沙河抽水蓄能电站自动控制设备国产化改造

张春波

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

0 前言

沙河抽水蓄能电站（以下简称“沙河电站”）位于江苏省常州市溧阳市，距溧阳市区19 km，地处江苏省电网负荷中心。电站装机总容量100 MW，安装两台50 MW抽水蓄能机组，按日调节方式运行。电站于2002年7月投入商业运行，是江苏省第一家抽水蓄能电站。电站以一回220 kV输电线路接入江苏省电网，主要承担江苏省电网的调峰及事故备用、黑启动电源点等功能。设计年发电量1.82亿kW·h，年抽水电量2.44亿kW·h，电站主机设备由法国ALSTOM公司引进，其中机组保护、励磁、电调、SFC等主要自动化设备由法国ALSTOM随主机同步提供。上述自动化设备经过多年运行，稳定性和可靠性逐步下降，严重影响机组安全稳定运行。

1 机组自动化设备改造指导思想

机组自动化设备良好的调节品质是机组安全稳定运行基本条件。沙河电站1999年设备订货时为保障自动化设备运行购买了1批备品备件，但随着运行时间延续，当初采购的备品备件已逐渐消耗殆尽。由于国外厂商对产品不断升级换代，致使一段时间后备件采购价格过高且供货周期较长，有效的技术支持得不到保障。例如2007年电站因1号机励磁故障向法国ALSTOM紧急采购1块励磁调节器A通道CPU板卡(RSDP1)，对方报价竟高达24万元且供货时限为6个月，严重影响了机组的安全稳定运行。高昂的进口备件采购价格增加了设备运行维护费用并降低电站利润空间。为保障机组正常运行，对机组自动化设备改造工作势在必行。

进口机组自动化设备改造有2条路可循，①继续采购国外设备，此方法风险较小，费用较高，经过一定时间运行可能延续采购价格高与技术支持获取困难的窘境；②使用国产设备替换，国内一些自动化设备厂商经过不断研发，自动化控制设备技术已日臻成熟，与国外设备比较无明显代差且使用环境更为友好，同时采用国内设备还具有采购费用较低和技术支持快速等国外设备不可比拟的优点。经过系统周密市场与用户调研，电站决定使用国内产品对机组自动化设备进行改造。为将设备改造风险降到最低，采用先行试点、小步快跑的形式实施改造，同时在改造实施中确保拆出的每套旧设备完好可快速恢复使用，以防范改造风险。

2 机组保护装置改造的初步探索

2010年，经过系统设计、周密准备后，进行了1号机组保护装置改造试点工作。改造工作依据国家电网公司十八项反事故措施要求及相关国标和行业标准，对原有机组保护装置在保护双重化配置、保护功能闭锁逻辑、报警信息量偏少等设计和运行等多方面缺陷进行完善。

新的保护装置选用南瑞继保公司RCS-985微机保护装置，共设置A、B 2组保护装置。每组保护装置实现机组主保护、后备保护和异常运行保护的所有电气量保护，从电源、电压互感器和电流互感器二次接入、开入量、出口继电器和断路器跳闸回路等彻底分离，2套保护实现完全双重冗余，提高了抽水蓄能机组保护的可靠性，降低了机组运行风险。新的保护装置有如下特点。

2.1 保护功能投退内部实现，简化二次回路

抽水蓄能机组需要根据运行工况转换的判别，自动进行相关保护功能投退和相序转换。改造后将发电换相开关、抽水换相开关、启动开关、拖动开关、并网开关、电制动开关和导水叶位置7个设备辅助接点直接接入保护装置，保护装置根据各开入量变位实现内部逻辑自动判断工况变化，取消了原有大量中间继电器，简化二次回路，提高了保护系统可靠性和安全性。

2.2 可靠的保护硬件结构设计

RCS-985保护装置采用了1种新型的“双CPU系统，与门出口方式”系统架构，解决了单一系统存在的硬件可靠性问题。该硬件系统结构如图1所示：

图1 双CPU系统结构图

系统分为2个CPU系统（启动CPU和保护CPU），低通滤波、AD采样、CPU等完全独立，各自进行保护计算。双CPU系统采用“与”门出口方式，启动CPU作用于开放跳闸继电器正电源，保护CPU作用于跳闸矩阵，只有2块CPU板同时动作，保护装置方可出口，防止任何硬件损坏导致的误动。同时2个CPU系统之间还进行完善自检和互检，任1块CPU板故障，立即闭锁保护装置并发出报警信号。

