深圳抽水蓄能電站機(jī)組背靠背拖動(dòng)監(jiān)控流程設(shè)計(jì)

操俊磊，姜海軍，李 青，陳 龍，胡海峰

[1. 南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106；2. 深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東省深圳市 518116]

0 引言

深圳抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱深蓄電站）處于廣東的電力負(fù)荷中心，是西電東送的落點(diǎn)和粵港電網(wǎng)的連接點(diǎn)。電站總裝機(jī)容量為1200MW，安裝4臺(tái)30萬(wàn)kW抽水蓄能機(jī)組，建成后年發(fā)電量達(dá)到20億kWh。電站樞紐建筑物主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房和地面開(kāi)關(guān)站等組成。電站建成后將成為南方電網(wǎng)的“蓄電池”“應(yīng)急電源”，承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等任務(wù)，將進(jìn)一步增強(qiáng)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力，顯著提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平和供電可靠性。

電站監(jiān)控系統(tǒng)采用了南瑞集團(tuán)水電公司研發(fā)的SJ-3000計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)為NC2000（V3.0）監(jiān)控軟件，下位機(jī)為SJ-600現(xiàn)地控制單元，按無(wú)人值班（少人值守）設(shè)計(jì)，為電站安全穩(wěn)定高效運(yùn)行提供了保障。

1 機(jī)組運(yùn)行方式

深蓄電站機(jī)組運(yùn)行方式較為復(fù)雜，工況包括：停機(jī)、空轉(zhuǎn)、空載、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等7種穩(wěn)定工況，同時(shí)具備黑啟動(dòng)和線路充電功能。

機(jī)組運(yùn)行的工況轉(zhuǎn)換主要有：a停機(jī)→停機(jī)熱備；b停機(jī)熱備→空轉(zhuǎn)；c空轉(zhuǎn)→空載；d空載→發(fā)電；e發(fā)電→發(fā)電調(diào)相；f發(fā)電調(diào)相→發(fā)電；g發(fā)電→空載；h空載→空轉(zhuǎn)；i空轉(zhuǎn)→停機(jī)；j發(fā)電調(diào)相→停機(jī)；k停機(jī)熱備→抽水調(diào)相（SFC拖動(dòng)）；l停機(jī)熱備→抽水調(diào)相（BTB拖動(dòng)）；m停機(jī)→旋轉(zhuǎn)（BTB作為拖動(dòng)機(jī)）；n抽水調(diào)相→抽水；o抽水→抽水調(diào)相；p抽水→停機(jī)；q抽水調(diào)相→停機(jī)；r抽水→發(fā)電；s停機(jī)熱備→黑啟動(dòng)。

機(jī)組正常開(kāi)停機(jī)工況轉(zhuǎn)換流程結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)組工況轉(zhuǎn)換流程結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Conversion diagram of unit working condition

2 背靠背抽水順控流程組成

本文主要介紹背靠背抽水順控流程，該流程由開(kāi)機(jī)預(yù)啟動(dòng)條件、背靠背工況轉(zhuǎn)換條件和工況轉(zhuǎn)換流程組成。其中，開(kāi)機(jī)預(yù)啟動(dòng)條件是機(jī)組開(kāi)機(jī)啟動(dòng)順控流程的前提，條件滿足方可開(kāi)機(jī)。工況轉(zhuǎn)換條件滿足后，監(jiān)控系統(tǒng)方可執(zhí)行對(duì)應(yīng)的工況轉(zhuǎn)換流程。

背靠背工況轉(zhuǎn)換流程分為拖動(dòng)機(jī)BTB拖動(dòng)流程和被拖動(dòng)機(jī)BTB抽水流程，由圖1可知，BTB拖動(dòng)流程由1、13、21、22組成，即停機(jī)→停機(jī)熱備→BTB拖動(dòng)→停機(jī)熱備→停機(jī)態(tài)。BTB抽水工況轉(zhuǎn)換流程由1、12、14組成，即停機(jī)→停機(jī)熱備→BTB抽水調(diào)相→抽水態(tài)。

