从天荒坪抽水蓄能电站二次设备改造看抽水蓄能二次设计优化

吕惠青，李浩良

（1.华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省湖州市 313000）

0 引言

天荒坪抽水蓄能电站自1998年9月首台机组投产以来已过去整整二十年了，而这二十年也正是我国抽水蓄能发展最快的二十年。本文介绍了天荒坪电站二十年来二次设备运行的基本情况，对较为典型的缺陷进行了分析，总结了二次设备改造的原因、方法和结果，并对改造成果的进一步优化和在国内抽蓄电站应用作了介绍。

1 天荒坪电站二十年来设备运行的基本情况

天荒坪电站作为华东电网的主力调峰填谷电站，6台机组自1998年至2000年底陆续投入运行，其基本的运行方式是“一抽两发”，即每天早晚二次发电顶峰，夜间抽水填谷。从2000年到2017年末，电站已累计完成发电量366.07亿kWh，抽水电量456.81亿年kWh；台均年运行2755小时、日均7.54小时，是国内已投产抽水蓄能电站发电量和利用小时数最多、发挥作用最充分的电站之一[1]。

电站投运初期，由于机组结构复杂、控制程序繁多，设备运行不稳定。设备故障以电气二次故障最多，几乎占故障总数的50%左右；其次是机械故障，占30%～40%[1]。电气二次故障中以自动化元件及检测传感器故障最多；机械故障主要由主轴密封和转动部件密封不良所致。经过多年调整和改造，运行稳定有较大改善，强迫停运和跳机次数大幅度减少。

2 天荒坪电站二十年二次设备改造情况介绍

天荒坪电站建设由世界银行贷款，主要设备和控制系统从国外引进，国际化采购导致天荒坪电站设备供货厂商多，各系统间的交互和接口匹配性不佳。二次系统从元件、闭锁逻辑到控制策略，一开始没有引起外方足够重视，机组投产之初因二次系统的原因发生多起跳机或启动失败事件。天荒坪电站面对运行初期遇到的问题，认真分析问题根由，从设备选型、控制逻辑等方面进行改进，取得了良好的效果。

2.1 二次元件选型

2.1.1 寻找可靠的测温元件

自1999年1月至2001年6月，天荒坪电站因热电阻元件RTD误动引起机组运行故障累计达18次，其中带负荷跳机14次，启停失败4次。RTD故障的主要原因：一是测温元件本身质量欠佳或调试未到位；二是设备投产初期，运行环境较差，设备正确动作率低。为提高机组启动成功率和运行可靠性，技术人员从提高元件抗振性和焊接质量等方面入手，多次选型、试用，反复更换和调整，并将机组轴承处测温元件全部改为全铠装结构，运行情况才得到极大的改善。自2002年全部改造完成后，再也没有因测温元件不稳定发生过启动失败或跳机。在后续建设的抽水蓄能电站中，招标文件中都明确规定测温元件采用全铠装铂热电阻。

2.1.2 电导式水位浮子的应用

抽水蓄能机组在调相工况运行时尾水水位信号直接参与机组的控制。投产初期，厂家均采用磁感应式水位计，靠一个磁性浮球上下浮动、吸合位置节点来判断尾水水位的高低。由于这类浮子靠感磁动作，长时间运行后容易导致磁性减弱、节点拒动。且此类浮子抗震性差，尾水锥管振动大，易误动。另外，这类水位计的浮球容易进水，经常发生浮球不随水位变化而浮动，影响检测质量。后经过市场调研，将磁翻板式水位浮子更换为德国E+H电导式浮子。由于该浮子无机械节点、不需要浮球，抗震性好，不存在因浮球卡住而拒动或误动的可能。该浮子采用探头与监测单元分离式，防护等级达IP68，适应在恶劣环境运行。自2005年全部机组改造后，电站从未发生过浮子的误动和拒动故障导致的机组启动失败。

