抽水蓄能電站機組保護閉鎖方案分析

周海燕

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東省廣州市 510635）

抽水蓄能電站機組保護閉鎖方案分析

周海燕

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東省廣州市 510635）

抽水蓄能電站機組保護閉鎖方案與復(fù)雜的工況及工況轉(zhuǎn)換過程、主接線形式、保護裝置的特性等因素有著密切的關(guān)系，相對于常規(guī)電站的保護閉鎖，具有較大的復(fù)雜性。以具體抽水蓄能電站為例，對具體閉鎖方案的原則和實現(xiàn)方式進行詳細的介紹和比較，文章分析了當(dāng)前幾種主要閉鎖方式的優(yōu)缺點，提出了未來抽水蓄能電站保護閉鎖方案選擇的趨勢，以供同類型電站保護設(shè)計人員參考。

抽水蓄能電站 ；工況；主接線；保護閉鎖方案

0 引言

隨著國內(nèi)電網(wǎng)的發(fā)展，抽水蓄能電站在調(diào)峰調(diào)頻中起著越來越重要的作用。由于抽水蓄能電站與常規(guī)電站相比，工況轉(zhuǎn)換更為復(fù)雜，開停機更為頻繁，抽水蓄能機組同時作為發(fā)電機和電動機，保護功能涵蓋了不同工況下及工況轉(zhuǎn)換下的各種故障情況，種類較多。對應(yīng)不同的工況，需要投入相關(guān)的保護，與此同時需要閉鎖其他可能誤動的保護，因此對于抽水蓄能電站機組的保護功能配置與閉鎖，需要進行深入分析和謹慎的考慮。

目前國內(nèi)的抽水蓄能電站機組，從20世紀90年代的廣州抽水蓄能電站到2000年之后的廣東惠州抽水蓄能電站，還有已發(fā)電的廣東清遠抽水蓄能電站，在建的深圳等抽水蓄能電站，其保護閉鎖方案基本可分為以下幾種。

1 保護閉鎖方案一

1.1 閉鎖邏輯

以廣蓄B廠（2014年改造后的南瑞保護方案）等為典型代表，這類方案側(cè)重從電氣量的角度進行分析，重要電氣設(shè)備如發(fā)電機斷路器、換向開關(guān)、啟動刀、拖動刀的接點均接入保護裝置，作為保護投入及閉鎖的主要判據(jù)，由保護裝置判斷機組處于何種工況，以此對機組相關(guān)保護功能進行投入和閉鎖。

廣蓄B廠為國內(nèi)早期建設(shè)的抽水蓄能電站之一，機組保護配置與近幾年的抽水蓄能電站有一些不同，主要體現(xiàn)在電流互感器的配置上，如圖1所示。

對于抽水蓄能電站機組，工況及其轉(zhuǎn)換過程多達幾十種，但許多工況及其轉(zhuǎn)換過程的電氣特征是相似或相同的，改造后的廣蓄B廠，根據(jù)工況的特點將其分為若干類型，在此基礎(chǔ)上對具體的保護功能進行閉鎖。

閉鎖主要體現(xiàn)在發(fā)電方向運行、水泵方向運行、低頻啟動時對保護投入與閉鎖的要求上，特別是對基于功率判據(jù)、電壓判據(jù)的保護要求不同，例如，低功率保護為防止在水泵工況下，輸入功率過低和失去電源，一般僅在水泵運行時投入；而對于在某些工況不需要投入，但也不會誤動的保護功能，也可全工況投入，例如，部分基于電流判據(jù)的保護——復(fù)壓過流保護。

需要注意的是，這些保護功能的閉鎖與主接線方式也有關(guān)系。對于差動保護，當(dāng)發(fā)電機出口的電流互感器如果配置在電氣制動刀與發(fā)電機之間時，差動保護功能是可以全部工況均投入的，而從廣蓄B廠的主接線配置可以看出，差動保護用電流互感器配置在換向開關(guān)內(nèi)，在某些特殊工況如拖動運行時，換向開關(guān)內(nèi)的電流互感器與中性點側(cè)電流互感器會有差流出現(xiàn)，需要提高差動保護定值或直接閉鎖差動保護功能，否則會引起保護誤動。

