抽水蓄能電站機(jī)組和主變差動保護(hù)及閉鎖邏輯配置研究

李德華

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東 廣州 516130）

抽水蓄能電站機(jī)組和主變差動保護(hù)及閉鎖邏輯配置研究

李德華

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東 廣州 516130）

闡述了抽水蓄能電站機(jī)組一次設(shè)備接線方式和保護(hù)廠家閉鎖邏輯的差異，主要分析了抽水蓄能機(jī)組和主變主保護(hù)功能及其電流互感器布置特點(diǎn)，研究了各主流保護(hù)廠家機(jī)組和主變差動保護(hù)閉鎖邏輯，提出了抽水蓄能電站機(jī)組保護(hù)和變壓器保護(hù)的配置建議及注意問題。

抽水蓄能電站；差動保護(hù)；閉鎖邏輯

1 引言

抽水蓄能電站運(yùn)行靈活、反應(yīng)快速，是電力系統(tǒng)中具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、備用和黑啟動等多種功能的特殊電源，是目前最具經(jīng)濟(jì)性的大規(guī)模儲能設(shè)施。自20世紀(jì)90年代以來，我國相繼建成了廣州、惠州抽水蓄能電站等一批具有世界先進(jìn)水平的抽水蓄能電站，隨著我國自動化設(shè)備和一次設(shè)備制造水平的提高，以深圳抽水蓄能電站為代表的多個(gè)國產(chǎn)化抽水蓄能機(jī)組正在建設(shè)中。預(yù)計(jì)到2020年，我國抽水蓄能電站發(fā)展規(guī)模將達(dá)到4 900萬kW[1]。

抽水蓄能電站機(jī)組由可逆式水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動機(jī)組成，機(jī)組順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為水泵和電動機(jī)，兩者電壓、電流相序相反。其次，抽水蓄能電站機(jī)組較常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組增加了靜止變頻器、啟動母線、換相刀閘等一次設(shè)備，主接線型式復(fù)雜。此外，機(jī)組主要運(yùn)行工況由發(fā)電工況、抽水工況、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相等穩(wěn)態(tài)工況，靜止變頻器啟動、背靠背被拖動等啟動工況以及背靠背拖動等中間工況組成，各工況轉(zhuǎn)換頻繁[2,3]。

本文結(jié)合國內(nèi)多個(gè)抽水蓄能電站機(jī)組和主變保護(hù)配置、調(diào)試運(yùn)行情況，闡述了國內(nèi)蓄能機(jī)組和主變差動保護(hù)及其閉鎖邏輯的主要配置方案，分析了不同保護(hù)廠家、不同接線方式下機(jī)組和主變差動保護(hù)及其閉鎖邏輯配置特點(diǎn)，提出了抽水蓄能電站機(jī)組和主變差動保護(hù)的配置及其現(xiàn)場調(diào)試建議。

2 機(jī)組、主變差動保護(hù)范圍介紹

根據(jù)抽水蓄能電站機(jī)組和主變差動保護(hù)主接線和保護(hù)CT安裝位置不同，結(jié)合國內(nèi)差動保護(hù)配置情況，機(jī)組和主變差動保護(hù)按實(shí)際保護(hù)范圍大都可分為機(jī)組大差保護(hù)和小差保護(hù)、主變大差保護(hù)和小差保護(hù)。保護(hù)范圍具體見圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站機(jī)組和主變保護(hù)配置圖

其中，機(jī)組大差保護(hù)是指機(jī)組中性點(diǎn)側(cè)和機(jī)組出口側(cè)支路(即：主變至發(fā)電機(jī)斷路器范圍)電流所構(gòu)成的差動回路；機(jī)組小差保護(hù)是指機(jī)組中性點(diǎn)側(cè)和機(jī)組出口側(cè)支路(即：發(fā)電機(jī)機(jī)組出口至電氣制動斷路器范圍)電流所構(gòu)成的差動回路。

