抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)智能化發(fā)展

文/路平

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，在當(dāng)前我國電網(wǎng)建設(shè)階段中，提出以構(gòu)建智能電網(wǎng)為未來發(fā)展方向的戰(zhàn)略目標(biāo)，在高度集成化雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對各項信息化技術(shù)加以綜合運用，以構(gòu)建起安全、穩(wěn)定、自動化運行的優(yōu)質(zhì)電網(wǎng)。而高度智能化、自動化的抽水蓄能電站則是其中的重要構(gòu)成部分之一，發(fā)揮著容納發(fā)電與能量存儲、提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、緩解調(diào)峰矛盾等應(yīng)用效用。但值得注意的是，雖然在后發(fā)效應(yīng)影響下，我國所建設(shè)的多座抽水蓄能電站的總體技術(shù)體系較為成熟、自動化程度較高，但在智能化發(fā)展層面上仍舊存在一定的問題弊病，有待進一步優(yōu)化。

1 主要作用分析

1.1 緩解調(diào)峰矛盾、調(diào)壓調(diào)相

在電網(wǎng)運行過程中，由于用電負(fù)荷的呈現(xiàn)分布不均勻結(jié)構(gòu)，因此，在部分用電高峰階段中，電網(wǎng)時常需要以滿負(fù)荷、超負(fù)荷狀態(tài)加以持續(xù)運行，需要在所配置正常運行的各發(fā)電機組外配置、運行新的發(fā)電機組、調(diào)峰機組。而在電網(wǎng)滿負(fù)荷、超負(fù)荷運行過程中，自動化抽水蓄能電站則根據(jù)電網(wǎng)的實際運行狀況，將電網(wǎng)在低負(fù)荷運行狀態(tài)下的多余電能以水能形式加以轉(zhuǎn)換，并在電網(wǎng)滿負(fù)荷、超負(fù)荷運行過程中向其提供高價值電能、緩解電網(wǎng)調(diào)峰矛盾。同時，在電網(wǎng)運行過程中，時常會出現(xiàn)局部電網(wǎng)電壓過高的情況，并以此為誘因引發(fā)后續(xù)一系列電網(wǎng)運行故障問題的出現(xiàn)，其重要性可見一斑。而抽水蓄能電站中所配置發(fā)電機組可根據(jù)電網(wǎng)實際運行狀況，加以適當(dāng)時間長度的進相運行，以此發(fā)揮調(diào)壓調(diào)相、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的應(yīng)用效用。

1.2 穩(wěn)定電網(wǎng)運行

（1）抽水蓄能電站中所配置發(fā)電機組普遍具有停啟迅速等特征。在電網(wǎng)運行過程中出現(xiàn)部分常規(guī)配置發(fā)電機組出現(xiàn)運行故障問題時，抽水蓄能電站中所配置的發(fā)電機組可在短時間內(nèi)加以高速運行，并與電網(wǎng)運行負(fù)荷的波動變換指數(shù)相適應(yīng)，以此確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

（2）在受到多方面因素影響，整體電網(wǎng)出現(xiàn)停運問題、處于全“黑”狀態(tài)后，可通過對抽水蓄能電站中所配置的具有自動啟動能力的發(fā)電機組加以運轉(zhuǎn)，從而逐漸帶動各類不具備自我啟動能力的發(fā)電機組加以恢復(fù)、運轉(zhuǎn)，并最終實現(xiàn)整體電網(wǎng)的自我恢復(fù)。

2 自動化系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)分析

2.1 自動化系統(tǒng)過程層結(jié)構(gòu)

在當(dāng)前我國各座抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)組建過程中，普遍選擇采用三層結(jié)構(gòu)框架體系，其中系統(tǒng)層、現(xiàn)地層與過程層自上而下順序排列，且現(xiàn)地層與過程層以光纖以太網(wǎng)加以連接、系統(tǒng)層與現(xiàn)地層以以太網(wǎng)加以連接。其中，系統(tǒng)過程層結(jié)構(gòu)主要由智能一次設(shè)備、智能接口、自動化元件等共同加以構(gòu)成，并在整體自動化系統(tǒng)中發(fā)揮著電氣設(shè)備及整體系統(tǒng)實時參數(shù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用效用。