2.1 開(kāi)機(jī)預(yù)啟動(dòng)條件

開(kāi)機(jī)預(yù)啟動(dòng)條件由機(jī)組各個(gè)分系統(tǒng)啟動(dòng)條件組成，主要包括保護(hù)系統(tǒng)、電氣部分、主變壓器系統(tǒng)、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)、進(jìn)水閥系統(tǒng)、水輪機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)條件的邏輯組成這里不再贅述，電站可根據(jù)實(shí)際情況編制和實(shí)施。

各個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)條件均具備，開(kāi)機(jī)預(yù)啟動(dòng)條件方可滿足，邏輯組成如圖2所示。

圖2 開(kāi)機(jī)預(yù)啟動(dòng)條件邏輯組成圖Figure 2 Logic composition of starting condition

圖3 拖動(dòng)機(jī)組工況轉(zhuǎn)換條件邏輯組成圖Figure 3 Logic composition of conversion condition of drag unit

圖4 被拖動(dòng)機(jī)組工況轉(zhuǎn)換條件邏輯組成圖Figure 4 Logic composition of the condition of the dragged unit

2.2 背靠背工況轉(zhuǎn)換條件

作為拖動(dòng)機(jī)組，其工況轉(zhuǎn)換條件主要包括：機(jī)組在停機(jī)穩(wěn)態(tài)且開(kāi)機(jī)預(yù)啟動(dòng)條件滿足，拖動(dòng)刀閘/啟動(dòng)刀閘位置狀態(tài)正確，以及上下庫(kù)水位信號(hào)正常。邏輯組成如圖3所示。

作為被拖動(dòng)機(jī)組，由于機(jī)組需開(kāi)機(jī)并網(wǎng)經(jīng)過(guò)抽水調(diào)相工況，從而轉(zhuǎn)至抽水穩(wěn)態(tài)，所以其工況轉(zhuǎn)換條件需加判主變帶電、充氣壓水設(shè)備正常、同一流道其他機(jī)組不在發(fā)電方向工況、功率測(cè)量源正常等，主要邏輯組成如圖4所示。

2.3 背靠背工況轉(zhuǎn)換流程

以電站機(jī)組“1拖2”為例，即1號(hào)機(jī)組作為拖動(dòng)機(jī)拖動(dòng)2號(hào)機(jī)組至抽水態(tài)，詳細(xì)介紹背靠背的順控流程。

步驟1：1號(hào)機(jī)組作為拖動(dòng)機(jī)，2號(hào)機(jī)組作為被拖動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)機(jī)組同步執(zhí)行由停機(jī)至停機(jī)熱備子流程，開(kāi)啟機(jī)組輔助設(shè)備。輔助設(shè)備主要包括技術(shù)供水、水導(dǎo)外循環(huán)油、推力及下導(dǎo)外循環(huán)油、調(diào)速器油壓系統(tǒng)以及高壓油頂起裝置等。由圖1可知，該過(guò)程是機(jī)組所有開(kāi)機(jī)流程公用部分，這里不詳細(xì)介紹。

步驟2：1號(hào)機(jī)組分中性點(diǎn)隔離開(kāi)關(guān)，2號(hào)機(jī)組合抽水工況換相隔離開(kāi)關(guān)和啟動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)（被拖動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)），同時(shí)發(fā)給1號(hào)機(jī)組拖動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)合閘允許信號(hào)，1號(hào)機(jī)組收到該信號(hào)后合拖動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)。

步驟3：1、2號(hào)機(jī)組分別設(shè)置調(diào)速器、勵(lì)磁和保護(hù)工況模式，1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)同期無(wú)壓合模式合出口斷路器。至此，電氣鏈接已建立，鏈路方向?yàn)镚M1→G1拖動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)→I段啟動(dòng)母線→G2啟動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)→GM2，背靠背電氣鏈接圖如圖5所示。

