分析400MW級大型抽水蓄能機組控制流程與控制策略

1、分析400MW級大型抽水蓄能機組控制流程與控制策略0引言隨著400MW級大型抽水蓄能機組國產(chǎn)化的逐步實現(xiàn)，計算機監(jiān)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化也日益成熟。大型抽水蓄能機組的控制流程與控制策略應(yīng)花大力氣投入精力去研究，這對于提高計算機監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化的裝備水平意義重大。如今，一大批國產(chǎn)化的抽水蓄能機組相繼投產(chǎn)，仙居電站375MW國內(nèi)單機容量最大的抽水蓄能機組也在2016年實現(xiàn)了一年4投。為此，本文結(jié)合機組特點和控制要求，分析總結(jié)已投產(chǎn)的抽水蓄能機組，就控制流程與控制策略展開研究，形成具有普遍指導(dǎo)意義的有關(guān)抽水蓄能機組的控制流程與控制策略的設(shè)計思路和方案。1 控制流程結(jié)構(gòu)機組控制流程由啟動條件和順序控制兩部分組成

2、。啟動條件包括機組開機啟動條件和工況轉(zhuǎn)換條件。機組開機設(shè)置啟動條件，包括發(fā)電電動機、水泵水輪機、勵磁、調(diào)速、開關(guān)設(shè)備、監(jiān)控、保護、公用等系統(tǒng)均在正常狀態(tài)及自動/遠方位置、電站滿足指定機組停機態(tài)至目標(biāo)工況的啟動條件。工況轉(zhuǎn)換設(shè)置轉(zhuǎn)換條件，是根據(jù)選擇的目標(biāo)工況運行要求，對機組及輔助設(shè)備操作具備的條件進行檢查。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)工作在“無人值班”（少人值守）的方式時，每個工況轉(zhuǎn)換都要進行延時確認(rèn)，滿足轉(zhuǎn)換條件時方可執(zhí)行。機組順序控制分層設(shè)計，包括子流程的調(diào)用和子系統(tǒng)的控制。子流程的調(diào)用是指將控制流程分解為若干子流程，機組的順序控制是在設(shè)定好需要轉(zhuǎn)換的穩(wěn)態(tài)工況后，由系統(tǒng)自動調(diào)用相應(yīng)的若干子流程來實現(xiàn)。子系統(tǒng)的

3、控制是指機組技術(shù)供水泵、高壓油頂起泵、球閥油壓裝置、調(diào)速器油壓裝置等機組附屬及輔助設(shè)備由獨立PLC自行實現(xiàn)控制功能。子系統(tǒng)的控制獨立于子流程，由子流程根據(jù)邏輯進行調(diào)用。2 控制策略2.1 并網(wǎng)策略抽水蓄能機組的控制流程應(yīng)根據(jù)模型試驗、機組型式、機組特點，在主機制造商提出的基本控制原則前提下開展設(shè)計，首先應(yīng)能保障機組的安全并網(wǎng)、運行和控制功能的實現(xiàn)。(1) 控制流程執(zhí)行機制。機組控制流程的執(zhí)行分兩種方式，一種是分步執(zhí)行，另一種是自動順序控制。按機組啟停過程許可條件，合理設(shè)置分步執(zhí)行的斷點，允許流程分步操作，為機組啟動試運行的調(diào)試和機組檢修后的試驗工作提供便利。(2)故障判別機制。電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)配

4、置現(xiàn)地和遠方等多種監(jiān)控途徑。需具備監(jiān)視機組順序控制過程中的每個啟動條件、每個步驟的執(zhí)行以及執(zhí)行時間是否超時等功能。應(yīng)將每個步驟執(zhí)行限制時間作為流程執(zhí)行過程故障判斷手段，一旦步驟超時可自動啟動停機流程或告警，并自保持故障判據(jù)予以警示。(3)頻率/電壓調(diào)節(jié)機制。機組同期并網(wǎng)過程中，特別是背靠背啟動和SFC啟動過程中，機組的頻率和電壓調(diào)節(jié)必須通過硬布線閉鎖回路來完成。硬布線回路應(yīng)該是通過可靠的安全閉鎖，確保將增/減命令傳遞給了相應(yīng)的機組，如圖1所示。通過天荒坪、桐柏、響水澗等抽水蓄能電站實際運行證明，這種方式是安全可靠的。(4) 同期機制。機組的同期裝置應(yīng)具備發(fā)電、背靠背啟動、SFC啟動、黑啟動(線

