抽水蓄能電站保安電源配置分析

李璟延

（國網新源控股有限公司基建部，北京市 100761)

抽水蓄能電站保安電源配置分析

李璟延

（國網新源控股有限公司基建部，北京市 100761)

抽水蓄能電站能為電網提供優質的大容量清潔電力儲備，很好地滿足了電網安全穩定經濟運行需求，更是吸納新型綠色能源穩定入網的關鍵保障。為了使抽蓄電站更好地服務電網，本文介紹了我國在運、在建抽蓄電站典型樞紐結構，重點介紹了抽蓄電站保安電源配置及負荷分配原則，統計分析了現行抽蓄電站事故保安電源配置情況和主要影響因素，明確了保安負荷確定原則以及保安容量的計算方法。研究不僅為從事抽蓄建設管理的人員提供技術指導和幫助，也為我國抽蓄電站未來的設計規劃提供重要的參考和依據。

抽水蓄能電站；樞紐結構；廠用電；保安負荷；保安電源

0 引言

作為電力系統的特殊電源，抽水蓄能電站具有調峰、填谷、事故備用和黑啟動等多種功能，不同運行方式間啟停、轉換靈活迅捷，是電力系統穩定、安全、經濟運行的重要支撐，也是目前電網最經濟的大規模儲能設施[1]。隨著我國經濟社會的發展，電力系統規模不斷擴大，用電負荷和峰谷差持續加大，電力用戶對供電質量要求不斷提高；此外隨機性、間歇性綠色新能源大規模開發，抽蓄發展對保障電力系統安全穩定經濟運行、緩解電網調峰調頻矛盾、增加新能源電力消納、促進能源結構調整、實現可持續發展具有重大意義[2]。

研究表明，抽水蓄能容量在電力系統中所占最佳比例應為總裝機容量的5%～10%。而我國抽水蓄能僅占不到2%，未來仍有巨大發展空間[3]。抽蓄電站面臨歷史上最好的發展時期，未來具有良好的經濟效益和廣闊的發展空間。當前智能電網建設飛速發展，電力儲能技術要求日益提高，可以說未來智能電網的核心應該是電力儲能技術智能化的發展，因此抽水蓄能電站建設顯得日益重要和迫切。

由于抽水蓄能電站在電網中承擔的特殊功能，要求其必須配置事故保安電源，用以應對抽蓄電站可能與電力系統和外來電源失去聯系而無法啟動或可能影響人身、電站、設備安全的事故應急工況。正確選取抽蓄電站保安負荷，合理配置抽蓄電站保安電源關系到抽蓄電站設計的科學性和經濟性[4-6]。

1 抽蓄電站的發展

最早以蓄水為目的的抽蓄電站發展至今，已有近百年歷史[7]。截至2014年底，我國建成并投運的大中型抽蓄電站三十多座，極大優化了能源結構。目前，世界各國政府紛紛降低化石能源比例，努力推進綠色能源開發和終端用戶電力替代，實現經濟發展與環境保護和諧共處[8]。2014年，電網帶頭落實“一帶一路”戰略，構建全球能源互聯網，極大促進了風能、太陽能、潮汐能及生物等可再生清潔能源的開發與利用。抽蓄電站具有獨特的運行特點和結構形式，立足于常規水電，運行理念和管理方式又不同于常規水電。實現了儲能和發電的自由轉換，是目前運行環境最優良的物理儲能方式[9]。

2 抽蓄電站的典型樞紐結構

抽蓄電站樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等組成。輸水系統位于上、下水庫間的山體內，主要包括：上水庫進出水口、上水庫閘門井、上平洞、引水調壓室、上斜井、中平洞、下斜井、下平洞、引水鋼管等[9]。

由于兼顧抽水和發電需要，機組需要有一定的淹沒深度，因而主設備大都布置在山體內。地下廠房洞群主要包括主副廠房、主變洞、尾水閘門洞、母線洞、進場交通洞、通風兼安全洞等附屬洞室。主副廠房洞與主變洞、尾水閘門洞依次平行布置。典型抽蓄電站水道系統引水部分為一洞兩機供水方式，尾水部分采用兩機一洞布置。中央集控室布置在地面，機組開停機操作主要在地面控制室內進行，設備巡檢和維修則在地下廠房內進行，運維人員配置較分散。某抽蓄電站典型地下引水系統結構如圖1所示。

