刘治国，王世海，郝国文，任 洋，李华忠，王 光

（1.松花江水力发电有限公司吉林白山发电厂，吉林省吉林市 132011；2.国网新源控股有限公司，北京市100053；3.南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏省南京市 211102）

0 引言

大型抽水蓄能电站具有“调峰填谷”的独特运行特性，发挥着调节负荷、促进电力系统节能和维护电网安全稳定运行的功能，成为我国电力系统有效的、不可或缺的调节工具。由于抽水蓄能机组制造难度高，单机造价昂贵，因此对机组保护性能要求很高。常规大型抽水蓄能机组继电保护在现场应用多年，具有成熟经验，但随着新建及改造机组逐渐增多，也逐渐暴露出存在的不足和问题，包括如下：

（1）继电保护性能有待提升。常规抽水蓄能机组保护采用远距离电缆传输，二次接线复杂，易引起回路串扰、电缆多点接地等问题，导致保护误动作事故频发[1～3]。此外，常规抽水蓄能机组保护采用电磁式电流互感器（TA），存在TA饱和、低频启动过程中电流传变特性差等问题。针对上述问题，虽可通过增大电缆线径、合理布置接线、更换性能良好的电磁式TA等措施，以降低不利因素影响，但由于整体设计方案未改变，所以无法从根本上解决问题。

（2）建设周期长，经济投资大。常规抽水蓄能机组保护装置一般布置在继保小室或发电电动机层，增加了占地面积和建设周期。而且远距离电缆传输以及复杂的二次接线，也增加大量人力、电缆、桥架等投资成本。

（3）保护技术路线不统一。以往抽水蓄能机组继电保护基本采用国外厂家设备，设计图纸、标准等均从国外引进，存在不符合国内相关标准或反措要求等问题，如采用单重化保护配置、未配置低频启动过程保护、基于监控信号的工况识别方法等[4～6]，给设计和现场运维带来不便。

近几年，国内众多继电保护专家提出变电站就地化保护方案和思路[7～10]，围绕二次设备“小型化、标准化、无防护安装”为目标，研发高可靠性的就地化保护装置，旨在简化二次回路，提高保护可靠性和速动性，并在黑龙江、浙江、福建等多个变电站进行试点应用。根据文献[11]提到，就地化保护相比常规保护在可靠性、速动性、经济性有大幅提升。

综上情况，本文将借鉴变电站就地化保护研制经验，结合抽水蓄能电站机组运行工况特征，提出大型抽水蓄能电站发电电动机变压器继电保护就地化（以下简称抽水蓄能机组就地化保护）整体解决方案，开展就地化继电保护关键技术研究。由于抽水蓄能电站具有运行工况众多、机组振动大、运行环境恶劣等情况，对就地化保护技术提出新挑战，极为有必要提前开展就地化保护技术的前瞻性研究和探索工作。对于变压器高压侧出线及厂用电等保护已先后实现了就地化，本文将不再赘述。

1 就地化配置方案

1.1 整体配置原则

（1）抽水蓄能机组就地化保护必须坚持继电保护的可靠性、选择性、灵敏性、速动性的“四性”基本要求，着重解决二次接线复杂、高度集中等问题，进一步提升继电保护性能。

（2）就地化保护以“小型化、标准化、无防护安装”为目标，采用紧凑化结构，减小装置尺寸，直接贴近被保护设备安装，能适应现场复杂电磁干扰、振动及各种恶劣气候环境。

（3）就地化保护分为分布式保护方案和集中式保护方案。所谓分布式保护方案，采用按侧或按间隔布置保护子机，子机间采用双向双环网相连；所谓集中式保护方案，采用一台保护装置完成设备单套保护功能。

（4）采用标准化接口。实现与一次设备间的即插即用，支持工厂化调试和更换式检修。标准化接口按强弱电独立、同类型同一接口原则配置，可分四种，依次为电源与开入接口、开出接口、通信接口和模拟量接口。

（5）采用“直采直跳”方式。就近采集模拟量、开关量，电流采集支持电6磁式TA或光学TA方式，不配置合并单元。就近配置就地化操作继电器箱，与保护装置间采用电缆或GOOSE直跳方式。

