抽水蓄能电站保安电源配置分析

李璟延

（国网新源控股有限公司基建部，北京市 100761)

抽水蓄能电站保安电源配置分析

李璟延

（国网新源控股有限公司基建部，北京市 100761)

抽水蓄能电站能为电网提供优质的大容量清洁电力储备，很好地满足了电网安全稳定经济运行需求，更是吸纳新型绿色能源稳定入网的关键保障。为了使抽蓄电站更好地服务电网，本文介绍了我国在运、在建抽蓄电站典型枢纽结构，重点介绍了抽蓄电站保安电源配置及负荷分配原则，统计分析了现行抽蓄电站事故保安电源配置情况和主要影响因素，明确了保安负荷确定原则以及保安容量的计算方法。研究不仅为从事抽蓄建设管理的人员提供技术指导和帮助，也为我国抽蓄电站未来的设计规划提供重要的参考和依据。

抽水蓄能电站；枢纽结构；厂用电；保安负荷；保安电源

0 引言

作为电力系统的特殊电源，抽水蓄能电站具有调峰、填谷、事故备用和黑启动等多种功能，不同运行方式间启停、转换灵活迅捷，是电力系统稳定、安全、经济运行的重要支撑，也是目前电网最经济的大规模储能设施[1]。随着我国经济社会的发展，电力系统规模不断扩大，用电负荷和峰谷差持续加大，电力用户对供电质量要求不断提高；此外随机性、间歇性绿色新能源大规模开发，抽蓄发展对保障电力系统安全稳定经济运行、缓解电网调峰调频矛盾、增加新能源电力消纳、促进能源结构调整、实现可持续发展具有重大意义[2]。

研究表明，抽水蓄能容量在电力系统中所占最佳比例应为总装机容量的5%～10%。而我国抽水蓄能仅占不到2%，未来仍有巨大发展空间[3]。抽蓄电站面临历史上最好的发展时期，未来具有良好的经济效益和广阔的发展空间。当前智能电网建设飞速发展，电力储能技术要求日益提高，可以说未来智能电网的核心应该是电力储能技术智能化的发展，因此抽水蓄能电站建设显得日益重要和迫切。

由于抽水蓄能电站在电网中承担的特殊功能，要求其必须配置事故保安电源，用以应对抽蓄电站可能与电力系统和外来电源失去联系而无法启动或可能影响人身、电站、设备安全的事故应急工况。正确选取抽蓄电站保安负荷，合理配置抽蓄电站保安电源关系到抽蓄电站设计的科学性和经济性[4-6]。

1 抽蓄电站的发展

最早以蓄水为目的的抽蓄电站发展至今，已有近百年历史[7]。截至2014年底，我国建成并投运的大中型抽蓄电站三十多座，极大优化了能源结构。目前，世界各国政府纷纷降低化石能源比例，努力推进绿色能源开发和终端用户电力替代，实现经济发展与环境保护和谐共处[8]。2014年，电网带头落实“一带一路”战略，构建全球能源互联网，极大促进了风能、太阳能、潮汐能及生物等可再生清洁能源的开发与利用。抽蓄电站具有独特的运行特点和结构形式，立足于常规水电，运行理念和管理方式又不同于常规水电。实现了储能和发电的自由转换，是目前运行环境最优良的物理储能方式[9]。

2 抽蓄电站的典型枢纽结构

抽蓄电站枢纽建筑物主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等组成。输水系统位于上、下水库间的山体内，主要包括：上水库进出水口、上水库闸门井、上平洞、引水调压室、上斜井、中平洞、下斜井、下平洞、引水钢管等[9]。

由于兼顾抽水和发电需要，机组需要有一定的淹没深度，因而主设备大都布置在山体内。地下厂房洞群主要包括主副厂房、主变洞、尾水闸门洞、母线洞、进场交通洞、通风兼安全洞等附属洞室。主副厂房洞与主变洞、尾水闸门洞依次平行布置。典型抽蓄电站水道系统引水部分为一洞两机供水方式，尾水部分采用两机一洞布置。中央集控室布置在地面，机组开停机操作主要在地面控制室内进行，设备巡检和维修则在地下厂房内进行，运维人员配置较分散。某抽蓄电站典型地下引水系统结构如图1所示。

