0引言
　　
　　随着我国电力工业的发展，电力系统的联网程度越来越强，单机容量越来越大，经济效益得到了极大的提高，同时也对电力系统的运行和保护提出了更高的要求。为此，2002年初国家电力公司颁发了138号文《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求继电保护实施细则》（以下简称《反措实施细则》），对线路、母线、主变压器及发电机变压器组（以下简称发变组）保护装置提出了一些新的反措要求，提出对主变压器及100MW以上机组实行双主双后双套化配置，对继电保护提出了更高的要求，为主设备保护的研究和发展提出了新的课题。为此，有关电力公司组织主设备保护研发运行管理方面的专家，认真学习和研讨，并结合长期主设备保护的实践和运行经验，为认真落实《反措实施细则》提出了一整套解决方案，供主设备保护设计和制造等部门参考。
　　
　　由于《反措实施细则》和以往的设计思路有较大的差别，因此在保证机组安全运行的前提下，必须采用与时俱进、实事求是的态度认真解决由此引起的相关技术问题。主设备保护，包括变压器和发变组保护，因其设备本身的复杂性，保护品种众多，如一套完整的300MW机组有三四十种主后备保护，电压互感器（TV）、电流互感器（TA）有一二十组，保护出口信号达六七十种，工程中还有新上工程与改造工程之分，按《反措实施细则》实现双主双后双套化配置后，会带来许多设计、配置等问题，有的在执行《反措实施细则》时由于对主设备保护复杂性不太了解，产生了认识“误区”。只有认真分析《反措实施细则》，全面理解主设备保护配置，才能消除“误区”，使主设备保护的安全性、可靠性真正得到全面提高。
　　
　　1配置经验回顾总结
　　
　　一套完整的300MW机组保护，包含发电机保护、升压主变压器保护、高压厂用变压器（以下简称高厂变）保护及并励方式的励磁变压器保护。这些主要设备的保护按作用可分为短路故障保护和异常运行保护。反应短路故障的保护应有主保护和后备保护，主保护是满足系统稳定和设备安全要求，以zui快速度有选择地切除被保护设备；后备保护是主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护。表1和表2对发电机和主变压器保护作了简单描述和归类。　　
　　按照有关技术规程及反措条例，各大电力设计院几十年的经验积累，主设备保护有过几次的“四统一”典型设计。1999年电力规划设计总院联合六大设计院编制的300MW机组数字保护典型设计方案，具有以下显著特点。
　　
　　1.1大机组主保护双重化且回路独立
　　
　　当发电机与主变压器之间没有断路器时，装设发电机纵差保护、变压器纵差保护以及发变组大差动保护。若它们之间有断路器，发电机纵差保护和主变压器差动保护分别装设双套。从而发电机和主变压器的主保护都是双重化的。
　　
　　配置时，发电机纵差、主变压器差动及高厂变差动与发变组差动保护置于不同的柜体，且它们的TA二次回路设计时也予以独立，即从输入回路到出口回路同一元件的双重化的主保护回路*独立，保护的可靠性得到了保证。
　　
　　1.2后备保护保护机组本身
　　
　　有关规程明确指出，大机组所在电厂一般出线为220kV及以上电压等级，这些母线和线路均要求配置双套快速主保护，其近后备保护也比较完善，不再需要发变组保护为其提供远后备。因此发变组保护的后备保护，其作用仅仅是作为发变组主保护的后备保护，且是*的。
　　
　　1.3加强主保护、简化后备保护
　　
　　由于在大机组上推广了主保护双重化，后备保护动作机会大大减少。近几年保护装置运行情况分析表明，发电机、变压器各种后备保护正确动作率比较低，如低阻抗保护，正确动作率仅30％。一些专家特别提出了加强主保护、简化后备保护的意见。实践也表明，这是一条简明实用的原则，兼顾了保护可靠性和安全性的要求。
