湖南平江抽水蓄能电站控制保护和系统通信方案研究

2017-04-08邓斌韩标

水电站机电技术 2017年4期

关键词：平江电站水库

邓斌，韩标

（1.国网新源控股有限公司，北京100761；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京100161）

湖南平江抽水蓄能电站控制保护和系统通信方案研究

邓斌1，韩标2

（1.国网新源控股有限公司，北京100761；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京100161）

近年来，湖南省国民经济持续快速发展，电力需求强劲，为保障电网安全，国网新源公司有序开发湖南平江抽水蓄能电站。项目于2014年4月取得国家能源局核发的“路条”，计划2016年年底完成可研阶段全部工作并具备上报核准条件。随着各个专题工作的推进，关于电站控制保护与系统通信的规划设计工作也随即展开。抽水蓄能电站控制保护与通信是电站安全稳定运行的一个重要组成部分，本文根据保护控制、自动化等专业当前规程规范展开了对平江抽蓄电站该部分的规划设计，结合现有运行电站设备配置情况，分析控制保护和系统通信优化配置的有利因素，并提出了规划设计方案。研究结果为平江抽蓄电站后续阶段提供设计研究技术支撑依据。

控制保护系统；自动控制；安全自动装置；系统

随着湖南平江抽水蓄能电站工程各项前期工作的稳步推进，可研阶段各专题工作的全面开展，电站控制保护和系统通信规划设计方案将成为后续建设、运行的重要智能化支撑，成为影响电站智能化水平的重要制约性因素。作者据此对于电站控制保护与系统通信的规划设计工作进行深入研究及讨论。

1 平江抽水蓄能电站项目概况

平江抽水蓄能电站位于湖南省平江县福寿山镇境内，连云山脉福寿山西北坡，其中上水库布置在福寿山福寿林场的大福坪，下水库布置在位于福寿山山脚的吉星村。上、下水库均位于汨罗江二级支流百福水上游。电站地处湖南东北部，紧邻湖南电网负荷中心长、株、潭地区，距离长沙市75 km，距平江县城39 km，地理位置优越。

平江抽水蓄能电站上水库正常蓄水位1 062.00 m，死水位1 041.00 m，调节库容556.80万m3。下水库正常蓄水位415.50m，死水位387.00m，调节库容568.10万m3。电站最大发电水头675.00m，最大抽水扬程685.00m。上、下水库进/出水口水平距离约为2 910 m，额定水头637.00 m，距高比4.57。电站装机容量为1400MW (4×350 MW)。电站设计年发电量为23.43亿kW·h，抽水电量为31.24亿kW·h。工程静态投资为61.03亿元，单位千瓦投资为4 359元/kW。

2 平江抽水蓄能电站在电力系统中作用和效益分析

依据相关研究成果，并对比分析有、无平江抽水蓄能电站两种情况下湖南电力系统模拟运行计算结果，平江抽水蓄能电站在系统中主要有以下几个方面的作用与效益：

（1）有效替代系统火电装机，容量效益显著

从容量替代效益分析，平江抽水蓄能电站按1 400 MW规模投入系统运行，可替代同等规模的火电机组，容量效益显著。

（2）缓解系统调峰压力，改善火电运行工况

从运行效益分析，平江抽水蓄能电站不仅可承担尖峰负荷，而且还可以填谷，即具有双重调峰功能，可有效缓解湖南电力系统的调峰压力，改善系统火电运行工况，降低电网运行成本。平江抽水蓄能电站投入系统运行后，2025年水平可降低系统火电平均调峰率7.98个百分点，提高火电机组年发电利用小时数181 h。

（3）减少化石资源消耗，减轻环境保护压力

湖南省能源消费结构以一次能源为主，火电和水电并重，燃烧产生的二氧化碳等氧化物对生态环境造成较大的污染，并带来温室效应。平江抽水蓄能电站投入系统运行后，2025年水平较无抽水蓄能方案节省标准煤耗8.27万t。平江抽水蓄能电站的建设可减少化石能源的消耗，同时还减免了火电站运行过程中的废水、废热污染问题，减轻环境保护压力。

