)程和反措要求，按照保護(hù)功能完全雙重化配置原則，每臺(tái)發(fā)電電動(dòng)機(jī)組設(shè)置2套保護(hù)裝置，機(jī)組保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)完全雙重化，機(jī)組可靠性得到本質(zhì)提高。

②原有機(jī)組保護(hù)裝置硬件配置為單處理器系統(tǒng)，保護(hù)部件中任一故障都將造成裝置出口跳閘，改造后保護(hù)裝置采用雙處理器系統(tǒng)，兩個(gè)處理器系統(tǒng)之間進(jìn)行自檢和互檢，其中之一處理器板故障，立即閉鎖保護(hù)裝置并發(fā)報(bào)警信號(hào)。

③原有機(jī)組保護(hù)裝置由11只單元件保護(hù)繼電器、61只中間繼電器以及2只出口繼電器組合而成，元件眾多，二次回路復(fù)雜，不便于維護(hù)，并且保護(hù)繼電器和中間繼電器來(lái)自于多個(gè)生產(chǎn)廠商，備件采購(gòu)困難，采購(gòu)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。改造后信號(hào)回路輔助接點(diǎn)直接接入保護(hù)裝置，由軟件完成保護(hù)功能閉鎖開(kāi)放和工況判別，取消原有大量中間繼電器，簡(jiǎn)化了二次回路，提高了保護(hù)裝置的可靠性。

④差動(dòng)保護(hù)在不失可靠性的前提下具有更高的靈敏度。原有差動(dòng)保護(hù)為常規(guī)的兩折線比率差動(dòng)，由于原理本身限制已不可能有太大突破，改造后采用近年來(lái)在大型機(jī)組上應(yīng)用較多的變斜率穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)和工頻變化量比率差動(dòng)的新原理。變斜率比率差動(dòng)不設(shè)拐點(diǎn)，一開(kāi)始就帶制動(dòng)特性，在區(qū)內(nèi)故障時(shí)保證最大的靈敏度，在區(qū)外故障時(shí)可以躲過(guò)暫態(tài)不平衡電流。

此次保護(hù)裝置改造抓住了國(guó)內(nèi)廠家在5萬(wàn)kW及以上抽水蓄能機(jī)組上應(yīng)用產(chǎn)品的契機(jī)，在經(jīng)濟(jì)上也做到了最優(yōu)化，最終使得機(jī)組保護(hù)裝置的合同費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抽水蓄能行業(yè)機(jī)組保護(hù)改造標(biāo)準(zhǔn)，另外此套保護(hù)在電站的成功應(yīng)用，有力地推動(dòng)了抽水蓄能機(jī)組保護(hù)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

2.3 機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)

抽水蓄能的勵(lì)磁系統(tǒng)需要根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況的不同自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以滿足運(yùn)行要求，沙河電站承擔(dān)著江蘇電網(wǎng)黑啟動(dòng)任務(wù)，勵(lì)磁系統(tǒng)還要滿足機(jī)組黑啟動(dòng)要求。電站原機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)也由ALSTOM成套供貨，運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，2006年后，隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，操作次數(shù)的增加，機(jī)械部件損壞頻繁，電氣部件穩(wěn)定性逐漸下降，特別是控制系統(tǒng)電子元器件已接近壽命，備件價(jià)格昂貴，維護(hù)成本不斷攀升。為此，電站從2009年底對(duì)公司勵(lì)磁系統(tǒng)的使用情況進(jìn)行了分析梳理，并組織人員對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)改造的可行性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行調(diào)研分析，考慮到原廠家備件昂貴、供貨周期長(zhǎng)、技術(shù)保密、售后服務(wù)渠道不暢通等因素，電站決定先進(jìn)行一臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁的國(guó)產(chǎn)化替代改造。

此次改造嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)內(nèi)勵(lì)磁技術(shù)規(guī)程和相關(guān)要求，每臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁配置兩套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)雙冗余配置：

①原勵(lì)磁系統(tǒng)使用繼電器搭建邏輯，新勵(lì)磁系統(tǒng)使用智能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，省去了大量的邏輯繼電器回路，使得整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清晰，且通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)邏輯進(jìn)行運(yùn)算，速度更快，更加可靠、穩(wěn)定，維護(hù)更方便，排除故障容易。

②原勵(lì)磁系統(tǒng)采用單路電源，一旦電源丟失后即報(bào)故障并直接跳機(jī)，改造后，新勵(lì)磁系統(tǒng)電源回路為雙路供電（包括雙交流、雙直流供電），兩路電源可以相互切換，任一路電源丟失，均不會(huì)影響整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可靠性大大提高。

③原勵(lì)磁系統(tǒng)的故障量報(bào)警僅僅只報(bào)一個(gè)總的故障信號(hào)并直接跳機(jī)，這個(gè)故障信號(hào)直接報(bào)給監(jiān)控系統(tǒng)，它包含了勵(lì)磁系統(tǒng)多種故障，如此多故障出現(xiàn)都通過(guò)一個(gè)信號(hào)報(bào)出，非常不利于運(yùn)行人員在最短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)并加以解決。改造后，故障發(fā)生后，均單獨(dú)將信號(hào)送至監(jiān)控系統(tǒng)，能直接反映出故障點(diǎn)的位置和故障性質(zhì)，大大方便了運(yùn)行人員確定故障。

