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我国抽水蓄能核心控制系统实现全面国产化

   2023-12-11 中国电力报黄昉45590
核心提示:这套抽水蓄能“国产大脑”的市场容量将达到2500套,市场规模将超过370亿,推广应用空间广阔

日前,我国自主研制的抽水蓄能成套核心控制系统安全启动超过1500次、累计运行时长超过17000小时,标志抽水蓄能机组4大类核心控制子系统均成功实现了全面国产化。也意味着,我国在抽水蓄能领域达到了关键核心技术的完全自主可控,有力增强了我国能源产业链供应链的安全性。

抽水蓄能成套核心控制系统由计算机监控、调速、励磁、继电保护等4大类子系统组成,被喻为抽水蓄能电站和机组的“大脑”和“神经系统”,其中,计算机监控系统相当于“中枢神经”,调速器和励磁系统是保障电压和频率稳定的“周围神经”,而继电保护系统则是保障系统安全稳定运行的“免疫系统”。

这套系统国产化水平大致可分为“设备级”“部件级”和“芯片级”,其中“芯片级”自主可控水平最高,要求整套设备中的关键技术芯片全部国产。而在此前,我国抽水蓄能电站核心控制系统主要元器件均为进口设备,特别是芯片,均为国外生产,备品备件更新艰难,控制程序均为“黑匣子”,核心功能优化存在“盲区”,关键技术面临“卡脖子”的不利局面。

2021年2月,南网储能公司牵头组建联合研发团队,正式启动抽水蓄能核心控制系统“芯片级”自主可控的研发攻关,全面对抽水蓄能核心控制系统开展元件比选适配、技术功能研发、控制逻辑优化、调试试验等工作;2022年5月,“芯片级”自主可控的继电保护系统率先在惠州抽水蓄能电站5号机组并网试运行;2023年1月,“芯片级”自主可控的调速系统和励磁系统在广州抽水蓄能电站7号机组并网试运行;2023年7月,“芯片级”自主可控的计算机监控系统在惠州抽水蓄能电站并网试运行;2023年4月、9月,调速系统和励磁系统先后通过科技成果鉴定,设备关键性能达到国际领先水平······截至目前,研发团队累计完成重大技术创新40项,其中21项技术填补国内空白。

▲2023年1月,我国首套全国产化抽水蓄能调速器系统在广蓄抽水蓄能电站机组投用

设备选型:坚信“中国制造”

一定能彻底打破“卡脖子”现状

据统计,抽水蓄能机组4大类核心控制系统,涵盖核心控制器、调节器等206种设备,包含各类元器件近12万个。研发我国完全自主可控的抽水蓄能核心控制系统,无疑是一项“工程浩瀚”的集成创新。设备选型是整个研发工作的第一步,也是决定后续研发环节能否顺利实施的关键一步。

▲2021年2月起,为做好核心控制系统的设备选型,研发团队前后走访了国内70多家相关的设备制造商

“整个攻关不是别人要我们做,而是我们主动要做,总得有人迈出这一步,支撑我们前行的动力是坚信抽水蓄能领域的‘中国制造’最终一定能彻底打破‘卡脖子’现状”,项目攻关团队总负责人、南网储能检修试验分公司副总经理巩宇感慨地说道。调研技术领域的制造业现状,选择能达到研发合作要求的设备供应商,成为研发初期各攻关小组的共同任务。

计算机监控系统方面,团队对国内可编程控制逻辑器产品的核心处理单元、信号输入输出模块、核心应用服务器等部件进行全方位比选,最终选择了基于龙芯2K1000芯片的NJ600系列可编程控制逻辑器,确保关键元器件充分满足抽水蓄能机组监控系统响应需求。

调速系统方面,面对我国新能源大规模加快并网对抽水蓄能机组提出的更高调速要求,团队聚焦“频率采样精度”这一影响系统核心功能的关键要素,开发研制出比现有进口“0.001Hz”分辨率调速器更高精度等级的“0.0001Hz”分辨率国产调速器。而这“精度前移一个小数点”的背后,是团队解析测频回路解析、设计采样方案、理论验证、比选元器件、设备配合组装及工程验证等历时500余天的技术攻关。

