王小建

摘 要：隨著國內(nèi)自動化制造水平的提高，國內(nèi)廠家已逐步掌握了抽水蓄能自動化設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)，文章主要介紹了江蘇沙河電站在近10年的時間里，依據(jù)我國相關(guān)國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對機組保護、勵磁系統(tǒng)、靜止變頻啟動裝置（SFC）等自動化裝置進(jìn)行了國產(chǎn)化改造，電站自動化設(shè)備基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，推進(jìn)了抽水蓄能自動化設(shè)備國產(chǎn)化的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能；自動化設(shè)備；國產(chǎn)化改造

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

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

1 江蘇沙河抽水蓄能電站自動化設(shè)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(chǎn)的首座大中型抽水蓄能電站，地處江蘇省溧陽市境內(nèi)，裝機容量2×50 MW，自2002年建成投產(chǎn)以來，在江蘇電網(wǎng)較好地承擔(dān)了削峰填谷、事故備用等作用，主機設(shè)備通過國際招標(biāo)，由法國ALSTOM中標(biāo)，自動化設(shè)備也基本由其成套供貨。經(jīng)過近10年的技術(shù)改造，電站大膽采用國產(chǎn)自動化設(shè)備替代進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備穩(wěn)定性和維護能力大幅提升，基本擺脫了國外自動化設(shè)備廠家的制約。

2 自動化設(shè)備國產(chǎn)化實踐

電站在建設(shè)期就嘗試采用國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)替代進(jìn)口設(shè)備，投產(chǎn)后，結(jié)合機組技術(shù)改造，對機組保護、勵磁系統(tǒng)進(jìn)行了國產(chǎn)化改造，靜止變頻啟動裝置（SFC）國產(chǎn)化聯(lián)合試制工作也正在開展當(dāng)中。

2.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)是抽水蓄能電站的“大腦”，主要承擔(dān)電站運行監(jiān)視、操作控制和維護管理等工作，功能包括數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)通訊、控制調(diào)節(jié)、語音報警、人機聯(lián)系等功能。

沙河電站在建設(shè)時期，就從計算機監(jiān)控系統(tǒng)入手，開始了國產(chǎn)設(shè)備替代進(jìn)口設(shè)備的開發(fā)，當(dāng)時，國網(wǎng)南京自動化研究院設(shè)計制造的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)上基本滿足電站要求。該系統(tǒng)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(shù)據(jù)整理分析功能等問題，總體運行穩(wěn)定。2007年，針對運行中發(fā)現(xiàn)的問題及結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展情況，對監(jiān)控系統(tǒng)上位機進(jìn)行了升級改造，將上位機以太網(wǎng)絡(luò)由單網(wǎng)改為雙網(wǎng)，增加2個廠級數(shù)據(jù)服務(wù)器，對監(jiān)控軟件進(jìn)行了部分更新，同時更新了部分硬件設(shè)備等，現(xiàn)系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析匯總，歷史數(shù)據(jù)查詢也較為方便。沙河電站國產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上推進(jìn)了抽水蓄能監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化進(jìn)程，這是首次采用國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)和國外主機配套，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

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(dāng)復(fù)雜，工況轉(zhuǎn)換多，機組保護要在保證這些功能實現(xiàn)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(jīng)過幾年運行，該套保護逐步暴露出設(shè)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(cè)，且斷路器失靈保護的電流判據(jù)只采用相電流元件，缺少負(fù)序電流元件，不符合國內(nèi)技術(shù)規(guī)范；其三，發(fā)電電動機差動保護和發(fā)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(fā)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(jìn)行了國產(chǎn)化改造。改造后的保護裝置運行穩(wěn)定，不僅能夠滿足國家相關(guān)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(xiàn)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(wǎng)公司十八項反事故措施要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本次改造嚴(yán)格執(zhí)行國內(nèi)技術(shù)規(guī)程和反措要求，按照保護功能完全雙重化配置原則，每臺發(fā)電電動機組設(shè)置2套保護裝置，機組保護裝置實現(xiàn)完全雙重化，機組可靠性得到本質(zhì)提高。

②原有機組保護裝置硬件配置為單處理器系統(tǒng)，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(tǒng)，兩個處理器系統(tǒng)之間進(jìn)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(fā)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(fù)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(chǎn)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(guī)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(yīng)用較多的變斜率穩(wěn)態(tài)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(shè)拐點，一開始就帶制動特性，在區(qū)內(nèi)故障時保證最大的靈敏度，在區(qū)外故障時可以躲過暫態(tài)不平衡電流。

此次保護裝置改造抓住了國內(nèi)廠家在5萬kW及以上抽水蓄能機組上應(yīng)用產(chǎn)品的契機，在經(jīng)濟上也做到了最優(yōu)化，最終使得機組保護裝置的合同費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抽水蓄能行業(yè)機組保護改造標(biāo)準(zhǔn)，另外此套保護在電站的成功應(yīng)用，有力地推動了抽水蓄能機組保護國產(chǎn)化進(jìn)程。

2.3 機組勵磁系統(tǒng)

