張春波

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

0 前言

沙河抽水蓄能電站（以下簡稱“沙河電站”）位于江蘇省常州市溧陽市，距溧陽市區(qū)19 km，地處江蘇省電網(wǎng)負荷中心。電站裝機總容量100 MW，安裝兩臺50 MW抽水蓄能機組，按日調節(jié)方式運行。電站于2002年7月投入商業(yè)運行，是江蘇省第一家抽水蓄能電站。電站以一回220 kV輸電線路接入江蘇省電網(wǎng)，主要承擔江蘇省電網(wǎng)的調峰及事故備用、黑啟動電源點等功能。設計年發(fā)電量1.82億kW·h，年抽水電量2.44億kW·h，電站主機設備由法國ALSTOM公司引進，其中機組保護、勵磁、電調、SFC等主要自動化設備由法國ALSTOM隨主機同步提供。上述自動化設備經(jīng)過多年運行，穩(wěn)定性和可靠性逐步下降，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。

1 機組自動化設備改造指導思想

機組自動化設備良好的調節(jié)品質是機組安全穩(wěn)定運行基本條件。沙河電站1999年設備訂貨時為保障自動化設備運行購買了1批備品備件，但隨著運行時間延續(xù)，當初采購的備品備件已逐漸消耗殆盡。由于國外廠商對產(chǎn)品不斷升級換代，致使一段時間后備件采購價格過高且供貨周期較長，有效的技術支持得不到保障。例如2007年電站因1號機勵磁故障向法國ALSTOM緊急采購1塊勵磁調節(jié)器A通道CPU板卡(RSDP1)，對方報價竟高達24萬元且供貨時限為6個月，嚴重影響了機組的安全穩(wěn)定運行。高昂的進口備件采購價格增加了設備運行維護費用并降低電站利潤空間。為保障機組正常運行，對機組自動化設備改造工作勢在必行。

進口機組自動化設備改造有2條路可循，①繼續(xù)采購國外設備，此方法風險較小，費用較高，經(jīng)過一定時間運行可能延續(xù)采購價格高與技術支持獲取困難的窘境；②使用國產(chǎn)設備替換，國內(nèi)一些自動化設備廠商經(jīng)過不斷研發(fā)，自動化控制設備技術已日臻成熟，與國外設備比較無明顯代差且使用環(huán)境更為友好，同時采用國內(nèi)設備還具有采購費用較低和技術支持快速等國外設備不可比擬的優(yōu)點。經(jīng)過系統(tǒng)周密市場與用戶調研，電站決定使用國內(nèi)產(chǎn)品對機組自動化設備進行改造。為將設備改造風險降到最低，采用先行試點、小步快跑的形式實施改造，同時在改造實施中確保拆出的每套舊設備完好可快速恢復使用，以防范改造風險。

2 機組保護裝置改造的初步探索

2010年，經(jīng)過系統(tǒng)設計、周密準備后，進行了1號機組保護裝置改造試點工作。改造工作依據(jù)國家電網(wǎng)公司十八項反事故措施要求及相關國標和行業(yè)標準，對原有機組保護裝置在保護雙重化配置、保護功能閉鎖邏輯、報警信息量偏少等設計和運行等多方面缺陷進行完善。

新的保護裝置選用南瑞繼保公司RCS-985微機保護裝置，共設置A、B 2組保護裝置。每組保護裝置實現(xiàn)機組主保護、后備保護和異常運行保護的所有電氣量保護，從電源、電壓互感器和電流互感器二次接入、開入量、出口繼電器和斷路器跳閘回路等徹底分離，2套保護實現(xiàn)完全雙重冗余，提高了抽水蓄能機組保護的可靠性，降低了機組運行風險。新的保護裝置有如下特點。

2.1 保護功能投退內(nèi)部實現(xiàn)，簡化二次回路

抽水蓄能機組需要根據(jù)運行工況轉換的判別，自動進行相關保護功能投退和相序轉換。改造后將發(fā)電換相開關、抽水換相開關、啟動開關、拖動開關、并網(wǎng)開關、電制動開關和導水葉位置7個設備輔助接點直接接入保護裝置，保護裝置根據(jù)各開入量變位實現(xiàn)內(nèi)部邏輯自動判斷工況變化，取消了原有大量中間繼電器，簡化二次回路，提高了保護系統(tǒng)可靠性和安全性。

