沙河抽水蓄能電站自動(dòng)控制設(shè)備國產(chǎn)化改造

張春波

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

0 前言

沙河抽水蓄能電站（以下簡稱“沙河電站”）位于江蘇省常州市溧陽市，距溧陽市區(qū)19 km，地處江蘇省電網(wǎng)負(fù)荷中心。電站裝機(jī)總?cè)萘?00 MW，安裝兩臺(tái)50 MW抽水蓄能機(jī)組，按日調(diào)節(jié)方式運(yùn)行。電站于2002年7月投入商業(yè)運(yùn)行，是江蘇省第一家抽水蓄能電站。電站以一回220 kV輸電線路接入江蘇省電網(wǎng)，主要承擔(dān)江蘇省電網(wǎng)的調(diào)峰及事故備用、黑啟動(dòng)電源點(diǎn)等功能。設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.82億kW·h，年抽水電量2.44億kW·h，電站主機(jī)設(shè)備由法國ALSTOM公司引進(jìn)，其中機(jī)組保護(hù)、勵(lì)磁、電調(diào)、SFC等主要自動(dòng)化設(shè)備由法國ALSTOM隨主機(jī)同步提供。上述自動(dòng)化設(shè)備經(jīng)過多年運(yùn)行，穩(wěn)定性和可靠性逐步下降，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 機(jī)組自動(dòng)化設(shè)備改造指導(dǎo)思想

機(jī)組自動(dòng)化設(shè)備良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行基本條件。沙河電站1999年設(shè)備訂貨時(shí)為保障自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行購買了1批備品備件，但隨著運(yùn)行時(shí)間延續(xù)，當(dāng)初采購的備品備件已逐漸消耗殆盡。由于國外廠商對(duì)產(chǎn)品不斷升級(jí)換代，致使一段時(shí)間后備件采購價(jià)格過高且供貨周期較長，有效的技術(shù)支持得不到保障。例如2007年電站因1號(hào)機(jī)勵(lì)磁故障向法國ALSTOM緊急采購1塊勵(lì)磁調(diào)節(jié)器A通道CPU板卡(RSDP1)，對(duì)方報(bào)價(jià)竟高達(dá)24萬元且供貨時(shí)限為6個(gè)月，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。高昂的進(jìn)口備件采購價(jià)格增加了設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用并降低電站利潤空間。為保障機(jī)組正常運(yùn)行，對(duì)機(jī)組自動(dòng)化設(shè)備改造工作勢(shì)在必行。

進(jìn)口機(jī)組自動(dòng)化設(shè)備改造有2條路可循，①繼續(xù)采購國外設(shè)備，此方法風(fēng)險(xiǎn)較小，費(fèi)用較高，經(jīng)過一定時(shí)間運(yùn)行可能延續(xù)采購價(jià)格高與技術(shù)支持獲取困難的窘境；②使用國產(chǎn)設(shè)備替換，國內(nèi)一些自動(dòng)化設(shè)備廠商經(jīng)過不斷研發(fā)，自動(dòng)化控制設(shè)備技術(shù)已日臻成熟，與國外設(shè)備比較無明顯代差且使用環(huán)境更為友好，同時(shí)采用國內(nèi)設(shè)備還具有采購費(fèi)用較低和技術(shù)支持快速等國外設(shè)備不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過系統(tǒng)周密市場(chǎng)與用戶調(diào)研，電站決定使用國內(nèi)產(chǎn)品對(duì)機(jī)組自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行改造。為將設(shè)備改造風(fēng)險(xiǎn)降到最低，采用先行試點(diǎn)、小步快跑的形式實(shí)施改造，同時(shí)在改造實(shí)施中確保拆出的每套舊設(shè)備完好可快速恢復(fù)使用，以防范改造風(fēng)險(xiǎn)。

2 機(jī)組保護(hù)裝置改造的初步探索

2010年，經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、周密準(zhǔn)備后，進(jìn)行了1號(hào)機(jī)組保護(hù)裝置改造試點(diǎn)工作。改造工作依據(jù)國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)反事故措施要求及相關(guān)國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原有機(jī)組保護(hù)裝置在保護(hù)雙重化配置、保護(hù)功能閉鎖邏輯、報(bào)警信息量偏少等設(shè)計(jì)和運(yùn)行等多方面缺陷進(jìn)行完善。