圖1 廣蓄B廠單線圖Fig.1 The single wiring of Guangzhou B Pumped Storage Power Station

因此即使是使用同種閉鎖邏輯，不同主接線方式電站機組的閉鎖邏輯都可能不同，表1為廣蓄B廠機組的保護閉鎖邏輯。

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，保護閉鎖邏輯所對應(yīng)得工況僅為有限幾種，與監(jiān)控系統(tǒng)中定義的實際工況并非完全對應(yīng)，在雙套保護配置完全一樣的前提下，雙套保護的閉鎖邏輯也完全一樣。

1.2 閉鎖判據(jù)實現(xiàn)方式

上述閉鎖方式需要保護裝置自主判斷工況，從而自主閉鎖及開放保護功能，為正確地判斷出上述工況，保護裝置需要以開關(guān)位置接點為主的信息，這部分接點一般直接取自設(shè)備本身的位置接點。

保護系統(tǒng)主要以斷路器、換向開關(guān)、拖動開關(guān)、被拖動開關(guān)、電制動開關(guān)的位置接點為主要判據(jù)，輔以監(jiān)控系統(tǒng)傳送的工況信號，來對工況進行判斷，例如當(dāng)換相開關(guān)處于發(fā)電機位置、機端斷路器處于合閘位置且發(fā)電機不在調(diào)相模式時，保護系統(tǒng)完全可以判斷機組處于發(fā)電運行工況。表2為各狀態(tài)判別邏輯。

表1 廣蓄B廠機組保護閉鎖邏輯Tab.1 The protection pocking pogic of Guangzhou B Pumped Storage Power Station Units

由上述判別邏輯看出，保護裝置需要的信息以開關(guān)位置接點為主，這部分接點采用硬接線的方式取自設(shè)備本身的位置接點。另外還有兩個特殊的信息：發(fā)電機調(diào)相模式和水泵調(diào)相模式來自監(jiān)控系統(tǒng)，這是由于保護裝置僅用電氣設(shè)備的開關(guān)量不足以判斷所有的工況。例如，發(fā)電運行工況與發(fā)電調(diào)相工況的開關(guān)狀態(tài)是完全一樣的，水泵運行工況與水泵調(diào)相工況的開關(guān)狀態(tài)也是完全一樣的，保護裝置無法區(qū)分，仍然需要與監(jiān)控系統(tǒng)進行工況信息的交互。

表2 運行工況判別邏輯Tab.2 The judging logic of unit working conditions

表3為工況判斷需要接入的接點信息。

表3 保護裝置開入接點Tab.3 The input contacts of protection device

這種方案對工況判斷接點可靠性的要求很高，由表3可見，每個開關(guān)輸入接點都是雙重化的，目的就是為了增加可靠性，以免因接點故障對工況產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致錯誤地投退保護功能。保護系統(tǒng)在獲得相關(guān)電氣設(shè)備的接點信息之后，根據(jù)對應(yīng)邏輯判定機組處于何種工況或狀態(tài)，再按照不同工況的閉鎖邏輯對具體的保護功能進行投退，從而實現(xiàn)不同工況下對機組的保護。

2 保護閉鎖方案二

2.1 閉鎖邏輯

以清遠抽水蓄能電站等為典型代表，這類方案嚴格從機組工況的角度進行分析，繼電保護系統(tǒng)不直接對工況做出判斷，由監(jiān)控系統(tǒng)向繼電保護系統(tǒng)發(fā)出各實時工況或工況轉(zhuǎn)換命令，保護系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)的工況令之后，根據(jù)閉鎖邏輯進行保護功能的投入和閉鎖，這種方案和監(jiān)控系統(tǒng)之間有著較為緊密的聯(lián)系。與此同時，重要設(shè)備如發(fā)電機斷路器的接點也輸入至保護裝置，作為輔助閉鎖判據(jù)。

清遠抽水蓄能電站機組保護配置如圖2所示，可以看出與廣蓄B廠不同的是，差動保護用電流互感器配置在發(fā)電機與電制動開關(guān)之間。

這種閉鎖邏輯方案首先需要分析機組的各種實時工況或工況轉(zhuǎn)換，與方案一不同的是，這里的工況或工況轉(zhuǎn)換是和監(jiān)控系統(tǒng)中的定義完全一致的，機組主要工況見表4。

圖2 清蓄單線Fig.2 The single wiring of Qingyuan Pumped Storage Power Station

表4 機組主要工況Tab.4 The main working conditions of units

機組主要工況轉(zhuǎn)換過程即為上述穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)工況之間的轉(zhuǎn)換過程，工況轉(zhuǎn)換過程種類較多，見表5。