2.2 可靠的保護硬件結構設計

RCS-985保護裝置采用了1種新型的“雙CPU系統(tǒng)，與門出口方式”系統(tǒng)架構，解決了單一系統(tǒng)存在的硬件可靠性問題。該硬件系統(tǒng)結構如圖1所示：

圖1 雙CPU系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)分為2個CPU系統(tǒng)（啟動CPU和保護CPU），低通濾波、AD采樣、CPU等完全獨立，各自進行保護計算。雙CPU系統(tǒng)采用“與”門出口方式，啟動CPU作用于開放跳閘繼電器正電源，保護CPU作用于跳閘矩陣，只有2塊CPU板同時動作，保護裝置方可出口，防止任何硬件損壞導致的誤動。同時2個CPU系統(tǒng)之間還進行完善自檢和互檢，任1塊CPU板故障，立即閉鎖保護裝置并發(fā)出報警信號。

2.3 應用多種先進保護原理

2.3.1 變斜率和工頻變化量比率差動保護

由于大型水電機組短路電流水平相對較低，非周期電流衰減慢，使常規(guī)差動保護靈敏度降低。改造采用近年來在大型機組上應用較多的變斜率穩(wěn)態(tài)比率差動和工頻變化量比率差動新原理，更適合抽水蓄能機組差動保護靈敏度要求。

2.3.2 注入式定子、轉子接地保護

抽水蓄能機組對定子和轉子繞組的對地絕緣檢測要求較高。保護采用高性能注入式定子、轉子低頻接地保護原理，可滿足無勵磁狀態(tài)下定子、轉子絕緣檢測要求，且保護靈敏度高。

2.3.3 高靈敏橫差保護

采用相電流比率制動原理高靈敏橫差保護。其原理為發(fā)生外部短路故障時故障電流增加很大，而橫差電流增加較少，取電流增加量作橫差保護制動量，外部故障時保護能可靠制動。定子繞組匝間故障時橫差電流增加較大，而相電流變化較小，故保護有很高的動作靈敏度。

2.4 其他的改進措施

斷路器失靈保護電流取自發(fā)電電動機機端電流互感器，并增加負序電流元件，完善保護邏輯。

發(fā)電電動機差動保護和發(fā)變組差動保護設置CT斷線閉鎖功能，在機端或中性點CT發(fā)生斷線時，可根據(jù)需要選擇是否閉鎖差動保護，靈活性更高。

本次機組保護裝置改造完全依據(jù)國家和行業(yè)最新規(guī)程規(guī)范要求，解決了原有機組保護存在的缺陷，實現(xiàn)了機組保護主后備一體化、雙重配置的成套保護配置方案，提高了機組保護性能，簡化了機組保護二次回路硬接線，提高了機組保護可靠性，增強了電站對江蘇電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的支持，具有良好經(jīng)濟效益和社會效益。

3 機組勵磁裝置改造

沙河電站原勵磁裝置由ALSTOM提供，型號為K4.0型。原有勵磁系統(tǒng)經(jīng)過近9年運行，穩(wěn)定性和可靠性逐步下降，出現(xiàn)多次插件板卡故障引起的開機不成功問題，影響機組安全穩(wěn)定運行。2011年，在總結機組保護改造經(jīng)驗的基礎上，電站著手進行機組勵磁裝置國產(chǎn)化改造工作。

新的勵磁裝置采用南瑞繼保公司的RCS-9400型微機勵磁裝置，每臺裝置設置2套獨立的勵磁調節(jié)器，實現(xiàn)完全雙冗余配置。每套勵磁調節(jié)器均可實現(xiàn)1臺機組所有勵磁調節(jié)控制功能，配置結構如圖2。

圖2 調節(jié)器盤柜結構圖

電源回路設為雙回路供電，包括雙交流、雙直流系統(tǒng)，任一回路掉電，均不影響整個勵磁系統(tǒng)運行。整流系統(tǒng)配置單柜額定輸出1 200 A的雙冗余功率柜并行運行，單一功率柜運行即可滿足機組勵磁電流需求。滅磁開關選用ABB公司E3型額定電流1 600 A空氣開關，滅磁電阻選用氧化鋅非線性電阻。