主變大差保護(hù)是指主變高壓側(cè)分支、SFC分支、廠用電分支和機(jī)組出口側(cè)分支(即：機(jī)組至電氣制動斷路器范圍)電流所構(gòu)成的差動回路；主變小差保護(hù)是指主變高壓側(cè)分支、SFC分支、廠用電分支和機(jī)組出口側(cè)分支(即：主變至發(fā)電機(jī)斷路器范圍)電流所構(gòu)成的差動回路。由于SFC分支和廠用電分支不受接線方式影響，因此本文主要討論的是主變高壓側(cè)分支和機(jī)組出口側(cè)分支構(gòu)成的電流回路。

3 機(jī)組、主變差動保護(hù)及閉鎖邏輯配置分析

3.1 機(jī)組、主變差動保護(hù)及其閉鎖邏輯配置

目前，各蓄能電廠根據(jù)保護(hù)廠家的配置邏輯和主接線設(shè)計(jì)方式，發(fā)電機(jī)和主變差動保護(hù)的配置方式各有差別。筆者選取了國內(nèi)5家大型抽水蓄能電廠機(jī)組及主變保護(hù)系統(tǒng)，對其差動保護(hù)配置方式、交叉位置和保護(hù)廠家進(jìn)行了梳理，具體見表1所示。

表1 國內(nèi)典型抽水蓄能電廠機(jī)組、主變差動保護(hù)配置表

如表1所示，各電廠機(jī)組、主變差動保護(hù)均實(shí)現(xiàn)了差動保護(hù)雙重化配置和保護(hù)范圍交叉[4,5]。受保護(hù)廠家設(shè)計(jì)方式、抽水方向相序、機(jī)組啟動分支和電氣制動分支電流回路等因素影響，機(jī)組、變壓器差動保護(hù)閉鎖邏輯各有不同。

蓄能A廠和蓄能B廠差動保護(hù)配置均為機(jī)組大差和主變小差的組合方式，保護(hù)范圍交叉在換相刀位置。受機(jī)組啟動分支和電氣制動分支電流回路影響，機(jī)組大差保護(hù)在機(jī)組抽水方向啟動工況、電氣制動工況應(yīng)閉鎖。主變小差保護(hù)不受機(jī)組工況影響，可全工況投入。在保護(hù)閉鎖邏輯的實(shí)現(xiàn)方式上，AREVA廠家主要通過監(jiān)控的運(yùn)行工況信號和開關(guān)位置節(jié)點(diǎn)綜合判斷工況實(shí)現(xiàn)保護(hù)閉鎖邏輯。SIEMENS廠家主要通過監(jiān)控開入判斷機(jī)組運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)保護(hù)閉鎖邏輯。

蓄能C廠機(jī)組、主變保護(hù)為國產(chǎn)化設(shè)備，其配置方式與蓄能A廠、B廠主要配置方式一致，均為機(jī)組大差和主變小差方式。此外，為提高機(jī)組抽水方向啟動工況和電氣制動工況的保護(hù)靈敏度，額外配置了兩套機(jī)組小差保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)全工況投入，其中機(jī)組啟動時(shí)啟用低頻差動，機(jī)組并網(wǎng)后閉鎖低頻差動，啟用機(jī)組小差。機(jī)組大差保護(hù)在機(jī)組抽水方向啟動工況、電氣制動工況閉鎖。

在工況判別方面，國產(chǎn)化設(shè)備采用了監(jiān)控信號和開關(guān)位置接點(diǎn)綜合判斷運(yùn)行工況 (見表2所示)。通過位置節(jié)點(diǎn)三取二方式，提高了保護(hù)裝置運(yùn)行工況判別的可靠性。

表2 主要運(yùn)行工況判別邏輯

蓄能D廠配置了兩套機(jī)組差動保護(hù)，AREVA在兩套機(jī)組差動保護(hù)配置邏輯各有區(qū)別。A套機(jī)組差動保護(hù)通過監(jiān)控開入節(jié)點(diǎn)和多定值組實(shí)現(xiàn)保護(hù)閉鎖。B套機(jī)組差動保護(hù)通過監(jiān)控開入節(jié)點(diǎn)和多定值組實(shí)現(xiàn)發(fā)電和抽水并網(wǎng)工況保護(hù)判別，在電氣制動或泵啟動工況通過抬高定值實(shí)現(xiàn)保護(hù)閉鎖。主變保護(hù)方面，分別配置了1套大差保護(hù)、1套小差保護(hù)，大差保護(hù)受機(jī)組泵工況啟動和電氣制動工況分支電流影響，在機(jī)組泵啟動、電氣制動工況閉鎖主變大差保護(hù)。