步驟4：1號(hào)機(jī)組開(kāi)啟球閥，2號(hào)機(jī)組調(diào)用充氣壓水子流程。球閥開(kāi)啟至中間位置后將“拖動(dòng)機(jī)組準(zhǔn)備好”信號(hào)發(fā)送至2號(hào)機(jī)組，2號(hào)機(jī)組收到該信號(hào)后啟動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)（合滅磁斷路器），隨后將“開(kāi)始拖動(dòng)”命令發(fā)送給1號(hào)機(jī)組，1號(hào)機(jī)組隨即啟動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)（合滅磁斷路器）。

圖5 背靠背電氣鏈接圖Figure 5 Back to back electrical link diagram

步驟5：1號(hào)機(jī)組開(kāi)導(dǎo)葉，此時(shí)2號(hào)機(jī)組組被1號(hào)機(jī)組拖動(dòng)，兩臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)速同步上升。2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)速和電壓升至額定90%以上，監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)同期裝置并網(wǎng)。

步驟6：2號(hào)機(jī)組出口斷路器合位，將“拖動(dòng)機(jī)出口斷路器分閘”命令發(fā)送給1號(hào)機(jī)組，1號(hào)機(jī)組分出口斷路器，并將分閘位置信號(hào)反饋至2號(hào)機(jī)組，2號(hào)機(jī)組隨即分開(kāi)啟動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)到達(dá)抽水調(diào)相穩(wěn)態(tài)。

步驟7：1號(hào)機(jī)組退出勵(lì)磁、分拖動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、關(guān)閉導(dǎo)葉、關(guān)閉球閥，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)停機(jī)→停機(jī)流程，待機(jī)組轉(zhuǎn)速降至零，合上中性點(diǎn)隔離開(kāi)關(guān)，退出機(jī)組輔助設(shè)備，最終轉(zhuǎn)為停機(jī)態(tài)。2號(hào)機(jī)組調(diào)用抽水調(diào)相→抽水流程，排氣回水、開(kāi)球閥、開(kāi)導(dǎo)葉、復(fù)歸保護(hù)調(diào)相模式后到達(dá)抽水穩(wěn)態(tài)。

1、2號(hào)機(jī)組主要流程轉(zhuǎn)換及信息交互如圖6所示。

圖6 背靠背順控流程圖Figure 6 Back to back control flow chart

3 監(jiān)控系統(tǒng)的安全與閉鎖

背靠背啟動(dòng)工況流程復(fù)雜，涉及面廣，在保障機(jī)組設(shè)備安全方面，監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)閉鎖措施起著至關(guān)重要的作用。本文就深蓄電站監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)背靠背工況的安全與閉鎖設(shè)計(jì)，主要列舉如下幾點(diǎn)。

3.1 出口斷路器的低頻閉鎖

作為拖動(dòng)機(jī)組，其出口斷路器在開(kāi)啟導(dǎo)葉前已通過(guò)同期無(wú)壓合合上，開(kāi)啟導(dǎo)葉后拖動(dòng)機(jī)與被拖動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由于低頻狀態(tài)下斷路器拉弧能力下降，如果升速過(guò)程中設(shè)備故障或流程失敗導(dǎo)致斷路器分閘，此時(shí)會(huì)對(duì)斷路器造成損害，影響設(shè)備工作壽命。

監(jiān)控系統(tǒng)為防止低頻情況下分開(kāi)斷路器對(duì)設(shè)備造成損傷，在背靠背拖動(dòng)過(guò)程中，如若流程超時(shí)或設(shè)備故障等原因觸發(fā)事故停機(jī)，需第一時(shí)間分開(kāi)機(jī)組滅磁斷路器，延時(shí)約5s后再分開(kāi)出口斷路器，監(jiān)控的閉鎖邏輯如圖7所示。