表5 機組主要工況轉(zhuǎn)換過程Tab.5 The main conversion process of unit working conditions

由表5可看出，機組的工況及其轉(zhuǎn)換過程種類較多，需要對它們的特性進行細致的分析，才能正確地對不同情況下的保護功能進行投退。此外，同方案一一樣，保護功能是否投入，除了與其所處的工況以外，還與主接線形式、保護裝置的特性等因素有關(guān)。

在對應(yīng)上述主接線方式下，幾種主要實時工況或工況轉(zhuǎn)換的保護功能閉鎖見表6，因“工況”種類較多，表中“工況”僅為部分工況示例。

2.2 閉鎖判據(jù)實現(xiàn)方式

此方案中保護系統(tǒng)并不對工況進行直接的判斷，而是接受監(jiān)控系統(tǒng)的命令來實現(xiàn)工況的切換，由上述分析可知，工況及工況轉(zhuǎn)換過程的類型較多，保護系統(tǒng)如何接受監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)信息也是個難題。

早期一般通過硬接點的方式進行信息的交互，使得硬接線比較復(fù)雜，在2014年改造之前廣蓄B廠的保護設(shè)計方案中即采用了這種方式。

為避免復(fù)雜的硬接線，在清遠抽水蓄能電站中采取了通信傳遞信息的方式，大大地簡化了接線，監(jiān)控系統(tǒng)在流程執(zhí)行的過程中，通過通信方式發(fā)送信息給保護系統(tǒng)，因為保護功能閉鎖及投入的重要性，為了保證可靠性，在設(shè)計中需要制定應(yīng)對通信中斷的一系列措施。在清遠抽水蓄能電站中，監(jiān)控系統(tǒng)的PLC及保護裝置均是同一品牌設(shè)備，采用相同的通信接口及內(nèi)部通信規(guī)約，本身具有極高的通信可靠性。

表6 清蓄機組保護閉鎖邏輯示例Tab.6 The protection locking logic of Qingyuan Pumped Storage Power Station units

圖3示例為在工況下監(jiān)控系統(tǒng)在流程中給保護系統(tǒng)發(fā)送信息的過程。

從流程圖中可以看出，機組每進入新的工況或新的工況轉(zhuǎn)換工程，都通過監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信息給保護系統(tǒng)，在等待保護系統(tǒng)的反饋之后，繼續(xù)下一步流程，監(jiān)控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)對工況的判斷是高度一致的。

保護系統(tǒng)在收到監(jiān)控系統(tǒng)的工況設(shè)置信息后，將相關(guān)的保護功能投入或閉鎖，同時反饋信息給監(jiān)控系統(tǒng)。

此方案中監(jiān)控系統(tǒng)與保護系統(tǒng)之間的通信是極為重要的：在機組啟動之前，若保護裝置與機組現(xiàn)地控制單元的通信中斷，則閉鎖機組啟動；在機組工況轉(zhuǎn)換過程中，若保護裝置與機組現(xiàn)地控制單元的通信中斷，則觸發(fā)機組快速停機；在機組穩(wěn)態(tài)工況運行過程中，若保護裝置與機組現(xiàn)地控制單元的通信中斷，則發(fā)出報警，閉鎖上位機及現(xiàn)地操作屏上正常停機按鈕，提醒運行值班人員適時向調(diào)度申請停機。

3 其他保護閉鎖方案

圖3 清蓄機組流程Fig.3 The flowchart of Qingyuan Pumped Storage Power Station units

除了上述方案外，還有惠州抽水蓄能電站等為代表的保護閉鎖方案，這類方案的本質(zhì)也主要由監(jiān)控系統(tǒng)來決定對保護系統(tǒng)功能的閉鎖，不過監(jiān)控系統(tǒng)并不將所有工況信息發(fā)送給保護系統(tǒng)，而是直接通過硬接線去閉鎖保護裝置中的保護功能，或者去切換保護定值，實際上這種方案類似方案二，保護系統(tǒng)也是主要依靠監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)功能的投退，在此不再對此方案進行詳述。

4 閉鎖方案分析比較

上述為抽水蓄能機組目前主要的保護閉鎖邏輯和判據(jù)，可看出每種方案各有特點。

方案二中：保護系統(tǒng)主要通過接受監(jiān)控系統(tǒng)的信息來判斷機組的工況，保護與監(jiān)控系統(tǒng)對工況的判斷高度一致，嚴格執(zhí)行保護相關(guān)規(guī)范對不同工況下保護功能的投退要求，對應(yīng)所有的工況進行分析，思路也非常清晰。

