日前，我國自主研制的抽水蓄能成套核心控制系統(tǒng)安全啟動超過1500次、累計運行時長超過17000小時，標志抽水蓄能機組四大類核心控制子系統(tǒng)均成功實現(xiàn)了全面國產化， 也意味著我國在抽水蓄能領域達到關鍵核心技術的完全自主可控，有力增強了我國能源產業(yè)鏈供應鏈的安全性。
抽水蓄能成套核心控制系統(tǒng)由計算機監(jiān)控、調速、勵磁、繼電保護等四大類子系統(tǒng)組成，被喻為抽水蓄能電站和機組的“大腦”和“神經系統(tǒng)”。其中，計算機監(jiān)控系統(tǒng)相當于“中樞神經”，調速器和勵磁系統(tǒng)是保障電壓和頻率穩(wěn)定的“周圍神經”，而繼電保護系統(tǒng)則是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的“免疫系統(tǒng)”。
這套系統(tǒng)國產化水平大致可分為“設備級”“部件級”和“芯片級”，其中“芯片級”自主可控水平最高，要求整套設備中的關鍵技術芯片全部國產。而在此前，我國抽水蓄能電站核心控制系統(tǒng)主要元器件均為進口設備，特別是芯片，均為國外生產，備品備件更新艱難，控制程序均為“黑匣子”，核心功能優(yōu)化存在“盲區(qū)”，關鍵技術面臨“卡脖子”的不利局面。
2021年2月，南網儲能公司牽頭組建聯(lián)合研發(fā)團隊，正式啟動抽水蓄能核心控制系統(tǒng)“芯片級”自主可控的研發(fā)攻關，全面對抽水蓄能核心控制系統(tǒng)開展元件比選適配、技術功能研發(fā)、控制邏輯優(yōu)化、調試試驗等工作。2022年5月，“芯片級”自主可控的繼電保護系統(tǒng)率先在惠州抽水蓄能電站5號機組并網試運行。2023年1月，“芯片級”自主可控的調速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)在廣州抽水蓄能電站7號機組并網試運行。2023年7月，“芯片級”自主可控的計算機監(jiān)控系統(tǒng)在惠州抽水蓄能電站并網試運行。2023年4月和2023年9月，調速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)先后通過科技成果鑒定，設備關鍵性能達到國際領先水平。截至目前，研發(fā)團隊累計完成重大技術創(chuàng)新40項，其中21項技術填補國內空白。
▲2023年1月，我國首套全國產化抽水蓄能調速器系統(tǒng)在廣蓄抽水蓄能電站機組投用
設備選型：堅信“中國制造”一定能徹底打破“卡脖子”現(xiàn)狀
據(jù)統(tǒng)計，抽水蓄能機組四大類核心控制系統(tǒng)，涵蓋核心控制器、調節(jié)器等206種設備，包含各類元器件近12萬個。研發(fā)我國完全自主可控的抽水蓄能核心控制系統(tǒng)是一項“工程浩瀚”的集成創(chuàng)新。設備選型是整個研發(fā)工作的第一步，也是后續(xù)研發(fā)環(huán)節(jié)順利實施的關鍵一步。
“整個攻關不是別人要我們做，而是我們主動要做，總得有人邁出這一步，支撐我們前行的動力是堅信抽水蓄能領域的‘中國制造’最終一定能徹底打破‘卡脖子’現(xiàn)狀”，項目攻關團隊總負責人、南網儲能檢修試驗分公司副總經理鞏宇感慨地說到。調研技術領域的制造業(yè)現(xiàn)狀，選擇能達到研發(fā)合作要求的設備供應商，成為研發(fā)初期各攻關小組的共同任務。
計算機監(jiān)控系統(tǒng)方面，團隊對國內可編程控制邏輯器產品的核心處理單元、信號輸入輸出模塊、核心應用服務器等部件進行全方位比選，最終選擇了基于龍芯2K1000芯片的NJ600系列可編程控制邏輯器，確保關鍵元器件充分滿足抽水蓄能機組監(jiān)控系統(tǒng)響應需求。
調速系統(tǒng)方面，面對我國新能源大規(guī)模加快并網對抽水蓄能機組提出的更高調速要求，團隊聚焦“頻率采樣精度”這一影響系統(tǒng)核心功能的關鍵要素，開發(fā)研制出比現(xiàn)有進口“0.001Hz”分辨率調速器更高精度等級的“0.0001Hz”分辨率國產調速器。而這“精度前移一個小數(shù)點”的背后，是團隊解析測頻回路解析、設計采樣方案、理論驗證、比選元器件、設備配合組裝及工程驗證等歷時500余天的技術攻關。
