湖南平江抽水蓄能電站控制保護和系統通信方案研究

鄧斌，韓標

（1.國網新源控股有限公司，北京100761；2.國網新源控股有限公司技術中心，北京100161）

湖南平江抽水蓄能電站控制保護和系統通信方案研究

鄧斌1，韓標2

（1.國網新源控股有限公司，北京100761；2.國網新源控股有限公司技術中心，北京100161）

近年來，湖南省國民經濟持續快速發展，電力需求強勁，為保障電網安全，國網新源公司有序開發湖南平江抽水蓄能電站。項目于2014年4月取得國家能源局核發的“路條”，計劃2016年年底完成可研階段全部工作并具備上報核準條件。隨著各個專題工作的推進，關于電站控制保護與系統通信的規劃設計工作也隨即展開。抽水蓄能電站控制保護與通信是電站安全穩定運行的一個重要組成部分，本文根據保護控制、自動化等專業當前規程規范展開了對平江抽蓄電站該部分的規劃設計，結合現有運行電站設備配置情況，分析控制保護和系統通信優化配置的有利因素，并提出了規劃設計方案。研究結果為平江抽蓄電站后續階段提供設計研究技術支撐依據。

控制保護系統；自動控制；安全自動裝置；系統

隨著湖南平江抽水蓄能電站工程各項前期工作的穩步推進，可研階段各專題工作的全面開展，電站控制保護和系統通信規劃設計方案將成為后續建設、運行的重要智能化支撐，成為影響電站智能化水平的重要制約性因素。作者據此對于電站控制保護與系統通信的規劃設計工作進行深入研究及討論。

1 平江抽水蓄能電站項目概況

平江抽水蓄能電站位于湖南省平江縣福壽山鎮境內，連云山脈福壽山西北坡，其中上水庫布置在福壽山福壽林場的大福坪，下水庫布置在位于福壽山山腳的吉星村。上、下水庫均位于汨羅江二級支流百福水上游。電站地處湖南東北部，緊鄰湖南電網負荷中心長、株、潭地區，距離長沙市75 km，距平江縣城39 km，地理位置優越。

平江抽水蓄能電站上水庫正常蓄水位1 062.00 m，死水位1 041.00 m，調節庫容556.80萬m3。下水庫正常蓄水位415.50m，死水位387.00m，調節庫容568.10萬m3。電站最大發電水頭675.00m，最大抽水揚程685.00m。上、下水庫進/出水口水平距離約為2 910 m，額定水頭637.00 m，距高比4.57。電站裝機容量為1400MW (4×350 MW)。電站設計年發電量為23.43億kW·h，抽水電量為31.24億kW·h。工程靜態投資為61.03億元，單位千瓦投資為4 359元/kW。

2 平江抽水蓄能電站在電力系統中作用和效益分析

依據相關研究成果，并對比分析有、無平江抽水蓄能電站兩種情況下湖南電力系統模擬運行計算結果，平江抽水蓄能電站在系統中主要有以下幾個方面的作用與效益：

（1）有效替代系統火電裝機，容量效益顯著

從容量替代效益分析，平江抽水蓄能電站按1 400 MW規模投入系統運行，可替代同等規模的火電機組，容量效益顯著。

（2）緩解系統調峰壓力，改善火電運行工況

從運行效益分析，平江抽水蓄能電站不僅可承擔尖峰負荷，而且還可以填谷，即具有雙重調峰功能，可有效緩解湖南電力系統的調峰壓力，改善系統火電運行工況，降低電網運行成本。平江抽水蓄能電站投入系統運行后，2025年水平可降低系統火電平均調峰率7.98個百分點，提高火電機組年發電利用小時數181 h。

（3）減少化石資源消耗，減輕環境保護壓力

湖南省能源消費結構以一次能源為主，火電和水電并重，燃燒產生的二氧化碳等氧化物對生態環境造成較大的污染，并帶來溫室效應。平江抽水蓄能電站投入系統運行后，2025年水平較無抽水蓄能方案節省標準煤耗8.27萬t。平江抽水蓄能電站的建設可減少化石能源的消耗，同時還減免了火電站運行過程中的廢水、廢熱污染問題，減輕環境保護壓力。

（4）節省系統燃料費用支出

根據有、無平江抽水蓄能電站系統運行模擬成果，湖南電力系統建設平江抽水蓄能電站每年可節省系統燃料費5 824萬元。可見，建設平江抽水蓄能電站可節省湖南電力系統燃料費用現值，經濟性較好。

