深圳抽水蓄能电站二次设备国产化探讨

162深圳抽水蓄能电站二次设备国产化探讨陈敏广东省水利电力勘测设计研究院摘要：拟建的深圳抽水蓄能电站位于广东省深圳市，装机4台，单机容量300MW。分析国内二次设备的发展情况和存在优势，就电站的监控系统和保护系统的设计原则及配置方案与已建成的同等装机容量的抽水蓄能电站国产化方案作比较，说明该电站二次设备国产化的可行性。关键词：二次设备国产化1工程概述深圳抽水蓄能电站位于广东省深圳市盐田区和龙岗区交界处，拟装设4台单机容量300MW的单级可逆式混流水泵水轮机，机组-主变组接线采用联合单元接线。发电机出口装设断路器和换相开关，四回220kV出线，220kV母线采用单母线分段接线。深圳市处于广东省电力负荷的中心，且附近有大亚湾核电、岭澳核电、妈湾电厂等大型电源点；同时，深圳电网作为粤港电网的连接点。电站建成后将承担起系统的调峰、调频、调相、负荷调整、负荷备用和事故备用任务，并将对香港电网运行的安全起到至关重要的作用。2国内已建、在建抽水蓄能电站二次设备配置情况2.1抽水蓄能电站发展迅速，设备国产化势在必行到目前为止，我国已在9个省、区、市建成11座抽水蓄能电站，装机容量约为570万kW，占全国装机容量的1.8％。其中，大型电站4座，中型电站5座。几座大中型抽水蓄能电站落成，承担起电网负荷备用和事故备用作用，给电力系统带来经济效益，同时也积累了蓄能电站设计、建设、运行经验。近年国内筹建和在建的桐柏、泰安、宜兴、琅琊山、沙河等大中型抽水蓄能电站，都在陆续采用国产机组部件、国产保护系统和监控系统。2.2二次设备的组成二次设备主要指机组励磁装置、全厂设备继电保护、自动监控系统、直流系统和同期设备等。抽水蓄能电站与常规水电站相比机组工况变化多、起停频繁，机组控制保护系统复杂。由于可逆式水泵水轮机与组合式水泵水轮机相比，具有工程简单、造价和投资节省的特点，故在高中低水头范围内蓄能电站多采用可逆式机组，本电站也采用可逆式机组；可逆机组可正反向运转的特点和水泵启动过程方式的多样化，不但使电气主接线设计复杂，而且要求机组控制流程具有严格的闭锁和多机联调功能，继电保护方案在水泵、发电状态设置不尽相同，且必须在指定工况下投入或闭锁。可见采用可逆式水泵水轮机抽水蓄能电站的二次设计是相当复杂的。表1、表2列出了国内抽水蓄能电站二次主设备选型：2.3广蓄一期、二期抽水蓄能电站广州抽水蓄能电站总装机2-4×300MW，是我国建成的第一座大型抽水蓄能电站。第一台机组1993年投运，1999年底全部投运。二次设备中的监控系统、机组保护、励磁装置全部为进口设备。整个电站采用分层分布式的163表1国内已建投运抽水蓄能电站序号电站名称所处地点运行阶段装机容量（MW）二次主设备选型1广蓄一期广东从化投运4×300全套进口2十三陵北京昌平投运4×200全套进口3天荒坪浙江安吉投运6×300全套进口4广蓄二期广东从化投运4×300全套进口5潘家口河北迁西投运3×90全套进口6响洪甸安徽六安投运2×40国产为主7溪口浙江投运2×40全套进口8羊卓雍湖*西藏投运4×22.5进口+国产9岗南河北石家庄投运1×13全套进口10密云北京密云投运2×11.2国产11天堂湖北罗田投运2×35进口+国产除*采用组合式机组外，其余全采用可逆机组。表2国内部分在建和招标阶段抽水蓄能电站序号电站名称所处地点运行阶段装机容量（MW）二次主设备选型1沙河江苏溧阳第一台投产、在建2×50进口+国产2回龙河南南阳招标、在建2×60进口为主3琅琊山安徽滁州招标4×150全套进口4桐柏浙江天台招标、在建4×300全套进口5泰安山东泰安招标、在建4×250全套进口6宜兴江苏宜兴准备招标、在建4×250利用外资引进7张河湾河北石家庄准备招标4×250利用外资引进8西龙池山西五台准备招标、在建4×300利用外资引进全计算机监控系统，一、二期电站的监控系统设备分别由CEGELEC和SIEMENS公司集成；继电保护设备采用PIEBATIGNOLLES公司的集成电路静态保护装置及SIEMENS公司的微机保护装置。