（4）节省系统燃料费用支出

根据有、无平江抽水蓄能电站系统运行模拟成果，湖南电力系统建设平江抽水蓄能电站每年可节省系统燃料费5 824万元。可见，建设平江抽水蓄能电站可节省湖南电力系统燃料费用现值，经济性较好。

平江抽水蓄能电站在电网中的动态作用主要表现在调频、调相稳压、负荷跟踪、事故备用和提高电网运行可靠性等。

3 控制保护系统

目前平江抽水蓄能电站项目处于研究阶段，接入系统拟以500 kV电压等级接入浏阳500 kV变电站（2019年投产），电站拟按接受华中网调及湖南省调管理的调度方式，电站调度通信接口主要包括光纤、载波等通道与各上级调度部门进行数据交换，并接受其调度命令，实现电站遥控、遥调、遥测、遥信。

电站值班方式按“无人值班”（少人值守）设计，电站发电初期按“少人值班”考虑。电站监控方式采用以计算机监控系统为基础的全厂集中监控方案，初拟在地面设置电站中控室，同时在地下厂房内考虑设置简易控制室。本电站不再设置独立的常规监控设备，出于电站安全性、可靠性考虑仅设置简单的紧急停机及紧急关闭上、下水库事故闸门的硬布线常规监控回路。

3.1 自动控制

（1）电站计算机监控系统：本电站计算机监控系统采用分层、全分布式体系结构，即采用功能及监控对象分布方式和分布式数据库系统，计算机监控系统的各种计算机设备以节点的型式通过网络组件形成局域网，实现数据信息共享，每个节点计算机设备严格执行被指定的任务并通过系统网络与其他节点进行数据通信。

本电站计算机监控系统网络结构划分为电站集中控制管理层（厂站层）和现地控制单元层（现地层）两个层次：厂站层采用双星型以太网，网络介质选用光纤（或双绞线），网络通信协议应遵守TCP/IP协议，传输速率为100 M/1000 M自适应式；现地层网络结构主要是计算机监控系统各LCU以下采用的现场总线，用以连接远程I／O及各现地智能监测设备，现场总线的物理拓扑结构为双总线型冗余结构，相应现地生产过程里的各种继电保护装置、自动化设备和装置、监测仪表和装置等均挂在相适应的现场总线上，总线介质为光纤和双绞线结合使用的方式。

平江抽水蓄能电站计算机监控系统的主要设备将按功能要求以及设备布置状况划分为厂站主控级设备和现地控制级设备二级。

厂站主控级设备主要包括：双厂级中心计算机、双操作员工作站、联合控制工作站、工程师工作站、培训工作站、厂内通信服务器、调度通信服务器、ON-CALL及语音报警工作站、GPS装置、电站层网络设备、冗余电站层UPS设备等；考虑本电站控制室的布置方式（地面控制室和地下厂房控制室），厂站主控级设备将根据电站运行方式要求以及各设备的功能特点分别布置在地面控制室和地下厂房控制室区域。

现地控制级设备主要包括：4套机组LCU、1套抽水工况LCU、1套厂内公用设备LCU、1套开关站LCU、1套上水库LCU、1套下水库LCU。机组LCU布置在各台机组机旁，抽水工况LCU和厂内公用设备LCU布置在厂房控制室内，开关站LCU布置在电站继电保护室，上水库LCU布置在上水库闸门启闭机房，下水库LCU布置在尾水闸门启闭机房。

系统软件主要包括：操作系统软件、数据采集与处理软件、数据库管理软件、应用软件、网络管理软件、AGC软件、AVC软件、LCU主要软件及通信和诊断软件等等。

（2）机组抽水工况启动：采用变频起动作为主启动方式，“背靠背”同步启动作为备用启动方式。

（3）发电电动机采用微机型自并励静止可控硅励磁装置，励磁系统采用多调节通道的励磁调节器。励磁系统除具备一般常规功能要求外，还需满足机组各种运行工况及工况转换的要求，励磁调节器应有恒功率因数调节、机组抽水启动（包括变频启动和背靠背启动）过程励磁电流调节等功能，励磁系统的PSS装置应能实现发电和抽水两种工况下参数自动切换和自动投切的控制。励磁系统具备电气制动功能。励磁装置具有残压起励和交、直流起励多种起励方式。