励磁系统方面,直流灭磁开关是励磁系统的核心部件,而此前国内没有适用于30万千瓦抽水蓄能机组的开关产品。团队协同上海立新电器公司组建生产联合攻关小组,从开关绝缘材料选取、模具制作、生产工艺运用等方面全环节把控产品质量,最终研制出LXDM9型开关,各项试验数据达标。

继电保护系统方面,为了让抽水蓄能继保设备芯片依赖进口成为历史,团队成员联合设备厂家深入开展自主可控保护装置的可靠性验证,经过性能测试、动模测试、型式试验、模块化设计,研制出搭载国产自研芯片的PCS-985GM-G自主可控抽水蓄能发电机继电保护装置。

走进巩宇的办公室,国家杰出贡献科学家钱学森的相片醒目入眼,而钱老那句“外国人能搞,我们中国人就不能搞?”也成为了两年多来他与团队成员共勉最多的“加油令”。正是基于“这口气”,核心技术攻关不断取得突破,关键技术部件从无到有,产品核心性能迭代升级。

功能研发:以技术路线创新保障系统性能可靠

相比于常规水电站,作为灵活调节电源的抽水蓄能电站,其核心控制系统的工况更为复杂,起停更加频繁,需要实现功能更多,对整套系统可靠性的要求更高。

如果把整个攻关比喻成盖一座高楼,设备选型仅仅是完成了建造的“施工选材”,功能研发则要求全面系统完整地制定“施工方案”,其难度不言而喻。面对4大类系统的不同职责功能,团队“因地制宜”地采取不同技术手段,确保“不同类系统,同一样可靠”。

▲研发团队反复进行核心控制系统技术路线研讨

计算机监控系统方面,团队自主建立了基于混合连接的高效组网方式和边缘协同的高效数据采集网络,研发可多线程并列运行的机组流程控制程序和基于全量SOE设计的数据采集策略,同时自主设计了成套控制软件程序,其中创新开发了40余种功能,优化了320个控制模块性能,实现了机组监控系统功能的有效输出。

调速系统方面,团队深入研究系统导叶动作的同步控制及不同步可靠监视功能,提出满足高精度数据控制、完整PID闭环调节、多工况启停及稳定运行等要求的系统设计,在控制上具备高度的完整性,以实现各功能高效协同,避免误调误控。2023年4月18日,由中国工程院院士张勇传领衔的评审专家委员会对团队研发的调速系统进行科技成果鉴定,认定产品基于云边端协同的数智调速系统状态智能分析与故障预警、多接力器同步协调控制技术等达到国际领先水平。

▲2023年4月,我国首套国产化抽水蓄能调试器系统在广州进行科技成果鉴定,结果达到国际领先水平

励磁系统方面,团队严格把关成套励磁设备采用国产芯片后的采样精度和运算速度,严苛依据国标要求完成全套控制模型测试,创新性地采用全柜TCP传输,数据采集和检测性能得到了大幅提高。2023年9月2日,由中国电力科学研究院等9家单位(机构)的专家组成的评审专家委员会对团队研发的励磁系统进行科技成果鉴定,认定产品核心技术达到国际领先水平。

继电保护系统方面,为确保研发保护装置与其他保护装置互不干扰,实现主要模块可与现有保护装置兼容,团队对保护配置及参数定值整定功能深入研究,设计出自主可控的保护装置单独组屏功能。

整个功能研发的历程,也是研究成果不断涌现的过程。“一种蓄能机组监控分析设备”“适用于抽水蓄能机组的调速模拟系统”“一种励磁系统的可控硅支路电流测量装置及方法”“蓄能电站继电保护功能校验软件”等25项知识产权成果相继形成。

逻辑优化:用“大概率思维”

防范“小概率风险”

千里之堤,毁于蚁穴。任何控制逻辑程序上的疏漏,都可能带来机组运行的事故。新产品研制,本身也是对进口设备历史隐患缺陷“解剖麻雀”的过程。“对于进口设备存在的隐患缺陷,我们决不能坐视不理、安于现状,在新产品的研制中予以彻底排除解决”,计算机监控系统和调速系统技术攻关负责人杨铭轩介绍。

