抽水蓄能机组电动工况启动的自动控制

杨文道，张岩雨，潘菊芳

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江省天台县 317200）

抽水蓄能机组电动工况启动的自动控制

杨文道，张岩雨，潘菊芳

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江省天台县 317200）

本文详细介绍了华东某抽水蓄能电厂机组电动工况启动一次主回路、自动控制系统结构以及由SFC和BTB启动时的控制逻辑流程。

抽水蓄能电厂；电动工况；SFC；BTB；启动；主回路；控制逻辑

0 概述

某抽水蓄能电厂位于浙江省境内，属日调节纯抽水蓄能电站，装设有4台300MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机—发电电动机组及其辅助设备，机组主要有发电、发电调相、抽水、抽水调相等4种正常运行工况，还有水轮机、线路充电（零升）、水泵拖动等3种特殊运行工况，在华东电网中承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用等作用。

电站机组电动工况启动优先采用静止变频启动装置（SFC）启动，在SFC启动无效时可用其他机组采用背靠背（BTB）方式启动。SFC启动是指由静止变频装置产生频率和电压均变化的电源拖动发电电动机从静止至额定转速直至并网；背靠背启动是指用本电站机组作为拖动机，拖动其他机组从静止至额定转速直至并网，相对于SFC启动而言具有投资成本低，启动速度快等优点。

1 电动工况启动的一次主回路

如图1所示，电站采用一机一变组合单元接线，发电机额定电压为18kV。换相闸刀PRD1用于满足机组发电方向和抽水方向运行时对相序的不同要求，拖动刀BTB1、被拖动刀SFC1以及启动母线都是为了机组电动工况启动而设置的，三者都是抽水蓄能电站特有的设备。电站4台机共用一套静止变频启动装置，由法国CONVERTEAM公司生产，额定容量为17MW。SFC电源取自1、4号主变压器低压侧，利用SFC输入闸刀和输入开关来选择输入电源的取向。

图1 电动工况启动的一次主回路图

用SFC拖动1号机的电气连接为：1号机定子引出线通过1号机被拖动闸刀SFC1、启动母线I段闸刀ST1、SFC输出开关，与SFC装置构成回路，由SFC装置拖动1号机电动工况启动至额定转速。当SFC启动无效时可用其他机组采用背靠背（BTB）方式启动，例如用2号机拖动1号机的电气连接为：1号机定子引出线通过1号机被拖动闸刀SFC1、2号机拖动闸刀BTB2、2号机开关GCB2，与2号机定子引出线构成回路，此时2号机工作在发电状态，拖动1号机电动工况启动至额定转速。

2 电动工况启动的控制系统结构

电动工况启动的自动控制系统由两部分组成：电站计算机监控系统和常规硬布线控制回路，监控系统完成逻辑控制和数据通信任务，少量重要的控制命令和反馈信息采用硬布线回路来实现。监控系统现地控制级配有9个LCU，其中LCU1～LCU4用于4台机组的监视和控制，LCU5用于地下厂房所有公用设备的监视和控制，LCU5在启动母线闸刀控制系统、SFC系统和机组LCU之间起到桥梁作用，SFC及BTB拖动时所需的大部分信息和命令均由它来传送。

如图2所示，机组和公用设备LCU之间通过100Mbps冗余双光纤交换式工业以太环网进行通信，机组调速器、励磁系统采用双绞线通过交换机与机组LCU通信。LCU5与SFC之间采用Modbus协议通信，并采用光纤连接，通信速率为19200bps。

3 SFC启动机组的控制逻辑流程

下面以SFC拖动1号机为例，结合图3介绍SFC处于“冷备用”状态时拖动机组的整个过程，剖析SFC系统、监控系统以及励磁系统之间的相互联系。

如果SFC自身无故障并且允许远方操作，则SFC发送“启动预条件满足”信号到监控系统，机组LCU1收到 “抽水调相开机令”后，有序地进行启动协调工作，下列流程中未注明来源的操作命令均由LCU1来完成。

