抽水蓄能電站專用功率控制的斷路器失靈保護整定方法與流程
1.本發明屬于抽水蓄能電站斷路器失靈保護領域，具體涉及一種抽水蓄能電站專用功率控制的斷路器失靈保護整定技術。
背景技術：
2.斷路器失靈保護是指故障電氣設備的繼電保護動作發出跳閘命令而斷路器拒動時，利用故障設備的保護動作信息與拒動斷路器的電流信息構成對斷路器失靈的判別，能夠以較短的時限切除其他有關的斷路器，使停電范圍限制在最小，從而保證整個電網的穩定運行，避免造成發電機、變壓器等故障元件的嚴重燒損和電網的崩潰瓦解事故。
3.抽水蓄能電站具有發電、發電調相、抽水、抽水調相、停機穩態等多種工況。同時抽水蓄能機組啟停頻繁，工況轉換復雜，發電機出口斷路器分合頻繁，斷路器拒動概率較大。但電力系統內通用的失靈保護配置及整定計算方法無法滿足現抽水蓄能電站需要，嚴重影響一次設備及電力系統安全穩定運行。
4.變電站、火電廠及新能源電站運行方式較為簡單，開關合閘時，相關一次設備接入電力系統。開關分閘時，相關一次設備與電力系統解列。抽水蓄能機組設置工況較多，工況轉換復雜，大部分抽水蓄能電站具備背靠背啟動功能，當機組作為拖動機組時，拖動機組換相刀閘分閘(拖動機組與電網無直接聯系)，但出口開關(gcb)合閘，且拖動過程中出口開關一直通過較大電流，此時若失靈保護誤啟動，失靈保護將直接出口跳閘，失靈保護存在誤動可能。
5.因此有必要根據抽水蓄能電站運行特點，設計一種抽水蓄能電站專用的斷路器失靈保護，從而充分發揮失靈保護功能，確保電網安全。
技術實現要素：
6.針對目前國內通用的失靈保護主要針對短路故障情況下斷路器失靈情況，相電流整定值偏大，非短路故障及正常分開關等情況下斷路器失靈，失靈保護無法動作出口，不能滿足抽水蓄能電站運行需求的問題，本發明提供一種抽水蓄能電站專用功率控制的斷路器失靈保護整定方法，大大降低正常運行時失靈保護誤動概率。
7.本發明解決其技術問題所采用的方案是：一種抽水蓄能電站專用功率控制的斷路器失靈保護整定方法，失靈保護動作時，需切除其他有關的斷路器，影響范圍較大，因此需采取措施，既要防止失靈保護誤動，又要確保斷路器失靈時正確動作。
8.機組在并網穩態工況、抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相和發電調相轉發電工況下，斷路器一直處于合閘狀態，此時調節失靈保護相電流定值大于穩態運行時的電流。
9.機組并網工況轉停機時，斷路器執行分閘操作，當斷路器拒動時，發電機相電流存在兩種狀態，一種為短路故障時，相電流大于失靈保護相電流定值(設置有高定值和低定值，功率大時調節到高定值，功率在某個范圍內調節到低定值)；另一種為非短路故障下停
機，相電流小于失靈保護相電流定值，此時下調失靈保護相電流定值，確保該狀態下發電機相電流大于失靈保護相電流定值。
10.發電機出口斷路器失靈保護相電流定值根據有功功率不同設定相應的定值，將失靈保護相電流定值整定如下：
11.1)|p|≥60mw或|p|≤30mw時，相電流元件1應可靠躲過發電機額定電流，即：
[0012][0013]
2)30mw＜|p|＜60mw時，為保證非短路故障下斷路器失靈時可靠動作，相電流元件2應按發電機并網且轉輪已回水的狀態下發電機相電流整定，即：
[0014][0015]krel
：可靠系數，取0.8～0.9。
[0016]
p1：發電機并網且轉輪已回水的狀態下發電機有功功率絕對值。
[0017]
un：發電機額定電壓。
[0018]
na；電流互感器變比。
[0019]
依據以上兩條整定原則，可確保穩態工況下失靈保護相電流定值大于運行電流，有效防止失靈保護誤動。
[0020]
其中，機組并網工況下有功功率大小如下：
[0021]
1)發電工況和抽水工況下，發電機有功功率絕對值為150mw～300mw。
[0022]
2)發電調相工況和抽水調相工況下，發電機有功功率絕對值為4mw～7mw。
[0023]
2)抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相和發電調相轉發電工況下，發電機有功功率絕對值為4mw～300mw。
[0024]
3)斷路器失靈(短路狀態下)時，發電機有功功率絕對值大于300mw。
[0025]
4)斷路器失靈(非短路狀態下)時，發電機有功功率絕對值40mw～50mw。
