抽水蓄能電站機組和主變差動保護及閉鎖邏輯配置研究

李德華

（中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司，廣東 廣州 516130）

抽水蓄能電站機組和主變差動保護及閉鎖邏輯配置研究

李德華

（中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司，廣東 廣州 516130）

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

抽水蓄能電站；差動保護；閉鎖邏輯

1 引言

抽水蓄能電站運行靈活、反應快速，是電力系統中具有調峰、填谷、調頻、調相、備用和黑啟動等多種功能的特殊電源，是目前最具經濟性的大規模儲能設施。自20世紀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水平的抽水蓄能電站，隨著我國自動化設備和一次設備制造水平的提高，以深圳抽水蓄能電站為代表的多個國產化抽水蓄能機組正在建設中。預計到2020年，我國抽水蓄能電站發展規模將達到4 900萬kW[1]。

抽水蓄能電站機組由可逆式水泵水輪機和發電電動機組成，機組順時針方向旋轉為水輪機和發電機，逆時針旋轉為水泵和電動機，兩者電壓、電流相序相反。其次，抽水蓄能電站機組較常規水輪發電機組增加了靜止變頻器、啟動母線、換相刀閘等一次設備，主接線型式復雜。此外，機組主要運行工況由發電工況、抽水工況、發電調相、抽水調相等穩態工況，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，各工況轉換頻繁[2,3]。

本文結合國內多個抽水蓄能電站機組和主變保護配置、調試運行情況，闡述了國內蓄能機組和主變差動保護及其閉鎖邏輯的主要配置方案，分析了不同保護廠家、不同接線方式下機組和主變差動保護及其閉鎖邏輯配置特點，提出了抽水蓄能電站機組和主變差動保護的配置及其現場調試建議。

2 機組、主變差動保護范圍介紹

根據抽水蓄能電站機組和主變差動保護主接線和保護CT安裝位置不同，結合國內差動保護配置情況，機組和主變差動保護按實際保護范圍大都可分為機組大差保護和小差保護、主變大差保護和小差保護。保護范圍具體見圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站機組和主變保護配置圖

其中，機組大差保護是指機組中性點側和機組出口側支路(即：主變至發電機斷路器范圍)電流所構成的差動回路；機組小差保護是指機組中性點側和機組出口側支路(即：發電機機組出口至電氣制動斷路器范圍)電流所構成的差動回路。

主變大差保護是指主變高壓側分支、SFC分支、廠用電分支和機組出口側分支(即：機組至電氣制動斷路器范圍)電流所構成的差動回路；主變小差保護是指主變高壓側分支、SFC分支、廠用電分支和機組出口側分支(即：主變至發電機斷路器范圍)電流所構成的差動回路。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分支和機組出口側分支構成的電流回路。

3 機組、主變差動保護及閉鎖邏輯配置分析

3.1 機組、主變差動保護及其閉鎖邏輯配置

目前，各蓄能電廠根據保護廠家的配置邏輯和主接線設計方式，發電機和主變差動保護的配置方式各有差別。筆者選取了國內5家大型抽水蓄能電廠機組及主變保護系統，對其差動保護配置方式、交叉位置和保護廠家進行了梳理，具體見表1所示。

表1 國內典型抽水蓄能電廠機組、主變差動保護配置表

如表1所示，各電廠機組、主變差動保護均實現了差動保護雙重化配置和保護范圍交叉[4,5]。受保護廠家設計方式、抽水方向相序、機組啟動分支和電氣制動分支電流回路等因素影響，機組、變壓器差動保護閉鎖邏輯各有不同。

蓄能A廠和蓄能B廠差動保護配置均為機組大差和主變小差的組合方式，保護范圍交叉在換相刀位置。受機組啟動分支和電氣制動分支電流回路影響，機組大差保護在機組抽水方向啟動工況、電氣制動工況應閉鎖。主變小差保護不受機組工況影響，可全工況投入。在保護閉鎖邏輯的實現方式上，AREVA廠家主要通過監控的運行工況信號和開關位置節點綜合判斷工況實現保護閉鎖邏輯。SIEMENS廠家主要通過監控開入判斷機組運行工況實現保護閉鎖邏輯。

