抽水蓄能計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)新技術(shù)展望

黃 銳，劉云鵬

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

0 引言

目前，抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、全生命周期碳減排效益最顯著、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)且最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的電力系統(tǒng)靈活條件電源，在全球應(yīng)對(duì)氣侯變化，實(shí)現(xiàn)“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”目標(biāo)，加快發(fā)展抽水蓄能勢(shì)在必行。根據(jù)《抽水蓄能中長(zhǎng)期規(guī)劃（十四五）》，預(yù)計(jì)到2035年底，我國(guó)抽水蓄能電站投產(chǎn)總規(guī)模達(dá)到3億kW。

與常規(guī)水電機(jī)組相比，大型抽水蓄能機(jī)組具有運(yùn)行工況多、控制邏輯復(fù)雜、操作頻繁等特點(diǎn)，對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提出了較高的要求。抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用開(kāi)放的分層、分布式結(jié)構(gòu)，一般由現(xiàn)地控制層設(shè)備、廠站控制層設(shè)備、調(diào)度控制層設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。

近年來(lái)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及采用新原理、新材料的智能傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)前抽水蓄能行業(yè)都在積極探索抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與電廠數(shù)字化、智能化業(yè)務(wù)的結(jié)合應(yīng)用，推動(dòng)智能抽水蓄能電站技術(shù)體系的完善與改進(jìn)。

另外，變速抽水蓄能機(jī)組具有一定程度的異步運(yùn)行能力，能通過(guò)相位、幅值控制可獲得快速有功功率和無(wú)功功率響應(yīng)，有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。該技術(shù)目前在我國(guó)尚未得到實(shí)際工程應(yīng)用。因此，開(kāi)展變速抽水蓄能機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的研究，也是一個(gè)新的課題和方向。

1 抽水蓄能計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成和特點(diǎn)

抽水蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由調(diào)度控制層設(shè)備、廠站控制層設(shè)備、現(xiàn)地控制層設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)組成。相比常規(guī)機(jī)組，抽水蓄能監(jiān)控系統(tǒng)有以下控制特點(diǎn)：

（1）運(yùn)行工況多。抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行工況有停機(jī)、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水和抽水調(diào)相5種工況，工況變換達(dá)30多種，其常用的工況變換有20余種。因此，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)較多，工況轉(zhuǎn)換流程控制復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量較大。

（2）控制邏輯復(fù)雜。抽水蓄能機(jī)組具有發(fā)電和抽水兩種相反的運(yùn)行工況。抽水工況啟動(dòng)一般采用兩種啟動(dòng)方式，其中：靜止變頻器SFC啟動(dòng)為主用，背靠背BTB啟動(dòng)為備用，靜止變頻器啟動(dòng)和背靠背啟動(dòng)都要涉及電站多套監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元LCU的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，控制閉鎖復(fù)雜。

（3）機(jī)組操作頻繁。抽水蓄能電站在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相作用，機(jī)組啟停及工況轉(zhuǎn)換頻繁，對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及自動(dòng)化控制元件的可靠性和操作成功率要求較高。

（4）同期回路復(fù)雜。抽水蓄能機(jī)組同期并網(wǎng)存在發(fā)電、靜止變頻器抽水、背靠背抽水、黑啟動(dòng)等多種不同的并網(wǎng)方式，各種并網(wǎng)方式使用不同的同期回路和同期參數(shù)。

總之，抽水蓄能機(jī)組控制具有運(yùn)行工況多，控制邏輯復(fù)雜，機(jī)組操作頻繁，同期回路復(fù)雜，應(yīng)用軟件功能特殊，監(jiān)視信息量大，多套現(xiàn)地控制單元同時(shí)協(xié)調(diào)控制等特點(diǎn)，要求計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的安全性、可靠性和可用率。

2 抽水蓄能電站智能化

智能抽水蓄能電站是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的輔助決策系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好的目標(biāo)。

圖1 智能抽水蓄能電站系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

（1）更高的安全性和可靠性。智能抽水蓄能電站按照電力行業(yè)及企業(yè)相關(guān)安全規(guī)定對(duì)二次系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和設(shè)計(jì)，確保了安全保障技術(shù)體系的系統(tǒng)性和全面性，能夠最大限度地保障網(wǎng)絡(luò)信息安全以及設(shè)備操作安全，確保電力生產(chǎn)過(guò)程安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)二次系統(tǒng)整體在出廠前的集成測(cè)試和驗(yàn)證，避免在抽水蓄能電站調(diào)試過(guò)程中出錯(cuò)帶來(lái)的潛在安全隱患，保障系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試期間的安全性。在偶發(fā)設(shè)備故障時(shí)，能夠更好地對(duì)故障原因進(jìn)行分析和定位，避免不同廠商產(chǎn)品集成帶來(lái)的故障定位難題，有效提高故障處置速度，為電力生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)服務(wù)保障。