新的保護(hù)裝置選用南瑞繼保公司RCS-985微機(jī)保護(hù)裝置，共設(shè)置A、B 2組保護(hù)裝置。每組保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)組主保護(hù)、后備保護(hù)和異常運(yùn)行保護(hù)的所有電氣量保護(hù)，從電源、電壓互感器和電流互感器二次接入、開入量、出口繼電器和斷路器跳閘回路等徹底分離，2套保護(hù)實(shí)現(xiàn)完全雙重冗余，提高了抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的可靠性，降低了機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。新的保護(hù)裝置有如下特點(diǎn)。

2.1 保護(hù)功能投退內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，簡化二次回路

抽水蓄能機(jī)組需要根據(jù)運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換的判別，自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)保護(hù)功能投退和相序轉(zhuǎn)換。改造后將發(fā)電換相開關(guān)、抽水換相開關(guān)、啟動(dòng)開關(guān)、拖動(dòng)開關(guān)、并網(wǎng)開關(guān)、電制動(dòng)開關(guān)和導(dǎo)水葉位置7個(gè)設(shè)備輔助接點(diǎn)直接接入保護(hù)裝置，保護(hù)裝置根據(jù)各開入量變位實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯自動(dòng)判斷工況變化，取消了原有大量中間繼電器，簡化二次回路，提高了保護(hù)系統(tǒng)可靠性和安全性。

2.2 可靠的保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RCS-985保護(hù)裝置采用了1種新型的“雙CPU系統(tǒng)，與門出口方式”系統(tǒng)架構(gòu)，解決了單一系統(tǒng)存在的硬件可靠性問題。該硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 雙CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)分為2個(gè)CPU系統(tǒng)（啟動(dòng)CPU和保護(hù)CPU），低通濾波、AD采樣、CPU等完全獨(dú)立，各自進(jìn)行保護(hù)計(jì)算。雙CPU系統(tǒng)采用“與”門出口方式，啟動(dòng)CPU作用于開放跳閘繼電器正電源，保護(hù)CPU作用于跳閘矩陣，只有2塊CPU板同時(shí)動(dòng)作，保護(hù)裝置方可出口，防止任何硬件損壞導(dǎo)致的誤動(dòng)。同時(shí)2個(gè)CPU系統(tǒng)之間還進(jìn)行完善自檢和互檢，任1塊CPU板故障，立即閉鎖保護(hù)裝置并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.3 應(yīng)用多種先進(jìn)保護(hù)原理

2.3.1 變斜率和工頻變化量比率差動(dòng)保護(hù)

由于大型水電機(jī)組短路電流水平相對(duì)較低，非周期電流衰減慢，使常規(guī)差動(dòng)保護(hù)靈敏度降低。改造采用近年來在大型機(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)新原理，更適合抽水蓄能機(jī)組差動(dòng)保護(hù)靈敏度要求。

2.3.2 注入式定子、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

抽水蓄能機(jī)組對(duì)定子和轉(zhuǎn)子繞組的對(duì)地絕緣檢測(cè)要求較高。保護(hù)采用高性能注入式定子、轉(zhuǎn)子低頻接地保護(hù)原理，可滿足無勵(lì)磁狀態(tài)下定子、轉(zhuǎn)子絕緣檢測(cè)要求，且保護(hù)靈敏度高。

2.3.3 高靈敏橫差保護(hù)

采用相電流比率制動(dòng)原理高靈敏橫差保護(hù)。其原理為發(fā)生外部短路故障時(shí)故障電流增加很大，而橫差電流增加較少，取電流增加量作橫差保護(hù)制動(dòng)量，外部故障時(shí)保護(hù)能可靠制動(dòng)。定子繞組匝間故障時(shí)橫差電流增加較大，而相電流變化較小，故保護(hù)有很高的動(dòng)作靈敏度。