　　　　1.4主后备保护回路独立
　　
　　按有关规程发变组保护中的后备保护是近后备作用，是当主保护拒动时再起保护作用的。为提高其可靠性，主保护和后备保护宜做到回路彼此独立。
　　
　　在工程设计时，差动保护用TA与后备保护用TA是独立的，它们的其他保护回路也*独立。晶体管型和集成电路型保护用硬件搭建，主后备保护回路*独立显而易见，“四统一”数字保护典型设计中主后备保护分别置于不同的柜中，全部回路*独立。
　　
　　结合以上几点可以知道，对于发电机相间故障，配置有2套*独立的主保护和与之又独立的后备保护（变压器保护也是如此），这种配置称为“双主一后”配置原则，保护的可靠性得到了充分保证。
　　
　　实际工程中，以上几点经验得到了设计制造部门的广泛认可，甚至100MW机组保护大都也是这样的配置原则。
　　
　　2《反措实施细则》要求及分析
　　
　　2.1目的要求
　　
　　《反措实施细则》2.11条指出，继电保护双重化配置是防止因保护装置拒动而导致系统事故的有效措施，同时又可大大减少由于保护装置异常、检修等原因造成一次设备停运现象。双套化配置的保护装置之间不应该有任何电气，每套保护装置的交流电压、交流电流应分别取自TV和TA互相独立的绕组，还应充分考虑到运行和检修时的安全，当运行中的一套保护因异常需要退出或检修时，不影响另一套保护正常运行。
　　
　　《反措实施细则》对100MW及以上容量的发变组数字保护特别提出了在双重化前提下的双套化配置要求。每套保护均含完整的主保护及后备保护，能反应被保护设备的各种故障及异常状态，并能动作于跳闸或信号。
　　
　　归纳起来有以下2点：
　　
　　a.必须配置双套保护且相互独立；
　　
　　b.每一套主后备保护必须完整，且能真正承担主后备保护功能，以备独立运行。
　　
　　可以看出，《反措实施细则》提出“一套”的概念就是一整套能够承担机组安全、稳定运行的保护装置。在一套内，必须具有完整的差动保护配置和后备保护配置，并且差动保护和后备保护必须能真正完成相应的功能，即规程指出的，主保护是短路故障的快速保护，后备保护当主保护拒动时还能起保护作用。
　　
　　2.2TA，TV的配置要求
　　
　　《反措实施细则》明确指出双重化的双套保护之间不应有电气，TA及TV要相互独立。但在一套保护装置中的主后备保护的TA是否要独立，按照双套化实施的初衷是为了让每一套保护能独立运行，则规程要求它们宜相互独立以提高其可靠性。但由于双套化配置，这样要求将会使TA回路数增加至难以接受。因此，结合国内外经验，考虑到TA回路较简单可靠，一套保护的主后备保护可共用TA回路。这样在每一电压等级侧只需要配置2组TA回路，分别供2套保护用。
　　
　　但在厂变高压侧还存在问题。*，厂变高压侧在没有实行双套化时，就需配置2组保护用TA，一组大变比TA是按主变压器短路容量校核的，供主变差动或发变组差动保护用；另一组小变比TA按厂变短路容量校核，供厂变差动及其后备保护用。双套化后，按每套保护独立原则，厂变高压侧保护用TA就需配置4组，还有录波用TA和计量用TA，成本高，没有安装空间。解决方法之一是大小变比TA合二为一，用一个中间变比值TA代替，这还需各方面专家计算论证。
　　
　　关于TV配置，要做到每套保护交流电压取自独立的TV，方法一是直接增加TV数，成本翻倍；方法二是增加一个二次绕组，使TV二次侧由2个增加到3个绕组，这在新上工程可行，改造工程更换TV不太现实；方法三是配置熔断器，相对简单，但改造工程时也须重新铺设电缆，在3Uo零序电压回路上也不适宜。
　　
　　匝间保护若采用零序电压原理，须在机端设立一个TV，其一次中性点与发电机中性点相连。若需双套化，须再增加一组这样的TV绕组，方法同上。
　　
　　2.3主后备保护其他回路的独立要求
　　
