抽水蓄能機組的運行狀態(tài)分析

抽水蓄能機組的運行狀態(tài)分析

0機組狀態(tài)對保護的影響及解決方案近年來，我國大力實施節(jié)水蓄能電網建設。世界著名的電力企業(yè)制造商及其控制裝置在中國建設工地建設和建設的雨水蓄能電氣站中均有成功的工程實例。同時，受引水蓄能裝置發(fā)動組保護的微機化開發(fā)和裝置現場控制單元（lcu）和各分區(qū)通信技術的發(fā)展相對穩(wěn)定。各階段裝置狀態(tài)對保護的影響和解決方案具有長遠發(fā)展。本文結合奧地利ELIN公司在華東天荒坪電站使用的數字式繼電保護系統(tǒng)(DRS)和Siemens公司在河北張河灣電站使用的SIPROTEC系統(tǒng)實際運行特點,重點介紹了兩家公司在機組狀態(tài)判斷、處理方面的解決方案和發(fā)展,為國內抽水蓄能機組在這方面的設計、調試、運行和技術改造提供借鑒。1實控機組工況下發(fā)變組保護國內抽水蓄能電站機組基本由停機穩(wěn)態(tài)(ST)、發(fā)電(G)、抽水(P)、發(fā)電調相(SCT)、抽水調相(SCP)等5個穩(wěn)定運行工況組成,在背靠背(B/B)拖動過程中,設置一個拖動機(LR或PL)暫態(tài)工況。抽水蓄能機組通過控制機組出口一次回路的換相而實現機組發(fā)電和抽水2個不同方向的旋轉,其中機組從停機到抽水必須首先利用拖動設備將機組拖到SCP工況,同步并網后通過排氣建壓而實現。無論機組采用靜止變頻器(SFC)拖動還是采用B/B拖動,機組必然要經過一段低頻低速的階段。機組工況的轉換簡圖見圖1。為了滿足抽水蓄能機組在各種工況之間轉換和穩(wěn)態(tài)運行中發(fā)變組和電網的安全穩(wěn)定運行,抽水蓄能發(fā)變組保護應有如下配置:1)發(fā)變組主保護配置:主變大小差動保護、主變零序過流保護、主變低壓側接地保護、機組大小差動保護、機組接地保護、定子橫差保護、轉子一點接地保護、機組失磁保護、機組失步保護等。2)發(fā)變組后備保護配置:主變過流保護、機組低壓過流保護、機組負序過流保護、機組過負荷保護、機組過電壓保護等。3)發(fā)變組輔助保護配置:主變過激磁保護、機組逆功率保護、機組軸電流保護、機組低頻保護、機組過激磁保護、機組開關失靈保護等。4)機組特殊保護配置:低頻過流保護、抽水低功率保護、機組相序檢查、濺水功率檢查等。抽水蓄能發(fā)變組保護典型配置如圖2所示。2機狀態(tài)對發(fā)變組保護的影響2.1換相刀閘合主變大差動保護抽水蓄能發(fā)電電動機為了實現發(fā)電和抽水2個方向運行,必須在定子出口一次回路中設置換相刀閘實現相序的更換,換相運行主要將對發(fā)變組大差動保護、功率型保護、阻抗型保護、相序檢查等保護直接產生影響。主變大差動保護的低壓側電流互感器一般設置在換相刀閘靠機組側,機組相序更換后對主變大差動保護產生的影響是抽水蓄能電站發(fā)變組保護設計中必須考慮的問題。在國內,十三陵電站設置一套主變大差動保護,利用換相刀閘合于不同位置的反饋接點對保護內部電流采集進行切換;天荒坪電站根據發(fā)電/抽水運行分別設置2套主變大差動保護,根據換相刀閘位置反饋信號來閉鎖相應的保護;張河灣電站主變大差動保護只有在發(fā)電、發(fā)電調相、抽水、抽水調相4個穩(wěn)定工況下投入,保護裝置根據監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的機組工況采取不同的算法,以消除換相帶來的影響。機組逆功率保護作為發(fā)電工況誤關導葉的保護,在機組作為抽水方向啟動或運行時需退出。