基于IEC61850的豐滿水電站重建工程發(fā)變組保護(hù)設(shè)計(jì)

薛 曄，金 波，張顯偉

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春 130021）

0 引言

豐滿水電站始建于1937年，位于吉林省吉林市境內(nèi)的松花江上，是我國建設(shè)最早的大型水電站。豐滿水電站原樞紐工程是一座以發(fā)電為主，兼有承擔(dān)下游防洪、工農(nóng)業(yè)及城市供水、旅游等多方面效益的大型水電站。豐滿水電站全面治理（重建）工程是按恢復(fù)電站原任務(wù)和功能，拆除部分舊壩，并在原大壩下游120 m處新建一座大壩。豐滿水電站供電范圍為東北電網(wǎng)，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等任務(wù)。

豐滿水電站全面治理（重建）工程于2013年5月開工建設(shè)，安裝6臺(tái)單機(jī)容量為200 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)機(jī)端設(shè)置斷路器，與變壓器組成單元接線，每2個(gè)單元在變壓器的500 kV側(cè)進(jìn)行聯(lián)合，組成聯(lián)合單元接線，全廠共3組聯(lián)合單元。3臺(tái)高壓廠用變壓器分別接在其中1，3，5號(hào)機(jī)組的變壓器低壓側(cè)母線上。500 kV側(cè)采用雙母線接線，經(jīng)二回架空線接至500 kV吉林南變電所。2020年7月，6臺(tái)機(jī)組已經(jīng)全部投入商業(yè)運(yùn)行。

豐滿水電站全面治理（重建）工程按智能化水電站進(jìn)行設(shè)計(jì)，電站的發(fā)電機(jī)-變壓器組保護(hù)設(shè)計(jì)采用基于IEC61850的智能化發(fā)變組保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)。

1 發(fā)變組繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方案

IEC61850目前是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，其發(fā)布提供了一系列自動(dòng)化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，包括功能建模、數(shù)據(jù)建模及通信協(xié)議等。采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)智能化水電廠的網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)水電廠自動(dòng)化控制設(shè)備、智能保護(hù)設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享和互操作，是智能化水電廠實(shí)現(xiàn)的有效途徑。

豐滿水電站按照智能化水電站的模式進(jìn)行建設(shè)，智能化水電站是國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)建設(shè)重要的基礎(chǔ)組成部分。智能化水電站既包括智能化一次設(shè)備，又包括基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化的二次設(shè)備，一次設(shè)備與二次設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備間數(shù)據(jù)共享和互操作。為實(shí)現(xiàn)豐滿水電站的智能化建設(shè)目標(biāo)，發(fā)變組保護(hù)設(shè)計(jì)采用基于IEC61850、常規(guī)模擬量輸入、GOOSE跳閘輸出的設(shè)計(jì)方案。

發(fā)變組繼電保護(hù)裝置與廠站層信息交互采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)用的電壓、電流量通過常規(guī)互感器采集；保護(hù)跳合閘命令，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式經(jīng)智能終端直接跳斷路器，同時(shí)通過過程層GOOSE網(wǎng)傳輸啟動(dòng)失靈保護(hù)及閉鎖信息。過程層設(shè)備及保護(hù)裝置均采用雙重化配置，與冗余的過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)傳輸，以保證冗余設(shè)備的獨(dú)立性。

2 發(fā)變組保護(hù)配置

2.1 保護(hù)配置原則

豐滿水電站全面治理（重建）工程發(fā)變組保護(hù)設(shè)計(jì)按照《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》《國家電網(wǎng)公司發(fā)電廠重大反事故措施（試行）》《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》（試行）《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行配置。發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)均雙重化配置，雙套保護(hù)分別采用不同廠家的產(chǎn)品，A套保護(hù)采用許繼電氣的WFB-800系列發(fā)變組保護(hù)裝置，B套保護(hù)采用南瑞繼保PCS-985系列發(fā)變組保護(hù)裝置，每臺(tái)變壓器配置許繼電氣的DTU-803單套非電量保護(hù)裝置。每套保護(hù)均單獨(dú)設(shè)屏，且有獨(dú)立的直流輔助電源、跳閘電路、自檢功能、LCD顯示器，當(dāng)?shù)谝惶妆Ｗo(hù)退出運(yùn)行時(shí)，不會(huì)影響到第二套保護(hù)的正常運(yùn)行。

2.2 發(fā)電機(jī)保護(hù)（含勵(lì)磁變保護(hù)）

發(fā)電機(jī)保護(hù)（含勵(lì)磁變）的雙套保護(hù)裝置分別安裝兩面保護(hù)屏。每塊保護(hù)屏均配置一套獨(dú)立完整的發(fā)電機(jī)主保護(hù)及后備保護(hù)，能反應(yīng)被保護(hù)設(shè)備的各種故障及異常狀態(tài)，并能動(dòng)作于跳閘或發(fā)信號(hào)。

發(fā)電機(jī)保護(hù)配置包括縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)（完全縱差及不完全縱差）、橫差保護(hù)、低電壓記憶過流保護(hù)、定子100%接地保護(hù)（A套保護(hù)配置20 Hz注入式）、基波零序定子接地保護(hù)（B套保護(hù)配置）、頻率異常保護(hù)、定子繞組過電壓保護(hù)、發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)、定子繞組過負(fù)荷保護(hù)、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)（A套配置）、失磁保護(hù)、軸電流保護(hù)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組過負(fù)荷、啟停機(jī)保護(hù)、轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)、發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)、發(fā)電機(jī)失步保護(hù)、發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)、逆功率保護(hù)、斷路器失靈等保護(hù)。

