第８期 ２０１７年８月 广东水利水电 ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１７ 广州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机继电保护系统国产化改造 陈 勇，周海燕 （广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州 ５１０６３５） 摘要：针对广州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机继电保护系统改造前的配置情况及其存在的问题，结合现有规程规范及反 措规定的要求，分析了发电电动机继电保护改造的方案，阐述其中的关键技术问题，为国内抽水蓄能电站相关继电保护 系统设计或改造提供一定的参考。 关键词：抽水蓄能电站；发电电动机；继电保护；改造；设计 中图分类号：ＴＶ７４３；ＴＭ３１２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８—０１１２（２０１７）０８—００６９—０７ 广州蓄能水电厂是我国运行历史最为悠久，运行 经验最稳丰富的蓄能电厂…。广州蓄能水电厂Ｂ厂位 于广东省广州市东北方向的从化市吕田镇境内，与广 州的直线距离约为９０ ｋｍ，是１座日调节的纯抽水蓄 能电站。Ｂ厂的机组保护由西门子公司提供，运行时 间超过了１２ ａ＿２ Ｊ，一方面继电保护系统设备达到了合 理更换年限，另一方面由于广州抽水蓄能电厂Ｂ厂建 １电气主接线 广州蓄能水电厂Ｂ厂安装４台立式单级混流可逆式 水泵水轮机一发电电动机机组，单机容量（发电工况） 为３００ ＭＷ，总装机容量为１ ２００ ＭＷ。机组与主变压器 采用单元接线方式，机组设有出口断路器，其出口电压 为１８ ｋＶ；厂用电电源、励磁变电源、变频起动装置 （ｓＦｃ）电源引自主变低压侧；５ 与６ ，７ 与８ 单元分别 设时间较早，其继电保护系统设计与现行的规程规范 及反措要求多有不符之处。自２０１４年起至今，广州蓄 能水电厂Ｂ厂开始对４台发电电动机、主变压器继电 保护系统陆续进行国产化改造，本文重点对其发电电 动机保护系统改造相关问题进行了分析与总结。 在高压侧联合，组成２个联合单元接线经主变压器升压 至５００ ｋＶ；５００ ｋＶ侧采用四角形接线，通过两回线路 接入广东电网，并有一回与Ａ厂的连接线，广州抽水蓄 能电厂Ｂ厂主设备电气连接见图１。广蓄在电网中主要 起着调峰填谷、调频、调压和事故备用的作用 ｊ。 图１广州蓄能水电厂Ｂ厂主设备电气连接示意 收稿日期：２０１７—０３—１５；修回日期：２０１７—０４～０５ 作者简介：陈勇（１９８５），男，硕士，工程师，从事水利水电电气二次设计工作。 ・６９・ ２０１７年８月 第８期 陈勇。等：广州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机继电保护系统国产化改造 Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１７ ２发电电动机继电保护系统改造的必要性 （ＣＨＡ０１屏、ＣＨＡ０２屏），其中ＣＨＡ０１屏装设７ＵＴ ５１２、 ７ＵＭ ５１１、７ＵＭ ５１２、７ＵＭ ５１５、７ｓＪ ５１１和ＲＡＲＩＣ轴电 改造前，广州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机保护系 统采用西门子公司保护装置，除主保护差动保护为双 套配置外，其余后备保护均为单套配置，其保护系统 配置如图２。 流保护装置（ＡＢＢ公司）共６台保护装置，ＣＨＡ０２屏装 设７ＵＴ ５１２、７ＳＪ ５１１、７ＵＭ ５１６共３台保护装置，两面 屏共计９台保护装置构成１套完整的发电电动机电气量 保护，发电电动机组保护功能配置见表１。 改造前，发电电动机保护系统由２面保护屏构成 Ｖ 图２改造前发电电动机保护系统配置示意 ・７０・ ２０１７年８月第８期 广东水利水电 Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１７ 表１改造前发电电动机保护功能配置 可见在改造前，发电电动机组保护配置与现有规 范和反措的要求有较大的差距，并且一些保护如断路 器闪络、启停机保护等功能无法实现，因此存在较大 的隐患。综合相关资料 Ｊ，改造前发电电动机保护 配置不满足相关要求或可改进之处如下： ①从图１和表１可知，广州蓄能水电厂Ｂ厂发电 电动机保护只有部分功能双重化，机组保护中机组差 动保护为双重化配置，其他保护均为单套配置，不符 合反事故措施要求等相关国家标准和行业标准要求。 ②发电电动机保护配置装置较多，机组保护共９ 台装置，增加了装置故障的可能性；同时ＣＴ、ＰＴ回 路的串并接较多，回路可靠性下降，与目前国内其他 特大型机组普遍采用的“完全双重化、主后一体化”配 置思想差异较大。 ③差动保护动作范围问题。当发电电动机处于背 靠背拖动方式时，在主变差动用机端ＣＴ和换相开关 之间发生短路故障，主变差动保护将动作，扩大事故 范围，而发电电动机差动保护将拒动；当发电电动机 处于发电启动、ＳＦＣ启动或背靠背启动方式时，在主 变差动用机端ＣＴ和机端断路器之间发生短路故障， 主变差动保护无法动作，发电电动机差动保护动作但 无法切除故障点，只能依靠主变后备保护动作。 ④外部闭锁开入信号多。原有保护功能闭锁逻辑 由外部继电器屏完成，保护装置接收闭锁信号开入直 接闭锁相关保护功能，需接人大量外部闭锁开入，广 州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机保护装置接入信号多达 ５２路 。 ⑤定子接地保护配置ｌ套１００％注入式定子接地 保护，１套９５％中性点零序电压定子接地保护，未实 现双套１００％定子接地保护方案，不满足国内运行 要求。 ⑥改造前西门子保护装置采用单ＣＰＵ系统结构， 装置硬件故障可能导致保护动作出口，不符合国家电 网公司１８项反事故措施要求。 ⑦断路器失灵保护采用单一电流判据，未采用相 电流元件和负序电流元件的综合判据，不符合国家电 网公司１８项反事故措施要求。 ⑧缺少误上电保护、断路器闪络保护等，保护配 置不完善。 因此，从保证发电电动机机组安全、稳定、可靠 运行的角度出发，同时为满足相关规程规范和电网公 司反措要求，有必要对广州蓄能水电厂Ｂ厂发电洞机 组继电保护系统进行改造。 ３发电电动机继电保护系统改造方案 根据现有规程规范及电力系统反措相关要求，广 州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机的微机型保护装置按双 重化配置，保护系统要保证２套发电电动机的微机型 保护装置（包括出口跳闸回路）应完整、独立安装在各 自的屏内，之间没有任何电气联系，当运行中的１套 保护因异常需退出或检修时，应不影响另１套保护的 正常运行。此外，每套保护装置均应配置完整的差动 及后备保护，原则上每套保护的交流电压和交流电流 应分别取自电压互感器和电流互感器互相独立的绕组， 其保护范围应交叉重迭，避免死区＿３ Ｊ。改造后发电电 动机组保护系统配置如图３所示。 广州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机保护装置采用南 瑞继保ＰＣＳ一９８５系列机组保护装置，电动机保护改 造后配置如表２所示，可见主、后备保护均已双重化， 差动保护范围也利用大、小差动实现交叉以消除死区， 定子接地保护利用不同原理实现双重１００％保护等， 完全满足现有规范和反措的要求。 ・７】． ２０１７年８月 第８期 陈勇，等：广州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机继电保护系统国产化改造 Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１７ 图３改造后发电电动机保护系统配置示意 ４关键技术问题 点，原有的外部闭锁逻辑由保护装置内部实现，外部 开入接入量大幅减少，简化二次回路，减小回路故障 率和维护工作量 ，广州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动 机保护闭锁逻辑图如表３所示，其中“Ｂ”表示某保护 在该工况条件下闭锁不投入。 ４．１运行工况判别 抽水蓄能机组需要根据运行工况的判别，进行保 护功能投退和相序转换，工况的正确判别是保护方案 实施的前提。在改造时考虑直接接入监控系统信号接 ・７２・ ２０１７年８月第８期 表２改造后发电电动机保护功能配置 广东水利水电 Ｎ０．８ Ａｕｇ．２０１７ 表３广州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机保护闭锁逻辑 保护名称 完全差动１保护 发电运行发电调相水泵运行水泵调相 拖动机运行 Ｂ 被拖动运行 断路器分闸状态 电制动工况Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ 黑启动 完全差动２保护 低频差动保护（小差） 横差保护低值段 横差保护低值段 横差保护高值段 复合电压过流保护 定子过负荷 负序过负荷 低频保护 高频保护 逆功率保护 低功率保护 失磁保护 失步保护 低频过流低值保护 低频过流高值保护 低频零序电压保护 ９５％定子接地保护 １００％定子接地保护电阻判据 １００％定子接地保护电流判据 过电压保护 低电压保护 过激磁保护 电压相序保护 转子接地保护 断路器失灵保护 轴电流保护 电流不平衡保护 误上电保护 ＳＦＣ直流接地保护 Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ ４．