3 抽蓄電站廠用電系統介紹

抽水蓄能電站為地下廠房，主要電氣設備布置在地下洞室內，廠房內的通風、供排水、消防、照明等廠用電負荷較常規水電站大；地面建筑物如上水庫、下水庫、開關站、中控樓等生產用電均取自廠用電系統。因此抽水蓄能電站要求廠用電有較高的供電可靠性和靈活性，以確保電站安全可靠運行[10]。

廠用電接線取自兩個聯合單元的發電電動機機端換相開關與主變壓器低壓側之間。當機組發電時由機端取得電源；當機組停機或作水泵工況運行時，可以從500kV系統倒送廠用電。

為確保廠用電可靠，從地區電網另引接一回電源進入電站作為備用電源，該備用電源一般是在電站施工期之初完成引接，主要擔負電站施工期用電運行需求。以四段廠用電母線為例，某抽蓄電站廠用電接線如圖2所示。

由圖2可知，電站廠用電電源有四種獲取方式：①從發電電動機出口引接一臺廠用變壓器；②500kV系統倒送電；③從地區電網引接一回廠用備用電源；④事故保安電源。各段母線之間設置母聯開關，各段母線負荷平均分配，保證抽蓄電站各用電負荷供電電源安全可靠。

圖1 抽蓄電站典型地下引水系統結構示意圖

圖2 某抽蓄電站廠用電接線圖

4 抽蓄電站事故保安電源配置

4.1 事故保安電源配置原則

除了從發電電動機出口引接一臺廠用變壓器，以及500kV系統倒送廠用電兩路電源外，抽水蓄能電站在施工期會從地區電網引接一至兩回電源作為施工供電電源，施工期結束后自行轉為電站運行備用電源，但因為該電源為地區電源，可靠性難以保證。抽水蓄能電站是地下廠房，作為電網的重要緊急事故備用電源，必須保證在緊急情況下電站地下廠房、大壩的安全和系統的緊急事故備用，故需要設置事故保安電源[11]。

相關標準規定，對于擔任系統峰荷、經常全廠停機的特別重要的大型水電廠或抽水蓄能電廠，如有可能與系統失去聯系，又無其他可靠的廠用電外來電源，致使機組無法啟動，影響大壩度汛安全或廠房可能被淹沒及人身或設備安全時，經濟技術比較后，可設置應急電源[11]。應急電源，也稱事故保安電源，主要用于滿足保安負荷要求。

事故保安電源設置應遵循以下原則[12]設置：抽水蓄能電站設置保安電源，容量配置及電能質量應滿足保安負荷要求。當抽水蓄能機組承擔黑啟動功能時，保安電源宜兼作黑啟動電源，其容量應保證黑啟動機組安全啟動必要的附屬和輔助設備電源負荷需求。保安電源與廠用電工作電源應獨立，且應有防止兩種電源并列運行的措施。需要時，保安電源應能自動啟動投入運行。當供電距離較遠時，可將保安電源布置在壩區附近。保安電源應包括廠房保安電源、黑啟動機組及其他。蓄能電站宜設置專用的保安電源母線。當保安電源與電站廠用電備用電源共用一段母線時，應設置閉鎖裝置。此外保安負荷應由兩回獨立電源供電，分別取自廠用電電源和保安電源。

4.2 事故保安電源裝置選取原則

近年來由于柴油發電機性價比的日益提高，已經成為抽蓄電站常用的事故保安電源選擇之一，尤其是北方抽蓄電站，常常采用柴油發電機作為事故保安電源。南方因為河流雨水充沛，常選用小水電作為事故保安電源。此外也可采用逆變直流電源作為保安電源。統計分析了全國29個抽水蓄能電站的事故保安電源選取類別，如圖3所示。其中，采用小水電的占6%，采用直流蓄電池的占6%，絕大多數抽蓄電站采用柴油發電機，約占88%。

