劉治國，王世海，郝國文，任 洋，李華忠，王 光

（1.松花江水力發(fā)電有限公司吉林白山發(fā)電廠，吉林省吉林市 132011；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市100053；3.南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

大型抽水蓄能電站具有“調(diào)峰填谷”的獨特運行特性，發(fā)揮著調(diào)節(jié)負荷、促進電力系統(tǒng)節(jié)能和維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的功能，成為我國電力系統(tǒng)有效的、不可或缺的調(diào)節(jié)工具。由于抽水蓄能機組制造難度高，單機造價昂貴，因此對機組保護性能要求很高。常規(guī)大型抽水蓄能機組繼電保護在現(xiàn)場應用多年，具有成熟經(jīng)驗，但隨著新建及改造機組逐漸增多，也逐漸暴露出存在的不足和問題，包括如下：

（1）繼電保護性能有待提升。常規(guī)抽水蓄能機組保護采用遠距離電纜傳輸，二次接線復雜，易引起回路串擾、電纜多點接地等問題，導致保護誤動作事故頻發(fā)[1～3]。此外，常規(guī)抽水蓄能機組保護采用電磁式電流互感器（TA），存在TA飽和、低頻啟動過程中電流傳變特性差等問題。針對上述問題，雖可通過增大電纜線徑、合理布置接線、更換性能良好的電磁式TA等措施，以降低不利因素影響，但由于整體設計方案未改變，所以無法從根本上解決問題。

（2）建設周期長，經(jīng)濟投資大。常規(guī)抽水蓄能機組保護裝置一般布置在繼保小室或發(fā)電電動機層，增加了占地面積和建設周期。而且遠距離電纜傳輸以及復雜的二次接線，也增加大量人力、電纜、橋架等投資成本。

（3）保護技術路線不統(tǒng)一。以往抽水蓄能機組繼電保護基本采用國外廠家設備，設計圖紙、標準等均從國外引進，存在不符合國內(nèi)相關標準或反措要求等問題，如采用單重化保護配置、未配置低頻啟動過程保護、基于監(jiān)控信號的工況識別方法等[4～6]，給設計和現(xiàn)場運維帶來不便。

近幾年，國內(nèi)眾多繼電保護專家提出變電站就地化保護方案和思路[7～10]，圍繞二次設備“小型化、標準化、無防護安裝”為目標，研發(fā)高可靠性的就地化保護裝置，旨在簡化二次回路，提高保護可靠性和速動性，并在黑龍江、浙江、福建等多個變電站進行試點應用。根據(jù)文獻[11]提到，就地化保護相比常規(guī)保護在可靠性、速動性、經(jīng)濟性有大幅提升。

綜上情況，本文將借鑒變電站就地化保護研制經(jīng)驗，結合抽水蓄能電站機組運行工況特征，提出大型抽水蓄能電站發(fā)電電動機變壓器繼電保護就地化（以下簡稱抽水蓄能機組就地化保護）整體解決方案，開展就地化繼電保護關鍵技術研究。由于抽水蓄能電站具有運行工況眾多、機組振動大、運行環(huán)境惡劣等情況，對就地化保護技術提出新挑戰(zhàn)，極為有必要提前開展就地化保護技術的前瞻性研究和探索工作。對于變壓器高壓側出線及廠用電等保護已先后實現(xiàn)了就地化，本文將不再贅述。

1 就地化配置方案

1.1 整體配置原則

（1）抽水蓄能機組就地化保護必須堅持繼電保護的可靠性、選擇性、靈敏性、速動性的“四性”基本要求，著重解決二次接線復雜、高度集中等問題，進一步提升繼電保護性能。

（2）就地化保護以“小型化、標準化、無防護安裝”為目標，采用緊湊化結構，減小裝置尺寸，直接貼近被保護設備安裝，能適應現(xiàn)場復雜電磁干擾、振動及各種惡劣氣候環(huán)境。

