周海燕

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東省廣州市 510635）

抽水蓄能電站機(jī)組保護(hù)閉鎖方案分析

周海燕

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東省廣州市 510635）

抽水蓄能電站機(jī)組保護(hù)閉鎖方案與復(fù)雜的工況及工況轉(zhuǎn)換過(guò)程、主接線形式、保護(hù)裝置的特性等因素有著密切的關(guān)系，相對(duì)于常規(guī)電站的保護(hù)閉鎖，具有較大的復(fù)雜性。以具體抽水蓄能電站為例，對(duì)具體閉鎖方案的原則和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)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(diǎn)，提出了未來(lái)抽水蓄能電站保護(hù)閉鎖方案選擇的趨勢(shì)，以供同類(lèi)型電站保護(hù)設(shè)計(jì)人員參考。

抽水蓄能電站 ；工況；主接線；保護(hù)閉鎖方案

0 引言

隨著國(guó)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(lái)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(kāi)停機(jī)更為頻繁，抽水蓄能機(jī)組同時(shí)作為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，保護(hù)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(lèi)較多。對(duì)應(yīng)不同的工況，需要投入相關(guān)的保護(hù)，與此同時(shí)需要閉鎖其他可能誤動(dòng)的保護(hù)，因此對(duì)于抽水蓄能電站機(jī)組的保護(hù)功能配置與閉鎖，需要進(jìn)行深入分析和謹(jǐn)慎的考慮。

目前國(guó)內(nèi)的抽水蓄能電站機(jī)組，從20世紀(jì)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(yuǎn)抽水蓄能電站，在建的深圳等抽水蓄能電站，其保護(hù)閉鎖方案基本可分為以下幾種。

1 保護(hù)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(hù)方案）等為典型代表，這類(lèi)方案?jìng)?cè)重從電氣量的角度進(jìn)行分析，重要電氣設(shè)備如發(fā)電機(jī)斷路器、換向開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)刀、拖動(dòng)刀的接點(diǎn)均接入保護(hù)裝置，作為保護(hù)投入及閉鎖的主要判據(jù)，由保護(hù)裝置判斷機(jī)組處于何種工況，以此對(duì)機(jī)組相關(guān)保護(hù)功能進(jìn)行投入和閉鎖。

廣蓄B廠為國(guó)內(nèi)早期建設(shè)的抽水蓄能電站之一，機(jī)組保護(hù)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(duì)于抽水蓄能電站機(jī)組，工況及其轉(zhuǎn)換過(guò)程多達(dá)幾十種，但許多工況及其轉(zhuǎn)換過(guò)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(diǎn)將其分為若干類(lèi)型，在此基礎(chǔ)上對(duì)具體的保護(hù)功能進(jìn)行閉鎖。

閉鎖主要體現(xiàn)在發(fā)電方向運(yùn)行、水泵方向運(yùn)行、低頻啟動(dòng)時(shí)對(duì)保護(hù)投入與閉鎖的要求上，特別是對(duì)基于功率判據(jù)、電壓判據(jù)的保護(hù)要求不同，例如，低功率保護(hù)為防止在水泵工況下，輸入功率過(guò)低和失去電源，一般僅在水泵運(yùn)行時(shí)投入；而對(duì)于在某些工況不需要投入，但也不會(huì)誤動(dòng)的保護(hù)功能，也可全工況投入，例如，部分基于電流判據(jù)的保護(hù)——復(fù)壓過(guò)流保護(hù)。

需要注意的是，這些保護(hù)功能的閉鎖與主接線方式也有關(guān)系。對(duì)于差動(dòng)保護(hù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)出口的電流互感器如果配置在電氣制動(dòng)刀與發(fā)電機(jī)之間時(shí)，差動(dòng)保護(hù)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(dòng)保護(hù)用電流互感器配置在換向開(kāi)關(guān)內(nèi)，在某些特殊工況如拖動(dòng)運(yùn)行時(shí)，換向開(kāi)關(guān)內(nèi)的電流互感器與中性點(diǎn)側(cè)電流互感器會(huì)有差流出現(xiàn)，需要提高差動(dòng)保護(hù)定值或直接閉鎖差動(dòng)保護(hù)功能，否則會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)。