圖3 抽蓄電站事故保安電源選取統計

柴油發電機組作為保安電源時，應具備快速啟動功能，當廠用電系統電源恢復正常后，應能自動切換和自動延時停機。由于柴油發電機一般布置在靠近負荷端，且10kV額定電壓柴油發電機價格較高，故宜優選額定電壓0.4kV，中性點直接接地的柴油發電機組做事故保安電源。由于柴油發電機需要定期維護檢修，故不宜布置在地下廠房。

當電站專設小水電機組作為保安電源時，為保證保安電源的可靠性，宜配置兩臺小水電機組，且單臺機組的容量應能滿足電站保安負荷所需。此外，為滿足黑啟動功能，小水電機組應具備孤網運行能力。因為小水電多在水庫附近，遠離中控室，故小水電機組應具備遠方啟停功能，當廠用電電源恢復正常后，應能自動切換和自動停機。

4.3 事故保安負荷確定原則

事故保安電源負荷主要包括：廠房保安負荷、黑啟動機組所需負荷以及上下水庫大壩泄洪設施用電負荷三部分[13]。其中廠房保安負荷主要包括：滲漏排水用負荷；電站消防水泵、消防排煙風機、消防電梯等消防用設施用電負荷；以及應急照明、疏散指示等負荷。黑啟動機組所需負荷主要包括：機組啟停和正常運行時所需要用電負荷；主變壓器空載冷卻系統等電氣設備所需用電負荷。

當抽水蓄能機組承擔黑啟動功能時，事故保安負荷應當包括機組黑啟動機組所必須的附屬和輔助設備負荷要求，保安電源負荷應當能涵蓋廠房保安負荷和黑啟動機組所需的負荷。

此外，如果上、下水庫大壩承擔泄洪任務時，由于與地下廠房距離相隔較遠，需要單獨加裝保安電源以滿足泄洪設施用電負荷需求。統計分析了29個抽蓄電站，其中擔負泄洪功能的有11個，約占38%。為滿足泄洪功能需求，抽蓄電站根據泄洪用電負荷，均單獨在大壩附近加裝了保安電源。

4.4 事故保安電源容量確定原則

事故保安電源容量一般應同時滿足幾種負荷的需要。根據保安負荷特征，確定保安電源容量。如抽蓄電站具有黑啟動功能，保安電源容量按電站事故時可能的最大運行方式，最低的黑啟動負荷容量加上廠房保安電源容量等綜合計算比較確定。

廠房保安電源容量應滿足相應保安負荷用電的需要，主要包括電站全部工作滲漏排水泵運行容量。如當滲漏排水泵所需的保安電源容量過大時，可與其他保安電源分開單獨設置。調研統計分析了29個抽蓄電站，在保安電源容量選取中，滲漏排水泵的運行容量對保安電源容量的確定起了關鍵決定作用。7個具有自流排水洞的抽蓄電站，其地下廠房所需的保安電源容量大大減小，可見滲漏排水是影響抽蓄電站保安電源容量非常重要的因素。滲漏排水泵與柴油發電機的容量比統計如圖4所示。

由圖4可知，18個需要安裝滲漏排水泵的抽蓄電站，滲漏排水泵容量占事故保安電源容量60%以上的有12個，也即12個電站事故保安電源60%以上的容量分給了滲漏排水泵使用。故滲漏排水泵是事故保安電源的重要負荷，抽蓄電站地下廠房的特點決定了滲漏排水防范是廠房安保的第一要務。

此外廠房保安電源還需滿足消防系統用電負荷，包括消防水泵、事故排煙風機、消防電梯等的最低需要。滿足無交、直流逆變電源的應急照明需要。滿足最大單臺電動機或成組電動機的啟動容量，并進行校驗。滿足啟動最大單臺電動機時母線允許電壓降校驗電源容量。當最大電動機啟動時，廠用電母線上的電壓水平不應低于額定電壓的80%。