[0026]
進一步地，在進行失靈保護整定前，還包括如下步驟：
[0027]
步驟1：抽水蓄能機組穩態工況分析；
[0028]
步驟2：抽水蓄能機組暫態工況分析；
[0029]
步驟3：抽水蓄能機組出口斷路器失靈狀態分析。
[0030]
進一步地，還包括失靈保護閉鎖元件，針對機組作為拖動機時，發電機出口開關在“合”位，但發電機與電網無直接聯系時，在在現有斷路器位置閉鎖的基礎上，增加prd(換相刀閘))位置閉鎖，當prd在“合”位時，閉鎖失靈保護出口跳閘。
[0031]
進一步地，抽水蓄能機組穩態工況分析時，并網狀態下長期穩態運行的工況包括發電、發電調相、抽水和抽水調相。
[0032]
進一步地，抽水蓄能機組常用暫態工況可分為兩種，第一種為解列狀態下工況轉換，第二種為并網狀態下工況轉換；解列狀態下工況轉換包括停機穩態至發電、停機穩態至發電調相、停機穩態至抽水調相。并網狀態下工況轉換包括抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相、發電調相轉發電、并網工況下轉停機。
[0033]
進一步地，解列狀態下發電機斷路器或換相刀閘在分閘位置，發電機與電力系統無直接聯系，應閉鎖失靈保護，無需考慮此時失靈保護相電流定值。
[0034]
進一步地，機組并網工況轉停機時，短路故障狀態下發電機相電流大于失靈保護相電流元件定值，失靈保護可正確動作跳閘，快速切除故障；非短路故障狀態下發電機出口開關三相拒動時的發電機吸收有功功率在40mw-50mw范圍內,發電機相電流小于失靈保護相電流元件定值，失靈保護無法動作出口跳閘。
[0035]
本發明的有益效果：
[0036]
1、根據抽水蓄能電站的運行工況多，工況轉換復雜，發電機出口斷路器分閘次數多的特點，設置失靈保護相電流高定值、低定值，可滿足抽水蓄能機組各種工況運行，大大降低失靈保護拒動概率。
[0037]
2、通過分析不同工況下有功功率及斷路器失靈時有功功率的特點，將失靈保護相電流定值與有功功率絕對值關聯起來，發明出一種功率控制的失靈保護邏輯，確保機組安全穩定運行。
[0038]
3、根據抽水蓄能機組背靠背啟動工況的運行特點，增加換相刀閘(prd)“分”位閉鎖失靈保護的邏輯，可大大降低拖動過程中失靈保護誤動概率。
[0039]
4、失靈保護相電流高定值、低定值及功率定值可人為整定，使用靈活方便，除應用于抽水蓄能電站外，還可應用于光伏發電廠、風電廠等負荷變化較大的電廠，使用前景巨大。
附圖說明
[0040]
圖1是2022年1季度8家抽蓄電站臺均分閘次數統計表。
[0041]
圖2是發電機出口開關通用失靈保護跳閘邏輯圖。
[0042]
圖3是抽水蓄能電站專用功率控制失靈保護跳閘邏輯圖。
具體實施方式
[0043]
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0044]
實施例1：一種抽水蓄能電站專用功率控制的斷路器失靈保護整定方法，該方法是針對目前國內通用的失靈保護主要針對短路故障情況下斷路器失靈情況，相電流整定值偏大(一般為1.161.44額定電流)，非短路故障及正常分開關等情況下斷路器失靈，失靈保護無法動作出口，不能滿足抽水蓄能電站運行需求的問題而改進。
[0045]
1.關于通用斷路器失靈保護配置及整定方法介紹如下。
[0046]
通用失靈保護由啟動回路、延時及跳閘出口回路組成，其中啟動回路包括啟動元件、閉鎖元件、電流判別元件構成，通用配置如圖2所示。
[0047]
啟動元件通常利用保護跳閘出口回路本身，可直接用瞬時返回的出口跳閘繼電器觸點，也可與出口跳閘繼電器并聯的、瞬時返回的輔助中間繼電器觸點，觸點動作不復歸表示斷路器失靈。
[0048]
判別元件以不同的方式鑒別故障確未消除。現有運行設備采用相電流、負序電流的“有流”判別方式。保護動作后，回路中仍有電流，說明故障確未消除。時間元件是斷路器失靈保護的中間環節，為了防止單一時間元件故障造成失靈保護誤動，時間元件應與啟動回路構成“與”邏輯后，再啟動出口繼電器。失靈保護的閉鎖一般由出口開關分閘位置節點實現。
[0049]
依據《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則dlt 684-2012》4.8.8：相電流元件應可靠躲過發電機額定電流。