3 抽蓄电站厂用电系统介绍

抽水蓄能电站为地下厂房，主要电气设备布置在地下洞室内，厂房内的通风、供排水、消防、照明等厂用电负荷较常规水电站大；地面建筑物如上水库、下水库、开关站、中控楼等生产用电均取自厂用电系统。因此抽水蓄能电站要求厂用电有较高的供电可靠性和灵活性，以确保电站安全可靠运行[10]。

厂用电接线取自两个联合单元的发电电动机机端换相开关与主变压器低压侧之间。当机组发电时由机端取得电源；当机组停机或作水泵工况运行时，可以从500kV系统倒送厂用电。

为确保厂用电可靠，从地区电网另引接一回电源进入电站作为备用电源，该备用电源一般是在电站施工期之初完成引接，主要担负电站施工期用电运行需求。以四段厂用电母线为例，某抽蓄电站厂用电接线如图2所示。

由图2可知，电站厂用电电源有四种获取方式：①从发电电动机出口引接一台厂用变压器；②500kV系统倒送电；③从地区电网引接一回厂用备用电源；④事故保安电源。各段母线之间设置母联开关，各段母线负荷平均分配，保证抽蓄电站各用电负荷供电电源安全可靠。

图1 抽蓄电站典型地下引水系统结构示意图

图2 某抽蓄电站厂用电接线图

4 抽蓄电站事故保安电源配置

4.1 事故保安电源配置原则

除了从发电电动机出口引接一台厂用变压器，以及500kV系统倒送厂用电两路电源外，抽水蓄能电站在施工期会从地区电网引接一至两回电源作为施工供电电源，施工期结束后自行转为电站运行备用电源，但因为该电源为地区电源，可靠性难以保证。抽水蓄能电站是地下厂房，作为电网的重要紧急事故备用电源，必须保证在紧急情况下电站地下厂房、大坝的安全和系统的紧急事故备用，故需要设置事故保安电源[11]。

相关标准规定，对于担任系统峰荷、经常全厂停机的特别重要的大型水电厂或抽水蓄能电厂，如有可能与系统失去联系，又无其他可靠的厂用电外来电源，致使机组无法启动，影响大坝度汛安全或厂房可能被淹没及人身或设备安全时，经济技术比较后，可设置应急电源[11]。应急电源，也称事故保安电源，主要用于满足保安负荷要求。

事故保安电源设置应遵循以下原则[12]设置：抽水蓄能电站设置保安电源，容量配置及电能质量应满足保安负荷要求。当抽水蓄能机组承担黑启动功能时，保安电源宜兼作黑启动电源，其容量应保证黑启动机组安全启动必要的附属和辅助设备电源负荷需求。保安电源与厂用电工作电源应独立，且应有防止两种电源并列运行的措施。需要时，保安电源应能自动启动投入运行。当供电距离较远时，可将保安电源布置在坝区附近。保安电源应包括厂房保安电源、黑启动机组及其他。蓄能电站宜设置专用的保安电源母线。当保安电源与电站厂用电备用电源共用一段母线时，应设置闭锁装置。此外保安负荷应由两回独立电源供电，分别取自厂用电电源和保安电源。

4.2 事故保安电源装置选取原则

近年来由于柴油发电机性价比的日益提高，已经成为抽蓄电站常用的事故保安电源选择之一，尤其是北方抽蓄电站，常常采用柴油发电机作为事故保安电源。南方因为河流雨水充沛，常选用小水电作为事故保安电源。此外也可采用逆变直流电源作为保安电源。统计分析了全国29个抽水蓄能电站的事故保安电源选取类别，如图3所示。其中，采用小水电的占6%，采用直流蓄电池的占6%，绝大多数抽蓄电站采用柴油发电机，约占88%。

图3 抽蓄电站事故保安电源选取统计

柴油发电机组作为保安电源时，应具备快速启动功能，当厂用电系统电源恢复正常后，应能自动切换和自动延时停机。由于柴油发电机一般布置在靠近负荷端，且10kV额定电压柴油发电机价格较高，故宜优选额定电压0.4kV，中性点直接接地的柴油发电机组做事故保安电源。由于柴油发电机需要定期维护检修，故不宜布置在地下厂房。

