基于IEC61850的丰满水电站重建工程发变组保护设计

薛 晔，金 波，张显伟

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

0 引言

丰满水电站始建于1937年，位于吉林省吉林市境内的松花江上，是我国建设最早的大型水电站。丰满水电站原枢纽工程是一座以发电为主，兼有承担下游防洪、工农业及城市供水、旅游等多方面效益的大型水电站。丰满水电站全面治理（重建）工程是按恢复电站原任务和功能，拆除部分旧坝，并在原大坝下游120 m处新建一座大坝。丰满水电站供电范围为东北电网，在系统中担负调峰、调频和事故备用等任务。

丰满水电站全面治理（重建）工程于2013年5月开工建设，安装6台单机容量为200 MW的水轮发电机组，发电机机端设置断路器，与变压器组成单元接线，每2个单元在变压器的500 kV侧进行联合，组成联合单元接线，全厂共3组联合单元。3台高压厂用变压器分别接在其中1，3，5号机组的变压器低压侧母线上。500 kV侧采用双母线接线，经二回架空线接至500 kV吉林南变电所。2020年7月，6台机组已经全部投入商业运行。

丰满水电站全面治理（重建）工程按智能化水电站进行设计，电站的发电机-变压器组保护设计采用基于IEC61850的智能化发变组保护装置来实现。

1 发变组继电保护设计方案

IEC61850目前是变电站自动化系统的国际标准，其发布提供了一系列自动化系统的标准，包括功能建模、数据建模及通信协议等。采用基于IEC61850标准建设智能化水电厂的网络和监控系统，可以实现水电厂自动化控制设备、智能保护设备间的数据共享和互操作，是智能化水电厂实现的有效途径。

丰满水电站按照智能化水电站的模式进行建设，智能化水电站是国家电网公司智能电网建设重要的基础组成部分。智能化水电站既包括智能化一次设备，又包括基于IEC61850标准的网络化、信息化的二次设备，一次设备与二次设备之间可实现智能设备间数据共享和互操作。为实现丰满水电站的智能化建设目标，发变组保护设计采用基于IEC61850、常规模拟量输入、GOOSE跳闸输出的设计方案。

发变组继电保护装置与厂站层信息交互采用IEC61850标准，保护用的电压、电流量通过常规互感器采集；保护跳合闸命令，采用点对点方式经智能终端直接跳断路器，同时通过过程层GOOSE网传输启动失灵保护及闭锁信息。过程层设备及保护装置均采用双重化配置，与冗余的过程层网络进行连接和数据传输，以保证冗余设备的独立性。

2 发变组保护配置

2.1 保护配置原则

丰满水电站全面治理（重建）工程发变组保护设计按照《继电保护和安全自动装置技术规程》《国家电网公司发电厂重大反事故措施（试行）》《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（试行）《智能变电站继电保护技术规范》等相关技术规范进行配置。发电机、变压器保护均双重化配置，双套保护分别采用不同厂家的产品，A套保护采用许继电气的WFB-800系列发变组保护装置，B套保护采用南瑞继保PCS-985系列发变组保护装置，每台变压器配置许继电气的DTU-803单套非电量保护装置。每套保护均单独设屏，且有独立的直流辅助电源、跳闸电路、自检功能、LCD显示器，当第一套保护退出运行时，不会影响到第二套保护的正常运行。

2.2 发电机保护（含励磁变保护）

发电机保护（含励磁变）的双套保护装置分别安装两面保护屏。每块保护屏均配置一套独立完整的发电机主保护及后备保护，能反应被保护设备的各种故障及异常状态，并能动作于跳闸或发信号。

发电机保护配置包括纵联差动保护（完全纵差及不完全纵差）、横差保护、低电压记忆过流保护、定子100%接地保护（A套保护配置20 Hz注入式）、基波零序定子接地保护（B套保护配置）、频率异常保护、定子绕组过电压保护、发电机负序电流保护、定子绕组过负荷保护、转子一点接地保护（A套配置）、失磁保护、轴电流保护、发电机励磁绕组过负荷、启停机保护、转子过负荷保护、发电机过激磁保护、发电机失步保护、发电机误上电保护、逆功率保护、断路器失灵等保护。

