400 MW级大型抽水蓄能机组控制流程与控制策略研究

郑 波,何 铮,李成军,丁 光

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州311122；2.浙江仙居抽水蓄能有限公司, 浙江仙居317300)

400 MW级大型抽水蓄能机组控制流程与控制策略研究

郑 波1,何 铮2,李成军1,丁 光2

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州311122；2.浙江仙居抽水蓄能有限公司, 浙江仙居317300)

基于进口抽水蓄能机组和国产抽水蓄能机组的运行特性,通过研究机组控制流程结构,机组控制策略和机组运行安全措施,形成400 MW级大型抽水蓄能机组控制流程及工况转换的一般原则。通过研究与机组控制流程有关的控制、保护需求,形成机组控制的典型策略。

抽水蓄能;控制流程;工况转换;策略

0 引 言

随着400 MW级大型抽水蓄能机组国产化的逐步实现,计算机监控系统的国产化也日益成熟。大型抽水蓄能机组的控制流程与控制策略应花大力气投入精力去研究,这对于提高计算机监控系统国产化的装备水平意义重大。如今,一大批国产化的抽水蓄能机组相继投产,仙居电站375 MW国内单机容量最大的抽水蓄能机组也在2016年实现了一年4投。为此,本文结合机组特点和控制要求,分析总结已投产的抽水蓄能机组,就控制流程与控制策略展开研究,形成具有普遍指导意义的有关抽水蓄能机组的控制流程与控制策略的设计思路和方案。

1 控制流程结构

机组控制流程由启动条件和顺序控制两部分组成。

启动条件包括机组开机启动条件和工况转换条件。机组开机设置启动条件,包括发电电动机、水泵水轮机、励磁、调速、开关设备、监控、保护、公用等系统均在正常状态及自动/远方位置、电站满足指定机组停机态至目标工况的启动条件。工况转换设置转换条件,是根据选择的目标工况运行要求,对机组及辅助设备操作具备的条件进行检查。当监控系统工作在“无人值班”(少人值守)的方式时,每个工况转换都要进行延时确认,满足转换条件时方可执行。

机组顺序控制分层设计,包括子流程的调用和子系统的控制。子流程的调用是指将控制流程分解为若干子流程,机组的顺序控制是在设定好需要转换的稳态工况后,由系统自动调用相应的若干子流程来实现。子系统的控制是指机组技术供水泵、高压油顶起泵、球阀油压装置、调速器油压装置等机组附属及辅助设备由独立PLC自行实现控制功能。子系统的控制独立于子流程,由子流程根据逻辑进行调用。

2 控制策略

2.1 并网策略

抽水蓄能机组的控制流程应根据模型试验、机组型式、机组特点,在主机制造商提出的基本控制原则前提下开展设计,首先应能保障机组的安全并网、运行和控制功能的实现。

(1)控制流程执行机制。机组控制流程的执行分两种方式,一种是分步执行,另一种是自动顺序控制。按机组启停过程许可条件,合理设置分步执行的断点,允许流程分步操作,为机组启动试运行的调试和机组检修后的试验工作提供便利。

(2)故障判别机制。电站监控系统应配置现地和远方等多种监控途径。需具备监视机组顺序控制过程中的每个启动条件、每个步骤的执行以及执行时间是否超时等功能。应将每个步骤执行限制时间作为流程执行过程故障判断手段,一旦步骤超时可自动启动停机流程或告警,并自保持故障判据予以警示。

(3)频率/电压调节机制。机组同期并网过程中,特别是背靠背启动和SFC启动过程中,机组的频率和电压调节必须通过硬布线闭锁回路来完成。硬布线回路应该是通过可靠的安全闭锁,确保将增/减命令传递给了相应的机组,如图1所示。通过天荒坪、桐柏、响水涧等抽水蓄能电站实际运行证明,这种方式是安全可靠的。

图1 硬布线实现的SFC增速回路

(4)同期机制。机组的同期装置应具备发电、背靠背启动、SFC启动、黑启动(线路充电)4种不同的模式选择,由监控系统给定不同的模式许可,选择不同的同期参数完成机组的同期功能。