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(jī)組的閉鎖邏輯都可能不同，表1為廣蓄B廠機(jī)組的保護(hù)閉鎖邏輯。

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

1.2 閉鎖判據(jù)實(shí)現(xiàn)方式

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

保護(hù)系統(tǒng)主要以斷路器、換向開(kāi)關(guān)、拖動(dòng)開(kāi)關(guān)、被拖動(dòng)開(kāi)關(guān)、電制動(dòng)開(kāi)關(guān)的位置接點(diǎn)為主要判據(jù)，輔以監(jiān)控系統(tǒng)傳送的工況信號(hào)，來(lái)對(duì)工況進(jìn)行判斷，例如當(dāng)換相開(kāi)關(guān)處于發(fā)電機(jī)位置、機(jī)端斷路器處于合閘位置且發(fā)電機(jī)不在調(diào)相模式時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)完全可以判斷機(jī)組處于發(fā)電運(yùn)行工況。表2為各狀態(tài)判別邏輯。

表1 廣蓄B廠機(jī)組保護(hù)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(hù)裝置需要的信息以開(kāi)關(guān)位置接點(diǎn)為主，這部分接點(diǎn)采用硬接線的方式取自設(shè)備本身的位置接點(diǎn)。另外還有兩個(gè)特殊的信息：發(fā)電機(jī)調(diào)相模式和水泵調(diào)相模式來(lái)自監(jiān)控系統(tǒng)，這是由于保護(hù)裝置僅用電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)量不足以判斷所有的工況。例如，發(fā)電運(yùn)行工況與發(fā)電調(diào)相工況的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是完全一樣的，水泵運(yùn)行工況與水泵調(diào)相工況的開(kāi)關(guān)狀態(tài)也是完全一樣的，保護(hù)裝置無(wú)法區(qū)分，仍然需要與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行工況信息的交互。

表2 運(yùn)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(diǎn)信息。

表3 保護(hù)裝置開(kāi)入接點(diǎn)Tab.3 The input contacts of protection device

這種方案對(duì)工況判斷接點(diǎn)可靠性的要求很高，由表3可見(jiàn)，每個(gè)開(kāi)關(guān)輸入接點(diǎn)都是雙重化的，目的就是為了增加可靠性，以免因接點(diǎn)故障對(duì)工況產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致錯(cuò)誤地投退保護(hù)功能。保護(hù)系統(tǒng)在獲得相關(guān)電氣設(shè)備的接點(diǎn)信息之后，根據(jù)對(duì)應(yīng)邏輯判定機(jī)組處于何種工況或狀態(tài)，再按照不同工況的閉鎖邏輯對(duì)具體的保護(hù)功能進(jìn)行投退，從而實(shí)現(xiàn)不同工況下對(duì)機(jī)組的保護(hù)。

2 保護(hù)閉鎖方案二

2.1 閉鎖邏輯

以清遠(yuǎn)抽水蓄能電站等為典型代表，這類(lèi)方案嚴(yán)格從機(jī)組工況的角度進(jìn)行分析，繼電保護(hù)系統(tǒng)不直接對(duì)工況做出判斷，由監(jiān)控系統(tǒng)向繼電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出各實(shí)時(shí)工況或工況轉(zhuǎn)換命令，保護(hù)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(jìn)行保護(hù)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(shí)，重要設(shè)備如發(fā)電機(jī)斷路器的接點(diǎn)也輸入至保護(hù)裝置，作為輔助閉鎖判據(jù)。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站機(jī)組保護(hù)配置如圖2所示，可以看出與廣蓄B廠不同的是，差動(dòng)保護(hù)用電流互感器配置在發(fā)電機(jī)與電制動(dòng)開(kāi)關(guān)之間。

這種閉鎖邏輯方案首先需要分析機(jī)組的各種實(shí)時(shí)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(jī)組主要工況見(jiàn)表4。

