楊文道，張巖雨，潘菊芳

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江省天臺縣 317200）

抽水蓄能機組電動工況啟動的自動控制

楊文道，張巖雨，潘菊芳

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江省天臺縣 317200）

本文詳細介紹了華東某抽水蓄能電廠機組電動工況啟動一次主回路、自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及由SFC和BTB啟動時的控制邏輯流程。

抽水蓄能電廠；電動工況；SFC；BTB；啟動；主回路；控制邏輯

0 概述

某抽水蓄能電廠位于浙江省境內(nèi)，屬日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，裝設有4臺300MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機—發(fā)電電動機組及其輔助設備，機組主要有發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等4種正常運行工況，還有水輪機、線路充電（零升）、水泵拖動等3種特殊運行工況，在華東電網(wǎng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等作用。

電站機組電動工況啟動優(yōu)先采用靜止變頻啟動裝置（SFC）啟動，在SFC啟動無效時可用其他機組采用背靠背（BTB）方式啟動。SFC啟動是指由靜止變頻裝置產(chǎn)生頻率和電壓均變化的電源拖動發(fā)電電動機從靜止至額定轉(zhuǎn)速直至并網(wǎng)；背靠背啟動是指用本電站機組作為拖動機，拖動其他機組從靜止至額定轉(zhuǎn)速直至并網(wǎng)，相對于SFC啟動而言具有投資成本低，啟動速度快等優(yōu)點。

1 電動工況啟動的一次主回路

如圖1所示，電站采用一機一變組合單元接線，發(fā)電機額定電壓為18kV。換相閘刀PRD1用于滿足機組發(fā)電方向和抽水方向運行時對相序的不同要求，拖動刀BTB1、被拖動刀SFC1以及啟動母線都是為了機組電動工況啟動而設置的，三者都是抽水蓄能電站特有的設備。電站4臺機共用一套靜止變頻啟動裝置，由法國CONVERTEAM公司生產(chǎn)，額定容量為17MW。SFC電源取自1、4號主變壓器低壓側(cè)，利用SFC輸入閘刀和輸入開關(guān)來選擇輸入電源的取向。

圖1 電動工況啟動的一次主回路圖

用SFC拖動1號機的電氣連接為：1號機定子引出線通過1號機被拖動閘刀SFC1、啟動母線I段閘刀ST1、SFC輸出開關(guān)，與SFC裝置構(gòu)成回路，由SFC裝置拖動1號機電動工況啟動至額定轉(zhuǎn)速。當SFC啟動無效時可用其他機組采用背靠背（BTB）方式啟動，例如用2號機拖動1號機的電氣連接為：1號機定子引出線通過1號機被拖動閘刀SFC1、2號機拖動閘刀BTB2、2號機開關(guān)GCB2，與2號機定子引出線構(gòu)成回路，此時2號機工作在發(fā)電狀態(tài)，拖動1號機電動工況啟動至額定轉(zhuǎn)速。

2 電動工況啟動的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動工況啟動的自動控制系統(tǒng)由兩部分組成：電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)和常規(guī)硬布線控制回路，監(jiān)控系統(tǒng)完成邏輯控制和數(shù)據(jù)通信任務，少量重要的控制命令和反饋信息采用硬布線回路來實現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制級配有9個LCU，其中LCU1～LCU4用于4臺機組的監(jiān)視和控制，LCU5用于地下廠房所有公用設備的監(jiān)視和控制，LCU5在啟動母線閘刀控制系統(tǒng)、SFC系統(tǒng)和機組LCU之間起到橋梁作用，SFC及BTB拖動時所需的大部分信息和命令均由它來傳送。

如圖2所示，機組和公用設備LCU之間通過100Mbps冗余雙光纖交換式工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進行通信，機組調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)采用雙絞線通過交換機與機組LCU通信。LCU5與SFC之間采用Modbus協(xié)議通信，并采用光纖連接，通信速率為19200bps。

3 SFC啟動機組的控制邏輯流程

下面以SFC拖動1號機為例，結(jié)合圖3介紹SFC處于“冷備用”狀態(tài)時拖動機組的整個過程，剖析SFC系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及勵磁系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系。