④原勵(lì)磁系統(tǒng)每年需20萬(wàn)元的備品備件，改造完成后備件的費(fèi)用大大降低，技術(shù)服務(wù)響應(yīng)也及時(shí)。

改造投運(yùn)后，運(yùn)行穩(wěn)定，效果較好，通過(guò)改造，生產(chǎn)人員對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的維護(hù)能力大幅提升，公司將結(jié)合機(jī)組檢修工作，對(duì)另外一臺(tái)機(jī)組也實(shí)施改造工作。

2.4 靜止變頻啟動(dòng)裝置

抽水蓄能機(jī)組作為水泵啟動(dòng)時(shí)，為減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，一般采用靜止變頻啟動(dòng)裝置（SFC：Static Frequency Converter）作為機(jī)組抽水啟動(dòng)裝置，它的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)級(jí)變速，啟動(dòng)平穩(wěn)，調(diào)整方便，它由功率部分、控制部分及測(cè)量部分組成。SFC啟動(dòng)是抽水蓄能機(jī)組泵工況主用啟動(dòng)方式，沙河電站兩臺(tái)機(jī)組共用一臺(tái)SFC，一旦設(shè)備發(fā)生故障，只能依靠背靠背啟動(dòng)方式，降低了機(jī)組使用率。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)抽水蓄能機(jī)組所用SFC裝置全部依賴進(jìn)口，沙河電站SFC裝置由主機(jī)廠家法國(guó)ALSTOM配套供貨，運(yùn)行多年來(lái)，基本穩(wěn)定，但是隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，SFC的機(jī)械部件損壞和電氣部件穩(wěn)定性逐步下降，維護(hù)困難，有些問(wèn)題長(zhǎng)期存在，卻無(wú)法得到根本解決，影響電站的正常運(yùn)行：

①技術(shù)支持力度不夠，原制造廠商出于技術(shù)保密和商業(yè)壟斷等原因，不向運(yùn)行單位提供完整的技術(shù)資料，因此，電站技術(shù)人員不能獨(dú)立承擔(dān)技術(shù)維護(hù)和檢修工作，國(guó)內(nèi)的代理機(jī)構(gòu)也不具備完整的技術(shù)能力，一旦故障產(chǎn)生，無(wú)法解決，只能依賴國(guó)外廠商。

②技術(shù)支持不及時(shí)，當(dāng)SFC故障發(fā)生后，國(guó)外廠商溝通困難，響應(yīng)慢，解決問(wèn)題過(guò)程長(zhǎng)，影響電站正常運(yùn)行，電站拖不起。

③維護(hù)費(fèi)用昂貴，進(jìn)口備件價(jià)格高，技術(shù)服務(wù)費(fèi)用昂貴，進(jìn)口設(shè)備的備件只要設(shè)備類(lèi)型相近，備件價(jià)格及技術(shù)服務(wù)費(fèi)用基本一致，大型抽水蓄能電站規(guī)模大，能夠消化這些費(fèi)用，沙河電站屬于中小型的抽水蓄能電站，備件占據(jù)了大量的日常維護(hù)費(fèi)用，成本壓力大。

④后續(xù)技術(shù)改造費(fèi)用高，改造難度大，因?yàn)榇嬖诩夹g(shù)壟斷，設(shè)備進(jìn)行原廠家升級(jí)改造費(fèi)用高，國(guó)內(nèi)廠商進(jìn)行局部改造也不具備技術(shù)條件。

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)技術(shù)水平提高，關(guān)鍵性技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展，南瑞繼保電氣有限公司基于多年在無(wú)功補(bǔ)償裝置、高壓直流融冰裝置及勵(lì)磁系統(tǒng)等產(chǎn)品中的技術(shù)積累，研制出了全套完全國(guó)產(chǎn)化的靜止變頻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用成熟可靠的控制系統(tǒng)硬件和軟件平臺(tái)，硬件系統(tǒng)采用多分布式處理器系統(tǒng)，通用性好、可靠度高；采用可視化、模塊化編程，軟件成熟度高；可控硅閥采用光電觸發(fā)，隔離安全、觸發(fā)一致性好，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

沙河電站和南瑞繼保合作，將在2012年機(jī)組檢修期間，進(jìn)行SFC現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，目前該裝置經(jīng)過(guò)了試運(yùn)行，并通過(guò)了省級(jí)技術(shù)鑒定。

3 結(jié) 語(yǔ)

沙河電站自動(dòng)化設(shè)備國(guó)產(chǎn)化改造系統(tǒng)地解決了長(zhǎng)期以來(lái)設(shè)備存在的諸多“疑難雜癥”，提高了設(shè)備可靠性，另外，通過(guò)降低改造費(fèi)用，減少設(shè)備日常維護(hù)費(fèi)用，提高了電站的盈利能力，取得了很好的效果。

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