励磁装置由GECALSTHOM公司和SIEMENS公司提供。几年的运行实践表明，二次设备性能稳定。2.4天荒坪抽水蓄能电站天荒坪抽水蓄能电站装机6x300MW，第一台机组1998年投运，1999年全部投运。机组及电站控制采用计算机监控方式，由ELIN公司负责设计和供货，系统硬件、软件由BAILEY提供；继电保护采用微机保护装置，主要由ELIN公司提供。励磁装置由ELIN公司提供。2.5响洪甸抽水蓄能电站响洪甸抽水蓄能电站装机2x40MW，于1994年12月16日开工，1999年正式投运。采用全分布式以太网结构的计算机监控系统，由南瑞集团自动化控制公司（简称南自院）中标；继电保护采用许继集团（简称许继）生产的微机保护装置。励磁装置由东方电机公司随机组配套提供。该电站是目前二次设备国产化程度最高的已建成抽水蓄能电站。经几年运行，监控系统基本满足系统运行需要。保护配置中除常规保护外，主要配置了逆功率保护、低频过流保护164等蓄能机组特有的保护。在一次机组定子绕组发生两相短路事故时，保护装置的纵差保护及时动作使机组停机，迄今为止未发生过拒动现象。励磁装置基本满足机组各运行工况的调节功能，但装置功能设计不理想，需完善。2.6天堂抽水蓄能电站天堂抽水蓄能电站装机2x35MW，于1998年8月正式动工，2001年5月投产发电。机组及电站控制采用计算机监控方式，继电保护采用微机保护装置。监控系统由ELIN公司负责设计和生产，发—变组保护为南京自动化总厂设备。励磁装置由ELIN公司提供。保护配置中除常规保护外，主要配置了逆功率保护、低频过流保护、低功率保护等蓄能机组特有的保护。经一年多的运行，设备正常，调试过程中保护原理选择按实际情况进行了修改。3深圳抽水蓄能电站的二次设计方案3.1国内设计开发工作自80年代开始，在国家科技部、国家电力公司等各级领导及有关部门的关心、支持下，经过二十余年的科研开发和引进国外技术，自动化技术在水电站监控系统、继电保护、励磁系统等方面已与国际先进技术接近。单纯就常规电站而言，目前国内已具有大型发电机变压器组（600MW-500kV）微机保护设备和550MW发电机励磁装置的设计生产能力，具有单机容量400MW水电站和总装机容量2715MW水电站监控系统的集成和投运经验。可逆式抽水蓄能电站与常规电站有相通的方面，从理论上讲，在常规电站监控系统、继电保护配置设计中加入抽水蓄能电站特有的工况控制流程、特有的保护就构成了设计方案。由表1、表2可看出，我国大部分抽水蓄能电站的二次控制保护设备采用进口设备。新建抽水蓄能电站中，密云抽水蓄能电站选用水科院控制系统，南瑞公司继保所的保护设备；羊卓雍湖抽水蓄能电站监控系统的现地LCU单元由ELIN公司提供，上位机及其软件由南自院设计；响洪甸抽水蓄能电站采用南自院SSJ-3000监控系统，许继厂的保护装置；天堂抽水蓄能电站发—变组保护为南京自动化总厂设备；沙河抽水蓄能电站采用南自院SSJ-3000监控系统。抽水蓄能电站改造项目中，潘家口抽水蓄能电站监控系统改造采用南自院SSJ-3000监控系统，已于2001年完成调试投运；岗南抽水蓄能电站监控系统改造拟采用南自院系统。以上实例表明：在抽水蓄能电站中，国产设备的使用及系统集成已初步得到推广，以响洪甸抽水蓄能电站最为典型，但在大型电站中运用实例少。