（6）全站组网方式。设置全站保护装置专用通信网络，即保护专网，每台就地化保护装置具备SV、GOOSE、MMS三网合一功能，并通过装置通信光口接入保护专网。

大型抽水蓄能电站就地化保护总体配置方案示意如图1所示。

图1 大型抽水蓄能机组就地化保护总体配置方案示意图Figure 1 Configuration scheme of on-site relay protection in large pumped storage power station

图1中示意分布式就地化保护方案，对于集中式就地化保护，则不需配置保护环网。由于集中式与常规保护相类似，本文后续将重点介绍分布式就地化保护方案。

1.2 保护配置方案

（1）发电电动机保护配置方案。

按贴近被保护设备配置原则，分为机端侧子机和中性点侧子机。如图2所示配置方案图，机端侧子机采集机端电压、机端电流、开关辅助接点等，中性点侧子机采集中性点分支电流、开关辅助接点等，各子机将采集信号经保护环网传输给另一侧子机。对于全站组网，各子机通过通信光口接入SV、GOOSE、MMS三网合一功能的保护专网。

建议转子接地保护装置就地安装在励磁柜内，注入式定子接地保护辅助电源装置单独组柜。

（2）变压器保护配置方案。

如图3所示配置方案图，按侧布置各子机，分为高压侧子机、低压侧子机、厂用变压器与SFC侧子机，各子机就近采集模拟量、开关量，并将采集信号通过保护环网传输于其他侧子机。考虑通信延时影响保护动作时间以及可靠性，不建议子机数量超过三台。

图2 发电电动机就地化保护配置方案示意图Figure 2 Configuration scheme of on-site generator-motor relay protection

图3 变压器就地化保护配置方案示意图Figure 3 Configuration scheme of on-site transformer relay protection

（3）其他设备。

就地化操作箱：采用就近布置原则，各就地化保护装置与操作箱间采用电缆或光缆直连方式，实现断路器跳闸功能。

智能管理单元：由于装置尺寸及液晶材料耐低温能力的限制，就地化保护取消了装置人机交互界面，而设置了智能管理单元，接入就地化保护装置，实现保护装置的界面显示、远程管理等功能。智能管理单元集中管理全站保护设备，可采用双重化配置。作为保护装置与电站监控的接口，智能管理单元负责归并各保护子机的信息，并采用标准通信协议接入站控层MMS网络。

2 抽水蓄能机组就地化保护关键技术

2.1 保护功能

2.1.1 分布式保护运行模式

分布式保护方案可选择有主机模式和无主机模式。所谓有主机模式，即某子机作为主机，完成全部保护功能，其他子机为从机，仅完成采集和跳闸出口功能。由于主机一旦退出运行，该套保护则完全退出，因此有明显弊端。所谓无主机模式，各子机均具有保护功能，子机间无主从关系，如图4所示。相比有主机模式，当某子机退出运行，其他子机还可正常运行，子机间相互依赖性较小，因此优先推荐无主机模式。

图4 无主机模式就地化保护配置方案Figure 4 Configuration scheme of no host mode on-site relay protection

对于无主机模式包括两种运行方式：①方式1，各子机包含全部主后备保护功能；②方式2，各子机按就近原则合理配置保护功能。若各子机及保护环网均正常时，各子机采用方式1，否则采用方式2。若异常子机或保护环网通信恢复正常，则及时切换回方式1。具体方案如下：

当各子机及保护环网均正常时，某子机将就近采集信号经保护环网发送给其余子机，同时经保护环网接收其余子机的采集信号，最终完成全部保护功能并负责本子机对应间隔跳闸出口。其余子机也采用相同方式实现全部保护功能和跳闸出口。由于该方式下各子机需数据同步后再进行逻辑运算，各子机采样数据时标一致，从而保证各子机保护启动、动作时标一致，有利于事故分析。

当各子机或保护环网出现异常时，正常子机则闭锁与异常子机数据信号相关的保护功能，比如电流差动、三次谐波定子接地等保护，且继续开放仅采集本侧信号即可完成的保护功能，比如机端侧子机中过电压、频率等保护，中性点侧子机中的注入式定子接地等保护。