[0050][0051]
式中：
[0052]krel
：可靠系數，取1.11.3。
[0053]
kr：返回系數，取0.90.95。
[0054]ign
：發電機額定電流。
[0055]
na；電流互感器變比。
[0056]
依據該整定原則，相電流元件定值范圍為1.161.44額定電流。
[0057]
2.抽水蓄能電站斷路器失靈情況分析如下。
[0058]
抽水蓄能機組具有發電(ge)、抽水(pu)、發電調相(gc)、抽水調相(pc)、停機穩態(ss)、旋轉備用(sr)、線路充電(ch)、黑啟動(bs)八種穩定工況，另外還有ts、la、nl三種中間工況。機組發電(發電、發電調相、拖動機及線路充電工況)運行時，機組旋轉方向為逆時針(俯視)，機組抽水(抽水、抽水調相工況)運行時，旋轉方向為順時針(俯視)。抽水工況啟動方式有：靜止變頻器(sfc)啟動、背靠背啟動。
[0059]
常用工況轉換有以下多種：
[0060]
——靜止轉發電工況、發電工況轉靜止；
[0061]
——靜止轉抽水工況、抽水工況轉靜止；
[0062]
——靜止轉發電方向調相工況、發電方向調相工況轉靜止；
[0063]
——靜止轉抽水方向調相工況、抽水方向調相工況轉靜止；
[0064]
——靜止轉旋轉備用工況，旋轉備用工況轉靜止；
[0065]
——靜止轉線路充電工況；
[0066]
——靜止轉黑啟動工況；
[0067]
——發電工況轉發電方向調相工況、發電方向調相工況轉發電工況；
[0068]
——抽水工況轉抽水方向調相工況、抽水方向調相工況轉抽水工況；
[0069]
——抽水工況轉發電工況。
[0070]
統計國內8家已投產抽蓄電站，2022年1季度臺均斷路器分閘次數為232.5次，具體數據詳見圖1，開關每次分閘均存在拒動可能。
[0071]
本次統計的8家抽蓄電站，共安裝32臺發電電動機，其中額定容量300mw機組的20臺，額定容量250mw機組的8臺，額定容量200mw機組的4臺。以額定容量300mw的機組為例，非短路故障狀態下發電機出口開關三相拒動時的發電機吸收有功功率在40mw～50mw范圍內，此時相電流約為0.13％～0.17額定電流。
[0072]
關于上述通用斷路器失靈保護配置及整定方法在應用時存在問題：
[0073]
1、發電機正常停機或非短路故障保護跳閘時，若發電機出口斷路器拒動，發電機相電流(0.130.17額定電流)未達到失靈保護相電流元件定值(1.161.44額定電流)，失靈保護無法出口跳閘，嚴重影響發電機及電力系統安全穩定運行。
[0074]
2、背靠背工況為抽水蓄能電站特有工況，背靠背啟動時，1臺機組(托動機)拖動另外一臺機組(被托動機)抽水工況啟機，直至被拖動機組抽水調相工況并網。在背靠背啟動
過程中，拖動機組出口開關一直在合閘狀態，同時開關本體流過啟動電流，失靈保護判據gcb合位條件一直滿足，存在誤動可能。
[0075]
3.采用抽水蓄能電站專用功率控制的失靈保護整定方法如下。
[0076]
3.1抽水蓄能機組穩態工況分析
[0077]
抽水蓄能機組運行工況復雜，并網狀態下可長期穩態運行的工況包括發電、發電調相、抽水、抽水調相，各穩態工況下有功功率可在一定范圍內變化，以寶泉電站300mw機組為例，各穩態工況下有功功率范圍如下：
[0078]
表1穩態工況下有功功率(單位：mw)
[0079]
運行工況發電工況抽水工況抽水調相工況發電調相工況有功功率150300-300-(47)-(47)
[0080]
3.2抽水蓄能機組暫態工況分析
[0081]
抽水蓄能機組常用暫態工況可分為兩種，第一種為解列狀態下工況轉換，第二種為并網狀態下工況轉換。解列狀態下工況轉換包括停機穩態至發電、停機穩態至發電調相、停機穩態至抽水調相。并網狀態下工況轉換包括抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相、發電調相轉發電、并網工況下轉停機。
[0082]
解列狀態下發電機斷路器或換相刀閘在分閘位置，發電機與電力系統無直接聯系，應閉鎖失靈保護，無需考慮此時失靈保護相電流定值。
[0083]
并網狀態下暫態工況有功功率范圍如下：
[0084]
表2并網狀態下暫態工況有功功率(單位：mw)
[0085][0086][0087]