如果SFC自身無故障并且允許遠方操作，則SFC發(fā)送“啟動預條件滿足”信號到監(jiān)控系統(tǒng)，機組LCU1收到 “抽水調(diào)相開機令”后，有序地進行啟動協(xié)調(diào)工作，下列流程中未注明來源的操作命令均由LCU1來完成。

啟動機組輔助設備：推力軸承高壓注油泵、技術(shù)供水泵、各導軸承油盆的排油霧電機等，使機組進入STANDSTILL狀態(tài)。

將換相刀合于電動機方向、退出機組機械制動器、向LCU5發(fā)令合上啟動母線I段閘刀ST1。

向LCU5發(fā)出“SFC啟動準備”，由LCU5和SFC共同完成啟動前的準備工作：由LCU5打開SFC輸入變壓器、輸出變壓器和功率柜的冷卻水電動閥；由LCU5給SFC發(fā)出“上電命令”，SFC系統(tǒng)的控制邏輯會自動合上諧波濾波器開關(guān)，啟動輸入輸出變壓器油泵、去離子水泵、風扇等輔助設備，完成后給LCU5發(fā)送“SFC輔助設備啟動成功”信號；SFC請求LCU5根據(jù)1、4號主變壓器的運行狀況來判斷合上一路SFC輸入閘刀和輸入開關(guān)，優(yōu)先選擇1號主變壓器低壓側(cè)電源；輸入開關(guān)合上后，SFC便進入了“熱備用”狀態(tài)；SFC發(fā)令合上輸出開關(guān)，然后通過LCU5向LCU1發(fā)送“SFC啟動準備完成”信號。

合上機組1號機被拖動閘刀SFC1，開啟機組迷宮環(huán)冷卻水閥。

圖2 電動工況啟動的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

向勵磁發(fā)令進入SFC啟動模式，勵磁系統(tǒng)自動執(zhí)行該模式的邏輯，合上勵磁變壓器低壓側(cè)開關(guān)和滅磁開關(guān)，并切換到恒勵磁電流調(diào)節(jié)工作方式，同時初始勵磁電流設定值變?yōu)镾FC啟動所需的勵磁電流值，之后向LCU1發(fā)送“勵磁準備完成”信號。

LCU1向SFC發(fā)出“SFC啟動令”，SFC接令后向勵磁發(fā)出“釋放令”，此時勵磁系統(tǒng)啟動，給機組加上勵磁電流，同時給SFC發(fā)出“勵磁SFC模式已釋放”的反饋信號，SFC收到該信號后立即測量轉(zhuǎn)子的初始位置，進而將機組拖動起來。如果機組轉(zhuǎn)速在40s之后還是小于1%，LCU1將發(fā)出“跳機令”，停止SFC拖動。

當機組轉(zhuǎn)速大于10%時，啟動機組調(diào)相壓水控制邏輯，用高壓氣體將轉(zhuǎn)輪室水位壓低，使機組在空氣中旋轉(zhuǎn)，減輕SFC的啟動負荷。

當機組轉(zhuǎn)速和電壓都大于90%時，投入自動準同期裝置，同時向調(diào)速器發(fā)送“調(diào)相運行令”。機組出口開關(guān)GCB1合上后進入抽水調(diào)相工況運行，LCU1將“SFC啟動令”復歸，SFC將閉鎖輸出電流后跳開輸出開關(guān)，SFC處于“熱備用”狀態(tài)。如果啟動之前操作員要求SFC到“冷備用”狀態(tài)，則SFC將發(fā)令LCU5跳開輸入開關(guān)，并延時停止SFC所有輔助設備、關(guān)閉外部冷卻水電動閥。

拉開1號機被拖動閘刀SFC1，向勵磁發(fā)令“工作于無功調(diào)節(jié)模式”，并且向LCU5發(fā)令拉開啟動母線I段閘刀ST1，至此SFC啟動1號機的整個過程完成。