5、路充電)4種不同的模式選擇，由監(jiān)控系統(tǒng)給定不同的模式許可，選擇不同的同期參數(shù)完成機組的同期功能。(5)信息傳輸機制。機組輔助與附屬設(shè)備控制系統(tǒng)自成一體，由獨立PLC實現(xiàn)控制功能。獨立PLC和監(jiān)控系統(tǒng)LCU通過通信的方式進行信息交換。對于涉及安全運行的重要信息、控制命令和事故信號還應(yīng)通過硬布線I/O直接接入LCU。2.2 運行策略(1) 閉環(huán)控制機制。機組有功、無功的調(diào)節(jié)分別由調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)自行閉環(huán)完成。機組LCU與調(diào)速器通信正常時，有功給定值傳至調(diào)速器，由調(diào)速器完成有功功率的閉環(huán)調(diào)節(jié);當(dāng)通信故障時，調(diào)速器轉(zhuǎn)為開度控制模式，由機組LCU采用脈沖方式控制調(diào)速器，完成有功功率的閉環(huán)調(diào)節(jié)。無功調(diào)節(jié)也

6、應(yīng)采取相類似的策略。(2) 工況給定機制。電站勵磁、調(diào)速器、繼電保護等系統(tǒng)的正常運行需獲得機組的工況指令，這些工況模式令的獲取應(yīng)遵循安全可靠的原則。原則為:勵磁系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)需要的機組工況模式令均由順控流程給出，根據(jù)產(chǎn)品的不同特點，工況模式令可能需要在順控流程的不同階段給出或復(fù)歸；為了防止發(fā)電電動機和主變壓器部分保護功能在機組工況轉(zhuǎn)換過程中被誤閉鎖，應(yīng)盡可能地采用開關(guān)位置輔助接點的狀態(tài)作為保護功能投退操作的判據(jù)。采用軟閉鎖接點的做法不可取。(3)在一個確定的時刻，針對一臺特定的機組，只應(yīng)有一個控制流程在執(zhí)行。2.3 停機策略(1)停機優(yōu)先機制。停機命令優(yōu)于其他命令，停機流程應(yīng)不受任何條件限制

7、，一旦選中停機命令，流程控制應(yīng)立即中斷正在執(zhí)行的流程，保證在任何情況下機組能夠安全停機;各種工況轉(zhuǎn)換中，若單步操作延時故障，將直接調(diào)用停機控制流程，使機組停機。2 2)電站應(yīng)設(shè)置獨立于監(jiān)控系統(tǒng)的機械事故停機安全硬布線回路。3 安全措施3.1 機組控制和保護閉鎖對繼電保護、高壓油頂起泵、機械剎車等需要根據(jù)轉(zhuǎn)速信號的判斷來可靠投退的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速信號應(yīng)由兩套測速裝置分別給出，并通過適當(dāng)?shù)倪壿嫿M合，確保安全可靠。不應(yīng)僅由單套測速裝置給出閉鎖所需的轉(zhuǎn)速信號，避免在測速裝置故障時信號接點誤出口，造成高速誤投機械制動的危險情況發(fā)生。3.2 機組進水閥和尾水事故閘門的閉鎖機組進水閥和尾水事故閘門的操作在電氣回路

8、上應(yīng)可靠閉鎖，確保安全。聯(lián)鎖邏輯應(yīng)通過硬電纜接線來實現(xiàn)。若電纜連接距離較遠，閉鎖接點應(yīng)采用抗干擾大功率繼電器進行重動，重動回路電源采用DC220V。3.3 防止水淹廠房的措施在中控樓設(shè)置緊急操作按鈕箱，在地下廠房發(fā)電機層逃生通道設(shè)置水淹廠房緊急操作按鈕箱，用于緊急情況下由運行人員直接啟動停機和關(guān)閉上、下庫閘門。該回路獨立于監(jiān)控系統(tǒng)，采用獨立的光纖硬布線。4 機組控制流程設(shè)計機組控制流程的設(shè)計包括機組狀態(tài)的分類、啟動條件設(shè)計、正常順控流程設(shè)計、事故停機順控流程設(shè)計。其中，機組狀態(tài)的分類是重點，決定了機組控制流程是否合理及科學(xué)，也是本文重點論述的部分。4.1 機組狀態(tài)分類的必要性由于抽水蓄能機組的