2.1.3 用感应式位置传感器提高设备动作的可靠性

抽水蓄能机组启停过程中需要不断检测各种设备的状态和位置，位置开关被广泛使用。传统的位置开关大多是机械式的，靠机械拐臂的转动带动节点的断合，容易因松动、疲劳、压紧力不够导致接触不良或动作不到位，在振动大的部位还常常发生位置开关整体松动、移位甚至脱落，严重影响机组安全运行。天荒坪电站从检测原理入手，在球阀、调速器、导叶等核心转动部件开启过程中大胆采用防水型感应式位置传感器代替机械式位置开关，大大降低了设备故障率。在后续抽水蓄能建设中，这一成果被广泛采纳。

2.2 二次系统控制逻辑的改进

2.2.1 修改控制逻辑，防止有功、无功大幅度调整

天荒坪电站采用分布式电量变送器，2005年以前，电站先后出现过3次无功变送器故障、9次有功变送器故障。有功变送器故障造成调速器认为功率未到达设定值，不断加大导叶开度，最终机组过负荷。无功变送器故障使监控系统判断机组吸收无功不足而不断发出增加励磁电流命令，从而导致励磁和定子电流增大、机端电压升高，最终励磁系统限制功能启动，电压、电流限制在最大值，威胁机组安全。

经过讨论，电站一方面对功率变送器进行换型。另一方面则是在监控和调速器系统中修改有功、无功控制逻辑。增加一路有功变送器给调速器控制器，即采用冗余功率变送器，当两路变送器偏差大于15MW 并延时0.5s，调速器自动切至开度模式。当执行器反馈大于40%开度，功率反馈小于10MW，延时0.2s电调自动切至开度模式。机组并网后机械开限随水头变化而变化，防止由于功率变送器故障导致机组开度过大。同时将监控内部对机组机端电压的高低限制值作相应的调整，增加电压超限调节报警，出现无功不一致报警时闭锁无功调节，并增加机组视在功率超限（＞350MVA）报警，闭锁无功调节，在监控系统操作画面上增加无功调节手动投退软按钮。

2.2.2 改进球阀与尾水事故闸门闭锁关系

为确保尾水管及尾闸安全运行，设置了尾闸与球阀之间的闭锁，即尾闸全开才能开启球阀，球阀全关才能操作尾闸[2]。在最初的设计中，球阀控制系统中的尾闸全开信号来自于监控系统，其主要判据是尾闸码盘显示全开信号或闸门下滑小于250mm信号保持25s以上且尾闸液压锁锭在投入状态。由于机械码盘在运行过程中的抖动和油压系统的脉动，易出现这两个信号同时丢失，从而导致监控系统无法判断尾闸全开造成开机闭锁。电站在两个方面作了改进：首先完善监控系统尾闸全开判据，只有当尾闸液压锁锭不在投入状态、闸门下降400mm同时出现，且码盘无尾闸全开信号输入时，监控系统才会认定闸门不在全开状态；其次是将尾闸全开信号新增硬布线直接输入到球阀PLC，若尾闸全开信号丢失则闭锁球阀开启，机组运行中若尾闸下降400mm或中控室及机旁紧急落尾闸按钮动作，则机组立即通过机械跳闸矩阵，执行停机程序，硬布线出口关闭球阀。只有球阀在全关位置，相应尾闸才可以进行“开/关”操作，球阀对尾闸的闭锁是通过球阀的两个全关位置开关来实现，球阀全关信号硬布线输出到尾闸控制回路，闭锁尾闸开启/关闭[2]。

2.2.3 优化水库水位过低跳机逻辑

2001年4月13日凌晨，由于下库水位信号输入模块及其相应终端卡二极管击穿，导致下库两套水位测量系统1、2间不能实现自动切换，使监控系统误认为下库水位过低，造成正在运行的4台水泵机组每隔5分钟停机。针对事故发生原因，经分析电站对相关逻辑作了以下修改。一是增加了水位控制逻辑闭锁功能，水位限制信号只有在自动模式下才起作用，在监视模式下不起作用。二是增加下库水位测量系统自动切换功能，水位测量系统1的工作电源开关跳开后，自动切换到水位测量系统2。三是下库水位测量系统逻辑修改，当下库水位测量系统1故障或下库水位低于290m时，监控系统将自动切换到系统2，若其测量值也低于290m，则监控系统组态软件将测量值自动切换为一个常数并报警，运行人员可根据实际情况决定是否停机。