蓄能E廠差動保護(hù)配置為機(jī)組小差和主變大差的組合方式，保護(hù)范圍交叉在機(jī)組出口側(cè)。機(jī)組小差采用了不完全縱差保護(hù)，保護(hù)不受機(jī)組工況影響，全工況投入運(yùn)行。主變差動保護(hù)通過監(jiān)控的運(yùn)行工況和刀閘位置節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)工況判別，通過電流通道切換實(shí)現(xiàn)保護(hù)閉鎖，切換邏輯如圖2所示。

圖2 蓄能E廠主變差動保護(hù)電流通道切換邏輯示意圖

3.2 影響機(jī)組、主變差動保護(hù)及其閉鎖邏輯配置的主要因素

蓄能電廠機(jī)組、主變差動保護(hù)及其閉鎖邏輯主要受機(jī)組出口側(cè)電流相序、機(jī)組電氣接線方式、啟停機(jī)工況的低頻特性等3方面的影響。

3.2.1 電流相序切換的影響

在抽水工況、抽水調(diào)相等抽水方向運(yùn)行時(shí)，蓄能機(jī)組通過五級換相刀閘(A-C、B、C-A)與系統(tǒng)換相連接。機(jī)組作為電動機(jī)運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，機(jī)組電流相序?yàn)槟鏁r(shí)針方向，與發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)相反。對于保護(hù)范圍包含換相刀的差動保護(hù)應(yīng)考慮相序切換后對差流計(jì)算的影響，對二次電流回路相序進(jìn)行調(diào)整。目前，相序切換主要有以下兩種方式：

（1）CT二次回路換相

在五極換相刀閘內(nèi)部分別裝設(shè)電流互感器，二次回路換相(如C-A)實(shí)現(xiàn)相序調(diào)整。

（2）交流采樣通道換相

對于換相刀閘內(nèi)部不具備互感器安裝條件的情況，可通過保護(hù)裝置交流采樣通道實(shí)現(xiàn)換相。根據(jù)各廠家采樣通道配置，交流采樣通道的切換主要有以下2種不同方式：

1）單采樣通道方式

對需調(diào)整相序的交流量，保護(hù)裝置交流量僅設(shè)置有1個(gè)交流采樣通道(發(fā)電方向、抽水方向共同通道)，根據(jù)保護(hù)裝置的工況判別邏輯，在抽水方向工況通過裝置相序切換控制字換相。

2）雙采樣通道方式

對需調(diào)整相序的交流量，保護(hù)裝置交流量設(shè)置有2個(gè)交流采樣通道(1個(gè)作為發(fā)電方向交流采樣通道，1個(gè)作為抽水方向交流采樣通道)，2個(gè)交流采樣通道通過二次回路換相。根據(jù)保護(hù)裝置的工況判別邏輯，通過交流采樣通道切換實(shí)現(xiàn)相序調(diào)整。

3.2.2 機(jī)組電氣接線方式的影響

機(jī)組在抽水方向啟動工況、電氣停機(jī)工況，機(jī)組一次接線方式受機(jī)組啟動刀閘、拖動刀閘、電氣制動刀閘設(shè)備影響。機(jī)組、主變小差保護(hù)范圍不包含上述設(shè)備，不受機(jī)組電氣接線方式影響。工況轉(zhuǎn)換過程中不需考慮保護(hù)閉鎖方案，保護(hù)配置邏輯較為簡單。

機(jī)組和主變大差保護(hù)的保護(hù)范圍包含機(jī)組抽水方向啟動回路和電氣制動回路，受其分支電流的影響，大差保護(hù)必須在對應(yīng)的工況閉鎖保護(hù)，工況轉(zhuǎn)換中需在監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)裝置內(nèi)部邏輯考慮工況識別和保護(hù)閉鎖方案。涉及監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)裝置的配合，保護(hù)配置邏輯復(fù)雜。目前，各廠家主要的工況判別方式見表3所示。