9、運行工況較多，有穩(wěn)態(tài)，也有暫態(tài)。機組控制流程設(shè)計時，應(yīng)提前確定機組的運行狀態(tài)，并合理分類。把各種狀態(tài)作為流程中的節(jié)點，對于存在關(guān)聯(lián)的節(jié)點間的流程獨立設(shè)置成子流程，各種狀態(tài)間的正常工況轉(zhuǎn)換流程均由相應(yīng)的子流程組合而成。4.2 機組狀態(tài)分類的方案比選通過對主流廠商提供的資料搜集、分析可以發(fā)現(xiàn)，抽水蓄能機組狀態(tài)的分類、定義主要有以下幾種方案。(1)方案1。將機組的狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)和過渡態(tài)。穩(wěn)態(tài)共8種:靜止(ST)、旋轉(zhuǎn)備用(SR)、發(fā)電(G)、發(fā)電調(diào)相(GC)、線路充電(CH)、抽水(P)、抽水調(diào)相(PC)、黑啟動(BS);過渡態(tài)共2種:靜止過渡(TS)、背靠背拖動(LA)。代表工程為寶泉、白蓮河等使用

10、Alstom監(jiān)控系統(tǒng)的抽水蓄能電站。此方案將旋轉(zhuǎn)備用列入了穩(wěn)態(tài)不具有通用性。這種狀態(tài)即為空載狀態(tài)，尚未并網(wǎng)。缺點是機組振動大，國內(nèi)已投運機組多臺出現(xiàn)空載不穩(wěn)定，因此只宜短時使用。線路充電也不宜定義為穩(wěn)態(tài)，因為線路充電完成、電網(wǎng)恢復(fù)后，機組將退出這種運行狀態(tài)。(2)方案2。將機組狀態(tài)共分為靜止(S)、發(fā)電(G)、發(fā)電調(diào)相(CG)、水泵(P)、水泵調(diào)相(CP)5種狀態(tài)，并具有輔助設(shè)備投入(AUX)、旋轉(zhuǎn)熱備用(SR)、旋轉(zhuǎn)(SSP)這3個中間狀態(tài)，另外還定義了背靠背拖動、黑啟動等狀態(tài)。代表工程為泰安、廣蓄二期等使用Siemens監(jiān)控系統(tǒng)的抽水蓄能電站。此方案的分類方案通用性較強。設(shè)置了SSP作為穩(wěn)

11、態(tài)轉(zhuǎn)停機的中間態(tài)，該狀態(tài)表現(xiàn)為:勵磁、調(diào)速均已退出，有別于空轉(zhuǎn)和空載，是其他穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)停機的必經(jīng)之路，有效簡化了控制流程的軟件設(shè)計。該方案的缺點是可讀性不強，對各種狀態(tài)的分類還可以再優(yōu)化分類。(3) 方案3。將機組狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)、特殊狀態(tài)、特定的暫態(tài)、暫態(tài)4種。其中穩(wěn)態(tài)共5種:停機(ST)、發(fā)電(GO)、發(fā)電調(diào)相(SCT)、抽水(PO)、抽水調(diào)相(SCP)；特殊狀態(tài)共2種:線路充電(LLC)、抽水方向拖動(P-PL);特定的暫態(tài)為機組跳機后的熱備用狀態(tài)(Z-HSB);暫態(tài)共3種:抽水方向濺水狀態(tài)(Wateredspin-pump)空載(No-Load/GCBClosed)、靜止?fàn)顟B(tài)(S-STST)。

12、代表工程為天荒坪、宜興等使用ABB監(jiān)控系統(tǒng)的抽水蓄能電站。此方案分類方法較為科學(xué)，但將“機組跳機后的熱備用狀態(tài)(Z-HSB)”定義為特定的暫態(tài)、“抽水方向濺水狀態(tài)(Wateredspin-pump)”定義為暫態(tài)不具有通用性。抽水方向濺水狀態(tài)僅為抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水必經(jīng)的一個造壓過程，與其他工況的轉(zhuǎn)換沒有交叉，不建議單獨列出。(4) 方案4。將機組狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)、特殊狀態(tài)、特定的暫態(tài)和暫態(tài)。其中穩(wěn)態(tài)共5種:停機(STOP)、發(fā)電(GO)、發(fā)電調(diào)相(SCT)、抽水(PO)、抽水調(diào)相(SCP);特殊狀態(tài)為線路充電(LineCharging);暫態(tài)為水泵拖動(PumpLauncher);特定的暫態(tài)為停止(St