2.3 完善机械保护逻辑，提高保护正确动作率

每台机组均配置有电气保护和机械保护，电站监控系统改造前所有机械保护均采用硬布线结构，保护装置由传感器动作输入信号、现地控制盘UCB中的硬件跳闸矩阵和设备安全装置出口继电器组成。图1为天荒坪电站机械跳闸保护结构示意图。

图1 机械跳闸保护结构示意图Figure 1 Schematic diagram of mechanical tripping protection structure

机械跳闸矩阵改造基本原则为保持外部原有的基本框架和内部逻辑主体结构不变，改善不稳定的保护输入信号，优化部分逻辑及原来不合理的设计，提高可靠性，增强交互性。新跳闸矩阵采用北京ABB贝利公司BRC400专用控制器，通过控制器内部逻辑编程实现原有跳闸矩阵的功能。

2.3.1 温度保护改造

在原发电电动机温度监测保护系统中，机组各部位测温点有部分直接输入温度智能卡，作为独立温度保护跳机点，剩余测点只作为监测，不参与保护。因投产初期温控RTD元件质量不好，抗振、抗干扰能力差等原因，经常导致温度测量值出现瞬间突变或开路，尤其是保护跳机点RTD出现故障时，即可出口误跳机。

RTD改造后也发生过因温度智能卡测量值短时突变出现跳机。在监控系统改造中，电站取消了温度保护回路中智能卡测量回路，将RTD信号直接接入监控系统温度处理模块，通过软件出口跳机。软件出口逻辑优化为该区域所有测温点中3个或2个同时出现温度高时才跳机。同时还满足测量数据质量正常即测点温度变化速率正常，速率无突变等。此外，技术人员还通过在出口温度跳闸回路上加延时、在油位保护回路上串联报警节点信号等手段来防止元件瞬间误动造成跳机事故的发生。

2.3.2 防止一管甩三机和水淹厂房保护逻辑优化

天荒坪电站主厂房位于下库正常水位70m以下，一旦发生水淹厂房，后果不堪设想。由于高压钢管板材厚度不足，基建时未开展动水关球阀和一管三机同时甩负荷试验，因此如何避免一管甩三机是电站防水淹厂房的一项重点工作。在最初的设计中，上库闸门控制系统收到紧急落门令信号时会立即关闭上库闸门并出口跳同一输水道三台机组，由此可能导致压力钢管压力波叠加，造成压力上升值超过压力钢管设计保证值，损坏压力钢管发生和水淹厂房事故的发生。因此，在2、5号机相应的跳闸回路出口继电器增加了8s延时，这样可使压力钢管的水击波相互错开，避免输水管道爆裂事件的发生。

同时，为防止水淹厂房，在蜗壳层设置三套水淹厂房保护系统，任何一套系统动作，都将立即跳全厂所有机组并关闭上库闸门、尾水事故闸门和机组球阀检修旁通阀。6台机组同时跳闸不仅对电网安全运行造成难以估量的后果，由于水击波的叠加可能造成输水系统爆裂。因此，天荒坪电站在其跳机回路上增加了延时功能，避免6台机组同时甩负荷。目前，1、4号机延时10s跳机，2、5号机延时20s跳机，3、6号机延时30s跳机。

2.3.3 增加上库闸门和尾水事故闸门异常下滑报警、跳机位置开关

根据最初的设计原则，上库闸门和尾水闸门系统若发生异常下滑现象，相关机组无法实现自动停机，这给高压斜井和尾水隧道的安全运行造成了极大的隐患。为此，电站对上库闸门实施了如下改造：一是增加下降200mm行程开关1只，硬布线送监控报警。二是增加闸门全开行程开关各1只，硬布线接入上库闸门控制系统作为闸门全开机械保护。三是增加闸门下降400mm行程开关2只，硬布线接入1号机组冗余跳闸矩阵，延时10s动作出口机械跳闸。四是增加闸门下降600mm行程开关2只，硬布线接入2号机组冗余跳闸矩阵，延时10s动作出口机械跳闸。五是增加闸门下降800mm行程开关2只，硬布线接入3号机组冗余跳闸矩阵，延时10s动作出口机械跳闸。同时对尾水事故闸门控制系统实施了如下改造：一是增加一套闸门异常下滑装置，增设两只下降400mm行程开关，硬布线接入相应机组冗余跳闸矩阵，延时2s动作出口机械跳闸。二是增设闸门全开行程开关2只，硬布线接入闸门控制系统作为闸门全开机械保护。