启动机组辅助设备：推力轴承高压注油泵、技术供水泵、各导轴承油盆的排油雾电机等，使机组进入STANDSTILL状态。

将换相刀合于电动机方向、退出机组机械制动器、向LCU5发令合上启动母线I段闸刀ST1。

向LCU5发出“SFC启动准备”，由LCU5和SFC共同完成启动前的准备工作：由LCU5打开SFC输入变压器、输出变压器和功率柜的冷却水电动阀；由LCU5给SFC发出“上电命令”，SFC系统的控制逻辑会自动合上谐波滤波器开关，启动输入输出变压器油泵、去离子水泵、风扇等辅助设备，完成后给LCU5发送“SFC辅助设备启动成功”信号；SFC请求LCU5根据1、4号主变压器的运行状况来判断合上一路SFC输入闸刀和输入开关，优先选择1号主变压器低压侧电源；输入开关合上后，SFC便进入了“热备用”状态；SFC发令合上输出开关，然后通过LCU5向LCU1发送“SFC启动准备完成”信号。

合上机组1号机被拖动闸刀SFC1，开启机组迷宫环冷却水阀。

图2 电动工况启动的控制系统结构图

向励磁发令进入SFC启动模式，励磁系统自动执行该模式的逻辑，合上励磁变压器低压侧开关和灭磁开关，并切换到恒励磁电流调节工作方式，同时初始励磁电流设定值变为SFC启动所需的励磁电流值，之后向LCU1发送“励磁准备完成”信号。

LCU1向SFC发出“SFC启动令”，SFC接令后向励磁发出“释放令”，此时励磁系统启动，给机组加上励磁电流，同时给SFC发出“励磁SFC模式已释放”的反馈信号，SFC收到该信号后立即测量转子的初始位置，进而将机组拖动起来。如果机组转速在40s之后还是小于1%，LCU1将发出“跳机令”，停止SFC拖动。

当机组转速大于10%时，启动机组调相压水控制逻辑，用高压气体将转轮室水位压低，使机组在空气中旋转，减轻SFC的启动负荷。

当机组转速和电压都大于90%时，投入自动准同期装置，同时向调速器发送“调相运行令”。机组出口开关GCB1合上后进入抽水调相工况运行，LCU1将“SFC启动令”复归，SFC将闭锁输出电流后跳开输出开关，SFC处于“热备用”状态。如果启动之前操作员要求SFC到“冷备用”状态，则SFC将发令LCU5跳开输入开关，并延时停止SFC所有辅助设备、关闭外部冷却水电动阀。

拉开1号机被拖动闸刀SFC1，向励磁发令“工作于无功调节模式”，并且向LCU5发令拉开启动母线I段闸刀ST1，至此SFC启动1号机的整个过程完成。

4 BTB启动机组的控制逻辑流程

被拖动机从停机到抽水调相，需经过停机（1）—静止（S）—抽水调相（4）三个阶段，执行1S、S4两个工况转换。拖动机则需经过停机（1）—静止（S）—拖动机（P）三个阶段，执行1S、SP两个工况转换。

背靠背拖动之前必须确保两台机组均处于可用状态，被拖动机收到抽水调相令（SCPO）后，触发1S步序，执行1S顺控流程使机组到达静止工况，而后触发S4B步序至抽水调相工况。被拖动机在开机的同时以通信方式给拖动机一个启动命令（GBX_LERO），拖动机便执行1S步序，当拖动机和被拖动机同时到达静止工况时，拖动机触发SP步序开始拖动机组，拖动成功后执行拖动机的停机流程。

图3 SFC启动机组的控制逻辑流程

4.1 拖动机SP转换控制流程

步序SP-1：发令退机械制动、分中性点闸刀、合拖动刀，通知励磁系统进入背靠背模式和拖动机启动模式；调速器系统工作于拖动机模式；机组保护退出大差和100%定子接地两套保护，并确认拖动刀、励磁FCB开关在合闸状态，中性点闸刀在分闸状态。