4 BTB啟動機組的控制邏輯流程

被拖動機從停機到抽水調(diào)相，需經(jīng)過停機（1）—靜止（S）—抽水調(diào)相（4）三個階段，執(zhí)行1S、S4兩個工況轉(zhuǎn)換。拖動機則需經(jīng)過停機（1）—靜止（S）—拖動機（P）三個階段，執(zhí)行1S、SP兩個工況轉(zhuǎn)換。

背靠背拖動之前必須確保兩臺機組均處于可用狀態(tài)，被拖動機收到抽水調(diào)相令（SCPO）后，觸發(fā)1S步序，執(zhí)行1S順控流程使機組到達靜止工況，而后觸發(fā)S4B步序至抽水調(diào)相工況。被拖動機在開機的同時以通信方式給拖動機一個啟動命令（GBX_LERO），拖動機便執(zhí)行1S步序，當拖動機和被拖動機同時到達靜止工況時，拖動機觸發(fā)SP步序開始拖動機組，拖動成功后執(zhí)行拖動機的停機流程。

圖3 SFC啟動機組的控制邏輯流程

4.1 拖動機SP轉(zhuǎn)換控制流程

步序SP-1：發(fā)令退機械制動、分中性點閘刀、合拖動刀，通知勵磁系統(tǒng)進入背靠背模式和拖動機啟動模式；調(diào)速器系統(tǒng)工作于拖動機模式；機組保護退出大差和100%定子接地兩套保護，并確認拖動刀、勵磁FCB開關(guān)在合閘狀態(tài)，中性點閘刀在分閘狀態(tài)。

步序SP-2：發(fā)令開球閥、投同期裝置，確認機械制動退出、球閥開度大于30%機組開關(guān)合閘、被拖動機S4B-4步序已執(zhí)行完畢，然后投入被拖動機勵磁。

步序SP-3：發(fā)令調(diào)速器拖動機模式啟動、勵磁背靠背模式啟動，確認機組轉(zhuǎn)速上升至90%以上、勵磁已投入、被拖動機的出口開關(guān)已合閘等信號。

步序SP-4：發(fā)令分拖動機出口開關(guān)，退出勵磁，確認機組開關(guān)分閘、勵磁退出。

步序SP-5：發(fā)令分拖動刀，確認拖動刀分閘，該步執(zhí)行完成后拖動機轉(zhuǎn)停機流程。

4.2 被拖動機S4B轉(zhuǎn)換控制流程

步序S4B-1：發(fā)令換相刀合于抽水方向、退出機械制動、啟動母線閘刀合閘，通知保護系統(tǒng)進入被拖動機模式，確認換相刀合于抽水方向、啟動母線閘刀在合閘位置。

步序S4B-2：發(fā)令打開迷宮冷卻水閥、合被拖動刀，確認迷宮冷卻水閥已打開、上下迷宮冷卻水流量正常、被拖動刀在合閘狀態(tài)，拖動機已經(jīng)啟動（即拖動機已執(zhí)行SP流程，機械制動已退出，機組開關(guān)已合閘，球閥開度大于30%）。

步序S4B-3：通知勵磁系統(tǒng)進入背靠背模式、被拖動機啟動模式，確認勵磁已投入、機械制動退出。

步序S4B-4：發(fā)令開始壓水，發(fā)令通知拖動機啟動，確認機端電壓大于90%、轉(zhuǎn)速大于98%、壓水成功。執(zhí)行該步后30s內(nèi)若拖動機的轉(zhuǎn)速仍小于1%，將發(fā)出跳閘令，停拖動機和被拖動機。

步序S4B-5：發(fā)令投入同期裝置、調(diào)速器調(diào)相模式啟動，確認機組開關(guān)在合閘狀態(tài)。

步序S4B-6：發(fā)令分被拖動刀、啟動母線閘刀、勵磁系統(tǒng)運行于無功調(diào)節(jié)模式，確認被拖動刀和啟動母線閘刀均已分閘。

4.3 拖動機與被拖動機之間的關(guān)聯(lián)