2.3 应用多种先进保护原理

2.3.1 变斜率和工频变化量比率差动保护

由于大型水电机组短路电流水平相对较低，非周期电流衰减慢，使常规差动保护灵敏度降低。改造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新原理，更适合抽水蓄能机组差动保护灵敏度要求。

2.3.2 注入式定子、转子接地保护

抽水蓄能机组对定子和转子绕组的对地绝缘检测要求较高。保护采用高性能注入式定子、转子低频接地保护原理，可满足无励磁状态下定子、转子绝缘检测要求，且保护灵敏度高。

2.3.3 高灵敏横差保护

采用相电流比率制动原理高灵敏横差保护。其原理为发生外部短路故障时故障电流增加很大，而横差电流增加较少，取电流增加量作横差保护制动量，外部故障时保护能可靠制动。定子绕组匝间故障时横差电流增加较大，而相电流变化较小，故保护有很高的动作灵敏度。

2.4 其他的改进措施

断路器失灵保护电流取自发电电动机机端电流互感器，并增加负序电流元件，完善保护逻辑。

发电电动机差动保护和发变组差动保护设置CT断线闭锁功能，在机端或中性点CT发生断线时，可根据需要选择是否闭锁差动保护，灵活性更高。

本次机组保护装置改造完全依据国家和行业最新规程规范要求，解决了原有机组保护存在的缺陷，实现了机组保护主后备一体化、双重配置的成套保护配置方案，提高了机组保护性能，简化了机组保护二次回路硬接线，提高了机组保护可靠性，增强了电站对江苏电网安全稳定运行的支持，具有良好经济效益和社会效益。

3 机组励磁装置改造

沙河电站原励磁装置由ALSTOM提供，型号为K4.0型。原有励磁系统经过近9年运行，稳定性和可靠性逐步下降，出现多次插件板卡故障引起的开机不成功问题，影响机组安全稳定运行。2011年，在总结机组保护改造经验的基础上，电站着手进行机组励磁装置国产化改造工作。

新的励磁装置采用南瑞继保公司的RCS-9400型微机励磁装置，每台装置设置2套独立的励磁调节器，实现完全双冗余配置。每套励磁调节器均可实现1台机组所有励磁调节控制功能，配置结构如图2。

图2 调节器盘柜结构图

电源回路设为双回路供电，包括双交流、双直流系统，任一回路掉电，均不影响整个励磁系统运行。整流系统配置单柜额定输出1 200 A的双冗余功率柜并行运行，单一功率柜运行即可满足机组励磁电流需求。灭磁开关选用ABB公司E3型额定电流1 600 A空气开关，灭磁电阻选用氧化锌非线性电阻。

3.1 整体设计结构

在励磁系统的整体设计上，保留了原有的与SFC等外部设备信息传输的外部接口，并满足停机过程中电气制动的功能需求；励磁主电源从励磁变低压侧取，励磁备用电源由机旁动力盘提供，两者可以相互手/自动切换。

在发电机出口侧，通过采样取2路TV电压信号和一路TA电流信号给调节器；在出口开关外侧，取主变低压侧TV信号给调节器。

设置双冗余功率柜，正常情况下，2套并行运行，如果在运行过程中1套功率柜出现故障，可以切掉该柜脉冲，并拉开功率柜两侧的输入和输出隔离开关，在不影响机组运行的情况下将该柜隔离并退出运行。故障排除后，合上输入输出开关，恢复该柜脉冲即可投入并列运行，保障了故障单元隔离的安全性，提高了设备的稳定性和可靠性。

励磁系统整体结构如图3：

图3 励磁系统整体结构图

3.2 作为抽水蓄能机组励磁装置，对水泵工况运行

作如下处理

（1）励磁装置在SFC（静止变频器）水泵启动过程：首先励磁装置接到“SFC水泵模式”启动命令自动切换至水泵模式启动工况，接到SFC快速增加励磁电流命令后，在转子上注入1.5倍额定空载电流、宽度2 s的励磁电流供SFC进行转子初始位置判别。然后，励磁调节器采用恒电流闭环方式运行，根据SFC发出的4～20 mA模拟量控制信号调整励磁电流输出，使定子电压随转速线性上升。当机组达到95%转速后，励磁调节器由恒电流闭环方式切换到恒电压闭环运行方式，自动跟踪电网电压，直至并网。

（2）励磁装置在背靠背水泵启动过程中，同样采用恒电流闭环方式运行，同时启动V/Hz过磁通限制。启动励磁电流参考值跟踪使泵启动机组定子电压与拖动机组定子电压值同步。机组达到95%转速后，励磁调节器由励磁电流闭环方式切换到恒电压闭环运行方式。