步序SP-2：发令开球阀、投同期装置，确认机械制动退出、球阀开度大于30%机组开关合闸、被拖动机S4B-4步序已执行完毕，然后投入被拖动机励磁。

步序SP-3：发令调速器拖动机模式启动、励磁背靠背模式启动，确认机组转速上升至90%以上、励磁已投入、被拖动机的出口开关已合闸等信号。

步序SP-4：发令分拖动机出口开关，退出励磁，确认机组开关分闸、励磁退出。

步序SP-5：发令分拖动刀，确认拖动刀分闸，该步执行完成后拖动机转停机流程。

4.2 被拖动机S4B转换控制流程

步序S4B-1：发令换相刀合于抽水方向、退出机械制动、启动母线闸刀合闸，通知保护系统进入被拖动机模式，确认换相刀合于抽水方向、启动母线闸刀在合闸位置。

步序S4B-2：发令打开迷宫冷却水阀、合被拖动刀，确认迷宫冷却水阀已打开、上下迷宫冷却水流量正常、被拖动刀在合闸状态，拖动机已经启动（即拖动机已执行SP流程，机械制动已退出，机组开关已合闸，球阀开度大于30%）。

步序S4B-3：通知励磁系统进入背靠背模式、被拖动机启动模式，确认励磁已投入、机械制动退出。

步序S4B-4：发令开始压水，发令通知拖动机启动，确认机端电压大于90%、转速大于98%、压水成功。执行该步后30s内若拖动机的转速仍小于1%，将发出跳闸令，停拖动机和被拖动机。

步序S4B-5：发令投入同期装置、调速器调相模式启动，确认机组开关在合闸状态。

步序S4B-6：发令分被拖动刀、启动母线闸刀、励磁系统运行于无功调节模式，确认被拖动刀和启动母线闸刀均已分闸。

4.3 拖动机与被拖动机之间的关联

拖动机与被拖动机之间的控制逻辑关联如图4所示，在拖动过程中，拖动机与被拖动机在各自执行自身逻辑之外，还与对方有着密切的配合。倘若两者之间的配合不到位，如拖动机与被拖动机之间的转差大于5%等将导致拖动失败，拖动机和被拖动机直接转停机。在拖动过程中，拖动机和被拖动机中任何一台机组有跳闸事故发生，在跳闸信号出口的同时也会给对方发一个停机令，让对方转停机。

图4 拖动机与被拖动机之间的控制逻辑关联图

机组在BTB模式启动过程中，不同于正常发电开机，其励磁系统、调速器系统、保护系统都有着特殊的运行模式。拖动机与被拖动机在拖动过程中，励磁系统均处于手动电流调节模式，即给励磁设定一个恒定的额定空载励磁电流，励磁控制器根据该设定值进行调节，机组转速上升，频率上升，机端电压也随之上升。当被拖动机的机端电压升至90%时，被拖动机的励磁系统自动切换至自动电压调节模式。机组保护装置在背靠背拖动启动过程中，保护装置将闭锁部分保护，如拖动机将闭锁大差、100%定子接地、失磁等保护，同时切换相应保护的整定值及动作时间等参数。

5 电动工况启动出现的问题及解决措施

5.1 SFC输出变重瓦斯继电器动作跳SFC进线开关

SFC启动机组过程中发出“SFC瓦斯继电器报警”等信号，SFC进线开关跳闸，机组电动工况启动失败，该报警信号264ms后自动复归，现场对SFC装置进行告警复归后，即能投入热备用状态。

现场对输出变压器进行全面检查，分析输出变压器瓦斯继电器和相关回路，认为造成重瓦斯继电器动作的可能原因有：输出变压器油中“瓦斯”气体含量超标；重瓦斯继电器接点抖动；跳闸回路长电缆受强电磁场干扰。

SFC输出变压器重瓦斯保护动作后，未发现变压器油枕中存在真空状态以及漏油现象；油样检测结果显示变压器油中各种气体的含量均在标准范围之内，符合运行要求。根据保护设置原理在任何情况下，一种短路至少由2个不同的保护功能保护，由不同的传感器探测，即保证保护的冗余配置，但SFC输出变压器重瓦斯保护动作时其他保护均未动作，且重瓦斯保护信号可自行复归。综合以上因素，可排除SFC输出变压器油中“瓦斯”气体含量超标引起的重瓦斯保护动作。