2.4 其他的改進(jìn)措施

斷路器失靈保護(hù)電流取自發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)端電流互感器，并增加負(fù)序電流元件，完善保護(hù)邏輯。

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)設(shè)置CT斷線閉鎖功能，在機(jī)端或中性點(diǎn)CT發(fā)生斷線時(shí)，可根據(jù)需要選擇是否閉鎖差動(dòng)保護(hù)，靈活性更高。

本次機(jī)組保護(hù)裝置改造完全依據(jù)國家和行業(yè)最新規(guī)程規(guī)范要求，解決了原有機(jī)組保護(hù)存在的缺陷，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組保護(hù)主后備一體化、雙重配置的成套保護(hù)配置方案，提高了機(jī)組保護(hù)性能，簡化了機(jī)組保護(hù)二次回路硬接線，提高了機(jī)組保護(hù)可靠性，增強(qiáng)了電站對(duì)江蘇電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的支持，具有良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 機(jī)組勵(lì)磁裝置改造

沙河電站原勵(lì)磁裝置由ALSTOM提供，型號(hào)為K4.0型。原有勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)過近9年運(yùn)行，穩(wěn)定性和可靠性逐步下降，出現(xiàn)多次插件板卡故障引起的開機(jī)不成功問題，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。2011年，在總結(jié)機(jī)組保護(hù)改造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，電站著手進(jìn)行機(jī)組勵(lì)磁裝置國產(chǎn)化改造工作。

新的勵(lì)磁裝置采用南瑞繼保公司的RCS-9400型微機(jī)勵(lì)磁裝置，每臺(tái)裝置設(shè)置2套獨(dú)立的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)完全雙冗余配置。每套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均可實(shí)現(xiàn)1臺(tái)機(jī)組所有勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制功能，配置結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 調(diào)節(jié)器盤柜結(jié)構(gòu)圖

電源回路設(shè)為雙回路供電，包括雙交流、雙直流系統(tǒng)，任一回路掉電，均不影響整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行。整流系統(tǒng)配置單柜額定輸出1 200 A的雙冗余功率柜并行運(yùn)行，單一功率柜運(yùn)行即可滿足機(jī)組勵(lì)磁電流需求。滅磁開關(guān)選用ABB公司E3型額定電流1 600 A空氣開關(guān)，滅磁電阻選用氧化鋅非線性電阻。

3.1 整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

在勵(lì)磁系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)上，保留了原有的與SFC等外部設(shè)備信息傳輸?shù)耐獠拷涌?，并滿足停機(jī)過程中電氣制動(dòng)的功能需求；勵(lì)磁主電源從勵(lì)磁變低壓側(cè)取，勵(lì)磁備用電源由機(jī)旁動(dòng)力盤提供，兩者可以相互手/自動(dòng)切換。

在發(fā)電機(jī)出口側(cè)，通過采樣取2路TV電壓信號(hào)和一路TA電流信號(hào)給調(diào)節(jié)器；在出口開關(guān)外側(cè)，取主變低壓側(cè)TV信號(hào)給調(diào)節(jié)器。

設(shè)置雙冗余功率柜，正常情況下，2套并行運(yùn)行，如果在運(yùn)行過程中1套功率柜出現(xiàn)故障，可以切掉該柜脈沖，并拉開功率柜兩側(cè)的輸入和輸出隔離開關(guān)，在不影響機(jī)組運(yùn)行的情況下將該柜隔離并退出運(yùn)行。故障排除后，合上輸入輸出開關(guān)，恢復(fù)該柜脈沖即可投入并列運(yùn)行，保障了故障單元隔離的安全性，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

勵(lì)磁系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3：

圖3 勵(lì)磁系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 作為抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁裝置，對(duì)水泵工況運(yùn)行