当电站专设小水电机组作为保安电源时，为保证保安电源的可靠性，宜配置两台小水电机组，且单台机组的容量应能满足电站保安负荷所需。此外，为满足黑启动功能，小水电机组应具备孤网运行能力。因为小水电多在水库附近，远离中控室，故小水电机组应具备远方启停功能，当厂用电电源恢复正常后，应能自动切换和自动停机。

4.3 事故保安负荷确定原则

事故保安电源负荷主要包括：厂房保安负荷、黑启动机组所需负荷以及上下水库大坝泄洪设施用电负荷三部分[13]。其中厂房保安负荷主要包括：渗漏排水用负荷；电站消防水泵、消防排烟风机、消防电梯等消防用设施用电负荷；以及应急照明、疏散指示等负荷。黑启动机组所需负荷主要包括：机组启停和正常运行时所需要用电负荷；主变压器空载冷却系统等电气设备所需用电负荷。

当抽水蓄能机组承担黑启动功能时，事故保安负荷应当包括机组黑启动机组所必须的附属和辅助设备负荷要求，保安电源负荷应当能涵盖厂房保安负荷和黑启动机组所需的负荷。

此外，如果上、下水库大坝承担泄洪任务时，由于与地下厂房距离相隔较远，需要单独加装保安电源以满足泄洪设施用电负荷需求。统计分析了29个抽蓄电站，其中担负泄洪功能的有11个，约占38%。为满足泄洪功能需求，抽蓄电站根据泄洪用电负荷，均单独在大坝附近加装了保安电源。

4.4 事故保安电源容量确定原则

事故保安电源容量一般应同时满足几种负荷的需要。根据保安负荷特征，确定保安电源容量。如抽蓄电站具有黑启动功能，保安电源容量按电站事故时可能的最大运行方式，最低的黑启动负荷容量加上厂房保安电源容量等综合计算比较确定。

厂房保安电源容量应满足相应保安负荷用电的需要，主要包括电站全部工作渗漏排水泵运行容量。如当渗漏排水泵所需的保安电源容量过大时，可与其他保安电源分开单独设置。调研统计分析了29个抽蓄电站，在保安电源容量选取中，渗漏排水泵的运行容量对保安电源容量的确定起了关键决定作用。7个具有自流排水洞的抽蓄电站，其地下厂房所需的保安电源容量大大减小，可见渗漏排水是影响抽蓄电站保安电源容量非常重要的因素。渗漏排水泵与柴油发电机的容量比统计如图4所示。

由图4可知，18个需要安装渗漏排水泵的抽蓄电站，渗漏排水泵容量占事故保安电源容量60%以上的有12个，也即12个电站事故保安电源60%以上的容量分给了渗漏排水泵使用。故渗漏排水泵是事故保安电源的重要负荷，抽蓄电站地下厂房的特点决定了渗漏排水防范是厂房安保的第一要务。

此外厂房保安电源还需满足消防系统用电负荷，包括消防水泵、事故排烟风机、消防电梯等的最低需要。满足无交、直流逆变电源的应急照明需要。满足最大单台电动机或成组电动机的启动容量，并进行校验。满足启动最大单台电动机时母线允许电压降校验电源容量。当最大电动机启动时，厂用电母线上的电压水平不应低于额定电压的80%。