（4）水泵水轮机组将选用全数字式微机调速器系统，须具有良好的稳定性和调节品质；调速系统设有双自动和手动调节通道，自动调节可以对负荷进行脉冲和模拟量调节，以实现对机组负荷的平稳调节；调速系统应满足水轮机和水泵各种运行工况下稳定运行和电力系统对频率调节和功率调节的要求，如本电站有黑启动要求时，调速系统应能满足黑启动对频率调节和功率调节等方面的要求。

（5）发电电动机的辅助设备控制分别由独立的可编程控制器（PLC）完成。设备的详尽的运行状态及故障信号分别引入各自机组LCU进行监视。机组的所有自动化元件的配置必须满足由一个操作指令使机组自动完成从停机→发电、发电→停机、停机→水泵调相→水泵、发电→发电调相等所有工况的要求。同时，还应满足水力机械保护的要求。

（6）对全厂通风空调、给排水、中低压空压机等公用设备的控制均采用按对象设置以PLC为核心控制元件的独立控制系统，并与公用设备LCU之间通过现场总线进行数据通信。

（7）发电机出口断路器、所有500 kV断路器均作为同期点；每台机组独立设置1套微机准同期装置和1套手动准同期装置，并设有非同期闭锁回路，采用自动准同期为主，手动准同期作为备用；500 kV断路器各同期点综合设置1套多对象微机准同期装置。对机组主回路换相开关的操作将设置严格的闭锁回路，避免同时进行发电工况和抽水工况的换相开关操作而造成主回路短路。

（8）电站设置1套机组振摆保护及全厂状态在线监测系统。

（9）电站设置1套防水淹厂房控制系统。

（10）电站设置1套全厂火灾及消防报警集中控制系统。

（11）电站设1套工业电视监控系统。

3.2 继电保护及安全自动装置

电站主设备的继电保护配置按GB14285《继电保护和安全自动装置技术规程》和DL/T5177《水力发电厂继电保护设计导则》以及《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》和《国家电网公司发电厂重大反事故措施》等的有关规定和要求进行设计，所有保护装置均选用微机型数字式继电保护装置，发电机（包括励磁变）、变压器（包括厂高变）以及500 kV系统保护均按双重化配置，保护用的电流互感器和电压互感器暂态特性应满足误差的要求，应保证在短路工作循环中不饱和，即保证暂态误差不超过规定值，防止由于饱和引起保护的误动或拒动。

抽水蓄能机组除按常规水轮发电机的继电保护方式配置外，还需特殊考虑逆功率保护、低功率保护、低频率保护、失步保护、相序保护、换相开关保护、定子绕组端头短接接触不良保护等异常运行保护的配置。机组配置的保护应与电动机主回路换相相适应。

电站主设备的继电保护配置将在项目核准以后结合平江抽水蓄能电站机组电气主接线的具体特点确定，电站与系统相关部分如500 kV线路保护、安全自动装置等将按电站投产水平年2025年系统电网情况配置。

对每个机组联合单元设置1套微机故障录波装置，出线设置1套微机故障录波装置。

3.3 控制电源系统

平江抽水蓄能电站的控制电源系统采用分散设置的方式设计，考虑在地面中控楼、地下厂房、500 kV开关站、上水库、下水库分别配置1套供电单元（每套供电单元均包括直流供电和交流供电），全厂共设5套供电单元，

（1）直流控制电源系统：直流控制电源系统电压等级为220 V。中控楼、地下厂房、开关站直流供电单元均设2组蓄电池、3套充电/浮充电装置，采用单母线分段接线方式。上、下水库分别设置1组蓄电池、2套充电/浮充电装置，采用单母线分段接线方式。每套直流系统均配置1套有源逆变放电装置或便携式放电仪。