作如下處理

（1）勵(lì)磁裝置在SFC（靜止變頻器）水泵啟動(dòng)過程：首先勵(lì)磁裝置接到“SFC水泵模式”啟動(dòng)命令自動(dòng)切換至水泵模式啟動(dòng)工況，接到SFC快速增加勵(lì)磁電流命令后，在轉(zhuǎn)子上注入1.5倍額定空載電流、寬度2 s的勵(lì)磁電流供SFC進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置判別。然后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用恒電流閉環(huán)方式運(yùn)行，根據(jù)SFC發(fā)出的4～20 mA模擬量控制信號(hào)調(diào)整勵(lì)磁電流輸出，使定子電壓隨轉(zhuǎn)速線性上升。當(dāng)機(jī)組達(dá)到95%轉(zhuǎn)速后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由恒電流閉環(huán)方式切換到恒電壓閉環(huán)運(yùn)行方式，自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電壓，直至并網(wǎng)。

（2）勵(lì)磁裝置在背靠背水泵啟動(dòng)過程中，同樣采用恒電流閉環(huán)方式運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)V/Hz過磁通限制。啟動(dòng)勵(lì)磁電流參考值跟蹤使泵啟動(dòng)機(jī)組定子電壓與拖動(dòng)機(jī)組定子電壓值同步。機(jī)組達(dá)到95%轉(zhuǎn)速后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由勵(lì)磁電流閉環(huán)方式切換到恒電壓閉環(huán)運(yùn)行方式。

勵(lì)磁裝置在背靠背拖動(dòng)啟動(dòng)過程中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制流程切換至背靠背發(fā)電拖動(dòng)工況，采用恒電流閉環(huán)方式運(yùn)行，投入V/Hz過磁通限制。在升速過程中，勵(lì)磁電流按預(yù)先設(shè)定的電流參考值曲線調(diào)整，直至拖動(dòng)泵啟動(dòng)機(jī)組順利并網(wǎng)。

3.3 新的勵(lì)磁裝置特點(diǎn)

（1）高可靠性的硬件結(jié)構(gòu)：調(diào)節(jié)器采用（DSP+FPGA）+ARM+MCU共同構(gòu)成3個(gè)層面向?qū)ο蟮挠布到y(tǒng)。DSP數(shù)字信號(hào)處理器作為核心層，承擔(dān)著所有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制任務(wù)，F(xiàn)PGA為I/O中心；第2層ARM系統(tǒng)為通信中心，構(gòu)成了主從多CPU系統(tǒng)作為DSP與外部通信的平臺(tái)，提供靈活的通信接口，也為DSP與外部建立了安全隔離；最外層MCU以32單片機(jī)為中心人機(jī)接口層，提供豐富和靈活的人機(jī)交互操作平臺(tái)。此結(jié)構(gòu)不但提供了豐富的硬件資源，并且可以最大程度的保障系統(tǒng)安全。

（2）多項(xiàng)輸入信息容錯(cuò)技術(shù)保障：調(diào)節(jié)裝置可通過多數(shù)據(jù)量的邏輯比較，自動(dòng)識(shí)別輸入模擬量和開關(guān)量的異?；蝈e(cuò)誤，進(jìn)行容錯(cuò)處理，防止輸入信息異常導(dǎo)致的調(diào)節(jié)器輸出偏差，保護(hù)發(fā)電機(jī)等設(shè)備安全。進(jìn)行容錯(cuò)處理信息如下：機(jī)端電壓輸入錯(cuò)誤；定子電流測(cè)量錯(cuò)誤；勵(lì)磁電流測(cè)量錯(cuò)誤；發(fā)電機(jī)頻率測(cè)量錯(cuò)誤；有功功率與無功功率測(cè)量錯(cuò)誤；開機(jī)與停機(jī)令錯(cuò)誤；增、減勵(lì)磁信號(hào)錯(cuò)誤；發(fā)電機(jī)出口斷路器信號(hào)錯(cuò)誤等。

（3）強(qiáng)大的事件紀(jì)錄功能：調(diào)節(jié)器可以保存故障發(fā)生前后20 s的各類數(shù)據(jù)，包括28個(gè)模擬量參數(shù)和128個(gè)數(shù)字量和狀態(tài)量，對(duì)發(fā)生的操作或事件進(jìn)行順序記錄，包括事件的發(fā)生、持續(xù)時(shí)間和電量參數(shù)波形，每次記錄128個(gè)獨(dú)立事件。調(diào)節(jié)器內(nèi)存中最多保存8次錄波數(shù)據(jù)，可同時(shí)存儲(chǔ)1 024組事件記錄，且裝置失電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失，便于裝置或外系統(tǒng)等設(shè)備故障的分析與判斷。