黑启动机组负荷容量应满足一台机组黑启动、运行时所需的最低用电负荷。当兼作黑启动电源时，其容量按厂房保安负荷、黑启动负荷两者的最大值确定。

其他事故保安电源容量应满足上、下水库大坝防汛设施等所需的用电负荷要求。

4.5 事故保安电源容量计算

保安电源容量计算需要考虑稳定负荷容量，以及保安电源启动负荷包含最大单台容量电动机或成组电动机时的负荷计算，最后选取两种计算的最大值[10]。

（1）保安电源的稳定负荷计算，可采用式(1)计算。

式中：SJS1——计算负荷，kVA；

ηΣ——计算负荷的效率，一般取0.82～0.88；

cosϕ——计算负荷的功率因数，可取0.80。

（2）保安电源启动负荷包含最大单台容量电动机或成组电动机时，保安电源计算负荷，可采用式（2）计算。

式中：SJS2—— 当负荷包含最大单台容量电动机或成组电动机时，保安电源计算负荷，kVA；

Pm—— 启动最大容量电动机或成组电动机的容量，kW；

cosφm——电动机的启动功率因数，一般取0.4；

ηd·cosφd—— 电动机的效率和额定功率因素乘积，简化计算时取0.80；

cosφG—— 当保安电源为柴油发电机时的功率因素，可取0.80；

Kdq——电动机的启动倍数；

C—— 按电动机启动方式确定的系数；全压启动C=l.0，—△启动C=0.67；

PΣ、ηΣ——含义同式(1)说明。

（3）保安电源输出容量最大计算负荷，可采用式（3）确定。

式中：SB1——保安电源的额定容量，kVA。

5 结论

抽蓄储能产业在我国起步较晚，近几年才开始大力发展。因为抽蓄本身优良的储能特性，对电网稳定运行起到了至关重要的作用。随着风能、太阳能以及潮汐等新能源的开发和利用，反过来也催生了储能技术，尤其是抽蓄储能产业的进一步的发展和完善。目前，抽水蓄能领域有许多问题等待探索和规范。为了对以后抽水蓄能电站的建设和运行提供指导和帮助，本文介绍了抽蓄电站的现状和运行特点，抽蓄电站典型枢纽结构，以及电站厂用电系统，重点研究探讨了蓄能电站事故保安电源的配置，统计分析了现行抽蓄电站事故保安电源的配置情况和主要影响因素。

[1]李浩良，孙华平. 抽水蓄能电站运行与管理 [M].杭州：浙江大学出版社，2014.

[2]刘振亚. 全球能源互联网[M]. 北京：中国电力出版社，2015.

[3]国家发展改革委关于促进抽水蓄能电站健康有序发展有关问题的意见(发改能源[2014]2482) [Z]. 2014.

[4]邱彬如，刘连希. 抽水蓄能电站工程技术[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

[5]黄悦照. 抽水蓄能电站建设与运行案例分析[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

[6]何永泉，林肖男. 已投运大型抽水蓄能电站运行情况概述//抽水蓄能电站运行技术文集[M]. 郑州：黄河水利出版社， 2006： 3-9.

[7]晏志勇，翟国寿. 我国抽水蓄能电站建设前景展望//抽水蓄能电站工程建设文集 [M]. 北京：中国电力出版社，2006： 15-19.

[8]马明刚. 抽水蓄能电站运行管理模式浅析//抽水蓄能电站运行技术文集 [M].郑州： 黄河水利出版社， 2006： 10-16.

[9]刘振亚. 国家电网公司抽水蓄能电站工程通用设计——地下厂房分册 [M].北京： 中国电力出版社， 2013.

[10]NB/T 35044—2014 水力发电厂厂用电设计规程 [S]. 北京：新华出版社，2015.

[11]DL/T 5208—2005 抽水蓄能电站设计导则 [S]. 北京：中国电力出版社，2005.

[12]DL/T 5186—2004 水力发电厂机电设计规范 [S]. 北京：中国电力出版社，2004.

[13]中国水电顾问集团北京勘测设计研究院. 河北丰宁抽水蓄能电站设计报告 [R]. 2010.

李璟延（1977—），女，博士，高级工程师，主要从事抽水蓄能电站电气技术研究及管理工作。

The Design and Analysis on the Emergency Power Supply Configuration of Pumped Storage Power Plant

LI Jingyan
(State Grid Xinyuan Company LTD, Infrastructure Department,Beijing 100761, China)

Pumped storage power plant can provide high-quality and large-capacity clean power for the current power grid. It is good to meet the needs of grid security and stability. Besides,it is the stable storage guarantee for the new green energy accessed to the grid. To make the pumped storage power plants to better serve the grid, the paper elaborated on the development and the operating characteristics of the pumped storage power plants under construction and operation. It was described that the typical hub structure of pumped storage power plant, and the power and load distribution principle of their auxiliary power system. The research focused on the principles and requirements of emergency power supply, and determined the principles and calculation methods of the security load capacity. At last, the ideas had been put forward the future settings of the emergency power supply of pumped storage power plant. The study not only provides technical the guidance and assistance for the construction managers, but also provide the important reference and basis for our future pumped storage power plant design and planning.

pumped storage power plant; Hub structure; auxiliary power; security load; emergency power supply