3.1 整體設計結構

在勵磁系統(tǒng)的整體設計上，保留了原有的與SFC等外部設備信息傳輸?shù)耐獠拷涌冢M足停機過程中電氣制動的功能需求；勵磁主電源從勵磁變低壓側取，勵磁備用電源由機旁動力盤提供，兩者可以相互手/自動切換。

在發(fā)電機出口側，通過采樣取2路TV電壓信號和一路TA電流信號給調節(jié)器；在出口開關外側，取主變低壓側TV信號給調節(jié)器。

設置雙冗余功率柜，正常情況下，2套并行運行，如果在運行過程中1套功率柜出現(xiàn)故障，可以切掉該柜脈沖，并拉開功率柜兩側的輸入和輸出隔離開關，在不影響機組運行的情況下將該柜隔離并退出運行。故障排除后，合上輸入輸出開關，恢復該柜脈沖即可投入并列運行，保障了故障單元隔離的安全性，提高了設備的穩(wěn)定性和可靠性。

勵磁系統(tǒng)整體結構如圖3：

圖3 勵磁系統(tǒng)整體結構圖

3.2 作為抽水蓄能機組勵磁裝置，對水泵工況運行

作如下處理

（1）勵磁裝置在SFC（靜止變頻器）水泵啟動過程：首先勵磁裝置接到“SFC水泵模式”啟動命令自動切換至水泵模式啟動工況，接到SFC快速增加勵磁電流命令后，在轉子上注入1.5倍額定空載電流、寬度2 s的勵磁電流供SFC進行轉子初始位置判別。然后，勵磁調節(jié)器采用恒電流閉環(huán)方式運行，根據(jù)SFC發(fā)出的4～20 mA模擬量控制信號調整勵磁電流輸出，使定子電壓隨轉速線性上升。當機組達到95%轉速后，勵磁調節(jié)器由恒電流閉環(huán)方式切換到恒電壓閉環(huán)運行方式，自動跟蹤電網(wǎng)電壓，直至并網(wǎng)。

（2）勵磁裝置在背靠背水泵啟動過程中，同樣采用恒電流閉環(huán)方式運行，同時啟動V/Hz過磁通限制。啟動勵磁電流參考值跟蹤使泵啟動機組定子電壓與拖動機組定子電壓值同步。機組達到95%轉速后，勵磁調節(jié)器由勵磁電流閉環(huán)方式切換到恒電壓閉環(huán)運行方式。

勵磁裝置在背靠背拖動啟動過程中，勵磁調節(jié)器控制流程切換至背靠背發(fā)電拖動工況，采用恒電流閉環(huán)方式運行，投入V/Hz過磁通限制。在升速過程中，勵磁電流按預先設定的電流參考值曲線調整，直至拖動泵啟動機組順利并網(wǎng)。

3.3 新的勵磁裝置特點

（1）高可靠性的硬件結構：調節(jié)器采用（DSP+FPGA）+ARM+MCU共同構成3個層面向對象的硬件系統(tǒng)。DSP數(shù)字信號處理器作為核心層，承擔著所有勵磁調節(jié)器控制任務，F(xiàn)PGA為I/O中心；第2層ARM系統(tǒng)為通信中心，構成了主從多CPU系統(tǒng)作為DSP與外部通信的平臺，提供靈活的通信接口，也為DSP與外部建立了安全隔離；最外層MCU以32單片機為中心人機接口層，提供豐富和靈活的人機交互操作平臺。此結構不但提供了豐富的硬件資源，并且可以最大程度的保障系統(tǒng)安全。

（2）多項輸入信息容錯技術保障：調節(jié)裝置可通過多數(shù)據(jù)量的邏輯比較，自動識別輸入模擬量和開關量的異常或錯誤，進行容錯處理，防止輸入信息異常導致的調節(jié)器輸出偏差，保護發(fā)電機等設備安全。進行容錯處理信息如下：機端電壓輸入錯誤；定子電流測量錯誤；勵磁電流測量錯誤；發(fā)電機頻率測量錯誤；有功功率與無功功率測量錯誤；開機與停機令錯誤；增、減勵磁信號錯誤；發(fā)電機出口斷路器信號錯誤等。