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

表4 機(jī)組主要工況Tab.4 The main working conditions of units

機(jī)組主要工況轉(zhuǎn)換過(guò)程即為上述穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)工況之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，工況轉(zhuǎn)換過(guò)程種類(lèi)較多，見(jiàn)表5。

表5 機(jī)組主要工況轉(zhuǎn)換過(guò)程Tab.5 The main conversion process of unit working conditions

由表5可看出，機(jī)組的工況及其轉(zhuǎn)換過(guò)程種類(lèi)較多，需要對(duì)它們的特性進(jìn)行細(xì)致的分析，才能正確地對(duì)不同情況下的保護(hù)功能進(jìn)行投退。此外，同方案一一樣，保護(hù)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(hù)裝置的特性等因素有關(guān)。

在對(duì)應(yīng)上述主接線方式下，幾種主要實(shí)時(shí)工況或工況轉(zhuǎn)換的保護(hù)功能閉鎖見(jiàn)表6，因“工況”種類(lèi)較多，表中“工況”僅為部分工況示例。

2.2 閉鎖判據(jù)實(shí)現(xiàn)方式

此方案中保護(hù)系統(tǒng)并不對(duì)工況進(jìn)行直接的判斷，而是接受監(jiān)控系統(tǒng)的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)工況的切換，由上述分析可知，工況及工況轉(zhuǎn)換過(guò)程的類(lèi)型較多，保護(hù)系統(tǒng)如何接受監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)信息也是個(gè)難題。

早期一般通過(guò)硬接點(diǎn)的方式進(jìn)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(hù)設(shè)計(jì)方案中即采用了這種方式。

為避免復(fù)雜的硬接線，在清遠(yuǎn)抽水蓄能電站中采取了通信傳遞信息的方式，大大地簡(jiǎn)化了接線，監(jiān)控系統(tǒng)在流程執(zhí)行的過(guò)程中，通過(guò)通信方式發(fā)送信息給保護(hù)系統(tǒng)，因?yàn)楸Ｗo(hù)功能閉鎖及投入的重要性，為了保證可靠性，在設(shè)計(jì)中需要制定應(yīng)對(duì)通信中斷的一系列措施。在清遠(yuǎn)抽水蓄能電站中，監(jiān)控系統(tǒng)的PLC及保護(hù)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(jī)組保護(hù)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(hù)系統(tǒng)發(fā)送信息的過(guò)程。

從流程圖中可以看出，機(jī)組每進(jìn)入新的工況或新的工況轉(zhuǎn)換工程，都通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信息給保護(hù)系統(tǒng)，在等待保護(hù)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(hù)系統(tǒng)對(duì)工況的判斷是高度一致的。

保護(hù)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(hù)功能投入或閉鎖，同時(shí)反饋信息給監(jiān)控系統(tǒng)。

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

3 其他保護(hù)閉鎖方案

圖3 清蓄機(jī)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(hù)閉鎖方案，這類(lèi)方案的本質(zhì)也主要由監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)決定對(duì)保護(hù)系統(tǒng)功能的閉鎖，不過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)并不將所有工況信息發(fā)送給保護(hù)系統(tǒng)，而是直接通過(guò)硬接線去閉鎖保護(hù)裝置中的保護(hù)功能，或者去切換保護(hù)定值，實(shí)際上這種方案類(lèi)似方案二，保護(hù)系統(tǒng)也是主要依靠監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的投退，在此不再對(duì)此方案進(jìn)行詳述。

4 閉鎖方案分析比較

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

方案二中：保護(hù)系統(tǒng)主要通過(guò)接受監(jiān)控系統(tǒng)的信息來(lái)判斷機(jī)組的工況，保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)工況的判斷高度一致，嚴(yán)格執(zhí)行保護(hù)相關(guān)規(guī)范對(duì)不同工況下保護(hù)功能的投退要求，對(duì)應(yīng)所有的工況進(jìn)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(guò)程非常繁多，使得方案中閉鎖邏輯也相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)與保護(hù)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(duì)監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)之間的通信可靠性提出很高的要求。