表3 國內(nèi)典型抽水蓄能電廠工況主要判別方式

3.2.3 啟停機(jī)工況的低頻特性影響

蓄能機(jī)組泵工況啟動過程中，機(jī)組運(yùn)行在0～50 Hz頻段內(nèi)。常規(guī)機(jī)變保護(hù)只針對工頻設(shè)計(jì)，在低頻階段誤差很大。因此，抽蓄保護(hù)必須考慮不同頻率對保護(hù)性能的影響。

SIEMENS機(jī)組保護(hù)頻率跟蹤范圍為10～70 Hz，在此范圍內(nèi)保護(hù)都可投入運(yùn)行，當(dāng)頻率范圍低于10Hz時(shí)，僅配置低頻過流作為短路故障主要保護(hù)，另外配置有電壓相序保護(hù)作為機(jī)組啟動過程的輔助保護(hù)[6]。AREVA保護(hù)在水泵啟動過程中主要配置低頻過流和電壓相序保護(hù)。

國內(nèi)廠家蓄能機(jī)組保護(hù)在水泵啟動過程中除保留部分常規(guī)保護(hù)功能外，專門配置了各類完善的啟動過程故障保護(hù)，配置低頻差動保護(hù)作為快速主保護(hù)反應(yīng)相間短路故障的保護(hù)，配置低頻過流保護(hù)作為后備保護(hù)。

4 不同機(jī)組、主變差動保護(hù)配置方案分析

4.1 方案分析與比較

蓄能機(jī)組、主變差動保護(hù)配置方案應(yīng)滿足雙重化配置要求，不同保護(hù)范圍的配置方案決定了電流互感器的安裝位置和保護(hù)的閉鎖邏輯。通過對不同配置方案的分析，我們可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，選配機(jī)組、主變差動保護(hù)配置方案。

如表4所示，結(jié)合國內(nèi)蓄能機(jī)組典型配置方式，對各類典型配置方案進(jìn)行了分析與比較。其中，方案1、方案4和方案7的雙套主變大差存在機(jī)組出口部分設(shè)備故障導(dǎo)致主變設(shè)備跳閘風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。方案2、方案5、方案8的單套主變大差存在類似風(fēng)險(xiǎn)。目前，根據(jù)整理國內(nèi)蓄能電站2006～2015年機(jī)組、主變保護(hù)調(diào)試和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，主變大差保護(hù)因保護(hù)閉鎖邏輯和外部開入節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致保護(hù)閉鎖失效引起的設(shè)備跳閘事件屢屢發(fā)生。

方案2在主變大差單套退出運(yùn)行且主變處于充電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，存在部分主保護(hù)死區(qū)。方案3的雙套主變小差配置方案在主變充電運(yùn)行時(shí)存在部分主保護(hù)死區(qū)。方案5的機(jī)組和主變大差、小差保護(hù)配置方案，保護(hù)交叉范圍靈活，應(yīng)考慮單套大差保護(hù)退出運(yùn)行的保護(hù)死區(qū)問題。從機(jī)組出口設(shè)備特點(diǎn)來看，由于機(jī)組出口母線設(shè)備采用的均為離相封閉母線，機(jī)組母線發(fā)生相間故障的幾率極小。

方案6機(jī)組大差、小差配置方案，在與主變小差組合運(yùn)行期間，存在機(jī)組大差退出運(yùn)行導(dǎo)致主保護(hù)死區(qū)的情況。方案7的交叉位置位于發(fā)電機(jī)出口側(cè)，機(jī)組小差保護(hù)不受工況影響，主變大差保護(hù)受相序、機(jī)組電氣接線方式影響，應(yīng)采取閉鎖措施。