采用该方案后，即可保证各子机中保护逻辑及采样数据时标一致，有利于事故分析，也可保证子机或保护环网出现异常时，还能保留部分保护功能，有利于保护设备安全。如图5所示发电电动机分布式就地化保护运行模式示意图。

图5 发电电动机分布式就地化保护运行模式Figure 5 Operation mode of distributed on-site generatormotor relay protection

2.1.2 基于柔性光学TA的就地化保护

在整体配置原则中提出装置应支持光学TA接入方式，鉴于常规电磁式TA的缺点，以及柔性光学TA在机组保护中的推广应用[12]，提出将柔性光学TA采集技术应用于就地化保护。

柔性光学TA基于法拉第磁光效应，通过检测偏振光信号在磁场中的相位变化以测量产生磁场的电流大小，其结果仅与一次电流大小有关，与电流的交变频率无关[13][14]。在极低频率情况下，光学TA能同样实现准确测量，保证各侧电流“传变”的一致性，可大大提高启动过程保护性能。如图6所示，电流2Hz工况下常规TA与光学TA传变特性差异。

图6 电流2Hz工况下常规TA与光学TA传变特性差异Figure 6 The difference between conventional TA and optical TA under 2Hz current

采用柔性光学TA采集技术，除具有普通光学TA优点外[15～17]，由于受安装空间限制小，能在发电机组中性点任意分支或任意分支组上装设多组光学TA，灵活实现主保护方案设计和优化，便于增加若干套的不完全纵差、裂相横差等保护，全面提升内部故障保护整体性能。如图7所示，基于柔性光学TA的就地化抽水蓄能机组保护示意，图中将采集单元与保护装置直接相连，不配置合并单元。

图7 基于柔性光学TA的就地化抽蓄机组保护示意图Figure 7 Schematic diagram of pumped storage units on-site relay protection based on optical TA

2.1.3 基于GOOSE的跨间隔保护配合

根据抽水蓄能机组保护逻辑，发电电动机保护和变压器保护间存在逻辑配合关系，比如基波零序电压定子接地保护经高压侧零序过电压闭锁[18]、复压过流保护经变压器高压侧或机端侧复压闭锁[19]等，但由于这两套保护不在同一保护环网内，所以无法直接通过保护环网传输信息。基于上述情况，提出采用保护专网GOOSE信号传输方式实现。如就地化变压器保护判别高压侧零序过电压标志后，经保护专网以GOOSE信号形式送于发电电动机保护装置，实现定子接地保护。采用该方式后，可节省各保护子机的模拟量输入数量及电缆配线，降低成本，提高效率。如图8所示，基于GOOSE信号的跨间隔保护配合示意。

图8 基于GOOSE信号的跨间隔保护配合示意图Figure 8 Schematic diagram of cross-interval protection coordination based on GOOSE

此外，对于失灵保护需引入其他间隔保护动作信号时，也可采用该方式实现。

2.1.4 自适应工况识别技术

抽水蓄能机组运行工况众多，转换频繁，保护装置应可靠识别机组当前运行工况，根据运行工况投退相关保护功能。在分布式保护方案中，各子机就近采集断路器、换相隔离开关等辅助接点，然后经保护环网将采集开关量信号互送给对侧子机，各子机接受信号后进行工况识别。但是，当某台子机出现装置闭锁或保护环网通信中断时，其他侧子机因无法收到该子机的辅助接点信号，而无法正确识别机组工况状态，可能会导致保护误动或拒动。

基于上述情况，提出自适应工况识别技术，即当本子机无法接收其他侧子机的辅助接点信号时，切换至电气量工况识别模式。根据机组当前电流、电压、频率、功率等特征，判断当前机组运行工况。例如，若发电电动机中性点侧子机出现装置闭锁或保护环网通信异常时，机端侧子机则可判断当前频率是否为工频且有功功率是否为正向功率等条件，若满足则可判机组为发电工况。采用该技术后能最大程度防止保护功能完全退出，而对于有可能误动保护，则可直接闭锁。如图9所示自适应工况识别逻辑。