13、andstill)、空載(Speednoload);代表工程為桐柏、瑯琊山等使用Andritz監(jiān)控系統(tǒng)的抽水蓄能電站。此方案的分類方法和方案3相似，但將水泵拖動單獨定義為暫態(tài)不妥，歸類到特殊狀態(tài)較為合適，它和線路充電是同類性質(zhì)，均可由操作員選取，完成任務(wù)后即退出。該方案的“空載”和方案1的“旋轉(zhuǎn)備用”定義相同。4.3 機組狀態(tài)分類的推薦方案通過對上述4種方案的論證對比，結(jié)合國產(chǎn)化的實際情況，可將抽水蓄能機組順序控制中出現(xiàn)的各種狀態(tài)優(yōu)化為穩(wěn)態(tài)、特殊狀態(tài)、暫態(tài)、特定暫態(tài)。穩(wěn)態(tài)可由操作員或成組控制邏輯選擇，可持續(xù)運行，包括:停機、發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相。穩(wěn)態(tài)是機組轉(zhuǎn)換的前提，除停機穩(wěn)態(tài)可任意

14、選擇外，其他穩(wěn)態(tài)在順控進行過程中不可選。機組在兩個工況間轉(zhuǎn)換若出現(xiàn)故障或者意外接到嚴(yán)重報警信號而超時或無法修復(fù)，都可以立即回到停機狀態(tài)。特殊狀態(tài)也可由操作員或成組控制邏輯選擇，為機組實現(xiàn)特定的目的而處于的特殊運行狀態(tài)，該運行狀態(tài)可以穩(wěn)定運行，但實現(xiàn)目的后機組須退出該狀態(tài)進入相應(yīng)的其他狀態(tài)，而不能持續(xù)保持在該狀態(tài)。它包括機組拖動（拖動機組）和黑啟動（線路充電）。暫態(tài)和特定的暫態(tài)均不能作為操作員選擇的目標(biāo)。暫態(tài)是機組正?？刂屏鞒痰母鞣€(wěn)態(tài)間相互轉(zhuǎn)換時必須經(jīng)過的過程，但只能作為實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的一個中間步驟，不能孤立存在，是基于機組控制流程模塊化設(shè)計的需要，同時也考慮流程分步操作中斷的可行性而設(shè)置的，包括2種

15、:停機熱備和空載。停機熱備是指停機狀態(tài)下機組輔助設(shè)備啟動完畢并具備向其他工況轉(zhuǎn)換的條件，該工況的設(shè)置是為了在以非停機為目標(biāo)的轉(zhuǎn)換過程中避免機組輔助設(shè)備的反復(fù)起停。空載是指機組由停機向發(fā)電轉(zhuǎn)換的過程中，轉(zhuǎn)速已達到額定值、機端電壓大于90%額定電壓、機組尚未并網(wǎng)時特定暫態(tài)只有旋轉(zhuǎn)，是指停機過程中，機組已脫離電網(wǎng)，勵磁、調(diào)速均停止，導(dǎo)葉全關(guān)后的狀態(tài)，是為了設(shè)計流程的便利所設(shè)置的一種狀態(tài)。上述狀態(tài)在計算監(jiān)控系統(tǒng)中均有定義，必須滿足定義的條件才能達到該種狀態(tài)。機組的控制是通過選擇不同的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)、線路充電等來完成的，而不是選擇轉(zhuǎn)換順序，但是機組從一種穩(wěn)態(tài)工況轉(zhuǎn)換到另一種穩(wěn)態(tài)工況的各種順序都有其相應(yīng)的預(yù)條件，預(yù)條件不滿足時，則無法進行工況轉(zhuǎn)換。定義這些預(yù)條件主要是為了機組及公共系統(tǒng)設(shè)備的安全。4.4 控制流程設(shè)計機組控制流程圖采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于擴展和修改。工況的轉(zhuǎn)換采用多個模塊（子流程）連接的方式，推薦的流程見圖2。從圖中可以看出，任意兩個穩(wěn)態(tài)工況之間均可通過適當(dāng)?shù)捻樞蜻M行轉(zhuǎn)換?！鞍l(fā)電調(diào)相”工況轉(zhuǎn)“發(fā)電”工況時，易產(chǎn)生逆功率或引起機組振動，對機組沖擊較大，且抽水蓄