（2）交流控制电源系统：各交流供电单元均选用独立的UPS电源装置，装置不配置蓄电池。正常工作时，由两段不同的交流220 V厂用电供电，装置带无触点旁路开关，当UPS整流-逆变单元故障时，应能自动切换至交流旁路电源（经稳压），切换时间应不大于5 ms；各单元的220 V直流电源用作热备用，当交流电源中断时，无时限地切换至直流电源，并进行逆变，以确保交流输出不间断。

3.4 电工试验室

电站采用计算机监控系统和微机继电保护及自动装置，试验设备除能完成常规试验外，还需要满足计算机和其他新技术设备的试验要求。本电站应根据DL/T5401《水力发电厂电气试验设备配置导则》的I级试验室配置，并考虑补充特殊专用试验设备和微机保护测试仪等。

4 通信系统

根据DL/T5080-1997《水利水电工程通信设计技术规程》的规定，考虑到电站的装机规模、枢纽布置等综合情况，平江抽水蓄能电站通信系统包括以下部分：

（1）厂内通信系统；

（2）应急通信系统；

（3）系统通信及对外通信；

（4）通信电源；

（5）全厂综合通信线路网络。

4.1 厂内通讯系统

（1）厂内生产调度通信系统

厂内生产调度通信系统为确保全厂生产的调度指挥、保证电厂安全经济运行、及时处理分析事故提供必要的通信手段。本电站厂内生产调度通信系统拟设置300端口数字程控调度交换机1套。

（2）厂内生产管理通信系统

厂内生产管理通信系统为电厂的生产管理、办公自动化、电力系统内的行政联系、电站的对外联系提供必要的通信手段，并为电厂的生产调度通信提供备用通道。本电站厂内生产管理通信系统拟设置800端口数字程控用户交换机1套，该机按前方厂区与后方业主营地两部分考虑，容量包括了后方业主营地的需要。

（3）前后方光纤通信系统

为满足电站前方厂区与后方业主营地之间话音、数据、图像信号的传输，设置前后方光纤通信系统1套。该系统采用SDH传输体制，传输速率按155 Mb/s考虑，光缆暂定采用24芯ADSS光缆。

（4）厂区-上水库/厂区-下水库光纤通信系统

为实现电站厂区与上水库、下水库之间话音、数据、图像信号的传输，在厂区-上水库、厂区-下水库之间各敷设2条光缆，形成厂区-上水库/厂区-下水库光纤通信系统。该系统设置多业务光纤传输设备4套，利用该设备厂区为上水库、下水库各提供电话10部；光缆暂定采用24芯ADSS光缆。

4.2 应急通信系统

为保证电站紧急时刻的对外通信联系，保证电力系统的语音指挥通信，电站设置应急通信系统1套。该系统利用公网作为电站应急通信传输通道，选用手持式卫星终端（卫星手机）3套。

4.3 系统通信及对外通信

（1）系统通信

由于目前无任何系统资料，且电站出线落点待定，因此本电站系统通信的方式有待系统设计后确定。本阶段系统通信暂按光纤通信方式考虑。

（2）公用网中继通信

平江抽水蓄能电站厂内用户交换机就近接入当地公用电话网，作为电站对外通信的主要方式。

4.4 通信电源

通信电源是通信系统的重要组成部分。电站事故停电时，通信电源不能中断，以保证通信系统正常工作。

根据平江抽水蓄能电站目前的通信设备配置，同时兼顾可能的系统通信设备配置（暂按2套SDH 622 M光端机，2套PCM设备考虑）。前方厂区暂定设置－48V/180A高频开关电源2套、48 V/400 Ah阀控式铅酸蓄电池2组，事故供电时间按4 h考虑；后方业主营地暂定设置－48 V/100 A高频开关电源1套、48 V/200 Ah阀控式铅酸蓄电池2组，事故供电时间按8 h考虑。上水库、下水库的通信设备（多业务光纤传输设备）由设备自带的的直流不间断电源设备供电。

4.5 全厂综合通信线路网络

平江抽水蓄能电站前方厂区、后方行政办公生活区各设置700回线保安配线柜1个，用以对电站各种电话用户线路和模拟中继线路进行跳配线。