图9 自适应工况识别逻辑图Figure 9 Logic diagram of adaptive condition recognition

2.2 硬件设计

2.2.1 基于SOC的冗余系统框架

继承常规抽水蓄能机组继电保护的“CPU+双DSP”经典设计理念，提出基于冗余SOC（System-on-a-Chip系统级芯片）的就地化保护系统架构，全面覆盖从采样、通信、逻辑运算到信号出口各个环节的冗余设计，相比以往机组保护，SOC芯片系统将CPU和FPGA高度集成在一个芯片内，避免了CPU与FPGA之间高速信号出芯片。该系统架构不仅明显提升了抗电磁干扰能力，而且有效缩小印制板面积、降低功耗，满足就地化保护小型化、低功耗的设计理念和要求。如图10所示基于冗余SOC的就地化保护系统架构。

图10 基于冗余SOC的就地化保护系统架构Figure 10 System architecture of on-site relay protection based on redundant SOC

2.2.2 装置接口标准化

就地化保护装置要求实现即插即用、更换式检修，各个厂家同种类型设备可支持互换，因此必须解决装置连接器接口标准化问题。主要内容为：①对装置连接器接口端子定义标准化。需结合装置所需的模拟量、开关量、通信方式等特点，且考虑电磁干扰、现场运维便利性、通用性等问题，定义各保护装置电源输入、开入、开出、模拟量等接口端子定义，合理布置每个接口。②对连接器接口及预制缆特性的标准化。需对连接器及预制缆的性能、特征提出基本要求，如强电端子应与弱电端子分离、电流采样要求采用自带短接功能端子等。

2.3 装置高防护技术

就地化保护要求贴近抽蓄机组一次设备安装，需承受振动大、湿度大等恶劣环境，相比变电站就地化保护，需对抽蓄机组就地化保护装置机械性能、防护等级等方面提出更高要求。

2.3.1 机械性能

抽水蓄能发电电动机为旋转设备，启停频繁，存在长时间振动大问题，尤其在机组启停机过程中，发电电动机运行频率与机械系统固有频率接近时，出现机械共振现象，振动幅度达到最大值。就地化保护装置贴近被保护设备安装，失去原有保护屏柜的支撑和保护，易因长时间振动可能导致保护装置结构松动、器件掉落、结构变形或损坏现象，对于发电电动机保护装置尤为明显。因此，就地化保护装置需增强抗振动、抗碰撞等机械性能。在进行就地化保护装置结构设计时，优先采用全封闭、铝合金整体铸造结构，增加加强筋设计，提高装置固有频率和整体刚度。尽量采用便于固定的表贴器件，增加插装器件的点胶固定措施。在空间允许的情况下，增加弹性缓冲材料设计，便于吸收冲击、振动能量，从而增强装置抗振和抗冲击能力。

2.3.2 装置IP防护

就地化保护装置安装在抽水蓄能机组附近后，所承受水汽、灰尘较大，当水汽或灰尘颗粒侵入装置将造成板卡腐蚀、电路短路等一系列危害，因此需要做好装置防护设计。装置箱体优先采用全密闭、一体成型外壳，对插件增加三防处理措施，装置与外部设备相连接口采用带密封屏蔽的圆形标准航插连接器，密封圈采用耐老化、抗腐蚀材料，增强防水、防潮、防尘能力，要求装置至少达到IP67防护等级。

3 结语

抽水蓄能机组继电保护就地化思路是对多年机组继电保护的总结和提升，就地化、小型化、高防护、低功耗的设计理念，能够实现保护功能集成化、安装就地化、信息共享化、维护远程化，简化二次回路，减少占地面积和经济投资，统一技术路线，提升电站二次设备整体运维水平，提高资源使用和生产管理效率，推动继电保护技术创新，开启新一代电站设计、建设、运维的全新模式，为未来电站一二次设备融合创造条件，为低碳环保、资源集约型社会建设做出重要贡献。

但目前来看，就地化保护在抽水蓄能电站的推广应用仍然面临着诸多障碍。例如，就地化抽水蓄能机组保护运行可靠性的验证，比如抽水蓄能电站长期振动对装置寿命影响；抽水蓄能机组就地化保护相关标准制定；现场运维规程、规范制定及实施，如就地化装置采用无液晶、无保护功能压板后，需重新制定现场运维规程规范、培训运维人员等。因此，还需进一步开展抽水蓄能机组就地化保护的实用化技术研究与实践工作。