抽水蓄能电站低频自启动功能设计研究

张显伟1，胡纪岭2，尹和松2，李言龙2

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林　长春　130021; 2.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江　牡丹江　157000)

【摘　要】　抽水蓄能电站参与电网低频紧急控制是一项新技术，本文根据电力系统自动低频减负荷技术规定，结合抽水蓄能电站机组运行特点，采用低频减载装置与电站监控系统AGC功能相结合方案，实现蒲石河抽水蓄能电站低频自启动功能。

【关键词】　抽水蓄能;低频自启动功能;设计研究

0　引言

按照DL 755—2001《电力系统安全稳定导则》的要求，当电网因某种原因频率事故降低时，应快速切除抽水负荷，尽快投入发电机组，为电网补充有功负荷。根据蒲石河抽水蓄能有限公司与东北电网签署的东北电网调度协议2011-27号文件相关内容要求:蒲石河电站需要实现低频自启动功能。

1　抽水蓄能电站的特点和在电力系统事故备用中的作用

众所周知，抽水蓄能电站具有发电及抽水两种功能，抽水蓄能电站既是负荷又是电源，运行灵活、启停方便，具有很好的黑启动能力，是电网安全防御的保安电源。抽水蓄能电站机组巨大的转动惯量、调速器灵活的调频功能以及快速工况转换能力使其在电力系统事故备用中发挥着巨大作用。

理论研究表明:当电力系统发生有功功率不平衡时，应启动一系列动态响应，以重新达到新的发电及负荷功率平衡。随着电力系统的不断扩大，大容量核电机组的投入，风电装机容量的迅速增加，电力系统在取得很高经济效益的同时，在某些方面也削弱了在大扰动下系统维持频率稳定性的能力。低频减载作为保证电网安全稳定运行“三道防线”的最后一道防线，可以有效地阻止系统频率继续下降，从而避免系统出现频率崩溃、电压崩溃等事故，保证系统安全运行。

电力企业在事故控制处理过程中应考虑在保证电网安全稳定的前提下尽可能少切或不切生产生活用电负荷，降低频率控制代价，而抽水蓄能电站低频切泵可使电网频率控制代价有效降低。因此，研究抽水蓄能电站在电网低频故障下合理切除抽水负荷是十分必要的。

2　蒲石河抽水蓄能电站低频控制系统设计

蒲石河抽水蓄能电站低频自启动控制功能设计包括智能化低频切泵、智能化低频快速发电、过频紧急控制等，并应具有智能、安全、可靠、经济、实用等特点，为此确定采用电站计算机监控系统AGC+专功能启动装置的方案。该方案选用电力系统安全稳定控制装置作为测频启动元件，按照抽水蓄能电站低频控制的要求，对装置的软件进行开发，成为专功能启动装置。该装置通过专用测频模块检测系统频率变化，具有很高的测频精度及抗干扰能力，装置与监控系统的远方控制站LCU7接口，检测机组的运行状态、负荷数值。当系统频率降低时，自动选择跳机顺序，将抽水机组迅速切除，并向监控系统发出跳机信号，通过监控系统执行停机，如果电站机组没有运行在抽水状态或抽水机组切除后，系统频率仍未恢复时，装置向监控系统发出低频启动发电机信号。监控系统AGC接受该信号后，自动选择备启机组，执行开机，向系统提供有功功率，恢复系统频率。该方案既利用了低频启动装置的智能化及高可靠性，又发挥了计算机监控AGC控制的灵活性。

装置采用直接测频法测频，即硬件测频，再通过相应的软件算法获得被测信号频率及其变化率。在电力系统发生事故，系统频率下降的过程中，按照不同的频率整定值顺序切除负荷，以达到稳定系统频率的目的。