但是由于抽水蓄能電站工況及工況轉(zhuǎn)換過程非常繁多，使得方案中閉鎖邏輯也相對復(fù)雜，同時監(jiān)控系統(tǒng)與保護系統(tǒng)需要交互的信息量非常大，如果采用硬接線則導(dǎo)致接線復(fù)雜，若采用通信方式，雖然極大地減少硬接線，但需要交換的信息量也不少，對監(jiān)控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)之間的通信可靠性提出很高的要求。

方案一中：保護系統(tǒng)主要通過接受刀閘接點信息來判斷機組的工況，保護系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)相對獨立，對外的信息量要求相對較少，如果采用硬接線則接線相對簡潔；此方案不再囿于常規(guī)思維中保護對工況的判斷，而是通過電氣量來直接判斷保護的投退，因此不再過于關(guān)注監(jiān)控系統(tǒng)所定義的復(fù)雜工況轉(zhuǎn)換過程。

不過此方案中保護系統(tǒng)仍然不能完全獨立于監(jiān)控系統(tǒng)，無法將發(fā)電狀態(tài)和發(fā)電調(diào)相狀態(tài)、水泵狀態(tài)和水泵調(diào)相狀態(tài)區(qū)分開來，仍然需要少量監(jiān)控系統(tǒng)的信息支持；另外此方案需要通過各刀閘的接點對工況進行判斷，對刀閘狀態(tài)接點的可靠性要求很高，需要設(shè)置邏輯對刀閘接點的錯誤狀態(tài)進行判斷或過濾。

從上述分析可看出：雖然兩種方案各有特點，在實踐中也有應(yīng)用的實例，但總的來說，方案二沿襲并優(yōu)化了傳統(tǒng)思路，相對循規(guī)蹈矩；而方案一則突破并改變了傳統(tǒng)思路，化繁為簡。過去已建的抽水蓄能電站中，依靠監(jiān)控系統(tǒng)來做工況判斷并實現(xiàn)閉鎖邏輯的應(yīng)用較多，但在建或即將建設(shè)的抽水蓄能電站中，保護系統(tǒng)自主進行工況判斷并實現(xiàn)閉鎖邏輯的應(yīng)用范圍則更為廣泛，也是未來閉鎖方式的方向。

5 結(jié)束語

當(dāng)前廣東省的抽水蓄能電站進入建設(shè)的高峰期，除了已建的廣州抽水蓄能電站、惠州抽水蓄能電站，已經(jīng)投運的清遠抽水蓄能電站，在施工階段的深圳抽水蓄能電站，還有在可研或招標(biāo)等階段的陽江抽水蓄能電站、梅州抽水蓄能電站等。由于設(shè)計理念的不同，主接線方式不同，選用的不同品牌保護裝置的特性不同等原因，使得目前已建及在建的各個電站的保護設(shè)計方案都不盡相同，各有特點，但各方案都有待改進的地方。作為保護方案的設(shè)計者，有必要對已完成的保護設(shè)計進行總結(jié)，不斷吸取經(jīng)驗和教訓(xùn)，選取最優(yōu)的保護解決方案。本文基于上述原因，對目前主要方案進行分析，比較主要方案的優(yōu)劣和特點，以對后續(xù)的設(shè)計者提供借鑒。

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2017-02-15

2017-05-20

周海燕（1973—），女，高級工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化及繼電保護。E-mail：zhou.hy@gpdiwe.com

Analysis on Units Protection Locking Scheme of Pumped Storage Power Station

ZHOU Haiyan
（Guangdong Hydropower Planning & Dedign Institute Guangzhou 510635，China）

Protection locking scheme of the pumped storage units is related to the factors such as complex working conditions and conditions transformation、the main electrical wiring、the characteristics of the protection device、interconnection state of units，etc.relative to the conventional power station，the protection locking scheme of pumped storage power station is more complex.With specific pumped storage power station as an example，the principle and implementation way of several main protection locking schemes are introduced and comparied detailly.In order to provide the reference for the same type power station protection design，the advantages and disadvantages of several main protection blocking schemes are analyzed，the future trend of protection blocking scheme of the pumped storage power station units are put forward.

pumped storage power station; working conditions; the main wiring; protection locking scheme

TV7

A學(xué)科代碼：570.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.018