抽水蓄能電站自動化設備國產化實踐

王小建

摘 要：隨著國內自動化制造水平的提高，國內廠家已逐步掌握了抽水蓄能自動化設備關鍵技術，文章主要介紹了江蘇沙河電站在近10年的時間里，依據我國相關國標和行業標準，對機組保護、勵磁系統、靜止變頻啟動裝置（SFC）等自動化裝置進行了國產化改造，電站自動化設備基本實現了國產化，推進了抽水蓄能自動化設備國產化的進程。

關鍵詞：抽水蓄能；自動化設備；國產化改造

中圖書分類號：TV743 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）32-0118-02

我國抽水蓄能設備主要通過進口成套采購，隨著近年我國抽水蓄能電站的建設，通過打捆招標，技術引進等途徑，主機制造水平得到較大提升，達到國際水平，但是自動化設備仍然以進口為主。

1 江蘇沙河抽水蓄能電站自動化設備概述

江蘇沙河抽水蓄能電站（以下簡稱沙河電站）是江蘇省投產的首座大中型抽水蓄能電站，地處江蘇省溧陽市境內，裝機容量2×50 MW，自2002年建成投產以來，在江蘇電網較好地承擔了削峰填谷、事故備用等作用，主機設備通過國際招標，由法國ALSTOM中標，自動化設備也基本由其成套供貨。經過近10年的技術改造，電站大膽采用國產自動化設備替代進口設備，設備穩定性和維護能力大幅提升，基本擺脫了國外自動化設備廠家的制約。

2 自動化設備國產化實踐

電站在建設期就嘗試采用國產監控系統替代進口設備，投產后，結合機組技術改造，對機組保護、勵磁系統進行了國產化改造，靜止變頻啟動裝置（SFC）國產化聯合試制工作也正在開展當中。

2.1 計算機監控系統

計算機監控系統是抽水蓄能電站的“大腦”，主要承擔電站運行監視、操作控制和維護管理等工作，功能包括數據采集處理、數據通訊、控制調節、語音報警、人機聯系等功能。

沙河電站在建設時期，就從計算機監控系統入手，開始了國產設備替代進口設備的開發，當時，國網南京自動化研究院設計制造的監控系統技術上基本滿足電站要求。該系統投入運行以來，雖然也暴露出部分控制程序不夠清晰，不具備數據整理分析功能等問題，總體運行穩定。2007年，針對運行中發現的問題及結合監控系統的技術發展情況，對監控系統上位機進行了升級改造，將上位機以太網絡由單網改為雙網，增加2個廠級數據服務器，對監控軟件進行了部分更新，同時更新了部分硬件設備等，現系統能夠對生產數據進行數據分析匯總，歷史數據查詢也較為方便。沙河電站國產監控系統的應用在一定程度上推進了抽水蓄能監控系統國產化進程，這是首次采用國內監控系統和國外主機配套，擁有完全自主知識產權。

2.2 機組保護

可逆式抽水蓄能機組的水泵工況啟動過程相當復雜，工況轉換多，機組保護要在保證這些功能實現的同時，保障機組的安全。

沙河電站原機組保護采用分列式元件配置，由不同廠家的多臺保護裝置和中間繼電器組合而成，經過幾年運行，該套保護逐步暴露出設計、運行方面存在的一些問題：其一，任一保護裝置電源丟失或電源模塊損壞，保護動作出口跳閘；其二，斷路器失靈保護所用電流錯誤取自中性點側，且斷路器失靈保護的電流判據只采用相電流元件，缺少負序電流元件，不符合國內技術規范；其三，發電電動機差動保護和發變組差動保護沒有CT斷線閉鎖功能，在機端或中性點CT任一相發生斷線時，裝置會出口跳閘；其四，單元件橫差保護未濾除三次諧波分量，靠抬高定值躲過三次諧波，靈敏度低。

單位決定從2010年開始，分別對兩臺保護進行了國產化改造。改造后的保護裝置運行穩定，不僅能夠滿足國家相關要求，性能也得到了提升：

①原有機組保護裝置僅部分保護功能實現雙重化，多項重要保護功能為單套配置，影響機組的安全可靠運行，同時也不符合國家電網公司十八項反事故措施要求和相關標準。本次改造嚴格執行國內技術規程和反措要求，按照保護功能完全雙重化配置原則，每臺發電電動機組設置2套保護裝置，機組保護裝置實現完全雙重化，機組可靠性得到本質提高。

②原有機組保護裝置硬件配置為單處理器系統，保護部件中任一故障都將造成裝置出口跳閘，改造后保護裝置采用雙處理器系統，兩個處理器系統之間進行自檢和互檢，其中之一處理器板故障，立即閉鎖保護裝置并發報警信號。

③原有機組保護裝置由11只單元件保護繼電器、61只中間繼電器以及2只出口繼電器組合而成，元件眾多，二次回路復雜，不便于維護，并且保護繼電器和中間繼電器來自于多個生產廠商，備件采購困難，采購周期長、費用高。改造后信號回路輔助接點直接接入保護裝置，由軟件完成保護功能閉鎖開放和工況判別，取消原有大量中間繼電器，簡化了二次回路，提高了保護裝置的可靠性。

④差動保護在不失可靠性的前提下具有更高的靈敏度。原有差動保護為常規的兩折線比率差動，由于原理本身限制已不可能有太大突破，改造后采用近年來在大型機組上應用較多的變斜率穩態比率差動和工頻變化量比率差動的新原理。變斜率比率差動不設拐點，一開始就帶制動特性，在區內故障時保證最大的靈敏度，在區外故障時可以躲過暫態不平衡電流。