（3）就地化保護分為分布式保護方案和集中式保護方案。所謂分布式保護方案，采用按側或按間隔布置保護子機，子機間采用雙向雙環(huán)網(wǎng)相連；所謂集中式保護方案，采用一臺保護裝置完成設備單套保護功能。

（4）采用標準化接口。實現(xiàn)與一次設備間的即插即用，支持工廠化調(diào)試和更換式檢修。標準化接口按強弱電獨立、同類型同一接口原則配置，可分四種，依次為電源與開入接口、開出接口、通信接口和模擬量接口。

（5）采用“直采直跳”方式。就近采集模擬量、開關量，電流采集支持電6磁式TA或光學TA方式，不配置合并單元。就近配置就地化操作繼電器箱，與保護裝置間采用電纜或GOOSE直跳方式。

（6）全站組網(wǎng)方式。設置全站保護裝置專用通信網(wǎng)絡，即保護專網(wǎng)，每臺就地化保護裝置具備SV、GOOSE、MMS三網(wǎng)合一功能，并通過裝置通信光口接入保護專網(wǎng)。

大型抽水蓄能電站就地化保護總體配置方案示意如圖1所示。

圖1 大型抽水蓄能機組就地化保護總體配置方案示意圖Figure 1 Configuration scheme of on-site relay protection in large pumped storage power station

圖1中示意分布式就地化保護方案，對于集中式就地化保護，則不需配置保護環(huán)網(wǎng)。由于集中式與常規(guī)保護相類似，本文后續(xù)將重點介紹分布式就地化保護方案。

1.2 保護配置方案

（1）發(fā)電電動機保護配置方案。

按貼近被保護設備配置原則，分為機端側子機和中性點側子機。如圖2所示配置方案圖，機端側子機采集機端電壓、機端電流、開關輔助接點等，中性點側子機采集中性點分支電流、開關輔助接點等，各子機將采集信號經(jīng)保護環(huán)網(wǎng)傳輸給另一側子機。對于全站組網(wǎng)，各子機通過通信光口接入SV、GOOSE、MMS三網(wǎng)合一功能的保護專網(wǎng)。

建議轉子接地保護裝置就地安裝在勵磁柜內(nèi)，注入式定子接地保護輔助電源裝置單獨組柜。

（2）變壓器保護配置方案。

如圖3所示配置方案圖，按側布置各子機，分為高壓側子機、低壓側子機、廠用變壓器與SFC側子機，各子機就近采集模擬量、開關量，并將采集信號通過保護環(huán)網(wǎng)傳輸于其他側子機。考慮通信延時影響保護動作時間以及可靠性，不建議子機數(shù)量超過三臺。

圖2 發(fā)電電動機就地化保護配置方案示意圖Figure 2 Configuration scheme of on-site generator-motor relay protection

圖3 變壓器就地化保護配置方案示意圖Figure 3 Configuration scheme of on-site transformer relay protection

（3）其他設備。

就地化操作箱：采用就近布置原則，各就地化保護裝置與操作箱間采用電纜或光纜直連方式，實現(xiàn)斷路器跳閘功能。

智能管理單元：由于裝置尺寸及液晶材料耐低溫能力的限制，就地化保護取消了裝置人機交互界面，而設置了智能管理單元，接入就地化保護裝置，實現(xiàn)保護裝置的界面顯示、遠程管理等功能。智能管理單元集中管理全站保護設備，可采用雙重化配置。作為保護裝置與電站監(jiān)控的接口，智能管理單元負責歸并各保護子機的信息，并采用標準通信協(xié)議接入站控層MMS網(wǎng)絡。