（2）更低的運(yùn)行維護(hù)成本。智能抽水蓄能電站可采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，采用一體化管控平臺(tái)支撐不同業(yè)務(wù)應(yīng)用，并且實(shí)現(xiàn)了機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)與輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一體化。調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)等設(shè)備均自帶狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及故障自診斷能力，能夠在實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)自身運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，在發(fā)生故障時(shí)對(duì)故障原因進(jìn)行自動(dòng)定位，指導(dǎo)運(yùn)維人員正確處置故障。因此，可以減少系統(tǒng)投運(yùn)后的運(yùn)行人員和維護(hù)人員，有效降低后期運(yùn)維工作量和費(fèi)用。

（3）縮短投運(yùn)時(shí)間，提升運(yùn)行效率。智能抽水蓄能電站可以有效減少客戶(hù)在多個(gè)二次設(shè)備或系統(tǒng)廠商之間的協(xié)調(diào)工作量，在二次系統(tǒng)出廠前就完成各類(lèi)所有二次設(shè)備及系統(tǒng)的整體集成和聯(lián)合調(diào)試，減少系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的聯(lián)調(diào)工作量和時(shí)間，縮短項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)周期。系統(tǒng)集成度高，各類(lèi)設(shè)備具有良好的互換性和互操作性，能夠自動(dòng)配合完成設(shè)備操作和故障隔離等操作。利用一體化管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)控和業(yè)務(wù)協(xié)同互動(dòng)，有效提升用戶(hù)業(yè)務(wù)操作效率，降低運(yùn)行人員工作強(qiáng)度。

（4）減少電纜，增強(qiáng)抗干擾能力。抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)涉及生產(chǎn)運(yùn)行中各種類(lèi)型傳感器、裝置與其他子系統(tǒng)，包括調(diào)速、勵(lì)磁、SFC、輔控、保護(hù)、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等多個(gè)子系統(tǒng)。常規(guī)電站建設(shè)中，各子系統(tǒng)、現(xiàn)地傳感器、控制終端等均有大量的輸入輸出信號(hào)傳送至監(jiān)控系統(tǒng)。大量的信號(hào)電纜增加了電站建設(shè)投資，同時(shí)抽水蓄能電站惡劣的電磁干擾現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)信號(hào)電纜的干擾也是影響監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行的重要故障源之一。除干擾外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集根據(jù)類(lèi)型的不同自成系統(tǒng)，傳輸鏈路、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)均有差異，難以形成統(tǒng)一的數(shù)字化信息傳輸。采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，將各個(gè)子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)在監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一平臺(tái)上接入共享，實(shí)現(xiàn)采集和測(cè)量數(shù)據(jù)的同源化，避免各個(gè)系統(tǒng)均有采集回路、各個(gè)采集回路誤差各不相同而導(dǎo)致“同源不同值”的問(wèn)題。制定接入標(biāo)準(zhǔn)后，監(jiān)控系統(tǒng)與各系統(tǒng)間無(wú)需采用大量不同的通信規(guī)約，避免了規(guī)約調(diào)試復(fù)雜、接口方式眾多、維護(hù)難度大的問(wèn)題，同時(shí)節(jié)約大量二次電纜，解決電站抗干擾問(wèn)題，提高設(shè)備及系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

（5）實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模。統(tǒng)一建模是抽水蓄能電站的核心內(nèi)容，同一點(diǎn)數(shù)據(jù)可以用不同的數(shù)據(jù)定義和方式上送，所以不同廠家的設(shè)備模型實(shí)現(xiàn)會(huì)有較大差異。實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模不僅可以解決不同廠家設(shè)備的不兼容問(wèn)題，而且利于工程調(diào)試和工程維護(hù)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備裝置互換的前提條件。