平江抽水蓄能電站在電網中的動態作用主要表現在調頻、調相穩壓、負荷跟蹤、事故備用和提高電網運行可靠性等。

3 控制保護系統

目前平江抽水蓄能電站項目處于研究階段，接入系統擬以500 kV電壓等級接入瀏陽500 kV變電站（2019年投產），電站擬按接受華中網調及湖南省調管理的調度方式，電站調度通信接口主要包括光纖、載波等通道與各上級調度部門進行數據交換，并接受其調度命令，實現電站遙控、遙調、遙測、遙信。

電站值班方式按“無人值班”（少人值守）設計，電站發電初期按“少人值班”考慮。電站監控方式采用以計算機監控系統為基礎的全廠集中監控方案，初擬在地面設置電站中控室，同時在地下廠房內考慮設置簡易控制室。本電站不再設置獨立的常規監控設備，出于電站安全性、可靠性考慮僅設置簡單的緊急停機及緊急關閉上、下水庫事故閘門的硬布線常規監控回路。

3.1 自動控制

（1）電站計算機監控系統：本電站計算機監控系統采用分層、全分布式體系結構，即采用功能及監控對象分布方式和分布式數據庫系統，計算機監控系統的各種計算機設備以節點的型式通過網絡組件形成局域網，實現數據信息共享，每個節點計算機設備嚴格執行被指定的任務并通過系統網絡與其他節點進行數據通信。

本電站計算機監控系統網絡結構劃分為電站集中控制管理層（廠站層）和現地控制單元層（現地層）兩個層次：廠站層采用雙星型以太網，網絡介質選用光纖（或雙絞線），網絡通信協議應遵守TCP/IP協議，傳輸速率為100 M/1000 M自適應式；現地層網絡結構主要是計算機監控系統各LCU以下采用的現場總線，用以連接遠程I／O及各現地智能監測設備，現場總線的物理拓撲結構為雙總線型冗余結構，相應現地生產過程里的各種繼電保護裝置、自動化設備和裝置、監測儀表和裝置等均掛在相適應的現場總線上，總線介質為光纖和雙絞線結合使用的方式。

平江抽水蓄能電站計算機監控系統的主要設備將按功能要求以及設備布置狀況劃分為廠站主控級設備和現地控制級設備二級。

廠站主控級設備主要包括：雙廠級中心計算機、雙操作員工作站、聯合控制工作站、工程師工作站、培訓工作站、廠內通信服務器、調度通信服務器、ON-CALL及語音報警工作站、GPS裝置、電站層網絡設備、冗余電站層UPS設備等；考慮本電站控制室的布置方式（地面控制室和地下廠房控制室），廠站主控級設備將根據電站運行方式要求以及各設備的功能特點分別布置在地面控制室和地下廠房控制室區域。

現地控制級設備主要包括：4套機組LCU、1套抽水工況LCU、1套廠內公用設備LCU、1套開關站LCU、1套上水庫LCU、1套下水庫LCU。機組LCU布置在各臺機組機旁，抽水工況LCU和廠內公用設備LCU布置在廠房控制室內，開關站LCU布置在電站繼電保護室，上水庫LCU布置在上水庫閘門啟閉機房，下水庫LCU布置在尾水閘門啟閉機房。

系統軟件主要包括：操作系統軟件、數據采集與處理軟件、數據庫管理軟件、應用軟件、網絡管理軟件、AGC軟件、AVC軟件、LCU主要軟件及通信和診斷軟件等等。

（2）機組抽水工況啟動：采用變頻起動作為主啟動方式，“背靠背”同步啟動作為備用啟動方式。

（3）發電電動機采用微機型自并勵靜止可控硅勵磁裝置，勵磁系統采用多調節通道的勵磁調節器。勵磁系統除具備一般常規功能要求外，還需滿足機組各種運行工況及工況轉換的要求，勵磁調節器應有恒功率因數調節、機組抽水啟動（包括變頻啟動和背靠背啟動）過程勵磁電流調節等功能，勵磁系統的PSS裝置應能實現發電和抽水兩種工況下參數自動切換和自動投切的控制。勵磁系統具備電氣制動功能。勵磁裝置具有殘壓起勵和交、直流起勵多種起勵方式。

（4）水泵水輪機組將選用全數字式微機調速器系統，須具有良好的穩定性和調節品質；調速系統設有雙自動和手動調節通道，自動調節可以對負荷進行脈沖和模擬量調節，以實現對機組負荷的平穩調節；調速系統應滿足水輪機和水泵各種運行工況下穩定運行和電力系統對頻率調節和功率調節的要求，如本電站有黑啟動要求時，調速系統應能滿足黑啟動對頻率調節和功率調節等方面的要求。

