抽水蓄能电站自动化设备国产化实践

摘 要：随着国内自动化制造水平的提高，国内厂家已逐步掌握了抽水蓄能自动化设备关键技术，文章主要介绍了江苏沙河电站在近10年的时间里，依据我国相关国标和行业标准，对机组保护、励磁系统、静止变频启动装置（SFC）等自动化装置进行了国产化改造，电站自动化设备基本实现了国产化，推进了抽水蓄能自动化设备国产化的进程。

关键词：抽水蓄能；自动化设备；国产化改造

中图书分类号：TV743 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）32-0118-02

我国抽水蓄能设备主要通过进口成套采购，随着近年我国抽水蓄能电站的建设，通过打捆招标，技术引进等途径，主机制造水平得到较大提升，达到国际水平，但是自动化设备仍然以进口为主。

1 江苏沙河抽水蓄能电站自动化设备概述

江苏沙河抽水蓄能电站（以下简称沙河电站）是江苏省投产的首座大中型抽水蓄能电站，地处江苏省溧阳市境内，装机容量2×50 MW，自2002年建成投产以来，在江苏电网较好地承担了削峰填谷、事故备用等作用，主机设备通过国际招标，由法国ALSTOM中标，自动化设备也基本由其成套供货。经过近10年的技术改造，电站大胆采用国产自动化设备替代进口设备，设备稳定性和维护能力大幅提升，基本摆脱了国外自动化设备厂家的制约。

2 自动化设备国产化实践

电站在建设期就尝试采用国产监控系统替代进口设备，投产后，结合机组技术改造，对机组保护、励磁系统进行了国产化改造，静止变频启动装置（SFC）国产化联合试制工作也正在开展当中。

2.1 计算机监控系统

计算机监控系统是抽水蓄能电站的“大脑”，主要承担电站运行监视、操作控制和维护管理等工作，功能包括数据采集处理、数据通讯、控制调节、语音报警、人机联系等功能。

沙河电站在建设时期，就从计算机监控系统入手，开始了国产设备替代进口设备的开发，当时，国网南京自动化研究院设计制造的监控系统技术上基本满足电站要求。该系统投入运行以来，虽然也暴露出部分控制程序不够清晰，不具备数据整理分析功能等问题，总体运行稳定。2007年，针对运行中发现的问题及结合监控系统的技术发展情况，对监控系统上位机进行了升级改造，将上位机以太网络由单网改为双网，增加2个厂级数据服务器，对监控软件进行了部分更新，同时更新了部分硬件设备等，现系统能够对生产数据进行数据分析汇总，历史数据查询也较为方便。沙河电站国产监控系统的应用在一定程度上推进了抽水蓄能监控系统国产化进程，这是首次采用国内监控系统和国外主机配套，拥有完全自主知识产权。

2.2 机组保护

可逆式抽水蓄能机组的水泵工况启动过程相当复杂，工况转换多，机组保护要在保证这些功能实现的同时，保障机组的安全。

沙河电站原机组保护采用分列式元件配置，由不同厂家的多台保护装置和中间继电器组合而成，经过几年运行，该套保护逐步暴露出设计、运行方面存在的一些问题：其一，任一保护装置电源丢失或电源模块损坏，保护动作出口跳闸；其二，断路器失灵保护所用电流错误取自中性点侧，且断路器失灵保护的电流判据只采用相电流元件，缺少负序电流元件，不符合国内技术规范；其三，发电电动机差动保护和发变组差动保护没有CT断线闭锁功能，在机端或中性点CT任一相发生断线时，装置会出口跳闸；其四，单元件横差保护未滤除三次谐波分量，靠抬高定值躲过三次谐波，灵敏度低。

单位决定从2010年开始，分别对两台保护进行了国产化改造。改造后的保护装置运行稳定，不仅能够满足国家相关要求，性能也得到了提升：

①原有机组保护装置仅部分保护功能实现双重化，多项重要保护功能为单套配置，影响机组的安全可靠运行，同时也不符合国家电网公司十八项反事故措施要求和相关标准。本次改造严格执行国内技术规程和反措要求，按照保护功能完全双重化配置原则，每台发电电动机组设置2套保护装置，机组保护装置实现完全双重化，机组可靠性得到本质提高。

②原有机组保护装置硬件配置为单处理器系统，保护部件中任一故障都将造成装置出口跳闸，改造后保护装置采用双处理器系统，两个处理器系统之间进行自检和互检，其中之一处理器板故障，立即闭锁保护装置并发报警信号。

③原有机组保护装置由11只单元件保护继电器、61只中间继电器以及2只出口继电器组合而成，元件众多，二次回路复杂，不便于维护，并且保护继电器和中间继电器来自于多个生产厂商，备件采购困难，采购周期长、费用高。改造后信号回路辅助接点直接接入保护装置，由软件完成保护功能闭锁开放和工况判别，取消原有大量中间继电器，简化了二次回路，提高了保护装置的可靠性。

④差动保护在不失可靠性的前提下具有更高的灵敏度。原有差动保护为常规的两折线比率差动，由于原理本身限制已不可能有太大突破，改造后采用近年来在大型机组上应用较多的变斜率稳态比率差动和工频变化量比率差动的新原理。变斜率比率差动不设拐点，一开始就带制动特性，在区内故障时保证最大的灵敏度，在区外故障时可以躲过暂态不平衡电流。

