抽水蓄能電站自動化系統智能化發展

文/路平

隨著“互聯網+”時代的到來，在當前我國電網建設階段中，提出以構建智能電網為未來發展方向的戰略目標，在高度集成化雙向通信網絡的基礎上，對各項信息化技術加以綜合運用，以構建起安全、穩定、自動化運行的優質電網。而高度智能化、自動化的抽水蓄能電站則是其中的重要構成部分之一，發揮著容納發電與能量存儲、提高電網運行穩定性、緩解調峰矛盾等應用效用。但值得注意的是，雖然在后發效應影響下，我國所建設的多座抽水蓄能電站的總體技術體系較為成熟、自動化程度較高，但在智能化發展層面上仍舊存在一定的問題弊病，有待進一步優化。

1 主要作用分析

1.1 緩解調峰矛盾、調壓調相

在電網運行過程中，由于用電負荷的呈現分布不均勻結構，因此，在部分用電高峰階段中，電網時常需要以滿負荷、超負荷狀態加以持續運行，需要在所配置正常運行的各發電機組外配置、運行新的發電機組、調峰機組。而在電網滿負荷、超負荷運行過程中，自動化抽水蓄能電站則根據電網的實際運行狀況，將電網在低負荷運行狀態下的多余電能以水能形式加以轉換，并在電網滿負荷、超負荷運行過程中向其提供高價值電能、緩解電網調峰矛盾。同時，在電網運行過程中，時常會出現局部電網電壓過高的情況，并以此為誘因引發后續一系列電網運行故障問題的出現，其重要性可見一斑。而抽水蓄能電站中所配置發電機組可根據電網實際運行狀況，加以適當時間長度的進相運行，以此發揮調壓調相、穩定電網電壓的應用效用。

1.2 穩定電網運行

（1）抽水蓄能電站中所配置發電機組普遍具有停啟迅速等特征。在電網運行過程中出現部分常規配置發電機組出現運行故障問題時，抽水蓄能電站中所配置的發電機組可在短時間內加以高速運行，并與電網運行負荷的波動變換指數相適應，以此確保電網的穩定運行。

（2）在受到多方面因素影響，整體電網出現停運問題、處于全“黑”狀態后，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電機組加以運轉，從而逐漸帶動各類不具備自我啟動能力的發電機組加以恢復、運轉，并最終實現整體電網的自我恢復。

2 自動化系統框架結構分析

2.1 自動化系統過程層結構

在當前我國各座抽水蓄能電站自動化系統組建過程中，普遍選擇采用三層結構框架體系，其中系統層、現地層與過程層自上而下順序排列，且現地層與過程層以光纖以太網加以連接、系統層與現地層以以太網加以連接。其中，系統過程層結構主要由智能一次設備、智能接口、自動化元件等共同加以構成，并在整體自動化系統中發揮著電氣設備及整體系統實時參數監測、數據傳輸等應用效用。

2.2 自動化系統現地層結構

這一層次結構主要由公用、開關站及機組LCU，以及異步電機變頻調速系統、繼電保護系統等共同加以構成。在自動化系統整體結構中，現地層發揮著實時數據運算、系統在線監測、控制保護等應用效用。

2.3 自動化系統的系統層結構

這一層次結構主要由多臺實時服務數據器、歷史數據服務器、遠動通訊服務站等加以共同構成，在整體自動化系統中發揮著系統智能調節、實時監測等應用效用。

3 智能化建設途徑

3.1 抽水蓄能電站中電力二次設備的建設

二次設備主要指對電力一次設備發揮控制、監測及保護的電氣設備，常見的電力二次設備有指示燈、測量儀表、繼電器等。而在當前我國抽水蓄能電站自動化系統智能化建設工作開展中，對電力二次設備的智能化建設，則需要從優化上述自動化系統框架結構方向加以著手，優先對原有自動化系統框架結構中的系統層、現地層以及層次間相連接的以太網開展智能化建設工作。

圖1

此外，也需要注重于在抽水蓄能電站自動化系統中構建起配套的高度集成化、互動化的電力二次設備管理平臺及通信網絡系統，確保各類所配置的電力二次設備將所監測電力以此設備的運行狀況、電氣參數加以實時傳輸。而值得注意的是，在設備配置層面上，需要優先挑選、配置支持電力系統自動化領域中全球通用標準的設備。

