抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

胡東升

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺 317200）

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)建設(shè)的快速推進(jìn)，大型抽水蓄能電站也得到了迅速發(fā)展，近年來一批大型抽水蓄能電站相繼建成投產(chǎn)。在這些電站機(jī)組保護(hù)的應(yīng)用呈現(xiàn)了多樣化的特點(diǎn)，國內(nèi)外知名廠家的保護(hù)系統(tǒng)都有應(yīng)用。本文通過分析抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的特點(diǎn)和配置方式以及幾種有代表性的保護(hù)系統(tǒng)在現(xiàn)場的應(yīng)用情況，為國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和技術(shù)改造提供借鑒。

1 抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的特點(diǎn)

1.1 抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的換相

目前大型抽水蓄能機(jī)組普遍采用可逆式機(jī)組，它在發(fā)電工況和抽水工況時(shí)的轉(zhuǎn)向是相反的。機(jī)組在運(yùn)行中利用發(fā)電/電動(dòng)機(jī)出口側(cè)的換相閘刀改變一次接線的相序，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的不同。機(jī)組保護(hù)的電壓、電流量一般采集自機(jī)端的壓變和流變，因此，在機(jī)組作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)采集至機(jī)端的電壓、電流的相序與作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的相序相反。此時(shí)機(jī)組保護(hù)的電壓、電流量也必須進(jìn)行換相，使之調(diào)整為電動(dòng)機(jī)保護(hù)。否則，機(jī)組的大差動(dòng)保護(hù)、功率型保護(hù)、阻抗型保護(hù)、相序檢查保護(hù)等與相序有關(guān)的保護(hù)都不能正常工作。

1.2 抽水蓄能機(jī)組保護(hù)對運(yùn)行工況的識別

抽水蓄能機(jī)組具有發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相、抽水、變頻器啟動(dòng)和背靠背啟動(dòng)等多種工況。為了保證機(jī)組在不同工況下的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，必須根據(jù)各種工況的特點(diǎn)配置不同的保護(hù)，即按照不同工況投入、切除或閉鎖相應(yīng)的保護(hù)。如：機(jī)組在變頻啟動(dòng)過程中，為防止負(fù)序過流保護(hù)和大差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)需將其閉鎖，而為了在此期間能快速切除啟動(dòng)回路的相間故障需投入此工況下特有的低頻過流保護(hù)。因此，必須在正確識別機(jī)組的運(yùn)行工況的前提下，才能保證保護(hù)裝置的可靠運(yùn)行。

2 抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的換相方式和配置

目前抽水蓄能機(jī)組保護(hù)裝置采用的換相方式主要有采樣通道換相方式和軟件換相方式。根據(jù)換相方式的不同，對機(jī)組的保護(hù)配置也有較大的不同。

2.1 采樣通道換相及保護(hù)配置

采樣通道換相方式是指保護(hù)裝置的二次回路接線以正序連接引入采樣模塊，發(fā)電工況保護(hù)與采樣通道正常連接，抽水工況保護(hù)與采樣通道換相連接。采用這種換相方式的保護(hù)裝置需對發(fā)電工況和抽水工況各配置一套保護(hù)。根據(jù)保護(hù)的雙重化配置原則，如對保護(hù)進(jìn)行完全雙重化配置將導(dǎo)致硬件投資大大增加。因此，保護(hù)裝置一般采用主要保護(hù)雙重化配置，后備保護(hù)根據(jù)其保護(hù)原理的不同分別配置于兩套保護(hù)中。

2.2 軟件換相及保護(hù)配置

軟件換相是指保護(hù)裝置根據(jù)采集的狀態(tài)信號判斷機(jī)組所處工況或直接采集工況信號后直接在軟件中改變相序設(shè)置，以使相關(guān)的保護(hù)計(jì)算不受換相的影響。通常保護(hù)裝置根據(jù)換相閘刀位置信號（合于發(fā)電方向或抽水方向）來進(jìn)行換相。采用此方式時(shí)同一套保護(hù)既能用于發(fā)電工況又能用于抽水工況，不需增加硬件的投資，因此，保護(hù)裝置可采用完全雙重化配置方式。