3 对国内抽水蓄能电站二次系统设计优化的思考

随着对抽水蓄能运行和管理规律认识的不断深化，尤其是国内第一批建设的抽水蓄能电站已基本完成了第一轮大规模设备改造，在运行管理中得到的经验和体会是设计优化的源泉，也是提高行业运行管理水平的宝贵财富。后续建设的抽水蓄能电站，其二次保护逻辑的设置和优化大多借鉴了天荒坪电站设备改造和运行的成功经验。

3.1 尾水事故闸门功能设计

根据天荒坪电站尾水事故闸门运行和改造的实践，宜兴、洪屏、仙居等抽水蓄能电站均在中控室和地下厂房发电机层设置了紧急落门按钮并以独立光缆的形式接至闸门控制回路，尾水事故闸门参照天荒坪的运行情况设置闸门异常下滑装置。宜兴电站在尾闸的控制回路中均采用“尾闸下降至跳机开度”信号来动作跳机，尾闸有280mm和400mm 两个下落位置信号，当尾闸在全开位置下落280mm时，发出声光报警，当尾闸继续下落到400mm时，触动相应机组机械跳机。

仙居电站尾闸在全开位置、下降 280mm、400mm三个位置均设置两个位置开关，当尾闸在全开位置下落280mm时，发出声光报警，当尾闸继续下落到400mm时，触动相应机组机械跳机。

3.2 温度保护设计

同天荒坪电站温度保护改造一样，洪屏、仙居抽蓄电站温度保护根据部位不同也采用N选2或N选3逻辑。温度信号根据越限等级作用于报警和机械跳机。为防止测温元件本身质量不良或外部干扰引起保护误动作，设计时在机组监控系统中分别设置了量程上下限模块和温升速率判断模块来屏蔽不良信号。温升的报警值一般设定两级，监控模块对测量值进行比较后输出相应的报警等级并产生不同的结果。

机组轴瓦运行温度是电站日常运行监测的重点，作用于跳机的温控元件绝大多数设置在发电机各个导轴承，测点多、要求高、易误动是抽水蓄能发电机组温控保护的特点之一。新建电站在设计时，轴瓦温度保护大多增设冗余判断，对信号采用N选2或N选3出口逻辑，当同一部位任意两温度测点达到停机值时便执行停机操作。当然，监控系统事先会对测温信号进行品质、越限报警和是否正在运行状态等做出辨别判断，否则会闭锁出口。

3.3 液位保护设计

机组液位包括水位和油位两部分。大多数液位报警只作用于报警，根据部位不同，设置的越限要求也不同，有些部位只设置越上限报警，如水轮机顶盖排水，越下限作用于顶盖排水泵停泵。但新建抽水蓄能在顶盖排水系统中多采用了天荒坪电站改造的射流泵，只保留了越高限报警。机组各轴承油位槽和调速器、球阀压力油罐等均设置了上下限越级报警，由于油位太低可能对设备造成较大伤害，抽水蓄能机组对各轴承油槽和压力油罐均设置了油位低低报警并延时后作用于跳机。现在不少抽水蓄能电站参照天荒坪电站在设置液位第二级越下限作用于停机的保护回路中，为防止误跳机，往往串接第一级越下限作为闭锁。

3.4 过速保护优化

抽水蓄能机组过速保护分为机械过速和电气过速。早期的机械过速保护通常采用发电机大轴上的离心飞摆装置动作来实现，近年来，根据国家电网有限公司十八项反措和水电厂安全性评价的要求，机械过速必须装设纯机械液压过速保护，动作后应直接动作调速器主配压阀和球阀紧急关闭回路，关闭球阀导叶，同时输出电气接点至机组LCU报警并通过机械跳闸矩阵作用于停机。机械过速保护的整定值应结合机组调整，按最大瞬态转速值进行整定。