蓄能C廠機組、主變保護為國產化設備，其配置方式與蓄能A廠、B廠主要配置方式一致，均為機組大差和主變小差方式。此外，為提高機組抽水方向啟動工況和電氣制動工況的保護靈敏度，額外配置了兩套機組小差保護，可實現全工況投入，其中機組啟動時啟用低頻差動，機組并網后閉鎖低頻差動，啟用機組小差。機組大差保護在機組抽水方向啟動工況、電氣制動工況閉鎖。

在工況判別方面，國產化設備采用了監控信號和開關位置接點綜合判斷運行工況 (見表2所示)。通過位置節點三取二方式，提高了保護裝置運行工況判別的可靠性。

表2 主要運行工況判別邏輯

蓄能D廠配置了兩套機組差動保護，AREVA在兩套機組差動保護配置邏輯各有區別。A套機組差動保護通過監控開入節點和多定值組實現保護閉鎖。B套機組差動保護通過監控開入節點和多定值組實現發電和抽水并網工況保護判別，在電氣制動或泵啟動工況通過抬高定值實現保護閉鎖。主變保護方面，分別配置了1套大差保護、1套小差保護，大差保護受機組泵工況啟動和電氣制動工況分支電流影響，在機組泵啟動、電氣制動工況閉鎖主變大差保護。

蓄能E廠差動保護配置為機組小差和主變大差的組合方式，保護范圍交叉在機組出口側。機組小差采用了不完全縱差保護，保護不受機組工況影響，全工況投入運行。主變差動保護通過監控的運行工況和刀閘位置節點實現工況判別，通過電流通道切換實現保護閉鎖，切換邏輯如圖2所示。

圖2 蓄能E廠主變差動保護電流通道切換邏輯示意圖

3.2 影響機組、主變差動保護及其閉鎖邏輯配置的主要因素

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

3.2.1 電流相序切換的影響

在抽水工況、抽水調相等抽水方向運行時，蓄能機組通過五級換相刀閘(A-C、B、C-A)與系統換相連接。機組作為電動機運行，旋轉方向為逆時針方向，機組電流相序為逆時針方向，與發電機運行時相反。對于保護范圍包含換相刀的差動保護應考慮相序切換后對差流計算的影響，對二次電流回路相序進行調整。目前，相序切換主要有以下兩種方式：

（1）CT二次回路換相

在五極換相刀閘內部分別裝設電流互感器，二次回路換相(如C-A)實現相序調整。

（2）交流采樣通道換相

對于換相刀閘內部不具備互感器安裝條件的情況，可通過保護裝置交流采樣通道實現換相。根據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

對需調整相序的交流量，保護裝置交流量僅設置有1個交流采樣通道(發電方向、抽水方向共同通道)，根據保護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

對需調整相序的交流量，保護裝置交流量設置有2個交流采樣通道(1個作為發電方向交流采樣通道，1個作為抽水方向交流采樣通道)，2個交流采樣通道通過二次回路換相。根據保護裝置的工況判別邏輯，通過交流采樣通道切換實現相序調整。

3.2.2 機組電氣接線方式的影響

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

機組和主變大差保護的保護范圍包含機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，大差保護必須在對應的工況閉鎖保護，工況轉換中需在監控系統和保護裝置內部邏輯考慮工況識別和保護閉鎖方案。涉及監控系統和保護裝置的配合，保護配置邏輯復雜。目前，各廠家主要的工況判別方式見表3所示。

表3 國內典型抽水蓄能電廠工況主要判別方式

3.2.3 啟停機工況的低頻特性影響

蓄能機組泵工況啟動過程中，機組運行在0～50 Hz頻段內。常規機變保護只針對工頻設計，在低頻階段誤差很大。因此，抽蓄保護必須考慮不同頻率對保護性能的影響。

SIEMENS機組保護頻率跟蹤范圍為10～70 Hz，在此范圍內保護都可投入運行，當頻率范圍低于10Hz時，僅配置低頻過流作為短路故障主要保護，另外配置有電壓相序保護作為機組啟動過程的輔助保護[6]。AREVA保護在水泵啟動過程中主要配置低頻過流和電壓相序保護。