(5)信息传输机制。机组辅助与附属设备控制系统自成一体,由独立PLC实现控制功能。独立PLC和监控系统LCU通过通信的方式进行信息交换。对于涉及安全运行的重要信息、控制命令和事故信号还应通过硬布线I/O直接接入LCU。

2.2 运行策略

(1)闭环控制机制。机组有功、无功的调节分别由调速器、励磁系统自行闭环完成。机组LCU与调速器通信正常时,有功给定值传至调速器,由调速器完成有功功率的闭环调节；当通信故障时,调速器转为开度控制模式,由机组LCU采用脉冲方式控制调速器,完成有功功率的闭环调节。无功调节也应采取相类似的策略。

(2)工况给定机制。电站励磁、调速器、继电保护等系统的正常运行需获得机组的工况指令,这些工况模式令的获取应遵循安全可靠的原则。原则为：①励磁系统和调速器系统需要的机组工况模式令均由顺控流程给出,根据产品的不同特点,工况模式令可能需要在顺控流程的不同阶段给出或复归；②为了防止发电电动机和主变压器部分保护功能在机组工况转换过程中被误闭锁,应尽可能地采用开关位置辅助接点的状态作为保护功能投退操作的判据。采用软闭锁接点的做法不可取。

(3)在一个确定的时刻,针对一台特定的机组,只应有一个控制流程在执行。

2.3 停机策略

(1)停机优先机制。停机命令优于其他命令,停机流程应不受任何条件限制,一旦选中停机命令,流程控制应立即中断正在执行的流程,保证在任何情况下机组能够安全停机；各种工况转换中,若单步操作延时故障,将直接调用停机控制流程,使机组停机。

(2)电站应设置独立于监控系统的机械事故停机安全硬布线回路。

3 安全措施

3.1 机组控制和保护闭锁

对继电保护、高压油顶起泵、机械刹车等需要根据转速信号的判断来可靠投退的系统,转速信号应由两套测速装置分别给出,并通过适当的逻辑组合,确保安全可靠。不应仅由单套测速装置给出闭锁所需的转速信号,避免在测速装置故障时信号接点误出口,造成高速误投机械制动的危险情况发生。

3.2 机组进水阀和尾水事故闸门的闭锁

机组进水阀和尾水事故闸门的操作在电气回路上应可靠闭锁,确保安全。联锁逻辑应通过硬电缆接线来实现。若电缆连接距离较远,闭锁接点应采用抗干扰大功率继电器进行重动,重动回路电源采用DC220V。

3.3 防止水淹厂房的措施

在中控楼设置紧急操作按钮箱,在地下厂房发电机层逃生通道设置水淹厂房紧急操作按钮箱,用于紧急情况下由运行人员直接启动停机和关闭上、下库闸门。该回路独立于监控系统,采用独立的光纤硬布线。

4 机组控制流程设计

机组控制流程的设计包括机组状态的分类、启动条件设计、正常顺控流程设计、事故停机顺控流程设计。其中,机组状态的分类是重点,决定了机组控制流程是否合理及科学,也是本文重点论述的部分。

4.1 机组状态分类的必要性

由于抽水蓄能机组的运行工况较多,有稳态,也有暂态。机组控制流程设计时,应提前确定机组的运行状态,并合理分类。把各种状态作为流程中的节点,对于存在关联的节点间的流程独立设置成子流程,各种状态间的正常工况转换流程均由相应的子流程组合而成。

4.2 机组状态分类的方案比选

通过对主流厂商提供的资料搜集、分析可以发现,抽水蓄能机组状态的分类、定义主要有以下几种方案。

(1)方案1。将机组的状态分为稳态和过渡态。稳态共8种：静止(ST)、旋转备用(SR)、发电(G)、发电调相(GC)、线路充电(CH)、抽水(P)、抽水调相(PC)、黑启动(BS)；过渡态共2种：静止过渡(TS)、背靠背拖动(LA)。代表工程为宝泉、白莲河等使用Alstom监控系统的抽水蓄能电站。此方案将旋转备用列入了稳态不具有通用性。这种状态即为空载状态,尚未并网。缺点是机组振动大,国内已投运机组多台出现空载不稳定,因此只宜短时使用。线路充电也不宜定义为稳态,因为线路充电完成、电网恢复后,机组将退出这种运行状态。