抽水蓄能的勵磁系統(tǒng)需要根據(jù)機組運行工況的不同自動調(diào)節(jié)勵磁電流以滿足運行要求，沙河電站承擔(dān)著江蘇電網(wǎng)黑啟動任務(wù)，勵磁系統(tǒng)還要滿足機組黑啟動要求。電站原機組勵磁系統(tǒng)也由ALSTOM成套供貨，運行相對穩(wěn)定，2006年后，隨著設(shè)備運行時間的加長，操作次數(shù)的增加，機械部件損壞頻繁，電氣部件穩(wěn)定性逐漸下降，特別是控制系統(tǒng)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(tǒng)的使用情況進(jìn)行了分析梳理，并組織人員對勵磁系統(tǒng)改造的可行性、經(jīng)濟性進(jìn)行調(diào)研分析，考慮到原廠家備件昂貴、供貨周期長、技術(shù)保密、售后服務(wù)渠道不暢通等因素，電站決定先進(jìn)行一臺機組勵磁的國產(chǎn)化替代改造。

此次改造嚴(yán)格執(zhí)行國內(nèi)勵磁技術(shù)規(guī)程和相關(guān)要求，每臺機組勵磁配置兩套勵磁調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)雙冗余配置：

①原勵磁系統(tǒng)使用繼電器搭建邏輯，新勵磁系統(tǒng)使用智能模塊來實現(xiàn)，省去了大量的邏輯繼電器回路，使得整個勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，清晰，且通過計算機來對邏輯進(jìn)行運算，速度更快，更加可靠、穩(wěn)定，維護更方便，排除故障容易。

②原勵磁系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，可靠性大大提高。

③原勵磁系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)，它包含了勵磁系統(tǒng)多種故障，如此多故障出現(xiàn)都通過一個信號報出，非常不利于運行人員在最短時間內(nèi)準(zhǔn)確找到故障點并加以解決。改造后，故障發(fā)生后，均單獨將信號送至監(jiān)控系統(tǒng)，能直接反映出故障點的位置和故障性質(zhì)，大大方便了運行人員確定故障。

④原勵磁系統(tǒng)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(shù)服務(wù)響應(yīng)也及時。

改造投運后，運行穩(wěn)定，效果較好，通過改造，生產(chǎn)人員對勵磁系統(tǒng)的維護能力大幅提升，公司將結(jié)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(wǎng)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(yōu)點是無級變速，啟動平穩(wěn)，調(diào)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(shè)備發(fā)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(nèi)抽水蓄能機組所用SFC裝置全部依賴進(jìn)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(wěn)定，但是隨著設(shè)備運行時間的增長，SFC的機械部件損壞和電氣部件穩(wěn)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(shù)支持力度不夠，原制造廠商出于技術(shù)保密和商業(yè)壟斷等原因，不向運行單位提供完整的技術(shù)資料，因此，電站技術(shù)人員不能獨立承擔(dān)技術(shù)維護和檢修工作，國內(nèi)的代理機構(gòu)也不具備完整的技術(shù)能力，一旦故障產(chǎn)生，無法解決，只能依賴國外廠商。

②技術(shù)支持不及時，當(dāng)SFC故障發(fā)生后，國外廠商溝通困難，響應(yīng)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(jìn)口備件價格高，技術(shù)服務(wù)費用昂貴，進(jìn)口設(shè)備的備件只要設(shè)備類型相近，備件價格及技術(shù)服務(wù)費用基本一致，大型抽水蓄能電站規(guī)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(jù)了大量的日常維護費用，成本壓力大。

④后續(xù)技術(shù)改造費用高，改造難度大，因為存在技術(shù)壟斷，設(shè)備進(jìn)行原廠家升級改造費用高，國內(nèi)廠商進(jìn)行局部改造也不具備技術(shù)條件。

隨著近年來國內(nèi)技術(shù)水平提高，關(guān)鍵性技術(shù)也取得了突破性進(jìn)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(tǒng)等產(chǎn)品中的技術(shù)積累，研制出了全套完全國產(chǎn)化的靜止變頻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用成熟可靠的控制系統(tǒng)硬件和軟件平臺，硬件系統(tǒng)采用多分布式處理器系統(tǒng)，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(fā)，隔離安全、觸發(fā)一致性好，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

沙河電站和南瑞繼保合作，將在2012年機組檢修期間，進(jìn)行SFC現(xiàn)場試驗工作，目前該裝置經(jīng)過了試運行，并通過了省級技術(shù)鑒定。

3 結(jié) 語

沙河電站自動化設(shè)備國產(chǎn)化改造系統(tǒng)地解決了長期以來設(shè)備存在的諸多“疑難雜癥”，提高了設(shè)備可靠性，另外，通過降低改造費用，減少設(shè)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(xiàn)：

[1] 周建為.抽水蓄能電站的效益分析[J].水力發(fā)電，2008，（2）.

[2] 王楠.我國抽水蓄能電站發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析[J].電力技術(shù)經(jīng)濟，2008，（2）.