智能抽水蓄能電站實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)地測(cè)控設(shè)備的體系化和一體化，實(shí)現(xiàn)了各現(xiàn)地測(cè)控設(shè)備之間的友好互動(dòng)。需要監(jiān)視和控制的各子系統(tǒng)如調(diào)速、勵(lì)磁、輔控、保護(hù)等設(shè)備建立一種或幾種標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型，規(guī)范數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口，提供監(jiān)控系統(tǒng)與各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范管理。除各子系統(tǒng)外，還需要針對(duì)大量傳統(tǒng)的傳感器、控制器、采集器、智能組件等與監(jiān)控系統(tǒng)日常 運(yùn)行密切相關(guān)的各類(lèi)數(shù)據(jù)源或裝置等建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠和通用唯一的數(shù)據(jù)交互過(guò)程。構(gòu)建了能夠支撐抽水蓄能電站各類(lèi)業(yè)務(wù)需求的一體化管控平臺(tái)，解決傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)面臨的信息孤島和業(yè)務(wù)協(xié)同難題。在傳統(tǒng)分析決策技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用了大數(shù)據(jù)、人工智能、專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)等新興技術(shù)，進(jìn)一步提升了抽水蓄能電站分析決策能力，能夠更好地支撐抽水蓄能電站智能化建設(shè)，系統(tǒng)可隨云大物移智等新興技術(shù)發(fā)展而長(zhǎng)期演化升級(jí)，其智能化水平可獲得持續(xù)提升。

3 變速抽水蓄能機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)

定速抽水蓄能機(jī)組抽水工況只能采取 “開(kāi)機(jī)—滿(mǎn)負(fù)荷—停機(jī)”控制方式，無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)連續(xù)、快速、準(zhǔn)確進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)和調(diào)整有功功率的要求。而變速抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁控制自由度的增加，使其具有超越傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能，而變速抽水蓄能機(jī)組具有一定程度的異步運(yùn)行能力，通過(guò)相位、幅值控制可獲得快速有功功率和無(wú)功功率響應(yīng)，有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

與定速抽水蓄能機(jī)組相比，變速抽水蓄能機(jī)組由于采用了交流勵(lì)磁方式，帶來(lái)了機(jī)組啟動(dòng)方式、控制調(diào)節(jié)等方面的變化，對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提出了新的要求。

（1）變速抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制。由于交流勵(lì)磁系統(tǒng)具備抽水工況啟動(dòng)功能，由此帶來(lái)了運(yùn)行工況與轉(zhuǎn)換控制流程、事故停機(jī)控制等方面的差異，需仔細(xì)研究抽水工況啟動(dòng)過(guò)程、運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換過(guò)程及事故停機(jī)過(guò)程，開(kāi)展變速抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程研究。

（2）變速抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)控制。變速抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)控制與常規(guī)抽水蓄能機(jī)組有很大的不同，變速抽水蓄能機(jī)組功率可以通過(guò)調(diào)速器控制及交流勵(lì)磁控制2種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。交流勵(lì)磁對(duì)有功功率的控制，會(huì)引起調(diào)速器對(duì)變速機(jī)組功率的調(diào)節(jié)，而調(diào)速器對(duì)有功功率的控制又會(huì)影響勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)變速機(jī)組功率的調(diào)節(jié)，存在調(diào)速器與勵(lì)磁系統(tǒng)控制有功功率的協(xié)調(diào)問(wèn)題；而且，不同工況下變速機(jī)組的運(yùn)行方式及控制要求不同，調(diào)速器與勵(lì)磁系統(tǒng)控制之間的協(xié)調(diào)控制要求也不盡相同。需要開(kāi)展變速機(jī)組調(diào)速器與勵(lì)磁系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制算法的研究。

變速抽水蓄能機(jī)組技術(shù)是最具代表性的國(guó)際前沿技術(shù)，是抽水蓄能領(lǐng)域重大技術(shù)變革和電網(wǎng)柔性技術(shù)的重要體現(xiàn)。變速抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電和抽水狀態(tài)下都可靈活調(diào)節(jié)電網(wǎng)的有功功率，有效增加旋轉(zhuǎn)備用容量，提升電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電、太陽(yáng)能等間歇性新能源的消納水平。因此，變速抽水蓄能機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)也是未來(lái)抽水蓄能智能化的重要發(fā)展方向。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，抽水蓄能行業(yè)迎來(lái)了大發(fā)展時(shí)機(jī)，整個(gè)抽水蓄能行業(yè)都在積極探索電廠數(shù)字化、一體化平臺(tái)等新一代的監(jiān)控系統(tǒng)。隨著十四五期間大批抽水蓄能電站的開(kāi)工建設(shè)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，采用新原理、新材料的智能傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步，必將加速推動(dòng)智能抽水蓄能電站技術(shù)體系的完善與改進(jìn)，抽水蓄能計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、一體化方向發(fā)展。