勵磁系統(tǒng)方面，直流滅磁開關是勵磁系統(tǒng)的核心部件，而此前國內并沒有適用于300MW抽水蓄能機組的開關產品。團隊協(xié)同上海立新電器公司組建生產聯(lián)合攻關小組，從開關絕緣材料選取、模具制作、生產工藝運用等方面全環(huán)節(jié)把控產品質量，最終研制出LXDM9型開關，各項試驗數(shù)據(jù)達標。
繼電保護系統(tǒng)方面，為了讓抽水蓄能繼保設備芯片依賴進口成為歷史，團隊成員聯(lián)合設備廠家深入開展自主可控保護裝置的可靠性驗證，經過性能測試、動模測試、型式試驗、模塊化設計，研制出搭載國產自研芯片的PCS-985GM-G自主可控抽水蓄能發(fā)電機繼電保護裝置。
走進鞏宇的辦公室，國家杰出貢獻科學家錢學森的相片醒目入眼，而錢老那句“外國人能搞，我們中國人就不能搞?”也成為了兩年多來他與團隊成員共勉最多的“加油令”。正是基于“這口氣”，核心技術攻關不斷取得突破，關鍵技術部件從無得有，產品核心性能迭代升級。
功能研發(fā)：以技術路線創(chuàng)新保障系統(tǒng)性能可靠
相比于常規(guī)水電站，作為靈活調節(jié)電源的抽水蓄能電站，其核心控制系統(tǒng)的工況更為復雜，起停更加頻繁，需要實現(xiàn)的功能更多，對整套系統(tǒng)可靠性的要求更高。
如果把整個攻關過程比作蓋一座高樓，設備選型僅僅是完成了建造的“施工選材”，功能研發(fā)則要求全面系統(tǒng)完整地制定“施工方案”，其難度不言而喻。面對四大類系統(tǒng)的不同職責功能，團隊“因地制宜”地采取不同技術手段，確保“不同類系統(tǒng)，同一樣可靠”。
計算機監(jiān)控系統(tǒng)方面，團隊自主建立了基于混合連接的高效組網方式和邊緣協(xié)同的高效數(shù)據(jù)采集網絡，研發(fā)可多線程并列運行的機組流程控制程序和基于全量SOE設計的數(shù)據(jù)采集策略，同時自主設計了成套控制軟件程序，其中創(chuàng)新開發(fā)了40余種功能，優(yōu)化了320個控制模塊性能，實現(xiàn)了機組監(jiān)控系統(tǒng)功能的有效輸出。
調速系統(tǒng)方面，團隊深入研究系統(tǒng)導葉動作的同步控制及不同步可靠監(jiān)視功能，提出滿足高精度數(shù)據(jù)控制、完整PID閉環(huán)調節(jié)、多工況啟停及穩(wěn)定運行等要求的系統(tǒng)設計，在控制上具備高度的完整性，以實現(xiàn)各功能高效協(xié)同，避免誤調誤控。2023年4月18日，由中國工程院院士張勇傳領銜的評審專家委員會對團隊研發(fā)的調速系統(tǒng)進行科技成果鑒定，認定產品基于云邊端協(xié)同的數(shù)智調速系統(tǒng)狀態(tài)智能分析與故障預警、多接力器同步協(xié)調控制技術等達到國際領先水平。
勵磁系統(tǒng)方面，團隊嚴格把關成套勵磁設備采用國產芯片后的采樣精度和運算速度，嚴苛依據(jù)國標要求完成全套控制模型測試，創(chuàng)新性地采用全柜TCP傳輸，數(shù)據(jù)采集和檢測性能得到了大幅提高。2023年9月2日，由中國電力科學研究院等9家單位(機構)的專家組成的評審專家委員會對團隊研發(fā)的勵磁系統(tǒng)進行科技成果鑒定，認定產品核心技術達到國際領先水平。
繼電保護系統(tǒng)方面，為確保研發(fā)保護裝置與其他保護裝置互不干擾，實現(xiàn)主要模塊可與現(xiàn)有保護裝置兼容，團隊對保護配置及參數(shù)定值整定功能深入研究，設計出自主可控的保護裝置單獨組屏功能。
整個功能研發(fā)的歷程，也是研究成果不斷涌現(xiàn)的過程。“一種蓄能機組監(jiān)控分析設備”“適用于抽水蓄能機組的調速模擬系統(tǒng)”“一種勵磁系統(tǒng)的可控硅支路電流測量裝置及方法”“蓄能電站繼電保護功能校驗軟件”等25項知識產權成果相繼形成。
邏輯優(yōu)化：用“大概率思維”防范“小概率風險”
