抽水蓄能機組保護的特點及應用

胡東升

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 天臺 317200）

0 引言

隨著我國電力系統建設的快速推進，大型抽水蓄能電站也得到了迅速發展，近年來一批大型抽水蓄能電站相繼建成投產。在這些電站機組保護的應用呈現了多樣化的特點，國內外知名廠家的保護系統都有應用。本文通過分析抽水蓄能機組保護的特點和配置方式以及幾種有代表性的保護系統在現場的應用情況，為國內抽水蓄能機組保護的設計、運行和技術改造提供借鑒。

1 抽水蓄能機組保護的特點

1.1 抽水蓄能機組保護的換相

目前大型抽水蓄能機組普遍采用可逆式機組，它在發電工況和抽水工況時的轉向是相反的。機組在運行中利用發電/電動機出口側的換相閘刀改變一次接線的相序，從而實現轉向的不同。機組保護的電壓、電流量一般采集自機端的壓變和流變，因此，在機組作為電動機運行時采集至機端的電壓、電流的相序與作為發電機運行時的相序相反。此時機組保護的電壓、電流量也必須進行換相，使之調整為電動機保護。否則，機組的大差動保護、功率型保護、阻抗型保護、相序檢查保護等與相序有關的保護都不能正常工作。

1.2 抽水蓄能機組保護對運行工況的識別

抽水蓄能機組具有發電、發電調相、抽水調相、抽水、變頻器啟動和背靠背啟動等多種工況。為了保證機組在不同工況下的穩定可靠運行，必須根據各種工況的特點配置不同的保護，即按照不同工況投入、切除或閉鎖相應的保護。如：機組在變頻啟動過程中，為防止負序過流保護和大差動保護的誤動需將其閉鎖，而為了在此期間能快速切除啟動回路的相間故障需投入此工況下特有的低頻過流保護。因此，必須在正確識別機組的運行工況的前提下，才能保證保護裝置的可靠運行。

2 抽水蓄能機組保護的換相方式和配置

目前抽水蓄能機組保護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。根據換相方式的不同，對機組的保護配置也有較大的不同。

2.1 采樣通道換相及保護配置

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

2.2 軟件換相及保護配置

軟件換相是指保護裝置根據采集的狀態信號判斷機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置，以使相關的保護計算不受換相的影響。通常保護裝置根據換相閘刀位置信號（合于發電方向或抽水方向）來進行換相。采用此方式時同一套保護既能用于發電工況又能用于抽水工況，不需增加硬件的投資，因此，保護裝置可采用完全雙重化配置方式。

3 抽水蓄能機組保護對運行工況的判別

目前國內已投產的抽水蓄能機組保護對運行工況的判別有多種方式：（1）開入量直接閉鎖保護方式。此方式采用能反映工況特點的開關、閘刀、導葉、球閥等重要設備的位置接點直接開入（或經中間繼電器轉接）到保護裝置來閉鎖相應保護；（2）保護裝置利用開入量定義運行工況方式。此方式利用保護裝置本身的開關量輸入通道和邏輯編程功能，將能反映工況特點的開關、閘刀、導葉、球閥等重要設備的開關量信號輸入到保護裝置，經邏輯組合出各種運行工況。（3）監控系統提供運行工況狀態量方式。此方式根據監控系統定義的機組運行工況狀態量，以中間繼電器接點開入到保護裝置或采用通訊方式傳送給保護裝置。

在以上幾種運行工況判別方式中（1）和（2）除少數狀態量需監控系統提供，多數量都采集自現地設備，不受監控系統的制約，但需考慮提高輔助接點和中間繼電器的可靠性，防止保護誤動。方式（3）由于運行工況狀態量由監控提供，保護裝置不能獨立于監控系統運行，必須保證監控系統的可靠運行和數據傳輸的可靠性。

4 幾種典型保護系統的應用情況

4.1 ELIN DRS保護系統

ELIN DRS保護系統應用于國內多個抽水蓄能電站。現以某電站為例介紹其應用情況。

該保護系統采用采樣通道換相方式。機組配置A、B兩套保護，保護根據主保護冗余配置原則進行配置，每套保護均配置了發電機保護和電動機保護。A套配置保護有：發電機相序保護、電動機相序保護、發電機負序過流保護、電動機負序過流保護、差動保護（小差）、低頻保護、定子過負荷保護、軸電流保護、轉子過負荷保護、過電壓保護、發電機失磁保護、電動機失磁保護、低阻抗保護、發電機逆功率保護、轉子絕緣保護、100%定子接地保護、過電壓保護。B套配置保護有：發電機相序保護、電動機相序保護、發電機負序過流保護、電動機負序過流保護、差動保護（大差）、過勵磁保護、低功率保護、低頻過流保護、橫差保護、95%定子接地保護、開關失靈保護、轉子過負荷保護、濺水功率保護、發電機失步保護、電動機失步保護、轉子接地保護。

保護系統對運行工況的判別采用開入量直接閉鎖保護方式。開入量有：開關位置、換相閘刀位置、電制動刀位置、導葉位置、球閥位置、轉速信號、背靠背拖動工況、背靠背被拖動工況、SFC拖動工況、發電調相工況。其中背靠背拖動工況、背靠背被拖動工況、SFC拖動工況、發電調相工況等狀態量由監控系統提供。所有的量都經中間繼電器擴展后開入保護系統，并利用閉鎖矩陣閉鎖相應保護。