天荒坪電站利用換相刀閘合于抽水方向位置反饋接點來閉鎖該保護;而張河灣電站設置該保護只有在發(fā)電工況投入,其他任何狀態(tài)均退出,其發(fā)電狀態(tài)由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出。抽水低功率保護作為機組抽水運行的斷電保護,只能在抽水工況下投入,其他任何工況或狀態(tài)均應可靠閉鎖。失步和失磁保護若采用阻抗型保護或測量發(fā)電電動機功角作為動作判據,則也應該考慮換相帶來的影響。機組負序電流保護若采用對稱分量法計算出負序電流值I2作為動作判據,則該保護與換相有直接關系,ELIN公司DRS就采用該計算方法直接求負序電流分量,因此天荒坪電站為此設置發(fā)電和抽水2套負序過流保護,依靠換相刀閘位置反饋信號來閉鎖相應的保護。張河灣電站的負序過流保護采用軟件換相來實現不同工況下負序電流的計算,負序過流保護分為定時限和反時限,反時限采用熱積累的方法來實現保護功能。2.2擺動電流為機組和主變大差動保護的整定值過機組SCP啟動過程中,拖動電流是發(fā)變組大差動保護的分支電流,為防止差動保護誤動,應采取措施消除該分支電流對保護的影響。在天荒坪電站中采取機組作為被拖動機(Launched)時,監(jiān)控發(fā)出被拖動機狀態(tài)信號閉鎖機組大差動保護,而作為拖動機(Launcher)的主變大差動保護依靠整定值躲過該分支電流。在張河灣電站,機組大差動保護機端側電流互感器設置在換相刀閘靠主變側,因此,無論機組作為拖動機還是被拖動機運行,其拖動電流均為機組大差動保護的分支電流,為防止保護誤動,機組和主變大差動保護均只在發(fā)電、發(fā)電調相、抽水、抽水調相4個穩(wěn)定工況下投入,因此可以不用考慮拖動電流對保護的影響。機組逆功率保護在機組SFC拖動或B/B啟動過程中均要退出。目前國內抽水蓄能機組均配置間接測量定子回路對地阻抗的定子100%接地保護,考慮到機組在SFC拖動和B/B拖動時啟動母線對地固有容抗對保護測量的影響,在100%接地保護的整定中均設置不同定值的保護段,其中高靈敏段在機組拖動啟動時應閉鎖。2.3低頻保護系統(tǒng)低頻啟動是抽水蓄能機組特有的一個運行狀態(tài),其中包括機組SFC拖動、B/B拖動運行。在機組拖動過程中為了保證低頻階段發(fā)生相間故障保護動作的靈敏性,以快速切斷拖動回路,目前國內抽水蓄能機組均配置低頻過流保護,作為機組低頻啟動期間的主保護,該保護整定值按正常最大拖動電流來整定,因此在拖動完成后需退出該保護。為了防止啟動的低頻階段由于定子三相電流的不平衡導致負序過流保護誤動,一般設置在低頻階段通過機組轉速測量值閉鎖負序過流保護投入。機組低頻保護在拖動過程中需退出。2.4機組電氣制動電氣制動是大型水電機組常用的一種停機制動方式,在機組停機過程中(一般在機組額定轉速的50%~5%)利用機端三相直接短接或經制動電阻短接后,加上勵磁電流,在電機氣隙中產生制動性質的電磁力矩,以縮短機組停機時間。機組電氣制動時有以下現象:①機端三相電壓基本為0(三相直接短接方式);②機端電流控制接近額定電流;③制動末期機組三相電流不平衡分量增加。因此,為了電氣制動正常執(zhí)行,在電氣制動過程中應考慮以下保護可靠閉鎖或退出、機組大差動保護、機組低壓過流保護、機組負序過流保護、機組橫差(匝間)保護等。2.5關于機組狀態(tài)的保護轉移與機組狀態(tài)有關的保護投退情況如表1所示。3elin和sient物流引導組的維護和解決方案3.1機組狀態(tài)判斷ELIN公司DRS發(fā)變組保護裝置在國內的十三陵抽水蓄能電站、天荒坪抽水蓄能電站、桐柏抽水蓄能電站中使用,其中天荒坪電站第1臺機組于1998年投產。