3 抽水蓄能機(jī)組保護(hù)對運(yùn)行工況的判別

目前國內(nèi)已投產(chǎn)的抽水蓄能機(jī)組保護(hù)對運(yùn)行工況的判別有多種方式：（1）開入量直接閉鎖保護(hù)方式。此方式采用能反映工況特點(diǎn)的開關(guān)、閘刀、導(dǎo)葉、球閥等重要設(shè)備的位置接點(diǎn)直接開入（或經(jīng)中間繼電器轉(zhuǎn)接）到保護(hù)裝置來閉鎖相應(yīng)保護(hù)；（2）保護(hù)裝置利用開入量定義運(yùn)行工況方式。此方式利用保護(hù)裝置本身的開關(guān)量輸入通道和邏輯編程功能，將能反映工況特點(diǎn)的開關(guān)、閘刀、導(dǎo)葉、球閥等重要設(shè)備的開關(guān)量信號輸入到保護(hù)裝置，經(jīng)邏輯組合出各種運(yùn)行工況。（3）監(jiān)控系統(tǒng)提供運(yùn)行工況狀態(tài)量方式。此方式根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)定義的機(jī)組運(yùn)行工況狀態(tài)量，以中間繼電器接點(diǎn)開入到保護(hù)裝置或采用通訊方式傳送給保護(hù)裝置。

在以上幾種運(yùn)行工況判別方式中（1）和（2）除少數(shù)狀態(tài)量需監(jiān)控系統(tǒng)提供，多數(shù)量都采集自現(xiàn)地設(shè)備，不受監(jiān)控系統(tǒng)的制約，但需考慮提高輔助接點(diǎn)和中間繼電器的可靠性，防止保護(hù)誤動(dòng)。方式（3）由于運(yùn)行工況狀態(tài)量由監(jiān)控提供，保護(hù)裝置不能獨(dú)立于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，必須保證監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4 幾種典型保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用情況

4.1 ELIN DRS保護(hù)系統(tǒng)

ELIN DRS保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于國內(nèi)多個(gè)抽水蓄能電站。現(xiàn)以某電站為例介紹其應(yīng)用情況。

該保護(hù)系統(tǒng)采用采樣通道換相方式。機(jī)組配置A、B兩套保護(hù)，保護(hù)根據(jù)主保護(hù)冗余配置原則進(jìn)行配置，每套保護(hù)均配置了發(fā)電機(jī)保護(hù)和電動(dòng)機(jī)保護(hù)。A套配置保護(hù)有：發(fā)電機(jī)相序保護(hù)、電動(dòng)機(jī)相序保護(hù)、發(fā)電機(jī)負(fù)序過流保護(hù)、電動(dòng)機(jī)負(fù)序過流保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)（小差）、低頻保護(hù)、定子過負(fù)荷保護(hù)、軸電流保護(hù)、轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)、過電壓保護(hù)、發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、電動(dòng)機(jī)失磁保護(hù)、低阻抗保護(hù)、發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)、轉(zhuǎn)子絕緣保護(hù)、100%定子接地保護(hù)、過電壓保護(hù)。B套配置保護(hù)有：發(fā)電機(jī)相序保護(hù)、電動(dòng)機(jī)相序保護(hù)、發(fā)電機(jī)負(fù)序過流保護(hù)、電動(dòng)機(jī)負(fù)序過流保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)（大差）、過勵(lì)磁保護(hù)、低功率保護(hù)、低頻過流保護(hù)、橫差保護(hù)、95%定子接地保護(hù)、開關(guān)失靈保護(hù)、轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)、濺水功率保護(hù)、發(fā)電機(jī)失步保護(hù)、電動(dòng)機(jī)失步保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。

保護(hù)系統(tǒng)對運(yùn)行工況的判別采用開入量直接閉鎖保護(hù)方式。開入量有：開關(guān)位置、換相閘刀位置、電制動(dòng)刀位置、導(dǎo)葉位置、球閥位置、轉(zhuǎn)速信號、背靠背拖動(dòng)工況、背靠背被拖動(dòng)工況、SFC拖動(dòng)工況、發(fā)電調(diào)相工況。其中背靠背拖動(dòng)工況、背靠背被拖動(dòng)工況、SFC拖動(dòng)工況、發(fā)電調(diào)相工況等狀態(tài)量由監(jiān)控系統(tǒng)提供。所有的量都經(jīng)中間繼電器擴(kuò)展后開入保護(hù)系統(tǒng)，并利用閉鎖矩陣閉鎖相應(yīng)保護(hù)。