該保護系統運行情況總體較好，但在運行中出現過因換相閘刀和電制動刀狀態信號不可靠導致保護誤動作的事件。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）串聯方式改為A/C或A1/C1兩極并聯再串聯B極的方式；②重要保護閉鎖開入采用雙中間繼電器、雙節點的方式等措施提高保護閉鎖的可靠性。但這種方式也增加了保護誤閉鎖的可能性，為此在監控系統中增加相應的報警功能。

4.2 西門子SIPROTEC保護系統

西門子SIPROTEC保護系統目前也在多個抽水蓄能電站得到應用。該保護系統采用軟件換相方式。以某電站為例：保護系統軟件根據換相閘刀抽水位置和被拖動閘刀合閘位置信號（兩者構成或門以提高換相的可靠性）啟動換相并切換定值組。機組的兩套保護基本實現了完全冗余配置，A套保護配置了過激磁保護、過電壓保護、橫差保護、發電電動機差動保護(大差)、軸電流保護、低電壓保護、發電工況逆功率保護、抽水工況低功率保護、失磁保護、負序保護、電壓相序保護、定子熱過負荷保護、低壓記憶過流保護、低頻過流保護、基波95%定子接地保護、失步保護、頻率保護；B套配置了過激磁保護、過電壓保護、橫差保護、發電電動機差動(小差)保護、低電壓保護、發電工況逆功率保護、抽水工況低功率保護、失磁保護、負序保護、電壓相序保護、定子熱過負荷保護、低壓記憶過流保護、低頻過流保護、20Hz-100%定子接地保護、1～3Hz轉子接地保護、失步保護、頻率保護、GCB失靈保護。

SIPROTEC保護系統運行工況判別方式目前在國內的應用中有兩種：（1）由監控系統提供運行工況條件，以中間繼電器開入保護系統實現保護的投退。（2）保護根據開關量信號經過邏輯組合出運行工況來實現保護的投退，開關量大多數不經中間繼電器擴展直接由輔助接點引入。現以方式（2）為例介紹其應用情況：保護系統將換相閘刀切除/發電/抽水位置、GCB分閘/合閘位置、拖動閘刀合閘位置、被拖動閘刀合閘位置、電制動刀合閘位置、導葉位置、發電運行轉發電調相（由監控提供）等信號通過本身的邏輯功能組合成停機工況、發電啟動工況、發電運行工況、發電調相工況、背靠背啟動拖動機組工況、電氣制動工況、抽水啟動工況、抽水運行工況、抽水調相工況等，并利用工況信號實現保護的投入和閉鎖。保護還對GCB、換相閘刀、拖動刀、被拖動刀的位置信號進行實時檢測，當發現信號錯誤時，將閉鎖相應的保護。保護系統通過通訊的方式將保護的投退情況傳送至監控系統，以實現對保護系統運行情況的監視

4.3 南瑞RCS-985GW 保護系統

南瑞RCS-985GW保護系統是南瑞近幾年針對抽水蓄能機組研發的保護系統，是首個應用于大型抽水蓄能機組的國產保護系統。

RCS-985GW保護系統采用軟件換相方式，在換相開關處于“抽水位置”時，發電電動機機端電壓、機端電流和中性點電流均由軟件進行A、C相自動換相。機組的兩套保護完全冗余配置，配置的保護有大差動保護、小差動保護、橫差保護、注入式定子接地保護、低壓過流保護、發電工況負序過流保護、電動工況負序過流保護、失磁保護、過電壓保護、低頻過流保護、逆功率保護、低功率保護、低頻保護、失步保護、軸電流保護、過激磁保護、定子過負荷保護、電壓相序保護、斷路器失靈保護。

RCS-985GW保護系統根據開入信號進行邏輯判斷確定運行工況。保護裝置的開入量有導葉全開位置、導葉全關位置、拖動閘刀分閘位置、轉速小于15Hz、出口斷路器跳閘位置、被拖動閘刀分閘位置、電制動開關合閘位置、換相閘刀發電/電動/分閘位置等,保護系統經邏輯判斷確定發電啟動工況、發電工況、水泵工況、被拖動工況、拖動工況、靜止停機工況、電制動等運行工況。保護系統除根據運行工況閉鎖保護外，還設置了電制動閉鎖功能、水泵啟動閉鎖功能、小于15 Hz閉鎖功能進行完善和補充。

RCS-985GW保護系統設置了開關異常報警閉鎖功能和運行工況不對應報警功能。開關異常閉鎖保護功能是在被拖動閘刀、拖動閘刀、換相閘刀、機端斷路器等開入信號異常時，閉鎖相關保護，防止誤動。運行工況不對應報警功能是將由監控系統開入的運行工況信號與保護系統本身邏輯判斷的運行工況進行比較，當不一致時發出報警信號，但不閉鎖保護。

5 結語

大型可逆式抽水蓄能機組由于存在換相的問題，而且運行工況多轉換頻繁，在進行保護配置時必須考慮換相和運行工況對保護的影響。保護裝置必須采取可靠的換相方式和運行工況的識別方式，確保保護裝置在不同運行方式下都能可靠運行，防止保護誤動和拒動以及保護盲區的存在。