对 SFC相关控制回路录波，扑捉到因为输出变压器瓦斯继电器接点抖动造成SFC跳闸事件。重瓦斯继电器整定值校验也没有偏差。分析继电器动作回路，重瓦斯保护是通过重瓦斯继电器的常闭接点驱动中间继电器，然后由中间继电器的常开点送硬布线回路瞬时出口跳闸，同时送SFC控制器延时2s出口跳闸并上送信号到上位机。经过分析认为继电器的常闭点抖动的可能性大于常开点，为将继电器抖动的可能性降到最低，决定采用其常开接点并修改相应的控制回路和监视回路，以求解决并监视误动问题。

采取上述措施运行一段时间后，瓦斯继电器仍会偶发动作，认为是由于相关电缆干扰引起误动。为避免DC24V继电器，因为强电的干扰造成误动作，将回路控制电源改成DC220V。在SFC变压器本体控制箱中，新增加一只大功率继电器（7W），以防止瓦斯继电器受干扰影响造成误动。同时增加一只掉牌信号继电器，瓦斯继电器动作后直接驱动大功率继电器，同时用该大功率继电器的其中一副常开点驱动掉牌信号继电器，用以监视大功率继电器的动作情况，倘若跳闸事件再次发生，可以由该继电器是否掉牌来确定是瓦斯继电器本身误动还是跳闸回路中间继电器受长电缆干扰引起误动。

上述措施实施后，至今未发生过类似跳闸事件，故SFC跳闸回路长电缆受强电磁场的干扰以及瓦斯继电器本身接点抖动导致SFC跳闸的可能性极大。

5.2 BTB启动出现的问题及解决措施

低水头下BTB拖动失败：某电站4号机作为拖动机且水头低于254m时，在拖动过程中曾发生多次调速器导叶开度值达到设置的启动开限值，但转速未达到98%，即开限压住开度，机组转速无法上升，从而造成拖动失败。在和厂家人员多次沟通后，认为4号机由于安装工艺或其他原因，转动阻尼比其他3台机组大，而之前设置的拖动机一级启动开限已不能满足该启动要求，只有增大该参数；但参数修改存在严格的要求和一定的安全隐患，为选取合适的参数，经厂家人员严密计算并经现场多次低水头背靠背开机验证，最终确定将4号机的拖动机一级导叶开限参数在原有基础上增加2个点。该异动实施至今，4号机没有再发生此类事件。

98%转速信号抖动引起BTB拖动失败：在背靠背拖动启动时，当被拖动机转速大于98%以后，同期装置投入，同期装置的调节可能造成转速低于98%，原逻辑中转速大于98%作为S4B-4中的一个反馈，倘若此信号丢失或抖动，流程会立即下发步序S4B-5前提条件不满足的信号，机组也将自动转停机。为避免该事件的发生，在反馈“转速＞98%”之后加入一自保持回路，即只要转速上升至98%，该反馈就满足，即使同期调节或其他原因导致转速低于98%，也不会造成该反馈丢失。

6 结束语

SFC和背靠背启动技术是抽水蓄能电厂特有的，其控制流程复杂，只有全面、深入地掌握相关控制流程以及SFC启动时SFC与机组控制系统之间、背靠背启动时拖动机与被拖动机之间的关联，并加强对以往拖动过程中异常事件的分析，才能更好地掌握其特性，设备故障时才能更好、更快地作出处理。某抽水蓄能电厂SFC和BTB拖动的控制系统技术较为成熟，控制流程较为完善，水泵工况启动的成功率达99%以上，可供同类电站借鉴。

杨文道（1973—），男，本科，高级工程师，主要研究方向：水电厂监控系统与自动化。E-mail：13968591105@163.com

张岩雨（1982—），男，本科，工程师，主要研究方向：特长水电厂运行维护。E-mail：13706549315@qq.com

潘菊芳（1982—），女，本科，工程师，主要研究方向：水电站运行、综合管理。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