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。

改变核心控制系统受制于人局面

抽水蓄能电站是目前技术最成熟的大规模储能方式之一，是保障我国新能源消纳的重要力量。截至今年9月底，我国抽水蓄能在运总装机容量达到5000万千瓦，居世界首位，而到2030年投产总规模将达到1.2亿千瓦左右。

作为抽水蓄能电站的关键设备，抽蓄机组核心控制系统由计算机监控、调速、励磁、继电保护这四大系统组成，被喻为电站的“大脑”。

此前，这个“大脑”一直是我国的短板。尽管我国在抽水蓄能主机设备领域已实现全面国产化，多项技术国际领先，但核心控制系统的关键部件仍依赖进口，备品备件更新艰难，控制程序为“黑匣子”，核心功能优化存在盲区。

以“大脑”中的励磁系统核心部件直流灭磁开关为例，国际标准要求开关机械寿命达到2万次。“实际上，使用不到1年、开关动作次数不到3000次时，进口部件就发生了问题，厂商经多次催促才出具一份语焉不详的故障报告。”提起此事，南网储能修试公司技术专家闫文斌十分无奈。

“核心控制系统受制于人，是我国抽水蓄能领域实现科技自立自强的最后一块短板。”南网储能修试公司副总经理巩宇说，“我们下定决心啃下这块‘硬骨头’。”

核心控制系统用上“中国芯”

抽水蓄能电站是目前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源。励磁系统和调速器系统均属抽水蓄能机组的核心控制设备，分别承担着电压和无功功率、转速和有功功率的调节任务，直接影响机组发电的可靠性和电网运行的稳定性。

控制系统的国产化水平大致可分为“设备级”“部件级”“芯片级”，其中“芯片级”的自主可控程度最高，要求整套设备中的关键元器件及控制芯片均实现国产自主可控。而在此前，我国抽水蓄能电厂在运的励磁系统、调速器系统主要元器件均为进口设备，特别是控制系统芯片，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，南网储能公司启动了抽水蓄能成套控制系统设备“芯片级”自主可控的技术攻关，先行先试研究应用国产芯片的励磁、调速控制设备，内容涵盖选型、设计、生产、验收、安装及调试等各个环节。“基于国产芯片的励磁和调速系统的成功研制应用，将有效解决抽水蓄能电站关键控制系统‘卡脖子’的现状，打通供给约束的堵点、卡点、脆弱点，有利于我们掌握控制系统核心技术，助力公司业务的发展，确保整个产业链的安全。控制系统设备‘芯片级’自主可控攻关涉及系统所有控制程序都将重新设计编写，会遇到很多困难和风险，但总得有人迈出这一步。”南网储能修试公司副总经理巩宇说道。

在攻关过程中，项目团队先后完成了国内厂家走访调研、国产化替代方案制定、系统研发设计、控制程序源代码编写、设备生产组装、成品检测试验、现场施工调试等工作，每一个环节都在历经多次“考验”之后达到精益求精。励磁系统方面，团队严格依据数据手册对国产晶闸管进行压接和检测，依规依标开展国产直流灭磁开关的装配以及型式试验，通过带发电机空载灭磁、交流灭磁、甩负荷等严苛试验考核了国产直流灭磁开关和灭磁电阻的性能，创新性地采用全柜TCP传输，成套设备的数据采集和检测性能得到了大幅提高，得到了行业专家评审组的一致肯定。调速器系统方面，以系统研发设计为例，团队不断优化完善控制逻辑，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、多导叶调节等多项技术难题，制造成品最终顺利通过了安全性、抗干扰能力、连续运行稳定性等多项性能测试。

“通过实施本次自主可控应用，我们在掌握相关核心技术上赢得了主动。项目不仅为我国抽水蓄能机组励磁系统、调速器系统的国产化应用提供了示范样板，还在过程中总结出了一套标准规范，将为我国抽水蓄能电站核心控制系统的规模化国产替代提供重要参考。”南网储能修试公司电气二次检修部主任陈强表示。

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”。

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。

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。

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“终极大考”

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。

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。

文章来源： ​科技日报，南网储能，中国能源报