励磁装置在背靠背拖动启动过程中，励磁调节器控制流程切换至背靠背发电拖动工况，采用恒电流闭环方式运行，投入V/Hz过磁通限制。在升速过程中，励磁电流按预先设定的电流参考值曲线调整，直至拖动泵启动机组顺利并网。

3.3 新的励磁装置特点

（1）高可靠性的硬件结构：调节器采用（DSP+FPGA）+ARM+MCU共同构成3个层面向对象的硬件系统。DSP数字信号处理器作为核心层，承担着所有励磁调节器控制任务，FPGA为I/O中心；第2层ARM系统为通信中心，构成了主从多CPU系统作为DSP与外部通信的平台，提供灵活的通信接口，也为DSP与外部建立了安全隔离；最外层MCU以32单片机为中心人机接口层，提供丰富和灵活的人机交互操作平台。此结构不但提供了丰富的硬件资源，并且可以最大程度的保障系统安全。

（2）多项输入信息容错技术保障：调节装置可通过多数据量的逻辑比较，自动识别输入模拟量和开关量的异常或错误，进行容错处理，防止输入信息异常导致的调节器输出偏差，保护发电机等设备安全。进行容错处理信息如下：机端电压输入错误；定子电流测量错误；励磁电流测量错误；发电机频率测量错误；有功功率与无功功率测量错误；开机与停机令错误；增、减励磁信号错误；发电机出口断路器信号错误等。

（3）强大的事件纪录功能：调节器可以保存故障发生前后20 s的各类数据，包括28个模拟量参数和128个数字量和状态量，对发生的操作或事件进行顺序记录，包括事件的发生、持续时间和电量参数波形，每次记录128个独立事件。调节器内存中最多保存8次录波数据，可同时存储1 024组事件记录，且装置失电时数据不丢失，便于装置或外系统等设备故障的分析与判断。

沙河电站励磁装置改造，在全国抽水蓄能行业，率先实现了抽水蓄能机组励磁设备国产化改造。新的励磁装置实现调节器和功率柜的双冗余，使机组运行稳定性和安全性大幅度提高，有效解决了装置运行备品备件供应和技术支持问题。后期，在江苏省电力科学研究院的组织下，分别进行了机组进相运行、励磁建模、PSS参数整定等三项试验，试验结果满足国家和行业最新规程规范标准，改造工作达到预期效果。

4 设备改造工作综述

目前，全国早期建成运行的抽水蓄能电站大部分自动化设备主要为国外厂商提供，存在设备核心技术保密、缺乏有效技术支持、运行维护费用高等问题。随着计算机技术在自动控制领域的不断应用，国内许多自动化设备生产商所提供设备已完全能够满足抽水蓄能电站安全稳定运行的需求，抽水蓄能电站进口自动化设备的国产化替代必将大势所趋。

在2010年至2013年间，沙河电站对2台机组保护、励磁、电调、温度测量等装置进行了系统改造，并在同一时期，新增设1套南瑞继保公司的SFC静止变频器系统。上述设备使用多年来整体运行情况稳定、良好。通过系统自动化设备改造工作，使机组的启动不成功和非计划停机等运行考核指标显著下降，安全运行水平有了质的提高。自动化设备的国产化成功改造，使沙河电站对江苏电网的贡献度和设备运行的经济性均得到较大提升。

沙河电站通过对自动化系统改造工作总结，获得以下经验：

（1）国产化设备运行安全稳定。沙河电站自2010年设备改造以来，未出现影响机组安全运行的自动化设备故障，机组运行稳定。在外部系统出现的几次故障时，有关自动化设备均做到测量精准、动作灵敏、分析正确。

（2）技术支持快速、服务到位。国内设备厂商对电站设备故障均比较敏感，接到用户电话后能够迅速开展技术指导或派人现场服务，主动解决用户提出的改进意见。大多数厂商都进行备件的储备并免费更换，用户基本不需要大量采购板件作库存备品，相对节省了用户资金。

（3）国产化设备价格合理。沙河电站机组保护装置采购费用少于20万元，励磁装置采购费用大约为30.6万元。而据了解北方某蓄能电厂和南方某蓄能电厂机组保护采购都接近百万元，北方某蓄能电厂励磁装置采购费用采购费用近130万元。采购价格差距巨大。

（4）通过厂商设备出厂培训和现场安装调试等方式的有效沟通，使电站人员技能快速提高，基本能够掌握包括核心技术在内的设备运行与维护能力，非常有利于电站的安全稳定运行管理。