电气过速保护较为简单，通常采用齿盘和机端PT测速，两路信号源均送给调速器处理。在电气过速保护中，过速信号判别一般以齿盘信号为主，PT测速信号作为调速器内部进行比对参考。过速保护测量回路能判断识别信号断线、信号越限、装置异常等故障。电气过速保护整定值根据调保计算确定，当测得转速大于整定值时，转速CPU输出过速信号，机组通过机械跳闸矩阵出口停机。机组运行时丢失任何一路测速回路，均可发出电调故障报警；两路同时丢失时，机组动作结果与工况有关，同时发出电调故障报警或电调故障跳机信号。

3.5 监控控制回路设计优化

3.5.1 机械制动控制逻辑优化

大型抽水蓄能机组水头高、转速高，机械制动系统动作异常，轻则造成启停机失败，重则发生机组高转速时误投制动、机组带机械制动升速等恶性故障，造成发电电动机粉尘污染、制动器损坏、机组轴系偏移等严重不良后果。

鉴于天荒坪公司机械制动投、退逻辑运行安全可靠，响水涧、仙居、洪屏、仙游等电站设计阶段优化了机械制动控制原理。机械制动控制回路中串接导叶全关、5%Nr机组转速和GCB分闸常开接点，闭锁机械制动投入。

3.5.2 背靠背拖动机组出口断路器跳闸回路优化

背靠背启动作为抽水蓄能电站特有的运行方式，是泵工况启动重要的备用方式。在背靠背启动的过程中，拖动机组作为原动机，其出口断路器处于合闸状态，和被拖动机组建立的电气轴上流过的都是低频电流。如果启动过程中任何一台机组出现电气故障时，拖动机组出口断路器将立即跳闸。但拖动电流频率越低，机组断路器切断故障电流能力就越差，直接影响到断路器的使用寿命。为保证设备安全，天荒坪电站在设备投产调试时就增设了背靠背拖动机组跳闸闭锁逻辑，当机组保护动作时，先跳灭磁开关，在一定延时后解除低频（整定值为25Hz）闭锁，再跳机组GCB开关。根据天荒坪的经验，该设计策略后应用在宜兴、响水涧、洪屏、仙居抽蓄机组。

3.5.3 机组进水阀和尾水事故闸门闭锁回路优化

洪屏、仙居电站球阀与尾闸操作在电气回路上均采用硬布线闭锁，安全联锁逻辑通过电缆接线来实现，由于电缆连接距离较远，闭锁接点采用抗干扰大功率继电器进行重动，电源采用DC220V。一些抽水蓄能电站由于球阀关闭回路串接了尾闸全开信号，发生了多次尾闸全开信号丢失导致球阀误关闭的事件，借鉴天荒坪改造经验，将尾闸下降小于400mm机械位置开关量信号作为全开信号判据之一，极大地降低了球阀误动几率。

4 结束语

天荒坪电站运行二十年来设备改造点多面广、时间长、难度大，很多改造在后续建设的抽水蓄能电站上都得到了推广和应用。本文只对天荒坪电站二次设备改造的一部分作了介绍。通过对天荒坪二次设备改造的梳理和总结，结合后续应用的成效，从设计的角度我们觉得有以下几个方面值得思考：

（1）设计的生命在于应用。作为设计单位，要高度重视电站投产后设计成果在生产实践中的应用效果，不断总结提高。尤其是抽水蓄能快速发展的今天，更要抽时间、花力气去走访、调研已投运电站设备运行和改造的情况，汲取养分，不断改进和完善设计方案，把服务客户的理念真正落到实处。

（2）设计时要特别重视自动化元件动作的可靠性。基建时就要十分关注自动化元件的选型，尽量采用电气量的元件，避免可靠性较低的机械式产品。同时，要加强对二次跳闸回路的分析，增加防误跳措施[2]。

（3）对机械保护的设置原则既要保护设备本身，也要考虑电网的承受能力。随着西电东送电量越来越大，电网对抽水蓄能快速响应的要求也越来越高，对哪些保护需要直接作用于跳机，哪些保护可只设报警，一定要多分析、研究。在满足相关设计规范的前提下，要在保护设备和电网响应需要寻找平衡点。