3.3抽水蓄能機組出口斷路器失靈狀態分析
[0088]
機組并網工況轉停機時，短路故障狀態下發電機相電流大于失靈保護相電流元件定值，失靈保護可正確動作跳閘，快速切除故障。非短路故障狀態下發電機出口開關三相拒動時的發電機吸收有功功率在40mw-50mw范圍內,發電機相電流小于失靈保護相電流元件定值，失靈保護無法動作出口跳閘。
[0089]
3.4失靈保護整定方法
[0090]
失靈保護動作時，需切除其他有關的斷路器，影響范圍較大，因此需采取措施，既要防止失靈保護誤動，又要確保斷路器失靈時正確動作。
[0091]
機組在并網穩態工況、抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相、發電調相轉發電等工況下，斷路器一直處于合閘狀態，為防止失靈保護誤動作，此時失靈保護相電流定值應大于穩態運行時的電流。
[0092]
機組并網工況轉停機時，斷路器執行分閘操作，存在斷路器拒動可能。斷路器拒動時，發電機相電流存在兩種狀態，一種為短路故障時，相電流較大，一般情況下大于失靈保護相電流定值(設置有高定值和低定值，功率大時調節到高定值，功率在某個范圍內調節到低定值)。另一種為非短路故障下停機，此時相電流較小，小于失靈保護相電流定值，為保證非短路故障停機過程中斷路器失靈時，失靈保護正確動作，應下調失靈保護相電流定值，確保該狀態下發電機相電流大于失靈保護相電流定值。
[0093]
綜合以上分析，發電機出口斷路器失靈保護相電流定值應根據工況，設置不同定值，計劃根據有功功率不同設定不同定值，機組并網工況下有功功率大小如下：
[0094]
1)發電工況、抽水工況下，發電機有功功率絕對值為150mw～300mw。
[0095]
2)發電調相工況、抽水調相工況下，發電機有功功率絕對值為4mw～7mw。
[0096]
2)抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相、發電調相轉發電等工況下，發電機有功功率絕對值為4mw～300mw。
[0097]
3)斷路器失靈(短路狀態下)時，發電機有功功率絕對值大于300mw。
[0098]
4)斷路器失靈(非短路狀態下)時，發電機有功功率絕對值40mw～50mw。
[0099]
根據以上分析，可將失靈保護相電流定值整定如下：
[0100]
1)|p|≥60mw或|p|≤30mw時，相電流元件1應可靠躲過發電機額定電流，即：
[0101][0102]
2)30mw＜|p|＜60mw時，為保證非短路故障下斷路器失靈時可靠動作，相電流元件2應按發電機并網且轉輪已回水的狀態下發電機相電流整定，即：
[0103][0104]krel
：可靠系數，取0.8～0.9。
[0105]
p1：發電機并網且轉輪已回水的狀態下發電機有功功率絕對值。
[0106]
un：發電機額定電壓。
[0107]
na；電流互感器變比。
[0108]
依據以上兩條整定原則，可確保穩態工況下失靈保護相電流定值大于運行電流，有效防止失靈保護誤動。
[0109]
3.5失靈保護閉鎖元件
[0110]
針對機組作為拖動機時，發電機出口開關在“合”位，但發電機與電網無直接聯系問題，可在在現有斷路器位置閉鎖的基礎上，增加prd(換相刀閘))位置閉鎖，當prd在“合”位時，閉鎖失靈保護出口跳閘。改進后的抽水蓄能電站專用功率控制的失靈保護動作邏輯如圖3所示。
[0111]
采用本實施例改進后，抽水蓄能電站專用功率控制失靈保護充分分析抽水蓄能機組穩態運行、暫態運行時的電氣量變化，在機組正常運行時，依據導則將相電流定值整定為1.161.44額定電流，可大大降低正常運行時失靈保護誤動概率。機組非短路故障及正常停機時，通過檢測有功功率絕對值，降低失靈保護相電流定值(一般整定為0.130.17額定電)，從而確保失靈保護可靠動作。
[0112]
應當理解的是，本發明的上述具體實施方式僅僅用于示例性說明或解釋本發明的
原理，而不構成對本發明的限制。因此，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
技術特征：