(2)方案2。将机组状态共分为静止(S)、发电(G)、发电调相(CG)、水泵(P)、水泵调相(CP)5种状态,并具有辅助设备投入(AUX)、旋转热备用(SR)、旋转(SSP)这3个中间状态,另外还定义了背靠背拖动、黑启动等状态。代表工程为泰安、广蓄二期等使用Siemens监控系统的抽水蓄能电站。此方案的分类方案通用性较强。设置了SSP作为稳态转停机的中间态,该状态表现为：励磁、调速均已退出,有别于空转和空载,是其他稳态转停机的必经之路,有效简化了控制流程的软件设计。该方案的缺点是可读性不强,对各种状态的分类还可以再优化分类。

(3)方案3。将机组状态分为稳态、特殊状态、特定的暂态、暂态4种。其中稳态共5种：停机(ST)、发电(GO)、发电调相(SCT)、抽水(PO)、抽水调相(SCP)；特殊状态共2种：线路充电(L-LC)、抽水方向拖动(P-PL)；特定的暂态为机组跳机后的热备用状态(Z-HSB)；暂态共3种：抽水方向溅水状态(Watered spin-pump)、空载(No-Load/GCB Closed)、静止状态(S-STST)。代表工程为天荒坪、宜兴等使用ABB监控系统的抽水蓄能电站。此方案分类方法较为科学,但将“机组跳机后的热备用状态(Z-HSB)” 定义为特定的暂态、“抽水方向溅水状态(Watered spin-pump)”定义为暂态不具有通用性。抽水方向溅水状态仅为抽水调相转抽水必经的一个造压过程,与其他工况的转换没有交叉,不建议单独列出。

(4)方案4。将机组状态分为稳态、特殊状态、特定的暂态和暂态。其中稳态共5种：停机(STOP)、发电(GO)、发电调相(SCT)、抽水(PO)、抽水调相(SCP)；特殊状态为线路充电(Line Charging)；暂态为水泵拖动(Pump Launcher)；特定的暂态为停止(Standstill)、空载(Speed no load)；代表工程为桐柏、琅琊山等使用Andritz监控系统的抽水蓄能电站。此方案的分类方法和方案3相似,但将水泵拖动单独定义为暂态不妥,归类到特殊状态较为合适,它和线路充电是同类性质,均可由操作员选取,完成任务后即退出。该方案的“空载”和方案1的“旋转备用”定义相同。

4.3 机组状态分类的推荐方案

通过对上述4种方案的论证对比,结合国产化的实际情况,可将抽水蓄能机组顺序控制中出现的各种状态优化为稳态、特殊状态、暂态、特定暂态。

稳态可由操作员或成组控制逻辑选择,可持续运行,包括：停机、发电、抽水、发电调相、抽水调相。稳态是机组转换的前提,除停机稳态可任意选择外,其他稳态在顺控进行过程中不可选。机组在两个工况间转换若出现故障或者意外接到严重报警信号而超时或无法修复,都可以立即回到停机状态。

特殊状态也可由操作员或成组控制逻辑选择,为机组实现特定的目的而处于的特殊运行状态,该运行状态可以稳定运行,但实现目的后机组须退出该状态进入相应的其他状态,而不能持续保持在该状态。它包括机组拖动(拖动机组)和黑启动(线路充电)。

暂态和特定的暂态均不能作为操作员选择的目标。暂态是机组正常控制流程的各稳态间相互转换时必须经过的过程,但只能作为实现稳态的一个中间步骤,不能孤立存在,是基于机组控制流程模块化设计的需要,同时也考虑流程分步操作中断的可行性而设置的,包括2种：停机热备和空载。停机热备是指停机状态下机组辅助设备启动完毕并具备向其他工况转换的条件,该工况的设置是为了在以非停机为目标的转换过程中避免机组辅助设备的反复起停。空载是指机组由停机向发电转换的过程中,转速已达到额定值、机端电压大于90%额定电压、机组尚未并网时的状态。特定暂态只有旋转,是指停机过程中,机组已脱离电网,励磁、调速均停止,导叶全关后的状态,是为了设计流程的便利所设置的一种状态。