3　低频自启动装置控制策略

3.1　低频自启动装置的设定

低频自启动装置的频率设定、启动顺序等参数均由电网调度给定。应充分考虑低频切除水泵和低频启动发电机两种功能。

系统频率降低时应充分利用系统的旋转备用容量，只有稳态频率低于49.5Hz时，自动减载装置才能投入，避免系统因发生短路故障以及失去供电电源后的负荷反馈引起装置误动。

低频切泵、低频自启动设4个基本轮，每轮启动频率定值启动延时根据DL/T 428—2010《电力系统自动低频减负荷技术规定》，抽水蓄能机组抽水工况下低频跳闸定值宜适当高于低频减负荷第一轮定值。

当系统频率下降过快时，装置应根据频率的下降率(-d f/d t)整定值Df及延时Tfa，加速第二轮或加速第二轮、第三轮动作。

自动减负荷装置动作后，为防止某些特殊情况，系统频率长期停留在49.0Hz以下，设置一个特殊轮，动作频率为Fs，长延时为Tfs。4个基本轮定值均按级联切机控制，优先切除处于抽水的机组，抽水机组全部切除后或无抽水运行机组时，启动处于备用状态或调相状态的机组发电。低频切泵、低频自启动功能动作逻辑接口见图1。

3.2　低频自动减载的判别式

f≤49.5Hz，t≥0.05s低频启动。频率下降f≤F1，延时t≥Tf1低频第一轮动作;若频率下降率Df1≤-d f/d t<Df3，t≥Tfa2切第一轮，加速切第二轮;若频率下降率:Df2≤-d f/d t<Df3，t≥Tfa23切第一轮，加速切第二轮、第三轮;频率下降f≤F2，t≥Tf2低频第二轮动作;频率下降f≤F3，t≥Tf3低频第三轮动作;频率下降f≤F4，t≥Tf4低频第四轮动作;以上四轮基本轮按级联减频顺序动作。

特殊轮的判别式为f≤49.5Hz，t≥0.05s，低频特殊轮启动;频率下降f≤Fs，t≥Tfs(Tfs为长延时)低频特殊轮动作，动作逻辑独立于前四轮。

3.3　防止装置误动的闭锁措施

(1)低电压闭锁。当正序电压小于0.15Un时，不进行低频判断，闭锁出口。

(2)频率下降变化率闭锁。当-d f/d t≥Df3时，不进行低频判断，闭锁出口。d f/d t闭锁后直到频率再恢复至启动频率值以上时才自动解除闭锁。

(3)频率差闭锁。当各相频率差超过0.2Hz时，不进行低频判断，闭锁出口。

(4)频率值异常闭锁。当f<40Hz或f>60Hz时，认为测量频率值异常，闭锁出口。

3.4　防止低频过切负荷的措施

在低频减载实际动作过程中，可能会出现前一轮动作后系统的有功功率已经不再缺额，频率开始回升，但频率回升的拐点可能在下轮动作范围之内，不必要地多切了负荷，导致频率上升超过了正常值。为此，在每一基本轮动作的判据中增加“d f/d t>0”的闭锁判据，可以有效防止过切现象发生，即每一基本轮同时满足以下三个条件时才能动作出口:①f≤Fn;②d f/d t≤0;③t≥Tfn(式中n表示第n轮，n=1～4)。

3.5　低频切除泵工况机组的原则

(1)当低频切泵动作后，应按照预先设定的切泵台数直接出口。作用于断路器的两个跳闸线圈;一副信号节点送计算机监控，执行停机控制。

(2)低频启动装置具有跳闸排序逻辑，依次切除运行在泵工况机组。切泵排序原则为投入抽水运行时间最长的泵组优先切除(装置应记录机组每次投入泵工况的时间，机组停止抽水后，计时清除)。

(3)当电站无抽水泵组可切除而低频自启动装置仍需切除负荷时，低频自启动装置可输出“启动第一轮发电”信号送计算机监控系统。

(4)计算机监控系统AGC收到“启动第一轮发电”信号后，根据电站当前发电设备运行状态，自动判断选择需要启动发电的机组及启动顺序。将1～2台机组逐台处于旋转备用状态。