黑啟動機組負荷容量應滿足一臺機組黑啟動、運行時所需的最低用電負荷。當兼作黑啟動電源時，其容量按廠房保安負荷、黑啟動負荷兩者的最大值確定。

其他事故保安電源容量應滿足上、下水庫大壩防汛設施等所需的用電負荷要求。

4.5 事故保安電源容量計算

保安電源容量計算需要考慮穩定負荷容量，以及保安電源啟動負荷包含最大單臺容量電動機或成組電動機時的負荷計算，最后選取兩種計算的最大值[10]。

（1）保安電源的穩定負荷計算，可采用式(1)計算。

式中：SJS1——計算負荷，kVA；

ηΣ——計算負荷的效率，一般取0.82～0.88；

cos?——計算負荷的功率因數，可取0.80。

（2）保安電源啟動負荷包含最大單臺容量電動機或成組電動機時，保安電源計算負荷，可采用式（2）計算。

式中：SJS2—— 當負荷包含最大單臺容量電動機或成組電動機時，保安電源計算負荷，kVA；

Pm—— 啟動最大容量電動機或成組電動機的容量，kW；

cosφm——電動機的啟動功率因數，一般取0.4；

ηd·cosφd—— 電動機的效率和額定功率因素乘積，簡化計算時取0.80；

cosφG—— 當保安電源為柴油發電機時的功率因素，可取0.80；

Kdq——電動機的啟動倍數；

C—— 按電動機啟動方式確定的系數；全壓啟動C=l.0，—△啟動C=0.67；

PΣ、ηΣ——含義同式(1)說明。

（3）保安電源輸出容量最大計算負荷，可采用式（3）確定。

式中：SB1——保安電源的額定容量，kVA。

5 結論

抽蓄儲能產業在我國起步較晚，近幾年才開始大力發展。因為抽蓄本身優良的儲能特性，對電網穩定運行起到了至關重要的作用。隨著風能、太陽能以及潮汐等新能源的開發和利用，反過來也催生了儲能技術，尤其是抽蓄儲能產業的進一步的發展和完善。目前，抽水蓄能領域有許多問題等待探索和規范。為了對以后抽水蓄能電站的建設和運行提供指導和幫助，本文介紹了抽蓄電站的現狀和運行特點，抽蓄電站典型樞紐結構，以及電站廠用電系統，重點研究探討了蓄能電站事故保安電源的配置，統計分析了現行抽蓄電站事故保安電源的配置情況和主要影響因素。

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[3]國家發展改革委關于促進抽水蓄能電站健康有序發展有關問題的意見(發改能源[2014]2482) [Z]. 2014.

[4]邱彬如，劉連希. 抽水蓄能電站工程技術[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

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[6]何永泉，林肖男. 已投運大型抽水蓄能電站運行情況概述//抽水蓄能電站運行技術文集[M]. 鄭州：黃河水利出版社， 2006： 3-9.

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[12]DL/T 5186—2004 水力發電廠機電設計規范 [S]. 北京：中國電力出版社，2004.

[13]中國水電顧問集團北京勘測設計研究院. 河北豐寧抽水蓄能電站設計報告 [R]. 2010.

李璟延（1977—），女，博士，高級工程師，主要從事抽水蓄能電站電氣技術研究及管理工作。

The Design and Analysis on the Emergency Power Supply Configuration of Pumped Storage Power Plant

LI Jingyan
(State Grid Xinyuan Company LTD, Infrastructure Department,Beijing 100761, China)

Pumped storage power plant can provide high-quality and large-capacity clean power for the current power grid. It is good to meet the needs of grid security and stability. Besides,it is the stable storage guarantee for the new green energy accessed to the grid. To make the pumped storage power plants to better serve the grid, the paper elaborated on the development and the operating characteristics of the pumped storage power plants under construction and operation. It was described that the typical hub structure of pumped storage power plant, and the power and load distribution principle of their auxiliary power system. The research focused on the principles and requirements of emergency power supply, and determined the principles and calculation methods of the security load capacity. At last, the ideas had been put forward the future settings of the emergency power supply of pumped storage power plant. The study not only provides technical the guidance and assistance for the construction managers, but also provide the important reference and basis for our future pumped storage power plant design and planning.

pumped storage power plant; Hub structure; auxiliary power; security load; emergency power supply