該保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行情況總體較好，但在運(yùn)行中出現(xiàn)過因換相閘刀和電制動(dòng)刀狀態(tài)信號不可靠導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作的事件。后采取了①將換相閘刀位置信號組成由三極（A/B/C或A1/B/C1）串聯(lián)方式改為A/C或A1/C1兩極并聯(lián)再串聯(lián)B極的方式；②重要保護(hù)閉鎖開入采用雙中間繼電器、雙節(jié)點(diǎn)的方式等措施提高保護(hù)閉鎖的可靠性。但這種方式也增加了保護(hù)誤閉鎖的可能性，為此在監(jiān)控系統(tǒng)中增加相應(yīng)的報(bào)警功能。

4.2 西門子SIPROTEC保護(hù)系統(tǒng)

西門子SIPROTEC保護(hù)系統(tǒng)目前也在多個(gè)抽水蓄能電站得到應(yīng)用。該保護(hù)系統(tǒng)采用軟件換相方式。以某電站為例：保護(hù)系統(tǒng)軟件根據(jù)換相閘刀抽水位置和被拖動(dòng)閘刀合閘位置信號（兩者構(gòu)成或門以提高換相的可靠性）啟動(dòng)換相并切換定值組。機(jī)組的兩套保護(hù)基本實(shí)現(xiàn)了完全冗余配置，A套保護(hù)配置了過激磁保護(hù)、過電壓保護(hù)、橫差保護(hù)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)(大差)、軸電流保護(hù)、低電壓保護(hù)、發(fā)電工況逆功率保護(hù)、抽水工況低功率保護(hù)、失磁保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、電壓相序保護(hù)、定子熱過負(fù)荷保護(hù)、低壓記憶過流保護(hù)、低頻過流保護(hù)、基波95%定子接地保護(hù)、失步保護(hù)、頻率保護(hù)；B套配置了過激磁保護(hù)、過電壓保護(hù)、橫差保護(hù)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)差動(dòng)(小差)保護(hù)、低電壓保護(hù)、發(fā)電工況逆功率保護(hù)、抽水工況低功率保護(hù)、失磁保護(hù)、負(fù)序保護(hù)、電壓相序保護(hù)、定子熱過負(fù)荷保護(hù)、低壓記憶過流保護(hù)、低頻過流保護(hù)、20Hz-100%定子接地保護(hù)、1～3Hz轉(zhuǎn)子接地保護(hù)、失步保護(hù)、頻率保護(hù)、GCB失靈保護(hù)。

SIPROTEC保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行工況判別方式目前在國內(nèi)的應(yīng)用中有兩種：（1）由監(jiān)控系統(tǒng)提供運(yùn)行工況條件，以中間繼電器開入保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的投退。（2）保護(hù)根據(jù)開關(guān)量信號經(jīng)過邏輯組合出運(yùn)行工況來實(shí)現(xiàn)保護(hù)的投退，開關(guān)量大多數(shù)不經(jīng)中間繼電器擴(kuò)展直接由輔助接點(diǎn)引入?，F(xiàn)以方式（2）為例介紹其應(yīng)用情況：保護(hù)系統(tǒng)將換相閘刀切除/發(fā)電/抽水位置、GCB分閘/合閘位置、拖動(dòng)閘刀合閘位置、被拖動(dòng)閘刀合閘位置、電制動(dòng)刀合閘位置、導(dǎo)葉位置、發(fā)電運(yùn)行轉(zhuǎn)發(fā)電調(diào)相（由監(jiān)控提供）等信號通過本身的邏輯功能組合成停機(jī)工況、發(fā)電啟動(dòng)工況、發(fā)電運(yùn)行工況、發(fā)電調(diào)相工況、背靠背啟動(dòng)拖動(dòng)機(jī)組工況、電氣制動(dòng)工況、抽水啟動(dòng)工況、抽水運(yùn)行工況、抽水調(diào)相工況等，并利用工況信號實(shí)現(xiàn)保護(hù)的投入和閉鎖。保護(hù)還對GCB、換相閘刀、拖動(dòng)刀、被拖動(dòng)刀的位置信號進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號錯(cuò)誤時(shí)，將閉鎖相應(yīng)的保護(hù)。保護(hù)系統(tǒng)通過通訊的方式將保護(hù)的投退情況傳送至監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行情況的監(jiān)視