2 抽水蓄能機組就地化保護關鍵技術

2.1 保護功能

2.1.1 分布式保護運行模式

分布式保護方案可選擇有主機模式和無主機模式。所謂有主機模式，即某子機作為主機，完成全部保護功能，其他子機為從機，僅完成采集和跳閘出口功能。由于主機一旦退出運行，該套保護則完全退出，因此有明顯弊端。所謂無主機模式，各子機均具有保護功能，子機間無主從關系，如圖4所示。相比有主機模式，當某子機退出運行，其他子機還可正常運行，子機間相互依賴性較小，因此優(yōu)先推薦無主機模式。

圖4 無主機模式就地化保護配置方案Figure 4 Configuration scheme of no host mode on-site relay protection

對于無主機模式包括兩種運行方式：①方式1，各子機包含全部主后備保護功能；②方式2，各子機按就近原則合理配置保護功能。若各子機及保護環(huán)網(wǎng)均正常時，各子機采用方式1，否則采用方式2。若異常子機或保護環(huán)網(wǎng)通信恢復正常，則及時切換回方式1。具體方案如下：

當各子機及保護環(huán)網(wǎng)均正常時，某子機將就近采集信號經(jīng)保護環(huán)網(wǎng)發(fā)送給其余子機，同時經(jīng)保護環(huán)網(wǎng)接收其余子機的采集信號，最終完成全部保護功能并負責本子機對應間隔跳閘出口。其余子機也采用相同方式實現(xiàn)全部保護功能和跳閘出口。由于該方式下各子機需數(shù)據(jù)同步后再進行邏輯運算，各子機采樣數(shù)據(jù)時標一致，從而保證各子機保護啟動、動作時標一致，有利于事故分析。

當各子機或保護環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)異常時，正常子機則閉鎖與異常子機數(shù)據(jù)信號相關的保護功能，比如電流差動、三次諧波定子接地等保護，且繼續(xù)開放僅采集本側信號即可完成的保護功能，比如機端側子機中過電壓、頻率等保護，中性點側子機中的注入式定子接地等保護。

采用該方案后，即可保證各子機中保護邏輯及采樣數(shù)據(jù)時標一致，有利于事故分析，也可保證子機或保護環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)異常時，還能保留部分保護功能，有利于保護設備安全。如圖5所示發(fā)電電動機分布式就地化保護運行模式示意圖。

圖5 發(fā)電電動機分布式就地化保護運行模式Figure 5 Operation mode of distributed on-site generatormotor relay protection

2.1.2 基于柔性光學TA的就地化保護

在整體配置原則中提出裝置應支持光學TA接入方式，鑒于常規(guī)電磁式TA的缺點，以及柔性光學TA在機組保護中的推廣應用[12]，提出將柔性光學TA采集技術應用于就地化保護。

柔性光學TA基于法拉第磁光效應，通過檢測偏振光信號在磁場中的相位變化以測量產(chǎn)生磁場的電流大小，其結果僅與一次電流大小有關，與電流的交變頻率無關[13][14]。在極低頻率情況下，光學TA能同樣實現(xiàn)準確測量，保證各側電流“傳變”的一致性，可大大提高啟動過程保護性能。如圖6所示，電流2Hz工況下常規(guī)TA與光學TA傳變特性差異。

圖6 電流2Hz工況下常規(guī)TA與光學TA傳變特性差異Figure 6 The difference between conventional TA and optical TA under 2Hz current

采用柔性光學TA采集技術，除具有普通光學TA優(yōu)點外[15～17]，由于受安裝空間限制小，能在發(fā)電機組中性點任意分支或任意分支組上裝設多組光學TA，靈活實現(xiàn)主保護方案設計和優(yōu)化，便于增加若干套的不完全縱差、裂相橫差等保護，全面提升內(nèi)部故障保護整體性能。如圖7所示，基于柔性光學TA的就地化抽水蓄能機組保護示意，圖中將采集單元與保護裝置直接相連，不配置合并單元。

圖7 基于柔性光學TA的就地化抽蓄機組保護示意圖Figure 7 Schematic diagram of pumped storage units on-site relay protection based on optical TA