千里之堤，毀于蟻穴。任何控制邏輯程序上的疏漏，都可能造成機組運行事故。新產品研制本身也是對進口設備歷史隱患缺陷“解剖麻雀”的過程。“對于進口設備存在的隱患缺陷，我們決不能坐視不理、安于現(xiàn)狀，在新產品的研制中予以徹底排除解決”，計算機監(jiān)控系統(tǒng)和調速系統(tǒng)技術攻關負責人楊銘軒介紹。
計算機監(jiān)控系統(tǒng)方面，團隊在不到90天的時間內完成了系統(tǒng)核心控制部分27個控制流程的梳理和148項跳閘邏輯的確認，完成了球閥控制、尾閘控制等5套“末梢”控制系統(tǒng)的同步設計。
調速系統(tǒng)方面，團隊不斷優(yōu)化完善調速系統(tǒng)控制邏輯，重新開發(fā)了控制程序源代碼、攻克了以關鍵軟硬件計時器異常、CPU發(fā)熱、多導葉調節(jié)等多項調速技術難題。
勵磁系統(tǒng)方面，團隊提前預設多種極端故障模式如直流滅磁開關偷跳、電氣制動防止誤強勵等關鍵邏輯進行優(yōu)化，設置了各種工況下的防誤邏輯。
繼電保護系統(tǒng)方面，團隊組織召開多次保護系統(tǒng)設計聯(lián)絡會和線上討論會，與廠家聯(lián)合整定新保護裝置定值1456項，對裝置本地化應用提出了大量完善意見，并在出廠及動模試驗中一一驗證，同時對保護功能、閉鎖邏輯、回路可靠性等方面提出了保護防誤動措施。
正是由于產品研制過程中的嚴格把關，才保證了產品投用后的穩(wěn)定運行。團隊盡一切可能防范產品投用后出現(xiàn)的運行風險，確保在安裝現(xiàn)場新產品沒有任何問題。
安裝調試：一絲不茍應對“終極大考”
技術攻關的成果需要檢驗，產品研發(fā)的價值全在運用。南網儲能公司選取廣州抽水蓄能電站和惠州抽水蓄能電站作為各首套核心控制子系統(tǒng)的實用平臺，綜合技術攻關進程和機組停電檢修計劃，分批次地推進新產品并網運行。
安裝調試是產品投用前的“臨門一腳”，然而“這一腳”絕非容易，需要對產品的各項性能進行全方位檢驗。“安裝調試是整個研發(fā)攻關工作的‘終極大考’，機組停電安排不等人，一旦產品抵達了廠房，只有兩個結果，性能測試合格，投用;性能測試不合格，從頭再來”，勵磁系統(tǒng)和繼電保護系統(tǒng)技術攻關負責人陳強介紹。
計算機監(jiān)控系統(tǒng)方面，完成了1348組信號的核對，開展了57項靜態(tài)試驗和56項動態(tài)試驗，并且還為自主可控核心控制器性針對性地設計了3套完整的驗證方案，僅調試過程就歷時34天。
調速系統(tǒng)方面，開展了機組升速、空載、過速、工況轉換、甩負荷、背靠背拖動、涉網試驗等各項動態(tài)測試，試驗結果完全符合預期。
勵磁系統(tǒng)方面，針對國產化的板卡、元器件、邏輯等進行針對性試驗，在動態(tài)試驗中首次利用勵磁A/B兩套調節(jié)器進行50%、100%額定機端電壓下分別直跳直流滅磁開關和交流開關、電氣制動過程中直跳直流滅磁開關，并結合發(fā)電工況甩50%、75%、100%負荷和泵工況直跳直流滅磁開關試驗，確保國產一次元器件性能及相關滅磁時序性能可靠、動作正確。
繼電保護系統(tǒng)方面，經過靜態(tài)試驗、整組傳動、工況轉換、并網測試等試驗，驗證了設備靜態(tài)及動態(tài)性能，裝置采樣精度、開入開出響應、動作邏輯、動作時間等與常規(guī)保護裝置一致，順利完成投運前全部工況試驗與調試工作。
2023年，在廣州、惠州兩座抽水蓄能電站，各核心控制子系統(tǒng)成功調試投用后的歡呼聲一次又一次響徹廠房上空;運行均超過10年的抽水蓄能機組旁，一套套嶄新的國產化控制保護系統(tǒng)屏柜穩(wěn)固安立，與四周進口設備形成鮮明對比……這些都成為科技自立自強在我國抽水蓄能領域鐫刻下的難忘印記。南網儲能檢修試驗分公司黨委書記郭小濤表示，“此次關鍵技術攻關徹底解決了抽水蓄能核心控制系統(tǒng)‘卡脖子’難題，大大提高了設備運行的可靠性和安全性，為新型電力系統(tǒng)建設提供有力支撐。”
截至2023年9月底，我國抽水蓄能在運總裝機容量達到5000萬千瓦，到2030年投產總規(guī)模將達到1.2億千瓦左右，在運和在建抽水蓄能規(guī)模均居世界首位。按照“1臺機組1套系統(tǒng)”估算，這套抽水蓄能“國產大腦”的市場容量將達到2500套，市場規(guī)模將超過370億，推廣應用空間廣闊。