4.3 南瑞RCS-985GW 保護(hù)系統(tǒng)

南瑞RCS-985GW保護(hù)系統(tǒng)是南瑞近幾年針對抽水蓄能機(jī)組研發(fā)的保護(hù)系統(tǒng)，是首個(gè)應(yīng)用于大型抽水蓄能機(jī)組的國產(chǎn)保護(hù)系統(tǒng)。

RCS-985GW保護(hù)系統(tǒng)采用軟件換相方式，在換相開關(guān)處于“抽水位置”時(shí)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓、機(jī)端電流和中性點(diǎn)電流均由軟件進(jìn)行A、C相自動(dòng)換相。機(jī)組的兩套保護(hù)完全冗余配置，配置的保護(hù)有大差動(dòng)保護(hù)、小差動(dòng)保護(hù)、橫差保護(hù)、注入式定子接地保護(hù)、低壓過流保護(hù)、發(fā)電工況負(fù)序過流保護(hù)、電動(dòng)工況負(fù)序過流保護(hù)、失磁保護(hù)、過電壓保護(hù)、低頻過流保護(hù)、逆功率保護(hù)、低功率保護(hù)、低頻保護(hù)、失步保護(hù)、軸電流保護(hù)、過激磁保護(hù)、定子過負(fù)荷保護(hù)、電壓相序保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)。

RCS-985GW保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)開入信號進(jìn)行邏輯判斷確定運(yùn)行工況。保護(hù)裝置的開入量有導(dǎo)葉全開位置、導(dǎo)葉全關(guān)位置、拖動(dòng)閘刀分閘位置、轉(zhuǎn)速小于15Hz、出口斷路器跳閘位置、被拖動(dòng)閘刀分閘位置、電制動(dòng)開關(guān)合閘位置、換相閘刀發(fā)電/電動(dòng)/分閘位置等,保護(hù)系統(tǒng)經(jīng)邏輯判斷確定發(fā)電啟動(dòng)工況、發(fā)電工況、水泵工況、被拖動(dòng)工況、拖動(dòng)工況、靜止停機(jī)工況、電制動(dòng)等運(yùn)行工況。保護(hù)系統(tǒng)除根據(jù)運(yùn)行工況閉鎖保護(hù)外，還設(shè)置了電制動(dòng)閉鎖功能、水泵啟動(dòng)閉鎖功能、小于15 Hz閉鎖功能進(jìn)行完善和補(bǔ)充。

RCS-985GW保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置了開關(guān)異常報(bào)警閉鎖功能和運(yùn)行工況不對應(yīng)報(bào)警功能。開關(guān)異常閉鎖保護(hù)功能是在被拖動(dòng)閘刀、拖動(dòng)閘刀、換相閘刀、機(jī)端斷路器等開入信號異常時(shí)，閉鎖相關(guān)保護(hù)，防止誤動(dòng)。運(yùn)行工況不對應(yīng)報(bào)警功能是將由監(jiān)控系統(tǒng)開入的運(yùn)行工況信號與保護(hù)系統(tǒng)本身邏輯判斷的運(yùn)行工況進(jìn)行比較，當(dāng)不一致時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，但不閉鎖保護(hù)。

5 結(jié)語

大型可逆式抽水蓄能機(jī)組由于存在換相的問題，而且運(yùn)行工況多轉(zhuǎn)換頻繁，在進(jìn)行保護(hù)配置時(shí)必須考慮換相和運(yùn)行工況對保護(hù)的影響。保護(hù)裝置必須采取可靠的換相方式和運(yùn)行工況的識別方式，確保保護(hù)裝置在不同運(yùn)行方式下都能可靠運(yùn)行，防止保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)以及保護(hù)盲區(qū)的存在。