3.2二次设计方案根据技术的发展和电站运行特点，深圳抽水蓄能电站拟采用如下方案：（1）全计算机监控系统作为全电站的自动控制；（2）主设备（可逆式机组、主变、厂变、母线）保护采用微机保护装置；（3）励磁装置采用自并励、它励结合的静止励磁系统；（4）微机型直流系统，分散式布置。除可逆式机组外，国内研制的主变、厂变、母线微机保护装置运用已很普遍，且技术成熟；国产的直流系统装置配国外蓄电池或指定技术参数，也很稳定，在抽水蓄能电站设计中一般选用国产直流装置。励磁装置应具有发电工况、水泵工况、背靠背起动、调相工况和电气制动五种工况的调节功能。目前国内尚缺乏大型抽水蓄能电站的特殊励磁装置的生产运行经验。由于励磁装置是水轮发电机组的重要配套设备，性能好、质量稳定的产品可提高机组及电站的运行可靠性，165故认为应选用成熟、先进的进口设备。对此，只有在对已建大型蓄能电站的励磁装置运行情况调研后再做结论。下面对（1）、（2）点进行进一步论述。3.2.1监控方案深圳抽水蓄能电站监控系统采用分层分布结构，分为电站级和现地级。由于电站水工建筑物由上库、下库、电站主厂房和变电站等组成，现地控制单元分布分散，I/O量比常规电站大，启停频繁。由于PLC具有性能好、可靠性高、易扩充、易升级等特点，模块平均故障间隔时间大于27年，符合电站顺序逻辑控制和抵抗恶劣现地环境条件的要求，监控系统都以PLC构成现地控制单元。虽然近年出现了PCC（可编程计算机控制器），但未在电站监控系统上推广。目前生产PLC的国外厂家有：施耐德、GE、西门子、AB、ABB、LG、欧姆龙、三菱、松下、富士、日立等；由于生产工艺问题，仅有较少国内厂家生产低速系列PLC。故推荐国外PLC厂家。可逆式抽水蓄能机组的顺序控制技术，在国内监控厂家已有研制、运行经验。监控方案的难点在于：由于在相同水头下，水泵工况和发电工况的效率值不一样，故优化运行模式是一个值得探讨的问题；分散的现地单元与中控室层的长距离数据传输方案和网络设备的冗余设置方案也非常值得研究。建议采用引进国外抽水蓄能电站监控系统软件+国内监控系统集成商设计供货的方式，系统软件设计合理化，实现人机界面汉化功能，便于系统的更新换代。3.2.2保护方案可逆式抽水蓄能电站的保护中，机组保护最特殊。除具有发电机和电动机的保护外，还设置了蓄能机组特有的保护：发电工况逆功率保护、水泵工况低功率保护、水泵启动过程低频过流保护和溅水功率保护。微机保护设备的出现，软件编写修改的快捷，使得了解了保护原理及计算公式，就可以在较短时间研制出一种新型的保护方案。国内抽水蓄能电站的机组国产保护设备都按设计、建设单位的保护方案要求，开发出一些新型的保护功能，由于运行时间不长，虽然未出现误动、拒动情况，但保护原理是否合理有待运行验证。深圳抽水蓄能电站属大型电站，保护设计除考虑设备性能可靠外，亦需考虑设备的投资费用，如采用国产微机保护设备+进口特殊保护装置的方案，一方面国产保护设备比进口设备价格低，节约成本，另一方面则弥补国内保护技术的不足。虽存在设备厂家多，通信规约不统一的缺点，但应是一种较合理选择。另外，机组保护配置方案应经过论证，不可套用，要对发电机进行内部短路计算分析，以此为基础选择保护方案。4结论实践证明，在抽水蓄能电站采用部分国产二次设备是可行的。现阶段，国产二次设备缺乏大型抽水蓄能电站的运行经验作支持。为保障电站运行的可靠和安全，在资金保证的情况下，大型抽水蓄能电站的监控系统、励磁设备、保护装置以由国外引进为宜。选择国产的二次设备通常会降低三分之一的费用，此时设计院则应承担起大量的设备性能比较、分析和调研、协调工作。深圳抽水蓄能电站的设计刚开始，现有二次设计方案仅是一种设想。通过新建和已建抽水蓄能电站的二次方案设计进行比较和调研工作，我们会设计出性能价格比更优的方案。