3.2 抽水蓄能電站中電力一次設備的建設

電力一次設備主要指直接用于生產、使用電能、保護電器、接通及斷開電路的電氣設備，例如負荷開關、電抗器、發電機、變壓器等均屬于電力一次設備。與上述不同，在抽水蓄能電站中所配置電力一次設備開展智能化建設工作時，則需要優先對自動化系統中的過程層結構開展智能化建設工作，具體建設方法如下：

（1）在開展電力二次設備智能化建設工作、優化抽水蓄能電站自動化系統中的系統層、現地層基礎上，逐漸將上述系統分布結構過渡建設為原有的系統層-現地層-過程層三層結構框架體系；

（2）從優化電力一次設備、電力二次設備方向加以著手，確保所構建的智能化、自動化抽水蓄能電站運行系統完全支持電力系統自動化領域中全球通用標準的設備。以實現抽水蓄能電站自動化系統的實時監測、智能控制。

3.3 抽水蓄能電站自動化系統中變頻調速系統的建設

首先，在抽水蓄能電站自動化系統與智能電網中，變頻調速系統發揮著實時調節發電機運轉速度、提高發電機組啟停速度，以及控制蓄能電站各發電機組電源頻率、運行速度符合電網運行負荷的波動變換指數的應用效用。簡而言之，對變頻調速系統的構建與應用，是發揮抽水蓄能電站緩解電網調峰矛盾、穩定運行等應用效用的關鍵所在。而在當前我國各座抽水蓄能電站自動化系統中，普遍通過應用開環自動控制技術，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過高、啟動實際時間過長等問題，不但無法實現對蓄能電力機組及整體運行系統的智能化控制，也在一定程度上降低了電網的運行穩定性、可靠性。

而針對這一問題，則需要從優化、提升蓄能電力機組轉速、電源頻率角度加以著手，以實現對蓄能電力機組啟停速度的提升，更好的適應電網運行負荷的波動變換指數。而具體的智能化建設途徑如下：

（1）將蓄能電力機組的控制模式由舊有的開環控制模式轉換為閉環控制模式，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模式，提前設置蓄能電力機組的合理轉速頻率區間范圍即可；

（2）將非線性的滑膜變結構控制與自動化系統中的水輪機調速系統加以充分結合，確保系統按照預定的滑動模態的軌跡開展運動，從而實現在運動過程中根據抽水蓄能電站自動化系統的實時狀態將目的地加以相應變化。

3.4 抽水蓄能電站自動化系統中勵磁系統的建設

首先，在抽水蓄能電站自動化系統及電網中，勵磁系統的主要職能、應用效用為，供給同步發電機勵磁電流的電源，與其各類配套設備，從而提高電網與抽水蓄能電站中并聯機組的運行穩定性、將發電機端電壓穩定在給定值、并對并結機組之間的無功功率加以合理分配。簡而言之，勵磁系統的運行情況，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，以及整體點網的運行穩定性。

而對于勵磁系統的智能化建設，則需要在傳統的蓄能并聯電力機組以SFC變頻器運行啟動模式的基礎上，引入比例-積分-微積分控制器及其控制模式，從而根據電網及抽水蓄能電站實時運行情況，將勵磁系統運行模式調節為閉環控制狀態。在這一智能化建設途徑下，既實現了對蓄能電力并聯機組運行及啟停穩定性、可靠性的優化提升，也大幅提高了靜止變頻器的單次啟動成功率，其智能化結構模型如圖1所示。

4 結語

高度自動化、智能化的抽水蓄能電站是智能電網的重要構成部分，發揮著調頻調相、提高電網運行穩定性、緩解調峰矛盾、事故備用、黑啟動等諸多應用效用，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的智能化發展進程，則首先對系統的主要職能效用、系統框架結構加以深入分析，隨后以一二次電力設備、變頻調速系統、勵磁系統的智能化建設途徑、要點為切入點，開展上述探討，以實現將抽水蓄能電站各并聯電力機組加以高度集成化、互動化控制，使其在智能電網中發揮更為顯著的應用效用。