2.1.3 基于GOOSE的跨間隔保護配合

根據(jù)抽水蓄能機組保護邏輯，發(fā)電電動機保護和變壓器保護間存在邏輯配合關系，比如基波零序電壓定子接地保護經(jīng)高壓側零序過電壓閉鎖[18]、復壓過流保護經(jīng)變壓器高壓側或機端側復壓閉鎖[19]等，但由于這兩套保護不在同一保護環(huán)網(wǎng)內(nèi)，所以無法直接通過保護環(huán)網(wǎng)傳輸信息?；谏鲜銮闆r，提出采用保護專網(wǎng)GOOSE信號傳輸方式實現(xiàn)。如就地化變壓器保護判別高壓側零序過電壓標志后，經(jīng)保護專網(wǎng)以GOOSE信號形式送于發(fā)電電動機保護裝置，實現(xiàn)定子接地保護。采用該方式后，可節(jié)省各保護子機的模擬量輸入數(shù)量及電纜配線，降低成本，提高效率。如圖8所示，基于GOOSE信號的跨間隔保護配合示意。

圖8 基于GOOSE信號的跨間隔保護配合示意圖Figure 8 Schematic diagram of cross-interval protection coordination based on GOOSE

此外，對于失靈保護需引入其他間隔保護動作信號時，也可采用該方式實現(xiàn)。

2.1.4 自適應工況識別技術

抽水蓄能機組運行工況眾多，轉換頻繁，保護裝置應可靠識別機組當前運行工況，根據(jù)運行工況投退相關保護功能。在分布式保護方案中，各子機就近采集斷路器、換相隔離開關等輔助接點，然后經(jīng)保護環(huán)網(wǎng)將采集開關量信號互送給對側子機，各子機接受信號后進行工況識別。但是，當某臺子機出現(xiàn)裝置閉鎖或保護環(huán)網(wǎng)通信中斷時，其他側子機因無法收到該子機的輔助接點信號，而無法正確識別機組工況狀態(tài)，可能會導致保護誤動或拒動。

基于上述情況，提出自適應工況識別技術，即當本子機無法接收其他側子機的輔助接點信號時，切換至電氣量工況識別模式。根據(jù)機組當前電流、電壓、頻率、功率等特征，判斷當前機組運行工況。例如，若發(fā)電電動機中性點側子機出現(xiàn)裝置閉鎖或保護環(huán)網(wǎng)通信異常時，機端側子機則可判斷當前頻率是否為工頻且有功功率是否為正向功率等條件，若滿足則可判機組為發(fā)電工況。采用該技術后能最大程度防止保護功能完全退出，而對于有可能誤動保護，則可直接閉鎖。如圖9所示自適應工況識別邏輯。

圖9 自適應工況識別邏輯圖Figure 9 Logic diagram of adaptive condition recognition

2.2 硬件設計

2.2.1 基于SOC的冗余系統(tǒng)框架

繼承常規(guī)抽水蓄能機組繼電保護的“CPU+雙DSP”經(jīng)典設計理念，提出基于冗余SOC（System-on-a-Chip系統(tǒng)級芯片）的就地化保護系統(tǒng)架構，全面覆蓋從采樣、通信、邏輯運算到信號出口各個環(huán)節(jié)的冗余設計，相比以往機組保護，SOC芯片系統(tǒng)將CPU和FPGA高度集成在一個芯片內(nèi)，避免了CPU與FPGA之間高速信號出芯片。該系統(tǒng)架構不僅明顯提升了抗電磁干擾能力，而且有效縮小印制板面積、降低功耗，滿足就地化保護小型化、低功耗的設計理念和要求。如圖10所示基于冗余SOC的就地化保護系統(tǒng)架構。

圖10 基于冗余SOC的就地化保護系統(tǒng)架構Figure 10 System architecture of on-site relay protection based on redundant SOC