2.2 自動化系統(tǒng)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)

這一層次結(jié)構(gòu)主要由公用、開關(guān)站及機組LCU，以及異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)等共同加以構(gòu)成。在自動化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)地層發(fā)揮著實時數(shù)據(jù)運算、系統(tǒng)在線監(jiān)測、控制保護等應(yīng)用效用。

2.3 自動化系統(tǒng)的系統(tǒng)層結(jié)構(gòu)

這一層次結(jié)構(gòu)主要由多臺實時服務(wù)數(shù)據(jù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠(yuǎn)動通訊服務(wù)站等加以共同構(gòu)成，在整體自動化系統(tǒng)中發(fā)揮著系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)、實時監(jiān)測等應(yīng)用效用。

3 智能化建設(shè)途徑

3.1 抽水蓄能電站中電力二次設(shè)備的建設(shè)

二次設(shè)備主要指對電力一次設(shè)備發(fā)揮控制、監(jiān)測及保護的電氣設(shè)備，常見的電力二次設(shè)備有指示燈、測量儀表、繼電器等。而在當(dāng)前我國抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)智能化建設(shè)工作開展中，對電力二次設(shè)備的智能化建設(shè)，則需要從優(yōu)化上述自動化系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)方向加以著手，優(yōu)先對原有自動化系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)中的系統(tǒng)層、現(xiàn)地層以及層次間相連接的以太網(wǎng)開展智能化建設(shè)工作。

圖1

此外，也需要注重于在抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)中構(gòu)建起配套的高度集成化、互動化的電力二次設(shè)備管理平臺及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，確保各類所配置的電力二次設(shè)備將所監(jiān)測電力以此設(shè)備的運行狀況、電氣參數(shù)加以實時傳輸。而值得注意的是，在設(shè)備配置層面上，需要優(yōu)先挑選、配置支持電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域中全球通用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。

3.2 抽水蓄能電站中電力一次設(shè)備的建設(shè)

電力一次設(shè)備主要指直接用于生產(chǎn)、使用電能、保護電器、接通及斷開電路的電氣設(shè)備，例如負(fù)荷開關(guān)、電抗器、發(fā)電機、變壓器等均屬于電力一次設(shè)備。與上述不同，在抽水蓄能電站中所配置電力一次設(shè)備開展智能化建設(shè)工作時，則需要優(yōu)先對自動化系統(tǒng)中的過程層結(jié)構(gòu)開展智能化建設(shè)工作，具體建設(shè)方法如下：

（1）在開展電力二次設(shè)備智能化建設(shè)工作、優(yōu)化抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)中的系統(tǒng)層、現(xiàn)地層基礎(chǔ)上，逐漸將上述系統(tǒng)分布結(jié)構(gòu)過渡建設(shè)為原有的系統(tǒng)層-現(xiàn)地層-過程層三層結(jié)構(gòu)框架體系；

（2）從優(yōu)化電力一次設(shè)備、電力二次設(shè)備方向加以著手，確保所構(gòu)建的智能化、自動化抽水蓄能電站運行系統(tǒng)完全支持電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域中全球通用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。以實現(xiàn)抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)的實時監(jiān)測、智能控制。

3.3 抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)中變頻調(diào)速系統(tǒng)的建設(shè)