　　按表1、表2可知，这里的主后备保护是指发电机内部相间短路时差动主保护和过流（或复合电压过流）等后备保护，变压器内部相间和接地短路时差动主保护和各侧绕组过流（或复合电压过流）等相间短路后备保护及零序过流等接地短路后备保护。按照双套化配置要求，每套保护含有完整的主后备保护，使其可以单独运行，这必然要求每套保护中的主后备保护回路彼此独立，以提高可靠性。TA二次回路因成本昂贵，且认为其可靠性较高，主后备保护共用一组TA。但保护装置内的主后备保护回路必须独立，因为这些回路一般包含电源、滤波、采样、出口等，远比TA回路复杂，见图1。主后备保护共用保护回路的后果是，若因上述保护共用回路出现问题使主保护拒动，后备保护也会拒动，根本不满足规程对主后备保护的要求。
　　
　　对于目前个别的主后备保护一体化设计思想，即把发变组保护都做在一个机箱内，主后备保护共用一组TA、一套电源和CPU硬件系统，若需双重化再复制一套。这种配置严重违背了继电保护有关规程，也不符合《反措实施细则》有关条例。因为这样的双套化配置，其每一套都是不完整的。在2套并列运行且都正常时，只是2套中的主保护能真正起作用（在主后备保护原理上互补的保护区内除外），若其中一套主保护硬件回路出现问题，共用此回路的后备保护也有问题，实际上是“双主无后”的配置，可靠性不如*独立的“双主一后”配置方案。若因某种原因，需一套保护单独运行，同样的分析道理可以知道，此时只是其中主保护能真正起作用。这样后备保护不管是双套运行还是单套运行，结果都是形同虚设，只有误动的机会。
　　
　　2.4主保护双重化配置要求
　　
　　配置发电机差动、变压器差动和发变组差动保护，从功能上分析已经使发电机和变压器主保护双重化，这也是《反措实施细则》颁布前对于发变组单元接线主保护双重化的配置原则。现在的问题是*双套化后，每套保护内是否还需要这样的双重化配置或全部发电机变压器均双重化配置。本文认为因某种原因若需要一套保护独立运行，其运行的时间可能较长，大机组单套保护还是需要这样主保护双重化配置，容量可以从300MW以上开始。当然，这里的主保护双重化，必须做到保护回路的相互独立，否则毫无意义。
　　
　　2.5一些特殊保护只能配置单套
　　
　　目前转子接地保护大多采用注入式和乒乓式，由于保护原理的要求，这两种保护均不能双套化，否则会相互影响导致测量失误。若采用一套运行一套备用，需要时再相互切换的方式，必须在设计时考虑好回路，保证带电切换时的安全性和保护装置的可靠性。
　　
　　对于其他注入式保护，如定子注入式接地保护，因其能在启停机时对定子绕组起到单相接地故障检测，国外应用十分普遍，国内有的部门也在研究开发，若要求双套化，也存在同样问题。
　　
　　非全相保护和失灵启动保护，《反措实施细则》给出了详细的构成原理，只是非常复杂，并且提出这两种保护由于其重要性只配置一套。
　　
　　这些只能运行一套的保护，如何与双套化运行的其他保护配合，设计运行部门也应予以关注。
　　
　　2.6双套化后对保护装置的性能要求
　　
　　双套化配置后，保护数量翻了一倍，误动的机率增加了一倍，对保护装置的防误动性能提出了*的要求，否则机组保护的正确动作率会更低。同样对于防拒动而言，由于存在每套保护单独运行的要求，每套保护的防拒动性能要求也一点没有降低。这些都给主设备保护研发制单位提出了新的机遇和挑战。如何应用《反措实施细则》更好地为电力系统服务，是设计、制造、运行部门共同关心的课题。
　　
　　2.7数字保护N-2的可靠性要求
　　
　　《反措实施细则》从保护机组安全的角度提出了双套化要求，其实质是全面提高保护的安全性和可靠性，将原来数字保护已有的N-1硬件可靠性的要求提高到N-2的水平。在《反措实施细则》实施以前，数字保护已经全面推广N-1可靠性要求。在单一装置硬件故障时，不会使机组失去保护，不会影响机组运行。《反措实施细则》实施后，将大机组保护可靠性的要求提高到N-2，充分反映国家电力公司对大型机组运行安全性的重视。