2.2.2 裝置接口標準化

就地化保護裝置要求實現(xiàn)即插即用、更換式檢修，各個廠家同種類型設備可支持互換，因此必須解決裝置連接器接口標準化問題。主要內(nèi)容為：①對裝置連接器接口端子定義標準化。需結合裝置所需的模擬量、開關量、通信方式等特點，且考慮電磁干擾、現(xiàn)場運維便利性、通用性等問題，定義各保護裝置電源輸入、開入、開出、模擬量等接口端子定義，合理布置每個接口。②對連接器接口及預制纜特性的標準化。需對連接器及預制纜的性能、特征提出基本要求，如強電端子應與弱電端子分離、電流采樣要求采用自帶短接功能端子等。

2.3 裝置高防護技術

就地化保護要求貼近抽蓄機組一次設備安裝，需承受振動大、濕度大等惡劣環(huán)境，相比變電站就地化保護，需對抽蓄機組就地化保護裝置機械性能、防護等級等方面提出更高要求。

2.3.1 機械性能

抽水蓄能發(fā)電電動機為旋轉設備，啟停頻繁，存在長時間振動大問題，尤其在機組啟停機過程中，發(fā)電電動機運行頻率與機械系統(tǒng)固有頻率接近時，出現(xiàn)機械共振現(xiàn)象，振動幅度達到最大值。就地化保護裝置貼近被保護設備安裝，失去原有保護屏柜的支撐和保護，易因長時間振動可能導致保護裝置結構松動、器件掉落、結構變形或損壞現(xiàn)象，對于發(fā)電電動機保護裝置尤為明顯。因此，就地化保護裝置需增強抗振動、抗碰撞等機械性能。在進行就地化保護裝置結構設計時，優(yōu)先采用全封閉、鋁合金整體鑄造結構，增加加強筋設計，提高裝置固有頻率和整體剛度。盡量采用便于固定的表貼器件，增加插裝器件的點膠固定措施。在空間允許的情況下，增加彈性緩沖材料設計，便于吸收沖擊、振動能量，從而增強裝置抗振和抗沖擊能力。

2.3.2 裝置IP防護

就地化保護裝置安裝在抽水蓄能機組附近后，所承受水汽、灰塵較大，當水汽或灰塵顆粒侵入裝置將造成板卡腐蝕、電路短路等一系列危害，因此需要做好裝置防護設計。裝置箱體優(yōu)先采用全密閉、一體成型外殼，對插件增加三防處理措施，裝置與外部設備相連接口采用帶密封屏蔽的圓形標準航插連接器，密封圈采用耐老化、抗腐蝕材料，增強防水、防潮、防塵能力，要求裝置至少達到IP67防護等級。

3 結語

抽水蓄能機組繼電保護就地化思路是對多年機組繼電保護的總結和提升，就地化、小型化、高防護、低功耗的設計理念，能夠實現(xiàn)保護功能集成化、安裝就地化、信息共享化、維護遠程化，簡化二次回路，減少占地面積和經(jīng)濟投資，統(tǒng)一技術路線，提升電站二次設備整體運維水平，提高資源使用和生產(chǎn)管理效率，推動繼電保護技術創(chuàng)新，開啟新一代電站設計、建設、運維的全新模式，為未來電站一二次設備融合創(chuàng)造條件，為低碳環(huán)保、資源集約型社會建設做出重要貢獻。

但目前來看，就地化保護在抽水蓄能電站的推廣應用仍然面臨著諸多障礙。例如，就地化抽水蓄能機組保護運行可靠性的驗證，比如抽水蓄能電站長期振動對裝置壽命影響；抽水蓄能機組就地化保護相關標準制定；現(xiàn)場運維規(guī)程、規(guī)范制定及實施，如就地化裝置采用無液晶、無保護功能壓板后，需重新制定現(xiàn)場運維規(guī)程規(guī)范、培訓運維人員等。因此，還需進一步開展抽水蓄能機組就地化保護的實用化技術研究與實踐工作。