首先，在抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)與智能電網(wǎng)中，變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著實時調(diào)節(jié)發(fā)電機運轉(zhuǎn)速度、提高發(fā)電機組啟停速度，以及控制蓄能電站各發(fā)電機組電源頻率、運行速度符合電網(wǎng)運行負(fù)荷的波動變換指數(shù)的應(yīng)用效用。簡而言之，對變頻調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用，是發(fā)揮抽水蓄能電站緩解電網(wǎng)調(diào)峰矛盾、穩(wěn)定運行等應(yīng)用效用的關(guān)鍵所在。而在當(dāng)前我國各座抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)中，普遍通過應(yīng)用開環(huán)自動控制技術(shù)，借助于比例-積分-微積分控制器對所配置的蓄能電力機組下達啟停操控指令。但在這一運行模式下，存在蓄能電力機組啟動難度及不確定系數(shù)過高、啟動實際時間過長等問題，不但無法實現(xiàn)對蓄能電力機組及整體運行系統(tǒng)的智能化控制，也在一定程度上降低了電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性、可靠性。

而針對這一問題，則需要從優(yōu)化、提升蓄能電力機組轉(zhuǎn)速、電源頻率角度加以著手，以實現(xiàn)對蓄能電力機組啟停速度的提升，更好的適應(yīng)電網(wǎng)運行負(fù)荷的波動變換指數(shù)。而具體的智能化建設(shè)途徑如下：

（1）將蓄能電力機組的控制模式由舊有的開環(huán)控制模式轉(zhuǎn)換為閉環(huán)控制模式，在蓄能電力機組啟動階段中所配置的控制器需要全過程保持閉環(huán)模式，提前設(shè)置蓄能電力機組的合理轉(zhuǎn)速頻率區(qū)間范圍即可；

（2）將非線性的滑膜變結(jié)構(gòu)控制與自動化系統(tǒng)中的水輪機調(diào)速系統(tǒng)加以充分結(jié)合，確保系統(tǒng)按照預(yù)定的滑動模態(tài)的軌跡開展運動，從而實現(xiàn)在運動過程中根據(jù)抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)的實時狀態(tài)將目的地加以相應(yīng)變化。

3.4 抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)中勵磁系統(tǒng)的建設(shè)

首先，在抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)及電網(wǎng)中，勵磁系統(tǒng)的主要職能、應(yīng)用效用為，供給同步發(fā)電機勵磁電流的電源，與其各類配套設(shè)備，從而提高電網(wǎng)與抽水蓄能電站中并聯(lián)機組的運行穩(wěn)定性、將發(fā)電機端電壓穩(wěn)定在給定值、并對并結(jié)機組之間的無功功率加以合理分配。簡而言之，勵磁系統(tǒng)的運行情況，在直接程度上影響到抽水蓄能電站各蓄能電力機組的運行情況，以及整體點網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。

而對于勵磁系統(tǒng)的智能化建設(shè)，則需要在傳統(tǒng)的蓄能并聯(lián)電力機組以SFC變頻器運行啟動模式的基礎(chǔ)上，引入比例-積分-微積分控制器及其控制模式，從而根據(jù)電網(wǎng)及抽水蓄能電站實時運行情況，將勵磁系統(tǒng)運行模式調(diào)節(jié)為閉環(huán)控制狀態(tài)。在這一智能化建設(shè)途徑下，既實現(xiàn)了對蓄能電力并聯(lián)機組運行及啟停穩(wěn)定性、可靠性的優(yōu)化提升，也大幅提高了靜止變頻器的單次啟動成功率，其智能化結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

4 結(jié)語

高度自動化、智能化的抽水蓄能電站是智能電網(wǎng)的重要構(gòu)成部分，發(fā)揮著調(diào)頻調(diào)相、提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、緩解調(diào)峰矛盾、事故備用、黑啟動等諸多應(yīng)用效用，其重要性不言而喻。而本文為進一步推動抽水蓄能電站自動化系統(tǒng)的智能化發(fā)展進程，則首先對系統(tǒng)的主要職能效用、系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)加以深入分析，隨后以一二次電力設(shè)備、變頻調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)的智能化建設(shè)途徑、要點為切入點，開展上述探討，以實現(xiàn)將抽水蓄能電站各并聯(lián)電力機組加以高度集成化、互動化控制，使其在智能電網(wǎng)中發(fā)揮更為顯著的應(yīng)用效用。