DRS發(fā)變組保護為微機保護,模塊化配置,其中發(fā)電機保護根據主保護冗余配置原則,分為7個模塊(VE01~VE07),分別布置于2個獨立的盤柜內;主變保護同樣根據主保護冗余配置原則,分為4個模塊(VE01~VE04),分別布置于2個獨立盤柜。機組狀態(tài)的判斷根據機組轉速、轉向、機組開關和換相刀閘的位置、機組電氣制動刀閘的位置來確定,同時通過機組順控程序中邏輯判斷確定機組拖動/被拖動機/SFC拖動/線路充電等狀態(tài),所有的狀態(tài)判斷均通過硬布線經過中間繼電器擴展后開入DRS,該DRS提供硬矩陣和軟矩陣對信號進行邏輯處理,用于發(fā)變組保護的自動投退操作,具體如圖3所示。DRS在機組狀態(tài)判斷的特點是直接使用了機組電氣和機械方面重要設備的狀態(tài)信號,以此作為機組某個工況狀態(tài)的判斷,在一定程度上獨立于監(jiān)控系統(tǒng),但是在信號傳輸過程中必須考慮到各種傳感器和中間繼電器的工作穩(wěn)定性帶來的影響,根據天荒坪電站10年的運行情況統(tǒng)計,曾發(fā)生過上述原因導致發(fā)變組保護誤動作的事件,如表2所示。根據表2中數據分析,天荒坪電站主變大差動保護在歷年運行中共發(fā)生4次誤動,由于采用硬接線閉鎖方式,其中有2次原因不能確認,保護裝置和監(jiān)控系統(tǒng)不能實時監(jiān)視閉鎖情況,對發(fā)生保護誤動后的分析判斷帶來一定的影響。3.2保護裝置保護動作的確定張河灣電站發(fā)變組保護采用Siemens公司SIPROTEC-4數字式保護裝置,該保護也用于山東泰安電站,其包括對發(fā)電電動機、主變壓器、勵磁變壓器、廠用變壓器以及SFC啟動回路等設備的保護。主保護和部分后備保護均為雙重化配置,保護采用模塊化配置,重要的主保護(如差動保護)配置于單獨模塊。機組狀態(tài)信號完全由機組順序控制流程組合輸出,包括機組穩(wěn)定工況、啟動轉換過程以及電氣制動等13個機組狀態(tài)信號,信號通過硬布線由機組LCU傳輸到機組保護A盤,經過處理后傳送至各保護模塊。由于用于電站的SIPROTEC保護裝置模塊提供的開入口有限,不能滿足13個機組狀態(tài)信號的輸入要求,因此SIPROTEC保護裝置通過繼電器組(K605~K608)首先將13個信號轉化為4位BCD碼,然后通過硬布線分別傳至發(fā)變組保護各個模塊,各個模塊根據機組狀態(tài)/BCD碼對應表將BCD碼還原為機組狀態(tài)信號用于相應保護的自動投退操作。具體如圖4所示。在調試初期,監(jiān)控系統(tǒng)對于工況判斷的流程不完善,誤發(fā)或不發(fā)機組狀態(tài)的信號而導致發(fā)變組保護閉鎖失效動作出口;同時,由于保護裝置識別工況信號采用硬件設計,在進行工況轉換時,保護對于工況的判別存在著毫秒級的誤判斷而導致保護閉鎖失效動作出口。表3為張河灣電站調試期間由于機組狀態(tài)判斷異常導致保護動作的統(tǒng)計表。以上4次保護誤動中,第3次誤動是由于保護識別工況硬件設計上的缺陷,其解決方法如表4所示。其他3次是由于監(jiān)控系統(tǒng)自身原因而造成,經過調試期間對流程進行修改完善后,問題已基本得到解決。從表4可以看出,通過4個開關量狀態(tài)的排列組合,就可將13種工況信號送至保護裝置內,由于表征開關量狀態(tài)的4個繼電器的勵磁或失磁瞬間,即開關量的狀態(tài)由“1”變?yōu)椤?”或由“0”變?yōu)椤?”時,存在著毫秒級的延時,因此在監(jiān)控系統(tǒng)取消原先的工況而發(fā)送新的工況的瞬間,2種工況會產生毫秒級的疊加,而這種疊加正是5月9日主變大差動保護動作的主要原因。