拖動機與被拖動機之間的控制邏輯關(guān)聯(lián)如圖4所示，在拖動過程中，拖動機與被拖動機在各自執(zhí)行自身邏輯之外，還與對方有著密切的配合。倘若兩者之間的配合不到位，如拖動機與被拖動機之間的轉(zhuǎn)差大于5%等將導致拖動失敗，拖動機和被拖動機直接轉(zhuǎn)停機。在拖動過程中，拖動機和被拖動機中任何一臺機組有跳閘事故發(fā)生，在跳閘信號出口的同時也會給對方發(fā)一個停機令，讓對方轉(zhuǎn)停機。

圖4 拖動機與被拖動機之間的控制邏輯關(guān)聯(lián)圖

機組在BTB模式啟動過程中，不同于正常發(fā)電開機，其勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、保護系統(tǒng)都有著特殊的運行模式。拖動機與被拖動機在拖動過程中，勵磁系統(tǒng)均處于手動電流調(diào)節(jié)模式，即給勵磁設定一個恒定的額定空載勵磁電流，勵磁控制器根據(jù)該設定值進行調(diào)節(jié)，機組轉(zhuǎn)速上升，頻率上升，機端電壓也隨之上升。當被拖動機的機端電壓升至90%時，被拖動機的勵磁系統(tǒng)自動切換至自動電壓調(diào)節(jié)模式。機組保護裝置在背靠背拖動啟動過程中，保護裝置將閉鎖部分保護，如拖動機將閉鎖大差、100%定子接地、失磁等保護，同時切換相應保護的整定值及動作時間等參數(shù)。

5 電動工況啟動出現(xiàn)的問題及解決措施

5.1 SFC輸出變重瓦斯繼電器動作跳SFC進線開關(guān)

SFC啟動機組過程中發(fā)出“SFC瓦斯繼電器報警”等信號，SFC進線開關(guān)跳閘，機組電動工況啟動失敗，該報警信號264ms后自動復歸，現(xiàn)場對SFC裝置進行告警復歸后，即能投入熱備用狀態(tài)。

現(xiàn)場對輸出變壓器進行全面檢查，分析輸出變壓器瓦斯繼電器和相關(guān)回路，認為造成重瓦斯繼電器動作的可能原因有：輸出變壓器油中“瓦斯”氣體含量超標；重瓦斯繼電器接點抖動；跳閘回路長電纜受強電磁場干擾。

SFC輸出變壓器重瓦斯保護動作后，未發(fā)現(xiàn)變壓器油枕中存在真空狀態(tài)以及漏油現(xiàn)象；油樣檢測結(jié)果顯示變壓器油中各種氣體的含量均在標準范圍之內(nèi)，符合運行要求。根據(jù)保護設置原理在任何情況下，一種短路至少由2個不同的保護功能保護，由不同的傳感器探測，即保證保護的冗余配置，但SFC輸出變壓器重瓦斯保護動作時其他保護均未動作，且重瓦斯保護信號可自行復歸。綜合以上因素，可排除SFC輸出變壓器油中“瓦斯”氣體含量超標引起的重瓦斯保護動作。

對 SFC相關(guān)控制回路錄波，撲捉到因為輸出變壓器瓦斯繼電器接點抖動造成SFC跳閘事件。重瓦斯繼電器整定值校驗也沒有偏差。分析繼電器動作回路，重瓦斯保護是通過重瓦斯繼電器的常閉接點驅(qū)動中間繼電器，然后由中間繼電器的常開點送硬布線回路瞬時出口跳閘，同時送SFC控制器延時2s出口跳閘并上送信號到上位機。經(jīng)過分析認為繼電器的常閉點抖動的可能性大于常開點，為將繼電器抖動的可能性降到最低，決定采用其常開接點并修改相應的控制回路和監(jiān)視回路，以求解決并監(jiān)視誤動問題。

采取上述措施運行一段時間后，瓦斯繼電器仍會偶發(fā)動作，認為是由于相關(guān)電纜干擾引起誤動。為避免DC24V繼電器，因為強電的干擾造成誤動作，將回路控制電源改成DC220V。在SFC變壓器本體控制箱中，新增加一只大功率繼電器（7W），以防止瓦斯繼電器受干擾影響造成誤動。同時增加一只掉牌信號繼電器，瓦斯繼電器動作后直接驅(qū)動大功率繼電器，同時用該大功率繼電器的其中一副常開點驅(qū)動掉牌信號繼電器，用以監(jiān)視大功率繼電器的動作情況，倘若跳閘事件再次發(fā)生，可以由該繼電器是否掉牌來確定是瓦斯繼電器本身誤動還是跳閘回路中間繼電器受長電纜干擾引起誤動。