方案一中：保護(hù)系統(tǒng)主要通過(guò)接受刀閘接點(diǎn)信息來(lái)判斷機(jī)組的工況，保護(hù)系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，對(duì)外的信息量要求相對(duì)較少，如果采用硬接線則接線相對(duì)簡(jiǎn)潔；此方案不再囿于常規(guī)思維中保護(hù)對(duì)工況的判斷，而是通過(guò)電氣量來(lái)直接判斷保護(hù)的投退，因此不再過(guò)于關(guān)注監(jiān)控系統(tǒng)所定義的復(fù)雜工況轉(zhuǎn)換過(guò)程。

不過(guò)此方案中保護(hù)系統(tǒng)仍然不能完全獨(dú)立于監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)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(kāi)來(lái)，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(guò)各刀閘的接點(diǎn)對(duì)工況進(jìn)行判斷，對(duì)刀閘狀態(tài)接點(diǎn)的可靠性要求很高，需要設(shè)置邏輯對(duì)刀閘接點(diǎn)的錯(cuò)誤狀態(tài)進(jìn)行判斷或過(guò)濾。

從上述分析可看出：雖然兩種方案各有特點(diǎn)，在實(shí)踐中也有應(yīng)用的實(shí)例，但總的來(lái)說(shuō)，方案二沿襲并優(yōu)化了傳統(tǒng)思路，相對(duì)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(jiǎn)。過(guò)去已建的抽水蓄能電站中，依靠監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)做工況判斷并實(shí)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(hù)系統(tǒng)自主進(jìn)行工況判斷并實(shí)現(xiàn)閉鎖邏輯的應(yīng)用范圍則更為廣泛，也是未來(lái)閉鎖方式的方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前廣東省的抽水蓄能電站進(jìn)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(yùn)的清遠(yuǎn)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(yáng)江抽水蓄能電站、梅州抽水蓄能電站等。由于設(shè)計(jì)理念的不同，主接線方式不同，選用的不同品牌保護(hù)裝置的特性不同等原因，使得目前已建及在建的各個(gè)電站的保護(hù)設(shè)計(jì)方案都不盡相同，各有特點(diǎn)，但各方案都有待改進(jìn)的地方。作為保護(hù)方案的設(shè)計(jì)者，有必要對(duì)已完成的保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，不斷吸取經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，選取最優(yōu)的保護(hù)解決方案。本文基于上述原因，對(duì)目前主要方案進(jìn)行分析，比較主要方案的優(yōu)劣和特點(diǎn)，以對(duì)后續(xù)的設(shè)計(jì)者提供借鑒。

[1] 邱彬如，劉連希.抽水蓄能工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.QIU Binru，LIU Lianxi，Pumped storage engineering technology[M].Beijing ：China eledric power press，2008.

[2] 彭煜民.抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換與順序控制[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2007，30（1）：4-5.PENG Yumin，Pumped Storage Unit Condition Transformation and Sequence Control [J] Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station，2007，30（1）：4-5

[3] 周海燕.抽水蓄能電站保護(hù)配置方案探討[C].抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2009.ZHOU Haiyan.Discussion on Pumped Storage Power Station Protection Configuration Scheme[C].Collected Papers of Pumped Storage Power Station Project，2009.

[4] 楊志申.可逆式抽水蓄能機(jī)組控制保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)[J].水利水電工程，1994，1.YANG Zhishen.The Characteristics of the Protection of Reversible Pumped Storage Power Units[J].Water Resources and Hydropower Engineering，1994.1.

[5] 嚴(yán)偉，王光，陳俊，等.大型抽水蓄能電站繼電保護(hù)綜述[C].抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2012.YAN Wei，WANG Guang，CHEN Jun，etc，Review of large Pumped storage power station protection [C] Collected papers of Pumped storage power station project，2012.

2017-02-15

2017-05-20

周海燕（1973—），女，高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化及繼電保護(hù)。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