圖7 低頻閉鎖邏輯圖Figure 7 LF latch logic diagram

3.2 避免兩電源同時(shí)供電措施

被拖動(dòng)機(jī)組背靠背抽水同期并網(wǎng)時(shí)，要注意避免拖動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)同時(shí)給被拖動(dòng)機(jī)供電的問(wèn)題。被拖動(dòng)機(jī)同期并網(wǎng)瞬間，通過(guò)現(xiàn)地控制單元LCU通信將“分拖動(dòng)機(jī)出口斷路器”命令發(fā)送至拖動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)機(jī)隨即開(kāi)出分閘命令，實(shí)現(xiàn)電氣鏈接解列。

為保證此過(guò)程安全可靠以及時(shí)效性，監(jiān)控系統(tǒng)另設(shè)計(jì)了一套硬接線回路，取“被拖動(dòng)機(jī)同期合閘令”擴(kuò)展信號(hào)作為分拖動(dòng)機(jī)出口斷路器回路節(jié)點(diǎn)，“軟硬結(jié)合”確保并網(wǎng)的第一時(shí)間分開(kāi)拖動(dòng)機(jī)組的出口斷路器。被拖動(dòng)機(jī)分拖動(dòng)機(jī)GCB硬接線回路設(shè)計(jì)如圖8所示。

3.3 轉(zhuǎn)差保護(hù)

在背靠背啟動(dòng)過(guò)程中，因電氣參數(shù)不合理、機(jī)械故障等原因?qū)е聝膳_(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)速不同步的情況時(shí)有發(fā)生。此時(shí)，電站運(yùn)行或調(diào)試人員應(yīng)立即手動(dòng)按下事故停機(jī)按鈕將機(jī)組停下來(lái)。

為及時(shí)避免機(jī)組事故進(jìn)一步擴(kuò)大，深蓄電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于該項(xiàng)保護(hù)增加電氣事故停機(jī)啟動(dòng)源，事故一旦發(fā)生則第一時(shí)間自動(dòng)啟動(dòng)事故停機(jī)流程將兩臺(tái)機(jī)組停穩(wěn)。試驗(yàn)參數(shù)暫整定為“轉(zhuǎn)差大于10%Ne”且持續(xù)10s以上，則觸發(fā)事故停機(jī)流程。

3.4 流程失敗啟動(dòng)事故停機(jī)

背靠背的啟動(dòng)過(guò)程涉及兩臺(tái)機(jī)組，期間存在拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組的電氣鏈接和信息交互，其中一臺(tái)機(jī)組的設(shè)備故障或卡頓都會(huì)直接導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。

圖8 被拖動(dòng)機(jī)分拖動(dòng)機(jī)GCB硬接線回路設(shè)計(jì)圖Figure 8 Design diagram of hard wiring circuit for dragged unit tripping GCB of drag unit

為保障機(jī)組設(shè)備安全，監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元實(shí)時(shí)掃描重要設(shè)備狀態(tài)信息，拖動(dòng)/被拖動(dòng)機(jī)組設(shè)備故障或順控流程超時(shí)均會(huì)自動(dòng)觸發(fā)監(jiān)控電氣事故停機(jī)流程，同時(shí)聯(lián)跳對(duì)側(cè)機(jī)組，以避免事故擴(kuò)大。

4 結(jié)束語(yǔ)

背靠背拖動(dòng)過(guò)程較為復(fù)雜，涉及監(jiān)控、保護(hù)、勵(lì)磁以及調(diào)速器等二次設(shè)備的配合問(wèn)題。例如監(jiān)控同期參數(shù)、保護(hù)低頻過(guò)流參數(shù)、勵(lì)磁電流整定以及調(diào)速器的導(dǎo)葉開(kāi)啟規(guī)律等均會(huì)直接影響背靠背啟動(dòng)的成功率。深蓄電站于2018年2月完成1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組背靠背拖動(dòng)調(diào)試，安全閉鎖測(cè)試充分，試驗(yàn)過(guò)程順利，實(shí)踐證明了監(jiān)控系統(tǒng)順控流程設(shè)計(jì)的安全可靠性，也為后續(xù)其他抽水蓄能電站的投運(yùn)和改造項(xiàng)目提供有力的技術(shù)參考。