1.一種抽水蓄能電站專用功率控制的斷路器失靈保護整定方法，其特征在于，機組在并網穩態工況、抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相和發電調相轉發電工況下，斷路器一直處于合閘狀態，此時調節失靈保護相電流定值大于穩態運行時的電流；機組并網工況轉停機時，斷路器執行分閘操作，當斷路器拒動時，發電機相電流存在兩種狀態，一種為短路故障時，相電流大于失靈保護相電流定值；另一種為非短路故障下停機，相電流小于失靈保護相電流定值，此時下調失靈保護相電流定值，確保該狀態下發電機相電流大于失靈保護相電流定值；發電機出口斷路器失靈保護相電流定值根據有功功率不同設定相應的定值，將失靈保護相電流定值整定如下：1)|p|≥60mw或|p|≤30mw時，相電流元件1應可靠躲過發電機額定電流，即：2)30mw＜|p|＜60mw時，為保證非短路故障下斷路器失靈時可靠動作，相電流元件2應按發電機并網且轉輪已回水的狀態下發電機相電流整定，即：k
rel
：可靠系數，取0.8～0.9；p1：發電機并網且轉輪已回水的狀態下發電機有功功率絕對值；u
n
：發電機額定電壓；n
a
；電流互感器變比；依據以上兩條整定原則，確保穩態工況下失靈保護相電流定值大于運行電流，防止失靈保護誤動。2.根據權利要求1所述的的斷路器失靈保護整定方法，其特征在于，機組并網工況下有功功率大小如下：1)發電工況和抽水工況下，發電機有功功率絕對值為150mw～300mw；2)發電調相工況和抽水調相工況下，發電機有功功率絕對值為4mw～7mw；2)抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相和發電調相轉發電工況下，發電機有功功率絕對值為4mw～300mw；3)短路狀態下斷路器失靈時，發電機有功功率絕對值大于300mw；4)非短路狀態下斷路器失靈時，發電機有功功率絕對值40mw～50mw。3.根據權利要求1所述的的斷路器失靈保護整定方法，其特征在于，在進行失靈保護整定前，還包括如下步驟：步驟1：抽水蓄能機組穩態工況分析；步驟2：抽水蓄能機組暫態工況分析；步驟3：抽水蓄能機組出口斷路器失靈狀態分析。4.根據權利要求1所述的的斷路器失靈保護整定方法，其特征在于，還包括失靈保護閉鎖元件，針對機組作為拖動機時，發電機出口開關在“合”位，但發電機與電網無直接聯系時，在在現有斷路器位置閉鎖的基礎上，增加prd位置閉鎖，當prd在“合”位時，閉鎖失靈保護出口跳閘。
5.根據權利要求3所述的的斷路器失靈保護整定方法，其特征在于，抽水蓄能機組穩態工況分析時，并網狀態下長期穩態運行的工況包括發電、發電調相、抽水和抽水調相。6.根據權利要求3所述的的斷路器失靈保護整定方法，其特征在于，抽水蓄能機組常用暫態工況可分為兩種，第一種為解列狀態下工況轉換，第二種為并網狀態下工況轉換；解列狀態下工況轉換包括停機穩態至發電、停機穩態至發電調相、停機穩態至抽水調相；并網狀態下工況轉換包括抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相、發電調相轉發電和并網工況下轉停機。7.根據權利要求6所述的的斷路器失靈保護整定方法，其特征在于，解列狀態下發電機斷路器或換相刀閘在分閘位置，發電機與電力系統無直接聯系，應閉鎖失靈保護，無需考慮此時失靈保護相電流定值。8.根據權利要求1所述的的斷路器失靈保護整定方法，其特征在于，還包括如下步驟：機組并網工況轉停機時，短路故障狀態下發電機相電流大于失靈保護相電流元件定值，失靈保護可正確動作跳閘，快速切除故障；非短路故障狀態下發電機出口開關三相拒動時的發電機吸收有功功率在40mw～50mw范圍內,發電機相電流小于失靈保護相電流元件定值，失靈保護無法動作出口跳閘。
技術總結
本發明公開了一種抽水蓄能電站專用功率控制的斷路器失靈保護整定方法，機組在并網穩態工況、抽水調相轉抽水、抽水轉抽水調相、發電轉發電調相和發電調相轉發電工況下，調節失靈保護相電流定值大于穩態運行時的電流；機組非短路故障下停機時，下調失靈保護相電流定值，確保該狀態下發電機相電流大于失靈保護相電流定值，發電機出口斷路器失靈保護相電流定值根據有功功率不同設定相應的定值，確保失靈保護相電流定值大于運行電流，防止失靈保護誤動。本發明根據抽水蓄能電站的運行工況多，工況轉換復雜，發電機出口斷路器分閘次數多的特點，設置失靈保護相電流高定值、低定值，可滿足抽水蓄能機組各種工況運行，大大降低失靈保護拒動概率。拒動概率。拒動概率。