(5)低频自启动装置设发电并网的频率门槛定值，当装置向监控发出启动发电机组命令时，若电网频率低于门槛定值，经延时向监控装置发出“容许并网信号”。

(6)计算机监控系统AGC检查“容许并网信号为1”时，可将发电机逐台并网，带给定负荷。

(7)若“容许并网信号为0”时，机组将不再并网。

(8)若电网频率很低，有功缺额较大时，低频自启动装置向监控系统发“启动第二轮机组发电“信号。

(9)计算机监控系统AGC收到“启动第二轮发电”信号后，根据电站当前发电设备运行状态，自动判断需要启动发电的机组及启动顺序。将所有可控机组逐台处于旋转备用状态。

(10)计算机监控系统AGC检查“容许并网信号为1”时，可将发电机逐台并网，带给定负荷。直至“容许并网信号为0”时，机组将不再并网。

4　电站计算机监控系统AGC低频启动功能

4.1　计算机监控系统的设定

(1)计算机监控系统AGC增加低频自启动功能，接受低频自启动装置输出继电器的控制信号，执行低频停泵减负荷、低频启动发电机组的逻辑操作。包括低频命令接受、命令可靠性判断、低频命令执行、信号反馈、人机联系等。

(2)计算机监控系统的操作员工作站增加低频自启动人机联系画面，显示4台机组的运行状态、检修状态、健康状态、AGC设定状态，设置单台机组自启动的投/退控制键。电厂值班运行人员可根据调度要求，设定机组参与或退出低频自启动。

(3)机组低频自启动动作后，监控系统一定要有声光提示，操作员工作站要能够自动推出相应画面，值班员应对机组启动过程密切关注。立即与电网调度联系，按照电网调度要求，参与系统低频事故处理。

4.2　计算机监控系统低频启动机组发电的原则

(1)计算机监控系统主站从远方站LCU7接收到低频自启动装置“频率异常切除”信号时，应通过相应机组LCU，执行紧急停机程序，使机组处于停机备用状态。

(2)计算机监控系统主站从远方站LCU7接收到“低频启动第一轮机组发电”命令后，检查系统频率低于49.5Hz;无抽水运行机组;有停机备用机组或调相运行机组时，可执行“启动第一轮机组发电”，依次启动1～2台机组。

(3)低频启动发电机组排序的原则为机组运行健康状况良好且停机时间较长的机组，优先启动。

(4)机组启动到“旋转备用态”，检查低频自启动装置送来的“容许并网信号”，若该信号为1，则执行同期并网流程，使发电机并入电网，有功功率按调度要求设定。

(5)若有“启动第二轮发电机组”命令，可依次启动所有可控机组发电运行，机组启动到“旋转备用态”。经延时(相对于第一台发电机组并网时间)检查低频自启动装置的“容许并网信号”，若该信号为1，则执行同期并网流程，使发电机并入电网，有功功率按调度要求设定。

4.3　启动流程

执行低频自启动发电的机组的状态可以是“停机备用态”，也可以是“抽水调相态”或“发电调相态”。特殊情况下也可以从“抽水状态”快速转发电状态。“停机备用态”执行的优先级别最高，其次是“发电调相态”“抽水调相态”，“抽水状态”优先级别较低。机组低频启动转换流程见图2。

5　高频切除发电机机组功能

5.1　基本要求

系统因某种原因高于50.5Hz时，应投入高频切除发电机组的控制。高频切发电机设3个基本轮，各轮之间相互关联，出口定值按切除1～4台可整定。切机顺序按发电机所带有功功率，由大至小进行切除。以上3个轮次延时时间均可整定。