２完全双重化、主后一体化配置方案 机组保护和主变保护装置数量显著减少，完成了 电气量的完全双重化保护配置，满足国标和行标要求。 双套保护采用不同的电流互感器，主后备共用１组 ｃＴ。ｃＴ接入总数有一定程度下降，但相关保护如差 动保护２等仍然存在公用１组ｃＴ绕组的情况存在，只 能等待有条件进行主设备改造时再予以完善；双套保 护尽量采用不同的电压互感器或互相独立的绕组，对 ・７３・ ２０１７年８月 第８期 陈勇。等：广州蓄能水电厂Ｂ厂发电电动机继电保护系统国产化改造 Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１７ 于零序电压，一般没有２个绕组，则同时接入２套保 护装置。改造后，ＣＴ和Ｐ１’显著减少了串接和并接数 量，简化二次回路，提高回路可靠性。 ４．３完善定子接地保护功能配置 增设３次谐波比率定子接地保护，与９５％基波零 序电压定子接地保护构成１套完整的常规１００％定子 接地保护方案，中性点电压 帕和机端电压 随故障 点 的变化曲线如图４所示。利用３次谐波构成的接 地保护可以反应发电机定子绕组中ＯＬ＜０．５范围内的单 二次侧零序电压与电流之比计算所得，其保护示意如 图５所示。因作为被拖动机运行时发电机中性点接地 刀闸断开，电阻判据需要在相关工况时进行闭锁，如 表３所示。 ３次谐波比率定子接地保护与注人式定子接地保 护构成完整的双套１００％定子接地保护方案，满足国 内标准和运行要求。 ４．４消除差动保护死区 发电电动机差动保护和主变差动保护采用不同差 相接地故障，并且当故障点越靠近中性点时，保护的 灵敏度就越高；利用基波零序电压构成的接地保护， 则可以反应ＯＬ＞０．１５范围内的单相接地故障，且当故 障点越靠近机端时，保护的灵敏度就越高。因此，利 用３次谐波电压比值和基波零序电压的组合可以构成 １００％的定子绕组单相接地保护 Ｊ。 （中性点） （机端） Ｅ３ Ｅ３ 图４ 中性点电压 和机端电压 随故障点 的变化曲线 ＧＮＤ 接地 发电机 主变 断路器 母线 图５注入式定子接地保护示意 改造注入式定子接地保护，从中性点接地变压器 二次侧接人低频电源（一般为２０ Ｈｚ），判据由零序电 流判据和电阻判据构成。零序电流取接地变压器二次 侧穿心ＣＴ电流，电阻则由保护装置根据接地变压器 ・７４・ 动范围的双套差动保护（大差和小差），如图６所示， 消除原有差动保护范围死区。小差动保护范围为机组 本体及机端范围内，受工况影响相对较小，大差动保 护可扩展至换相刀范围，但受工况影响相对较大。实 际上，目前新建的抽水蓄能电站中，已经较少在换相 刀内设置ＣＴ绕组 ｊ，为了避免保护在多种工况下需 要闭锁的目的。 Ｐ 小 差 动 保 护 范 围 大差动保护范围 图６广州蓄能水电厂Ｂ厂保护改造后大小差动保护范围 ５结语 目前，我国抽水蓄能电站建设已经进入了高速发 展时期，按照目前抽水蓄能电站开工计划，预计２０２０ 年装机容量至少达到７ ０００万ｋＷ。因此，蓄能机组及 其二次控制保护设备的国产化刻不容缓［２］。抽水蓄能 电站保护的配置和设计，包括互感器的布置、闭锁特 性和原理等，与常规水电站保护有很多不同，是由抽 水蓄能电站机组的工况特点和接线方式所决定，抽水 蓄能电站保护必须研究和解决这些特殊问题。广州蓄 能水电厂Ｂ厂保护国产化改造是广东省内第１次由国 ２０１７年８月第８期 广东水利水电 Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１７ 外厂家产品改为国产化产品，提供了很多很好的思路， ［４］ 王永卫，程鹏．抽水蓄能电站机组与主变压器保护闭锁 值得去分析和思考，为抽水蓄能电站保护的国产化提 逻辑问题研究［Ｊ］．水电与抽水蓄能，２０１５，１（２）：２２ 供可靠的借鉴。 —２５． 参考文献： ［５］ 卢勇，贺儒飞．抽水蓄能机组保护及其控制的一些特殊 ［１］蔡鑫贵，史继莉．广州蓄能水电厂机组及主变压器机电 问题的分析［Ｊ］．水力发电，２０１４，４０（１１）：３９—４２． 保护的配置与运行［Ｊ］．继电器，２００６，３４（２４）：６５ ［６］ 张保会，尹项根．电力系统继电保护［Ｍ］．北京：中国 —６９． 电力出版社，２００９，２０７—２０８． ［２］贺儒飞．抽水蓄能机变保护国产化若干重要问题研 ［７］ 贺儒飞．大型抽水蓄能电站机组保护闭锁逻辑研究［Ｊ］． 究［Ｊ］．电网与清洁能源，２０１４，３０（９）：８８—９１． 水力发电，２０１４，４０（１１）：３５—３８． ［３］龚翔峰．抽水蓄能电站机组国产化改造［Ｊ］．江苏电机工 （本文责任编辑王瑞兰） 程，２０ｌ２，３１（２）：３３—３６． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｌａｙ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｆｏｒｍ ｏｆ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ－Ｍｏｔｏｒ ｏｆ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｔ Ｂ ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ，ＺＨＯＵ Ｈａｉｙａｎ （Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｎｉｎｇ＆Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６３５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ—ｍｏｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ（ＰＳＰＳ）ｐｌａｎｔ Ｂ ａｒｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒｕｌｅｓ ａｎｄ ａｎｔｉ－ａｃｃｉｄｅｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｉｒｄ，ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ—ｍｏｔｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｘｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ ｉｔ Ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ＰＳＰｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｍｐｅｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｒｅｆｏｒｍ；ｄｅｓｉｇｎ （上接第５６页） 参考文献： ［４］ 广州市智利达咨询有限公司．梅州水库锥形阀泄洪振动和 ［１］ 水利部珠江水利委员会水文局．增江梅州水库汛限水位 隧洞出口渗水现象对大坝安全的影响咨询评估报告［Ｒ］． 调整论证报告［Ｒ］．广州：水利部珠江水利委员会水文 广州：广州市智利达咨询有限公司，２００９． 局，２００７． ［５］ 李福钢，粟运华．新安江水库２００８年防洪调度效益分析 ［２］李宏伟．水文频率参数计算方法与应用研究［Ｄ］．咸阳： 和探讨［Ｊ］．华东电力，２００９，３７（２）：３３０—３３２． 西北农林科技大学，２００９． （本文责任编辑马克俊） ［３］李生文，叶阳，张治吴．梅州水库汛限水位调整可行性 分析［Ｊ］．水利科技与经济，２０１４，２０（６）：７４—７５． Ｂｅｎｅｆｉｔ ｏｆ Ｍｅｉｚｈｏｕ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒ Ｆｌｏｏｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＱＩＵ Ｌｉｘｉｎ （Ｍｅｉｚｈｏｕ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，Ｈｕｉｚｈｏｕ ５１６８００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｄｉｓｐａｔｃｈ ｏｆ Ｍｅｉｚｈｏｕ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ａｎｄ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ｒｅｓｅｒｖｉｏｒ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｎａｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｆｌｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ；ｌｉｍｉｔｅｄ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ；ｆｌｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ・７５・