上述措施實施后，至今未發(fā)生過類似跳閘事件，故SFC跳閘回路長電纜受強電磁場的干擾以及瓦斯繼電器本身接點抖動導致SFC跳閘的可能性極大。

5.2 BTB啟動出現(xiàn)的問題及解決措施

低水頭下BTB拖動失敗：某電站4號機作為拖動機且水頭低于254m時，在拖動過程中曾發(fā)生多次調(diào)速器導葉開度值達到設置的啟動開限值，但轉(zhuǎn)速未達到98%，即開限壓住開度，機組轉(zhuǎn)速無法上升，從而造成拖動失敗。在和廠家人員多次溝通后，認為4號機由于安裝工藝或其他原因，轉(zhuǎn)動阻尼比其他3臺機組大，而之前設置的拖動機一級啟動開限已不能滿足該啟動要求，只有增大該參數(shù)；但參數(shù)修改存在嚴格的要求和一定的安全隱患，為選取合適的參數(shù)，經(jīng)廠家人員嚴密計算并經(jīng)現(xiàn)場多次低水頭背靠背開機驗證，最終確定將4號機的拖動機一級導葉開限參數(shù)在原有基礎上增加2個點。該異動實施至今，4號機沒有再發(fā)生此類事件。

98%轉(zhuǎn)速信號抖動引起B(yǎng)TB拖動失?。涸诒晨勘惩蟿訂訒r，當被拖動機轉(zhuǎn)速大于98%以后，同期裝置投入，同期裝置的調(diào)節(jié)可能造成轉(zhuǎn)速低于98%，原邏輯中轉(zhuǎn)速大于98%作為S4B-4中的一個反饋，倘若此信號丟失或抖動，流程會立即下發(fā)步序S4B-5前提條件不滿足的信號，機組也將自動轉(zhuǎn)停機。為避免該事件的發(fā)生，在反饋“轉(zhuǎn)速＞98%”之后加入一自保持回路，即只要轉(zhuǎn)速上升至98%，該反饋就滿足，即使同期調(diào)節(jié)或其他原因?qū)е罗D(zhuǎn)速低于98%，也不會造成該反饋丟失。

6 結(jié)束語

SFC和背靠背啟動技術(shù)是抽水蓄能電廠特有的，其控制流程復雜，只有全面、深入地掌握相關(guān)控制流程以及SFC啟動時SFC與機組控制系統(tǒng)之間、背靠背啟動時拖動機與被拖動機之間的關(guān)聯(lián)，并加強對以往拖動過程中異常事件的分析，才能更好地掌握其特性，設備故障時才能更好、更快地作出處理。某抽水蓄能電廠SFC和BTB拖動的控制系統(tǒng)技術(shù)較為成熟，控制流程較為完善，水泵工況啟動的成功率達99%以上，可供同類電站借鑒。

楊文道（1973—），男，本科，高級工程師，主要研究方向：水電廠監(jiān)控系統(tǒng)與自動化。E-mail：13968591105@163.com

張巖雨（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：特長水電廠運行維護。E-mail：13706549315@qq.com

潘菊芳（1982—），女，本科，工程師，主要研究方向：水電站運行、綜合管理。E-mail：17433539@qq.com

The Automatic Control of the Pump Start-up of the Pumped-storage Unit

YANG Wendao，ZHANG Yanyu，PAN Jufang
（East china tongbai pumped storage power co. Ltd.，tiantai county zhejiang province）

This paper intrduces the electrical primary circuit of the TOBA pumped-storage power plant、the structure of the automatic control system and the control logic of the SFC startup and BTB start-up.

pumped–storage power plant；pump direction；SFC；BTB；start-up；the electrical primary circuit；control logic