▲研发团队对系统板卡进行功能测试

计算机监控系统方面,团队在不到90天的时间内完成了系统核心控制部分27个控制流程的梳理和148项跳闸逻辑的确认,完成了球阀控制、尾闸控制等5套“末梢”控制系统的同步设计。

调速系统方面,团队不断优化完善调速系统控制逻辑,重新开发了控制程序源代码、攻克了以关键软硬件计时器异常、CPU发热、多导叶调节等多项调速技术难题。

励磁系统方面,团队提前预设多种极端故障模式如直流灭磁开关偷跳、电气制动防止误强励等关键逻辑进行优化,设置了各种工况下的防误逻辑。

继电保护系统方面,团队组织召开多次保护系统设计联络会和线上讨论会,与厂家联合整定新保护装置定值1456项,对装置本地化应用提出了大量完善意见,并在出厂及动模试验中一一验证,同时对保护功能、闭锁逻辑、回路可靠性等方面提出了保护防误动举措。

正是由于产品研制过程中的严格把关,才保证了产品投用后的稳定运行。团队尽一切可能防范产品投用后存在的运行风险,让新产品设备不带着一点问题到安装现场。

安装调试:一丝不苟应对“终级大考”

技术攻关的成果需要检验,产品研发的价值全在运用。南网储能公司选取广州抽水蓄能电站和惠州抽水蓄能电站作为各首套核心控制子系统的实用平台,综合技术攻关进程和机组停电检修计划,分批次地推进新产品并网运行。

安装调试是产品投用前的“临门一脚”,然而“这一脚”绝非容易,需要对产品的各项性能进行全方位检验。“安装调试是整个研发攻关工作的‘终极大考’,机组停电安排不等人,一旦产品抵达了厂房,只有两个结果,性能测试合格,投用;性能测试不合格,从头再来。”励磁系统和继电保护系统技术攻关负责人陈强介绍道。

▲研发团队有序开展广州抽水蓄能电站7号机组的励磁系统现场动态调试工作

计算机监控系统方面,完成了1348组信号的核对,开展了57项静态试验和56项动态试验,并且还为自主可控核心控制器针对性地设计了3套完整的验证方案,仅调试过程就历时34天。

调速系统方面,开展了机组升速、空载、过速、工况转换、甩负荷、背靠背拖动、涉网试验等各项动态测试,试验结果完全符合预期。

励磁系统方面,针对国产化的板卡、元器件、逻辑等进行针对性试验,在动态试验中首次利用励磁A/B两套调节器进行50%、100%额定机端电压下分别直跳直流灭磁开关和交流开关、电气制动过程中直跳直流灭磁开关,并结合发电工况甩50%、75%、100%负荷和泵工况直跳直流灭磁开关试验,确保了国产一次元器件性能及相关灭磁时序性能可靠、动作正确。

继电保护系统方面,经过静态试验、整组传动、工况转换、并网测试等试验,验证了设备静态及动态性能,装置采样精度、开入开出响应、动作逻辑、动作时间等与常规保护装置一致,顺利完成了投运前全部工况试验与调试工作。

2023年,在广州、惠州两座抽水蓄能电站,各核心控制子系统成功调试投用后的欢呼声一次又一次响彻厂房上空;运行均超过10年的抽水蓄能机组旁,一套套崭新的国产化控制保护系统屏柜稳固安立,与四周进口设备形成鲜明对比……这些都成为科技自立自强在我国抽水蓄能领域镌刻下的难忘印记。南网储能检修试验分公司党委书记郭小涛表示,“此次关键技术攻关彻底解决了抽水蓄能核心控制系统‘卡脖子’难题,大大提高了设备运行的可靠性和安全性,为新型电力系统建设提供有力支撑。”

截至2023年9月底,我国抽水蓄能在运总装机容量达到5000万千瓦,到2030年投产总规模将达到1.2亿千瓦左右,在运和在建抽水蓄能规模均居世界首位。按照“1台机组1套系统”估算,这套抽水蓄能“国产大脑”的市场容量将达到2500套,市场规模将超过370亿,推广应用空间广阔。

 
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