此次保護裝置改造抓住了國內廠家在5萬kW及以上抽水蓄能機組上應用產品的契機，在經濟上也做到了最優化，最終使得機組保護裝置的合同費用遠遠低于抽水蓄能行業機組保護改造標準，另外此套保護在電站的成功應用，有力地推動了抽水蓄能機組保護國產化進程。

2.3 機組勵磁系統

抽水蓄能的勵磁系統需要根據機組運行工況的不同自動調節勵磁電流以滿足運行要求，沙河電站承擔著江蘇電網黑啟動任務，勵磁系統還要滿足機組黑啟動要求。電站原機組勵磁系統也由ALSTOM成套供貨，運行相對穩定，2006年后，隨著設備運行時間的加長，操作次數的增加，機械部件損壞頻繁，電氣部件穩定性逐漸下降，特別是控制系統電子元器件已接近壽命，備件價格昂貴，維護成本不斷攀升。為此，電站從2009年底對公司勵磁系統的使用情況進行了分析梳理，并組織人員對勵磁系統改造的可行性、經濟性進行調研分析，考慮到原廠家備件昂貴、供貨周期長、技術保密、售后服務渠道不暢通等因素，電站決定先進行一臺機組勵磁的國產化替代改造。

此次改造嚴格執行國內勵磁技術規程和相關要求，每臺機組勵磁配置兩套勵磁調節器，實現雙冗余配置：

①原勵磁系統使用繼電器搭建邏輯，新勵磁系統使用智能模塊來實現，省去了大量的邏輯繼電器回路，使得整個勵磁系統結構簡單，清晰，且通過計算機來對邏輯進行運算，速度更快，更加可靠、穩定，維護更方便，排除故障容易。

②原勵磁系統采用單路電源，一旦電源丟失后即報故障并直接跳機，改造后，新勵磁系統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，均不會影響整個勵磁系統的安全穩定運行，可靠性大大提高。

③原勵磁系統的故障量報警僅僅只報一個總的故障信號并直接跳機，這個故障信號直接報給監控系統，它包含了勵磁系統多種故障，如此多故障出現都通過一個信號報出，非常不利于運行人員在最短時間內準確找到故障點并加以解決。改造后，故障發生后，均單獨將信號送至監控系統，能直接反映出故障點的位置和故障性質，大大方便了運行人員確定故障。

④原勵磁系統每年需20萬元的備品備件，改造完成后備件的費用大大降低，技術服務響應也及時。

改造投運后，運行穩定，效果較好，通過改造，生產人員對勵磁系統的維護能力大幅提升，公司將結合機組檢修工作，對另外一臺機組也實施改造工作。

2.4 靜止變頻啟動裝置

抽水蓄能機組作為水泵啟動時，為減少對電網的沖擊，一般采用靜止變頻啟動裝置（SFC：Static Frequency Converter）作為機組抽水啟動裝置，它的主要優點是無級變速，啟動平穩，調整方便，它由功率部分、控制部分及測量部分組成。SFC啟動是抽水蓄能機組泵工況主用啟動方式，沙河電站兩臺機組共用一臺SFC，一旦設備發生故障，只能依靠背靠背啟動方式，降低了機組使用率。長期以來，國內抽水蓄能機組所用SFC裝置全部依賴進口，沙河電站SFC裝置由主機廠家法國ALSTOM配套供貨，運行多年來，基本穩定，但是隨著設備運行時間的增長，SFC的機械部件損壞和電氣部件穩定性逐步下降，維護困難，有些問題長期存在，卻無法得到根本解決，影響電站的正常運行：

①技術支持力度不夠，原制造廠商出于技術保密和商業壟斷等原因，不向運行單位提供完整的技術資料，因此，電站技術人員不能獨立承擔技術維護和檢修工作，國內的代理機構也不具備完整的技術能力，一旦故障產生，無法解決，只能依賴國外廠商。

②技術支持不及時，當SFC故障發生后，國外廠商溝通困難，響應慢，解決問題過程長，影響電站正常運行，電站拖不起。

③維護費用昂貴，進口備件價格高，技術服務費用昂貴，進口設備的備件只要設備類型相近，備件價格及技術服務費用基本一致，大型抽水蓄能電站規模大，能夠消化這些費用，沙河電站屬于中小型的抽水蓄能電站，備件占據了大量的日常維護費用，成本壓力大。

④后續技術改造費用高，改造難度大，因為存在技術壟斷，設備進行原廠家升級改造費用高，國內廠商進行局部改造也不具備技術條件。

隨著近年來國內技術水平提高，關鍵性技術也取得了突破性進展，南瑞繼保電氣有限公司基于多年在無功補償裝置、高壓直流融冰裝置及勵磁系統等產品中的技術積累，研制出了全套完全國產化的靜止變頻系統。該系統采用成熟可靠的控制系統硬件和軟件平臺，硬件系統采用多分布式處理器系統，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，隔離安全、觸發一致性好，具有完全自主知識產權。

沙河電站和南瑞繼保合作，將在2012年機組檢修期間，進行SFC現場試驗工作，目前該裝置經過了試運行，并通過了省級技術鑒定。

3 結 語

沙河電站自動化設備國產化改造系統地解決了長期以來設備存在的諸多“疑難雜癥”，提高了設備可靠性，另外，通過降低改造費用，減少設備日常維護費用，提高了電站的盈利能力，取得了很好的效果。

參考文獻：

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[2] 王楠.我國抽水蓄能電站發展現狀與前景分析[J].電力技術經濟，2008，（2）.