勵(lì)磁變壓器單獨(dú)配置了一個(gè)勵(lì)磁變測控裝置，用作勵(lì)磁變壓器的本體保護(hù)。此外，還配置有勵(lì)磁變過負(fù)荷、勵(lì)磁變壓器速斷保護(hù)、勵(lì)磁變壓器過電流等保護(hù)。

2.3 變壓器保護(hù)（包含高壓廠用變壓器）

變壓器電氣量（1，3，5號(hào)含高廠變）保護(hù)按雙套保護(hù)系統(tǒng)分別組屏原則，分別安裝兩面保護(hù)屏。每塊屏配置一套完整的變壓器主保護(hù)及后備保護(hù)，能反應(yīng)被保護(hù)設(shè)備的各種故障及異常狀態(tài)，并能動(dòng)作于跳閘或發(fā)信號(hào)。變壓器非電量保護(hù)單獨(dú)設(shè)置一面非電量保護(hù)屏，屏內(nèi)配置一套主變及高壓廠用變的非電量保護(hù)裝置，動(dòng)作于跳閘或發(fā)信號(hào)，主變壓器的非電量保護(hù)采用常規(guī)的硬接點(diǎn)跳閘模式。非電量保護(hù)裝置的電源、輸入、出口等回路與電量保護(hù)屏完全獨(dú)立。

主變壓器保護(hù)配置包括主變縱差保護(hù)、過激勵(lì)保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)方向過流保護(hù)、主變壓器低壓側(cè)單相接地保護(hù)、零序電流保護(hù)、變壓器本體保護(hù)（主變重瓦斯保護(hù)、主變壓力釋放、主變輕瓦斯保護(hù)、主變溫度保護(hù)、主變冷卻系統(tǒng)故障保護(hù)）等保護(hù)。

高壓廠用變壓器（僅1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)機(jī)組裝設(shè)）單獨(dú)配置一個(gè)高壓廠用變測控裝置，用于實(shí)現(xiàn)高壓廠用變本體保護(hù)，同時(shí)還配置高壓廠用變差動(dòng)保護(hù)、高廠變電流速斷保護(hù)、高壓廠用變過流保護(hù)、高壓廠用變過負(fù)荷保護(hù)等保護(hù)。

2.4 智能終端的配置

在發(fā)電機(jī)出口斷路器和變壓器高壓側(cè)斷路器均配置智能終端，智能終端均采用雙重化配置，第一套保護(hù)、智能終端A接入過程層A網(wǎng)；第二套保護(hù)、智能終端B接入過程層B網(wǎng)。

1）斷路器本體操作機(jī)構(gòu)的控制回路、執(zhí)行元件不變，斷路器操作箱的功能在智能終端實(shí)現(xiàn)。智能終端以GOOSE機(jī)制上傳斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備信息，接受保護(hù)、測控等下達(dá)的直跳或網(wǎng)絡(luò)跳閘（GOOSE）命令，上述斷路器各配置一面智能控制柜，布置雙重化配置的智能終端，柜內(nèi)設(shè)有明顯的分隔標(biāo)記。

2）智能終端提供原始開入GOOSE信號(hào)，IED設(shè)備應(yīng)根據(jù)各自需求完成所需信號(hào)合成；雙重化配置的智能終端，每套包含完整的斷路器信息交互功能。智能終端操作斷路器跳合閘時(shí)，出口可設(shè)置軟壓板或硬壓板。

3）智能終端接收保護(hù)跳合閘命令及隔離開關(guān)、接地開關(guān)等GOOSE命令，輸入斷路器位置、隔離開關(guān)及接地開關(guān)位置、斷路器本體信號(hào)（含壓力低閉鎖重合閘等），跳合閘自保持功能，控制回路斷線監(jiān)視、跳合閘壓力監(jiān)視與閉鎖功能等。[1]

3 數(shù)據(jù)交換

豐滿水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU的PLC，雖支持IEC 61850規(guī)約，但不具備直接接收智能終端GOOSE命令的功能，發(fā)變組保護(hù)裝置發(fā)送GOOSE信息，通過單獨(dú)設(shè)置的發(fā)電機(jī)和變壓器測控裝置接到后臺(tái)監(jiān)控，同時(shí)，每套發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)裝置分別提供一副保護(hù)動(dòng)作信號(hào)接點(diǎn)至機(jī)組LCU的主PLC的SOE，一副保護(hù)動(dòng)作信號(hào)接點(diǎn)至水機(jī)保護(hù)PLC的SOE。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的水電廠發(fā)變組保護(hù)，開入開出回路采用硬接點(diǎn)接線，接點(diǎn)數(shù)量多、電纜布線復(fù)雜、易受環(huán)境特別是電磁環(huán)境干擾，從而會(huì)影響繼電保護(hù)設(shè)備的可靠性；同時(shí)保護(hù)裝置和電廠內(nèi)其他IED設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息交互困難[2]，這也是水電廠實(shí)現(xiàn)智能化亟需解決的問題。豐滿水電站設(shè)計(jì)采用基于IEC61850的發(fā)變組保護(hù)裝置，1-6號(hào)機(jī)發(fā)變組保護(hù)均已經(jīng)投入運(yùn)行，運(yùn)行情況穩(wěn)定。在保證發(fā)電機(jī)、變壓器設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，減少了二次電纜（IED設(shè)備間的電纜），二次接線工作量明顯減少。同時(shí)，發(fā)變組保護(hù)通過光纖接入全廠廠站層的MMS網(wǎng)，與全廠其它智能設(shè)備間信息交換均通過通信網(wǎng)絡(luò)完成，設(shè)備間可實(shí)現(xiàn)無縫連接，為豐滿水電站智能化的實(shí)現(xiàn)提供了良好的基礎(chǔ)。