励磁变压器单独配置了一个励磁变测控装置，用作励磁变压器的本体保护。此外，还配置有励磁变过负荷、励磁变压器速断保护、励磁变压器过电流等保护。

2.3 变压器保护（包含高压厂用变压器）

变压器电气量（1，3，5号含高厂变）保护按双套保护系统分别组屏原则，分别安装两面保护屏。每块屏配置一套完整的变压器主保护及后备保护，能反应被保护设备的各种故障及异常状态，并能动作于跳闸或发信号。变压器非电量保护单独设置一面非电量保护屏，屏内配置一套主变及高压厂用变的非电量保护装置，动作于跳闸或发信号，主变压器的非电量保护采用常规的硬接点跳闸模式。非电量保护装置的电源、输入、出口等回路与电量保护屏完全独立。

主变压器保护配置包括主变纵差保护、过激励保护、复合电压起动方向过流保护、主变压器低压侧单相接地保护、零序电流保护、变压器本体保护（主变重瓦斯保护、主变压力释放、主变轻瓦斯保护、主变温度保护、主变冷却系统故障保护）等保护。

高压厂用变压器（仅1号、3号、5号机组装设）单独配置一个高压厂用变测控装置，用于实现高压厂用变本体保护，同时还配置高压厂用变差动保护、高厂变电流速断保护、高压厂用变过流保护、高压厂用变过负荷保护等保护。

2.4 智能终端的配置

在发电机出口断路器和变压器高压侧断路器均配置智能终端，智能终端均采用双重化配置，第一套保护、智能终端A接入过程层A网；第二套保护、智能终端B接入过程层B网。

1）断路器本体操作机构的控制回路、执行元件不变，断路器操作箱的功能在智能终端实现。智能终端以GOOSE机制上传断路器、隔离开关等设备信息，接受保护、测控等下达的直跳或网络跳闸（GOOSE）命令，上述断路器各配置一面智能控制柜，布置双重化配置的智能终端，柜内设有明显的分隔标记。

2）智能终端提供原始开入GOOSE信号，IED设备应根据各自需求完成所需信号合成；双重化配置的智能终端，每套包含完整的断路器信息交互功能。智能终端操作断路器跳合闸时，出口可设置软压板或硬压板。

3）智能终端接收保护跳合闸命令及隔离开关、接地开关等GOOSE命令，输入断路器位置、隔离开关及接地开关位置、断路器本体信号（含压力低闭锁重合闸等），跳合闸自保持功能，控制回路断线监视、跳合闸压力监视与闭锁功能等。[1]

3 数据交换

丰满水电站计算机监控系统LCU的PLC，虽支持IEC 61850规约，但不具备直接接收智能终端GOOSE命令的功能，发变组保护装置发送GOOSE信息，通过单独设置的发电机和变压器测控装置接到后台监控，同时，每套发电机、变压器保护装置分别提供一副保护动作信号接点至机组LCU的主PLC的SOE，一副保护动作信号接点至水机保护PLC的SOE。

4 结语

传统的水电厂发变组保护，开入开出回路采用硬接点接线，接点数量多、电缆布线复杂、易受环境特别是电磁环境干扰，从而会影响继电保护设备的可靠性；同时保护装置和电厂内其他IED设备及网络设备信息交互困难[2]，这也是水电厂实现智能化亟需解决的问题。丰满水电站设计采用基于IEC61850的发变组保护装置，1-6号机发变组保护均已经投入运行，运行情况稳定。在保证发电机、变压器设备安全稳定运行的前提下，减少了二次电缆（IED设备间的电缆），二次接线工作量明显减少。同时，发变组保护通过光纤接入全厂厂站层的MMS网，与全厂其它智能设备间信息交换均通过通信网络完成，设备间可实现无缝连接，为丰满水电站智能化的实现提供了良好的基础。