在調試中,調試方綜合考慮了各種工況轉換時工況的疊加情況,并逐個進行了分析,最后將工況信號重新進行了布置(見表4第4列),該措施解決了Siemens公司SIPROTEC-4保護在機組狀態(tài)判斷上存在的缺陷。3.3機組狀態(tài)信號轉換存在的問題ELIN公司DRS和Siemens公司SIPROTEC-4保護均為數字化微機型保護,機組狀態(tài)對發(fā)變組保護的影響具有一定的共性,但天荒坪電站和張河灣電站的保護系統(tǒng)采集和判斷機組狀態(tài)的方法具有較大的區(qū)別。其中ELINDRS在機組狀態(tài)上的判斷主要采用機組相關設備的位置等信號,最后由保護裝置自身進行判斷后決定保護的自動投退操作,觀察ELIN機組啟停的順序控制程序得知,在最初的設計中,ELIN公司也考慮過以機組順序控制程序判斷機組狀態(tài)并直接向保護系統(tǒng)發(fā)送相關狀態(tài),但是在實際調試中受當時監(jiān)控系統(tǒng)與保護裝置之間通信技術的限制,最終僅保留了機組作為拖動機/被拖動機以及機組是否在SFC拖動狀態(tài)由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出,其他機組的狀態(tài)均由保護裝置自身判斷,其優(yōu)點是保證了發(fā)變組保護相對于監(jiān)控系統(tǒng)的獨立性,一定程度上提高了發(fā)變組保護運行的可靠性,但從歷年來發(fā)變組保護誤動的情況分析,單一設備的機械式位置開關動作不到位(特別是換相刀閘),以及其中間傳輸回路的拒動或誤動是造成保護誤動的重要原因,同時,該因素導致的保護誤動對事后的事故分析帶來很多不確定因素。用于張河灣電站的Siemens公司SIPROTEC-4保護其自動投退均由Alstom公司的機組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的機組狀態(tài)指令來控制,監(jiān)控系統(tǒng)通過硬布線向保護裝置發(fā)送13個基本涵蓋了機組主要工況以及啟停過程等重要的狀態(tài)信號,這樣設計的優(yōu)點是使機組保護投退完全根據機組狀態(tài)決定,保證機組在各種狀態(tài)下保護投退和科學管理,同時完全摒棄了不利于保護異常動作后事故調查分析的硬接線中間回路,使保護裝置和監(jiān)控系統(tǒng)信息交流緊密結合,符合現代控制發(fā)展的要求。但是由于Siemens公司SIPROTEC-4保護裝置中的很多模塊并不能提供這么多的開入量接口,導致該保護裝置不得不采用13點轉4位BCD碼的中間轉換繼電器組和在各模塊中增加BCD碼還原判斷邏輯,在實際的調試和運行中,也多次發(fā)生保護誤動的事件,根據事件的分析結果,問題集中在Alstom公司的機組監(jiān)控系統(tǒng)向保護裝置發(fā)送信號準確性、及時性和SIPROTEC-4保護對機組狀態(tài)信號處理中存在2種以上信號的疊加或時延的影響,經過現場調試人員的努力,目前上述2個問題已經基本得到解決和完善,但是筆者認為由4個繼電器組成的BCD碼轉換裝置在該控制系統(tǒng)中非常重要,其運行可靠性將直接影響到將來機組發(fā)變組保護的穩(wěn)定運行。根據對目前國內在建和已投產的抽水蓄能電站在機組監(jiān)控系統(tǒng)和保護裝置對機組狀態(tài)判斷處理方面的實際運用特點,認為監(jiān)控系統(tǒng)與保護裝置之間的通信是目前實現上述控制系統(tǒng)組成的瓶頸,隨著數字化通信技術的發(fā)展,現場總線技術在大型電站監(jiān)控系統(tǒng)運用中實際經驗的積累,監(jiān)控系統(tǒng)向保護裝置傳輸機組狀態(tài)信號完全可以考慮采用類似于MODULEBUS等類型的