（5）發電電動機的輔助設備控制分別由獨立的可編程控制器（PLC）完成。設備的詳盡的運行狀態及故障信號分別引入各自機組LCU進行監視。機組的所有自動化元件的配置必須滿足由一個操作指令使機組自動完成從停機→發電、發電→停機、停機→水泵調相→水泵、發電→發電調相等所有工況的要求。同時，還應滿足水力機械保護的要求。

（6）對全廠通風空調、給排水、中低壓空壓機等公用設備的控制均采用按對象設置以PLC為核心控制元件的獨立控制系統，并與公用設備LCU之間通過現場總線進行數據通信。

（7）發電機出口斷路器、所有500 kV斷路器均作為同期點；每臺機組獨立設置1套微機準同期裝置和1套手動準同期裝置，并設有非同期閉鎖回路，采用自動準同期為主，手動準同期作為備用；500 kV斷路器各同期點綜合設置1套多對象微機準同期裝置。對機組主回路換相開關的操作將設置嚴格的閉鎖回路，避免同時進行發電工況和抽水工況的換相開關操作而造成主回路短路。

（8）電站設置1套機組振擺保護及全廠狀態在線監測系統。

（9）電站設置1套防水淹廠房控制系統。

（10）電站設置1套全廠火災及消防報警集中控制系統。

（11）電站設1套工業電視監控系統。

3.2 繼電保護及安全自動裝置

電站主設備的繼電保護配置按GB14285《繼電保護和安全自動裝置技術規程》和DL/T5177《水力發電廠繼電保護設計導則》以及《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》和《國家電網公司發電廠重大反事故措施》等的有關規定和要求進行設計，所有保護裝置均選用微機型數字式繼電保護裝置，發電機（包括勵磁變）、變壓器（包括廠高變）以及500 kV系統保護均按雙重化配置，保護用的電流互感器和電壓互感器暫態特性應滿足誤差的要求，應保證在短路工作循環中不飽和，即保證暫態誤差不超過規定值，防止由于飽和引起保護的誤動或拒動。

抽水蓄能機組除按常規水輪發電機的繼電保護方式配置外，還需特殊考慮逆功率保護、低功率保護、低頻率保護、失步保護、相序保護、換相開關保護、定子繞組端頭短接接觸不良保護等異常運行保護的配置。機組配置的保護應與電動機主回路換相相適應。

電站主設備的繼電保護配置將在項目核準以后結合平江抽水蓄能電站機組電氣主接線的具體特點確定，電站與系統相關部分如500 kV線路保護、安全自動裝置等將按電站投產水平年2025年系統電網情況配置。

對每個機組聯合單元設置1套微機故障錄波裝置，出線設置1套微機故障錄波裝置。

3.3 控制電源系統

平江抽水蓄能電站的控制電源系統采用分散設置的方式設計，考慮在地面中控樓、地下廠房、500 kV開關站、上水庫、下水庫分別配置1套供電單元（每套供電單元均包括直流供電和交流供電），全廠共設5套供電單元，

（1）直流控制電源系統：直流控制電源系統電壓等級為220 V。中控樓、地下廠房、開關站直流供電單元均設2組蓄電池、3套充電/浮充電裝置，采用單母線分段接線方式。上、下水庫分別設置1組蓄電池、2套充電/浮充電裝置，采用單母線分段接線方式。每套直流系統均配置1套有源逆變放電裝置或便攜式放電儀。

（2）交流控制電源系統：各交流供電單元均選用獨立的UPS電源裝置，裝置不配置蓄電池。正常工作時，由兩段不同的交流220 V廠用電供電，裝置帶無觸點旁路開關，當UPS整流-逆變單元故障時，應能自動切換至交流旁路電源（經穩壓），切換時間應不大于5 ms；各單元的220 V直流電源用作熱備用，當交流電源中斷時，無時限地切換至直流電源，并進行逆變，以確保交流輸出不間斷。

3.4 電工試驗室

電站采用計算機監控系統和微機繼電保護及自動裝置，試驗設備除能完成常規試驗外，還需要滿足計算機和其他新技術設備的試驗要求。本電站應根據DL/T5401《水力發電廠電氣試驗設備配置導則》的I級試驗室配置，并考慮補充特殊專用試驗設備和微機保護測試儀等。