綜上所述，方案3的保護(hù)配置方式可以基本排除離相封閉母線相間故障模式，有效解決機(jī)組出口設(shè)備故障導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大的影響。方案7的保護(hù)配置方式滿足保護(hù)死區(qū)和保護(hù)閉鎖邏輯的配置要求，但應(yīng)在主變大差保護(hù)的出廠驗(yàn)收過程中提前介入保護(hù)裝置的型式、動模試驗(yàn)，驗(yàn)證主變大差保護(hù)閉鎖邏輯。

表4 抽水蓄能電廠機(jī)組、主變差動保護(hù)配置表

4.2 方案閉鎖邏輯配置要求

4.2.1 機(jī)組差動保護(hù)

一般情況下，配置方案的機(jī)組小差可全工況投入運(yùn)行。機(jī)組大差閉鎖邏輯配置方式取決于發(fā)電機(jī)出口側(cè)電流互感器安裝位置。

（1）電流互感器安裝于五極換相刀與主變低壓側(cè)

機(jī)組大差用中性點(diǎn)電流應(yīng)在抽水方向切換相序。機(jī)組大差保護(hù)在機(jī)組抽水啟動、電氣制動工況閉鎖。

（2）電流互感器安裝于五極換相刀與發(fā)電機(jī)出口斷路器之間

機(jī)組大差兩側(cè)電流應(yīng)在抽水方向切換相序。機(jī)組大差保護(hù)在機(jī)組抽水啟動、電氣制動工況閉鎖。

4.2.2 主變差動保護(hù)

主變大差保護(hù)受抽水方向相序切換、機(jī)組電氣接線方式影響，應(yīng)采取相序切換和工況閉鎖措施。主變大差工況閉鎖措施有切換采樣通道、抬高差動動作值。

（1）切換采樣通道

主變空載運(yùn)行時(shí)，閉鎖主變大差低壓側(cè)分支電流通道。發(fā)電工況運(yùn)行時(shí)，主變低壓側(cè)采樣通道切換至發(fā)電方向電流通道，抽水工況運(yùn)行時(shí)，主變低壓側(cè)采樣通道切換至抽水方向電流通道。

（2）抬高差動動作值

機(jī)組抽水啟動和電氣制動工況，抬高差動保護(hù)動作值實(shí)現(xiàn)工況閉鎖。

根據(jù)國內(nèi)蓄能機(jī)組主變大差保護(hù)調(diào)試和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采樣通道切換邏輯錯誤或外部開入節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致主變停運(yùn)的案例屢見不鮮。

主變小差配置方式取決于主變低壓側(cè)電流互感器安裝位置，若電流互感器安裝于五極換相刀與主變之間，主變小差可全工況投入運(yùn)行。若電流互感器安裝于五極換相刀與發(fā)電機(jī)出口斷路器之間，主變小差低壓側(cè)分支電流應(yīng)在抽水方向切換相序，主變小差可全工況投入運(yùn)行。

5 結(jié)論

在抽水蓄能發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)前應(yīng)充分考慮電氣一次接線方式、機(jī)組運(yùn)行工況對保護(hù)配置及閉鎖邏輯的影響。結(jié)合國內(nèi)多臺抽蓄電站機(jī)組和主變保護(hù)的調(diào)試和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推薦抽水蓄能保護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮機(jī)組大差和主變小差配置方案，備選機(jī)組小差和主變大差配置方案。本文對新建或改建抽水蓄能電站繼電保護(hù)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

[1]中國抽水蓄能電站產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及十三五規(guī)劃研究報(bào)告[R].

[2]王維儉,湯連湘,魯華富,等.換相操作對抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的影響分析[J].繼電器,1995,23（2）:3-6.

[3]蔡鑫貴,史繼莉.廣州蓄能水電廠機(jī)組及主變壓器繼電保護(hù)的配置與運(yùn)行[J].繼電器,2006,34（24）:65-69.

[4]GB/T 14285-2006繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S].

[5]DL/T 5177-2003水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].

[6]SIPROTEC 47UM6x多功能電機(jī)保護(hù)裝置用戶功能手冊[Z].

TV743

B

1672-5387（2017）06-0015-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.006

2016-11-02

李德華（1985-），男，工程師，從事電廠繼電保護(hù)專業(yè)管理工作。