（3）強大的事件紀錄功能：調節(jié)器可以保存故障發(fā)生前后20 s的各類數(shù)據(jù)，包括28個模擬量參數(shù)和128個數(shù)字量和狀態(tài)量，對發(fā)生的操作或事件進行順序記錄，包括事件的發(fā)生、持續(xù)時間和電量參數(shù)波形，每次記錄128個獨立事件。調節(jié)器內(nèi)存中最多保存8次錄波數(shù)據(jù)，可同時存儲1 024組事件記錄，且裝置失電時數(shù)據(jù)不丟失，便于裝置或外系統(tǒng)等設備故障的分析與判斷。

沙河電站勵磁裝置改造，在全國抽水蓄能行業(yè)，率先實現(xiàn)了抽水蓄能機組勵磁設備國產(chǎn)化改造。新的勵磁裝置實現(xiàn)調節(jié)器和功率柜的雙冗余，使機組運行穩(wěn)定性和安全性大幅度提高，有效解決了裝置運行備品備件供應和技術支持問題。后期，在江蘇省電力科學研究院的組織下，分別進行了機組進相運行、勵磁建模、PSS參數(shù)整定等三項試驗，試驗結果滿足國家和行業(yè)最新規(guī)程規(guī)范標準，改造工作達到預期效果。

4 設備改造工作綜述

目前，全國早期建成運行的抽水蓄能電站大部分自動化設備主要為國外廠商提供，存在設備核心技術保密、缺乏有效技術支持、運行維護費用高等問題。隨著計算機技術在自動控制領域的不斷應用，國內(nèi)許多自動化設備生產(chǎn)商所提供設備已完全能夠滿足抽水蓄能電站安全穩(wěn)定運行的需求，抽水蓄能電站進口自動化設備的國產(chǎn)化替代必將大勢所趨。

在2010年至2013年間，沙河電站對2臺機組保護、勵磁、電調、溫度測量等裝置進行了系統(tǒng)改造，并在同一時期，新增設1套南瑞繼保公司的SFC靜止變頻器系統(tǒng)。上述設備使用多年來整體運行情況穩(wěn)定、良好。通過系統(tǒng)自動化設備改造工作，使機組的啟動不成功和非計劃停機等運行考核指標顯著下降，安全運行水平有了質的提高。自動化設備的國產(chǎn)化成功改造，使沙河電站對江蘇電網(wǎng)的貢獻度和設備運行的經(jīng)濟性均得到較大提升。

沙河電站通過對自動化系統(tǒng)改造工作總結，獲得以下經(jīng)驗：

（1）國產(chǎn)化設備運行安全穩(wěn)定。沙河電站自2010年設備改造以來，未出現(xiàn)影響機組安全運行的自動化設備故障，機組運行穩(wěn)定。在外部系統(tǒng)出現(xiàn)的幾次故障時，有關自動化設備均做到測量精準、動作靈敏、分析正確。

（2）技術支持快速、服務到位。國內(nèi)設備廠商對電站設備故障均比較敏感，接到用戶電話后能夠迅速開展技術指導或派人現(xiàn)場服務，主動解決用戶提出的改進意見。大多數(shù)廠商都進行備件的儲備并免費更換，用戶基本不需要大量采購板件作庫存?zhèn)淦罚鄬?jié)省了用戶資金。

（3）國產(chǎn)化設備價格合理。沙河電站機組保護裝置采購費用少于20萬元，勵磁裝置采購費用大約為30.6萬元。而據(jù)了解北方某蓄能電廠和南方某蓄能電廠機組保護采購都接近百萬元，北方某蓄能電廠勵磁裝置采購費用采購費用近130萬元。采購價格差距巨大。

（4）通過廠商設備出廠培訓和現(xiàn)場安裝調試等方式的有效溝通，使電站人員技能快速提高，基本能夠掌握包括核心技術在內(nèi)的設備運行與維護能力，非常有利于電站的安全穩(wěn)定運行管理。