4 通信系統

根據DL/T5080-1997《水利水電工程通信設計技術規程》的規定，考慮到電站的裝機規模、樞紐布置等綜合情況，平江抽水蓄能電站通信系統包括以下部分：

（1）廠內通信系統；

（2）應急通信系統；

（3）系統通信及對外通信；

（4）通信電源；

（5）全廠綜合通信線路網絡。

4.1 廠內通訊系統

（1）廠內生產調度通信系統

廠內生產調度通信系統為確保全廠生產的調度指揮、保證電廠安全經濟運行、及時處理分析事故提供必要的通信手段。本電站廠內生產調度通信系統擬設置300端口數字程控調度交換機1套。

（2）廠內生產管理通信系統

廠內生產管理通信系統為電廠的生產管理、辦公自動化、電力系統內的行政聯系、電站的對外聯系提供必要的通信手段，并為電廠的生產調度通信提供備用通道。本電站廠內生產管理通信系統擬設置800端口數字程控用戶交換機1套，該機按前方廠區與后方業主營地兩部分考慮，容量包括了后方業主營地的需要。

（3）前后方光纖通信系統

為滿足電站前方廠區與后方業主營地之間話音、數據、圖像信號的傳輸，設置前后方光纖通信系統1套。該系統采用SDH傳輸體制，傳輸速率按155 Mb/s考慮，光纜暫定采用24芯ADSS光纜。

（4）廠區-上水庫/廠區-下水庫光纖通信系統

為實現電站廠區與上水庫、下水庫之間話音、數據、圖像信號的傳輸，在廠區-上水庫、廠區-下水庫之間各敷設2條光纜，形成廠區-上水庫/廠區-下水庫光纖通信系統。該系統設置多業務光纖傳輸設備4套，利用該設備廠區為上水庫、下水庫各提供電話10部；光纜暫定采用24芯ADSS光纜。

4.2 應急通信系統

為保證電站緊急時刻的對外通信聯系，保證電力系統的語音指揮通信，電站設置應急通信系統1套。該系統利用公網作為電站應急通信傳輸通道，選用手持式衛星終端（衛星手機）3套。

4.3 系統通信及對外通信

（1）系統通信

由于目前無任何系統資料，且電站出線落點待定，因此本電站系統通信的方式有待系統設計后確定。本階段系統通信暫按光纖通信方式考慮。

（2）公用網中繼通信

平江抽水蓄能電站廠內用戶交換機就近接入當地公用電話網，作為電站對外通信的主要方式。

4.4 通信電源

通信電源是通信系統的重要組成部分。電站事故停電時，通信電源不能中斷，以保證通信系統正常工作。

根據平江抽水蓄能電站目前的通信設備配置，同時兼顧可能的系統通信設備配置（暫按2套SDH 622 M光端機，2套PCM設備考慮）。前方廠區暫定設置－48V/180A高頻開關電源2套、48 V/400 Ah閥控式鉛酸蓄電池2組，事故供電時間按4 h考慮；后方業主營地暫定設置－48 V/100 A高頻開關電源1套、48 V/200 Ah閥控式鉛酸蓄電池2組，事故供電時間按8 h考慮。上水庫、下水庫的通信設備（多業務光纖傳輸設備）由設備自帶的的直流不間斷電源設備供電。

4.5 全廠綜合通信線路網絡

平江抽水蓄能電站前方廠區、后方行政辦公生活區各設置700回線保安配線柜1個，用以對電站各種電話用戶線路和模擬中繼線路進行跳配線。

5 結論

抽水蓄能電站控制保護通信系統復雜，設計難度大，是電站的重要組成部分，是值班人員進行設備操作的核心環節。目前，平江抽水蓄能電站控制保護及通信系統正處于可研設計階段，在設計過程中全面考慮各個方面，做到人性化設計，對電站建設運行具有重要意義。

[1]蔡龍.洪屏抽水蓄能電站機組狀態監測系統設計[C]//抽水蓄能電站工程建設文集，2015.

[2]桂中華,樊玉林,常玉紅.抽水蓄能機組狀態監測技術研究與應用現狀[J].水力發電,2015(1).

[3]劉嶺梅.蟠龍抽水蓄能電站變形監測設計[C]//抽水蓄能電站工程建設文集,2015.

[4]楊勝保.水電站監控系統設計探討[J].中國農村水利水電,2007(05).

[5]廖亮.水輪發電機組監控系統的研究[D].重慶：重慶大學,2005.

TV743

B

1672-5387（2017）04-0018-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.005

2017-03-01

鄧斌（1981-），男，工程師，從事水電站技術管理工作。