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

4 不同機組、主變差動保護配置方案分析

4.1 方案分析與比較

蓄能機組、主變差動保護配置方案應滿足雙重化配置要求，不同保護范圍的配置方案決定了電流互感器的安裝位置和保護的閉鎖邏輯。通過對不同配置方案的分析，我們可以根據現場實際需求，選配機組、主變差動保護配置方案。

如表4所示，結合國內蓄能機組典型配置方式，對各類典型配置方案進行了分析與比較。其中，方案1、方案4和方案7的雙套主變大差存在機組出口部分設備故障導致主變設備跳閘風險，導致事故范圍擴大。方案2、方案5、方案8的單套主變大差存在類似風險。目前，根據整理國內蓄能電站2006～2015年機組、主變保護調試和運行經驗，主變大差保護因保護閉鎖邏輯和外部開入節點故障導致保護閉鎖失效引起的設備跳閘事件屢屢發生。

方案2在主變大差單套退出運行且主變處于充電運行狀態時，存在部分主保護死區。方案3的雙套主變小差配置方案在主變充電運行時存在部分主保護死區。方案5的機組和主變大差、小差保護配置方案，保護交叉范圍靈活，應考慮單套大差保護退出運行的保護死區問題。從機組出口設備特點來看，由于機組出口母線設備采用的均為離相封閉母線，機組母線發生相間故障的幾率極小。

方案6機組大差、小差配置方案，在與主變小差組合運行期間，存在機組大差退出運行導致主保護死區的情況。方案7的交叉位置位于發電機出口側，機組小差保護不受工況影響，主變大差保護受相序、機組電氣接線方式影響，應采取閉鎖措施。

綜上所述，方案3的保護配置方式可以基本排除離相封閉母線相間故障模式，有效解決機組出口設備故障導致停電范圍擴大的影響。方案7的保護配置方式滿足保護死區和保護閉鎖邏輯的配置要求，但應在主變大差保護的出廠驗收過程中提前介入保護裝置的型式、動模試驗，驗證主變大差保護閉鎖邏輯。

表4 抽水蓄能電廠機組、主變差動保護配置表

4.2 方案閉鎖邏輯配置要求

4.2.1 機組差動保護

一般情況下，配置方案的機組小差可全工況投入運行。機組大差閉鎖邏輯配置方式取決于發電機出口側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

機組大差用中性點電流應在抽水方向切換相序。機組大差保護在機組抽水啟動、電氣制動工況閉鎖。

（2）電流互感器安裝于五極換相刀與發電機出口斷路器之間

機組大差兩側電流應在抽水方向切換相序。機組大差保護在機組抽水啟動、電氣制動工況閉鎖。

4.2.2 主變差動保護

主變大差保護受抽水方向相序切換、機組電氣接線方式影響，應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

主變空載運行時，閉鎖主變大差低壓側分支電流通道。發電工況運行時，主變低壓側采樣通道切換至發電方向電流通道，抽水工況運行時，主變低壓側采樣通道切換至抽水方向電流通道。

（2）抬高差動動作值

機組抽水啟動和電氣制動工況，抬高差動保護動作值實現工況閉鎖。

根據國內蓄能機組主變大差保護調試和運行經驗，采樣通道切換邏輯錯誤或外部開入節點故障導致主變停運的案例屢見不鮮。

主變小差配置方式取決于主變低壓側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行。若電流互感器安裝于五極換相刀與發電機出口斷路器之間，主變小差低壓側分支電流應在抽水方向切換相序，主變小差可全工況投入運行。

5 結論

在抽水蓄能發電機繼電保護設計前應充分考慮電氣一次接線方式、機組運行工況對保護配置及閉鎖邏輯的影響。結合國內多臺抽蓄電站機組和主變保護的調試和運行經驗，推薦抽水蓄能保護設計優先考慮機組大差和主變小差配置方案，備選機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設計具有借鑒意義。

[1]中國抽水蓄能電站產業發展現狀及十三五規劃研究報告[R].

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

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

[4]GB/T 14285-2006繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].

[5]DL/T 5177-2003水力發電廠繼電保護設計導則[S].

[6]SIPROTEC 47UM6x多功能電機保護裝置用戶功能手冊[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，從事電廠繼電保護專業管理工作。