高频控制的判别式、防止高频误动作的闭锁措施及防止高频过切机的措施等与低频自动减载基本相似。

5.2　高频切除发电工况机组的原则

(1)当高频切发电机动作后按照出口定值切机台数直接出口。每台机组出口断路器需两副跳闸输出接点(与切泵输出公用);一副信号节点送计算机监控，(与切泵输出公用)执行停机控制。

(2)依次切除运行在发电工况机组，切发电机组排序原则为发电输出功率最大的机组或投入发电运行时间最长的机组优先切除(装置应记录机组处于发电工况的时间，机组停止发电后，计时清除)。

(3)当电站无发电组可切除时，装置可输出信号接点送计算机监控系统。低频启动装置除直接采集系统电压输入信号外，还与监控系统LCU7接口，实现蒲石河电站监控系统信息交换功能。具体信息如下:

6　低频启动装置与监控系统输入输出接口

6.1　模拟量接口

监控系统LCU7模拟量输出通道提供4～20mA模拟量信号送低频自启动装置的模拟量输入通道。包括4台发电电动机组有功功率;低频启动装置作为发电机高频切机输出控制的排序。

6.2　开关量输入输出接口

监控系统LCU7开关量输出通道提供设备状态信号送低频自启动装置的开关量输入通道。包括4台机组抽水状态、发电状态;监控系统1～4号机组低频控制功能投入/退出状态。低频启动装置计算各台机水泵运行时间，作为水泵低频切机输出控制的排序。

低频自启动装置开关量输出通道提供如下信号送监控系统LCU7的开关量输入通道。包括低频自启动装置功能投入、低频自启动装置闭锁、低频自启动装置异常、低频自启动装置跳闸、频率异常切除1～4号机组GCB信号、频率异常启动第一轮机组发电、容许机组并网信号。实现电厂计算机监控系统AGC与低频自启动装置功能配合与互动。

7　结语

本项目根据抽水蓄能机组运行的特点和规律，分析各种工况对电网频率的影响，提出低频自启动的控制策略。在低频自启动功能设计中，增加了低频切泵功能。在故障引起大的有功缺额后，通过快速低频切泵，甚至紧急地由抽水运行转发电运行，可快速降低系统有功缺额，遏制事故的进一步恶化。

本项目采用电力系统广泛应用的安稳控制装置，不仅安全可靠，智能化频率测量可以计及实际电网动态频率特性的自适应式低频启动、低频减载优化整定，可有效防止过切、误切机组或负荷。

电站计算机监控系统AGC参与低频自启动功能，使机组低频启动更加灵活、智能。电站可用机组全部参与低频启动，机组可以从任何可用状态迅速转为发电状态，提高了电站事故备用能力。

考虑到低频启动发电机组需要一定延时，为防止发电机组投入可能发生电网过频，本系统增加了发电机并列频率预测功能。只有电网频率允许，才能并列、带负荷。另外，为防止电网过频，本系统设置了过频切除发电机功能，根据发电机负荷大小自动排列停机顺序，有计划切除有关发电机组。

目前抽水蓄能电站参与电力系统低频启动尚缺乏经验。通过本工程研究，为实现蒲石河低频自启动系统的功能搭建软、硬件平台，为抽水蓄能电站参与电力系统低频自启动提供经验。

参考文献:

[1]DL/T 428—2010电力系统自动低频率减负荷技术规定[S].北京:中国电力出版社，2011.

[2]南京南瑞集团公司稳定技术分公司.UFV-200A型频率电压紧急控制装置技术及使用说明书[Z].

作者简介:

张显伟(1971—　)，男，吉林人，高级工程师，水电控制保护。E-mail:5607356@163.com

胡纪岭(1973—　)，男，黑龙江牡丹江人，高级工程师。E-mail:mdjgsjdb@126.com

尹和松(1973—　)，男，黑龙江牡丹江人，高级工程师。E-mail:mdjgsjdb@126.com

李言龙(1971—　)，男，黑龙江牡丹江人，高级工程师。E-mail:mdjgsjdb@126.com