此次保护装置改造抓住了国内厂家在5万kW及以上抽水蓄能机组上应用产品的契机，在经济上也做到了最优化，最终使得机组保护装置的合同费用远远低于抽水蓄能行业机组保护改造标准，另外此套保护在电站的成功应用，有力地推动了抽水蓄能机组保护国产化进程。

2.3 机组励磁系统

抽水蓄能的励磁系统需要根据机组运行工况的不同自动调节励磁电流以满足运行要求，沙河电站承担着江苏电网黑启动任务，励磁系统还要满足机组黑启动要求。电站原机组励磁系统也由ALSTOM成套供货，运行相对稳定，2006年后，随着设备运行时间的加长，操作次数的增加，机械部件损坏频繁，电气部件稳定性逐渐下降，特别是控制系统电子元器件已接近寿命，备件价格昂贵，维护成本不断攀升。为此，电站从2009年底对公司励磁系统的使用情况进行了分析梳理，并组织人员对励磁系统改造的可行性、经济性进行调研分析，考虑到原厂家备件昂贵、供货周期长、技术保密、售后服务渠道不畅通等因素，电站决定先进行一台机组励磁的国产化替代改造。

此次改造严格执行国内励磁技术规程和相关要求，每台机组励磁配置两套励磁调节器，实现双冗余配置：

①原励磁系统使用继电器搭建逻辑，新励磁系统使用智能模块来实现，省去了大量的逻辑继电器回路，使得整个励磁系统结构简单，清晰，且通过计算机来对逻辑进行运算，速度更快，更加可靠、稳定，维护更方便，排除故障容易。

②原励磁系统采用单路电源，一旦电源丢失后即报故障并直接跳机，改造后，新励磁系统电源回路为双路供电（包括双交流、双直流供电），两路电源可以相互切换，任一路电源丢失，均不会影响整个励磁系统的安全稳定运行，可靠性大大提高。

③原励磁系统的故障量报警仅仅只报一个总的故障信号并直接跳机，这个故障信号直接报给监控系统，它包含了励磁系统多种故障，如此多故障出现都通过一个信号报出，非常不利于运行人员在最短时间内准确找到故障点并加以解决。改造后，故障发生后，均单独将信号送至监控系统，能直接反映出故障点的位置和故障性质，大大方便了运行人员确定故障。

④原励磁系统每年需20万元的备品备件，改造完成后备件的费用大大降低，技术服务响应也及时。

改造投运后，运行稳定，效果较好，通过改造，生产人员对励磁系统的维护能力大幅提升，公司将结合机组检修工作，对另外一台机组也实施改造工作。

2.4 静止变频启动装置

抽水蓄能机组作为水泵启动时，为减少对电网的冲击，一般采用静止变频启动装置（SFC：Static Frequency Converter）作为机组抽水启动装置，它的主要优点是无级变速，启动平稳，调整方便，它由功率部分、控制部分及测量部分组成。SFC启动是抽水蓄能机组泵工况主用启动方式，沙河电站两台机组共用一台SFC，一旦设备发生故障，只能依靠背靠背启动方式，降低了机组使用率。长期以来，国内抽水蓄能机组所用SFC装置全部依赖进口，沙河电站SFC装置由主机厂家法国ALSTOM配套供货，运行多年来，基本稳定，但是随着设备运行时间的增长，SFC的机械部件损坏和电气部件稳定性逐步下降，维护困难，有些问题长期存在，却无法得到根本解决，影响电站的正常运行：

①技术支持力度不够，原制造厂商出于技术保密和商业垄断等原因，不向运行单位提供完整的技术资料，因此，电站技术人员不能独立承担技术维护和检修工作，国内的机构也不具备完整的技术能力，一旦故障产生，无法解决，只能依赖国外厂商。

②技术支持不及时，当SFC故障发生后，国外厂商沟通困难，响应慢，解决问题过程长，影响电站正常运行，电站拖不起。

③维护费用昂贵，进口备件价格高，技术服务费用昂贵，进口设备的备件只要设备类型相近，备件价格及技术服务费用基本一致，大型抽水蓄能电站规模大，能够消化这些费用，沙河电站属于中小型的抽水蓄能电站，备件占据了大量的日常维护费用，成本压力大。

④后续技术改造费用高，改造难度大，因为存在技术垄断，设备进行原厂家升级改造费用高，国内厂商进行局部改造也不具备技术条件。

随着近年来国内技术水平提高，关键性技术也取得了突破性进展，南瑞继保电气有限公司基于多年在无功补偿装置、高压直流融冰装置及励磁系统等产品中的技术积累，研制出了全套完全国产化的静止变频系统。该系统采用成熟可靠的控制系统硬件和软件平台，硬件系统采用多分布式处理器系统，通用性好、可靠度高；采用可视化、模块化编程，软件成熟度高；可控硅阀采用光电触发，隔离安全、触发一致性好，具有完全自主知识产权。

沙河电站和南瑞继保合作，将在2012年机组检修期间，进行SFC现场试验工作，目前该装置经过了试运行，并通过了省级技术鉴定。

3 结 语

沙河电站自动化设备国产化改造系统地解决了长期以来设备存在的诸多“疑难杂症”，提高了设备可靠性，另外，通过降低改造费用，减少设备日常维护费用，提高了电站的盈利能力，取得了很好的效果。

参考文献：

[1] 周建为.抽水蓄能电站的效益分析[J].水力发电，2008，（2）.

[2] 王楠.我国抽水蓄能电站发展现状与前景分析[J].电力技术经济，2008，（2）.