沙河電站勵(lì)磁裝置改造，在全國抽水蓄能行業(yè)，率先實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁設(shè)備國產(chǎn)化改造。新的勵(lì)磁裝置實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器和功率柜的雙冗余，使機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性大幅度提高，有效解決了裝置運(yùn)行備品備件供應(yīng)和技術(shù)支持問題。后期，在江蘇省電力科學(xué)研究院的組織下，分別進(jìn)行了機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行、勵(lì)磁建模、PSS參數(shù)整定等三項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足國家和行業(yè)最新規(guī)程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，改造工作達(dá)到預(yù)期效果。

4 設(shè)備改造工作綜述

目前，全國早期建成運(yùn)行的抽水蓄能電站大部分自動(dòng)化設(shè)備主要為國外廠商提供，存在設(shè)備核心技術(shù)保密、缺乏有效技術(shù)支持、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高等問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，國內(nèi)許多自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)商所提供設(shè)備已完全能夠滿足抽水蓄能電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求，抽水蓄能電站進(jìn)口自動(dòng)化設(shè)備的國產(chǎn)化替代必將大勢(shì)所趨。

在2010年至2013年間，沙河電站對(duì)2臺(tái)機(jī)組保護(hù)、勵(lì)磁、電調(diào)、溫度測(cè)量等裝置進(jìn)行了系統(tǒng)改造，并在同一時(shí)期，新增設(shè)1套南瑞繼保公司的SFC靜止變頻器系統(tǒng)。上述設(shè)備使用多年來整體運(yùn)行情況穩(wěn)定、良好。通過系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備改造工作，使機(jī)組的啟動(dòng)不成功和非計(jì)劃停機(jī)等運(yùn)行考核指標(biāo)顯著下降，安全運(yùn)行水平有了質(zhì)的提高。自動(dòng)化設(shè)備的國產(chǎn)化成功改造，使沙河電站對(duì)江蘇電網(wǎng)的貢獻(xiàn)度和設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性均得到較大提升。

沙河電站通過對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)改造工作總結(jié)，獲得以下經(jīng)驗(yàn)：

（1）國產(chǎn)化設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定。沙河電站自2010年設(shè)備改造以來，未出現(xiàn)影響機(jī)組安全運(yùn)行的自動(dòng)化設(shè)備故障，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。在外部系統(tǒng)出現(xiàn)的幾次故障時(shí)，有關(guān)自動(dòng)化設(shè)備均做到測(cè)量精準(zhǔn)、動(dòng)作靈敏、分析正確。

（2）技術(shù)支持快速、服務(wù)到位。國內(nèi)設(shè)備廠商對(duì)電站設(shè)備故障均比較敏感，接到用戶電話后能夠迅速開展技術(shù)指導(dǎo)或派人現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，主動(dòng)解決用戶提出的改進(jìn)意見。大多數(shù)廠商都進(jìn)行備件的儲(chǔ)備并免費(fèi)更換，用戶基本不需要大量采購板件作庫存?zhèn)淦罚鄬?duì)節(jié)省了用戶資金。

（3）國產(chǎn)化設(shè)備價(jià)格合理。沙河電站機(jī)組保護(hù)裝置采購費(fèi)用少于20萬元，勵(lì)磁裝置采購費(fèi)用大約為30.6萬元。而據(jù)了解北方某蓄能電廠和南方某蓄能電廠機(jī)組保護(hù)采購都接近百萬元，北方某蓄能電廠勵(lì)磁裝置采購費(fèi)用采購費(fèi)用近130萬元。采購價(jià)格差距巨大。

（4）通過廠商設(shè)備出廠培訓(xùn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試等方式的有效溝通，使電站人員技能快速提高，基本能夠掌握包括核心技術(shù)在內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)能力，非常有利于電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行管理。