上述状态在计算监控系统中均有定义,必须满足定义的条件才能达到该种状态。机组的控制是通过选择不同的稳态运行状态、线路充电等来完成的,而不是选择转换顺序,但是机组从一种稳态工况转换到另一种稳态工况的各种顺序都有其相应的预条件,预条件不满足时,则无法进行工况转换。定义这些预条件主要是为了机组及公共系统设备的安全。

4.4 控制流程设计

机组控制流程图采用模块化结构,便于扩展和修改。工况的转换采用多个模块(子流程)连接的方式,推荐的流程见图2。从图中可以看出,任意两个稳态工况之间均可通过适当的顺序进行转换。

“发电调相”工况转“发电”工况时,易产生逆功率或引起机组振动,对机组冲击较大,且抽水蓄能机组的转换时间比常规水轮发电机组要长。通过调研,目前投运的抽水蓄能机组较少采用。但发电调相运行工况可以向系统提供无功功率,稳定及调节电压,同时可作为快速响应负荷的机组备用方式,因此“发电调相”工况转“发电”工况作为两个稳态之间的转换,在控制流程设计中依然保留。

图2 推荐的机组控制流程结构示意

5 结 语

本文在归纳、总结了国内已经投产或即将投产的抽水蓄能机组的设计、运行经验的基础上,力求提炼出400 MW级大型抽水蓄能机组控制流程及控制保护的通用性原则和策略,得出的结论科学、严密、适用性广,能够为后续电站的设计提供有效建议。

[1]梅祖彦. 抽水蓄能发电技术[M]. 北京： 机械工业出版社, 2000．

[2]张春生, 姜忠见. 抽水蓄能电站设计[M]. 北京： 中国电力出版社, 2012．

[3]DL/T 5065—2009 水力发电厂计算机监控系统设计规范[S]．

[4]GB/T 18482—2010 可逆式抽水蓄能机组启动试运行规程[S]．

[5]梁国才, 仇雅静, 王纯. 西龙池抽水蓄能电站计算机监控系统[J]. 水电站机电技术, 2010(6): 42-43．

(责任编辑 高 瑜)

浙江衢江抽水蓄能电站可行性研究阶段施工总布置规划专题报告通过审查

2016年12月22日～23日，水电水利规划设计总院在杭州市主持召开了浙江衢江抽水蓄能电站可行性研究阶段施工总布置规划专题报告审查会议，有关单位的领导、专家和代表参加会议了会议。

会前，部分与会专家和代表查勘了衢江抽水蓄能电站工程现场。会议听取了中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司关于报告成果的汇报，并进行了讨论和审议。会议认为，报告内容和深度基本满足《水电工程可行性研究阶段施工总布置规划专题报告编制暂行规定》的要求，基本同意报告推荐的施工总布置规划方案和施工用地范围，报告经补充完善后，其成果可作为浙江省人民政府发布禁止在衢江抽水蓄能电站枢纽工程用地区新增建设项目和迁入人口通告，以及部署开展实物指标调查和移民安置规划设计的依据。

电站位于浙江省衢州市衢江区黄坛口乡境内，距衢州市约25 km，距离杭州市约285 km，初拟装机容量1 200 MW，上水库和下水库正常蓄水位分别为691 m和265 m、死水位分别为651 m和234 m。主要工程量：土石方明挖约347.5万m3，石方洞挖约118.9万m3，土石填筑约784.5万m3，混凝土约49.1万m3。初拟首台机组发电工期58个月，工程施工总工期70个月。

(王明涛)

Research on Control Sequence and Control Strategy of 400 MW Class Large Pumped-storage Units

ZHENG Bo1, HE Zheng2, LI Chengjun1, DING Guang2

(1. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China;

2. Zhejiang Xianju Pumped Storage Co., Ltd., Xianju 317300, Zhejiang, China)

Based on the operation characteristics of imported and domestic pumped-storage units, the general principles of control sequence and operation mode conversion of 400MW class large pumped-storage units are developed by studying the control flow structure, control strategy and security measures of unit operation. Through the research of control and protection requirements which relating to unit sequence, the typical strategy of unit control is developed．

pumped storage; control sequence; operation mode conversion; strategy

2016-07-26

郑波 (1980—),男,河南信阳人,高级工程师,主要从事水电站电气二次专业设计与管理工作．

TV743

A

0559-9342(2017)02-0073-04