　　
　　3数字保护双套化实现的技术方案
　　
　　3.1数字保护配置上的几个“误区”
　　
　　数字保护和传统保护相比有许多特点，其中之一是信息共享，同一套硬件系统可以完成多个保护功能甚至全部保护功能。但由于此特点，用同一硬件实现的各保护存在“一损俱损”的现象，主保护因某一回路故障（如电源）而拒动，后备保护也起不了替补作用，可靠性显然不如传统积木式组合的保护高。但也没有必要一套硬件仅完成一种保护功能。要辩证合理地利用数字保护的硬件系统，做到硬件某一回路损坏时，保护仍能满足规程需要即可。
　　
　　因此在数字保护执行双套化要求时，应该防犯以下几种“误区”。
　　
　　a.“误区”1：同样的保护置于同一套硬件系统之中。由于通道、数据、软件均相同，其计算结果必然相同，起不了互补的作用，效果只等同于一套该保护。
　　
　　如根据配置要求，需要配置2套发电机差动保护，设计时此2套发电机差动保护应避免放置于同一硬件中。因为在同一硬件中放置再多的发电机差动保护，如果是相同原理，也只相当于配置了一套。
　　
　　b.“误区”2：同一硬件系统中放置主后备全套保护。由于在一套硬件中完成的所有保护都共享该套硬件，如硬件发生故障可能失去所有的保护。在享有数字保护大资源的同时，也必须意识到数字保护大资源所带来的风险。国内外大都实行杨奇逊院士提出的多层硬件系统分解这种风险办法，这能更好地为变压器和发电机等一次设备服务。
　　
　　为了说明这种风险的存在，以一种情况为例。如果一机组从保护配置安全性、可靠性出发，需要配置30种保护，但如果采用图2（a）的方法，将全部30种保护都置于一套硬件中，显然不能够独立地承担保护机组安全的重任，因为再可靠的硬件也会发生故障，一旦某一硬件回路发生故障，机组将*失去保护功能。采用规避风险、分解风险的方法将同样的30种保护合理地分布于2个不同硬件系统中，如图2（b）所示，不但实现同样的保护配置，而且能*规程的要求。　　3.21x4模式实现双套化
　　
　　数字保护的硬软件技术发展很快，许多制造主设备保护的公司都具备了将全套保护置于同一硬件系统的能力。这时很容易忽视一些原则，使得有些保护配置方法表面上看起来双套化了，而仔细推敲却违背《反措实施细则》。如图3所示是一种极容易引起概念模糊的方案。图中，假如某300MW发电机组需要30种保护，现将全套保护置于同一硬件系统，如A柜所示，然后又复制到B柜。　　
　　表面看，保护品种数目满足了双套化的要求，因为在A，B柜中都包含机组所需的30种保护配置。但是，其中的任何一个柜（A柜或B柜）都不能单独成为满足规程要求的保护装置，因此，图3并不是《反措实施细则》中真正意义上的“双套”配置，其实是刚满足规程要求的“一套”配置。
　　
　　主后备保护一体化装置要实现《反措实施细则》的双套方案，必须按照图4的解决方法。即采用A，B，C，D4个工程柜的方案。A，B柜构成完整的一套，C，D柜构成另一套，合起来组成双套配置。将图4的模式简称为1x4模式，该模式适用于主后备保护一体化装置。　　仅用A，B，C3个柜也不能满足独立双套要求。因为从保护品种组合看A，B，C柜方案满足双套要求了，但由于现场不可能提供*独立的3套TA及TV，A，B，C柜中必有一个柜（如C柜）的TA，TV和其他的一个柜（如A柜）或2个柜（A，B柜）公用，当公用回路发生故障时，仍然达不到《反措实施细则》规定的可停柜检修的目的。
　　
　　显然图4的解决方案占用了大量的柜空间，成本高，同时TA必须承担2个柜（如A，B柜）的负载，TA大量复用，一定程度上降低了保护的安全性，在实际应用中并不可取。
　　
　　3.32+2模式实现双套化
　　
　　数字保护技术的发展，高集成的硬件完成主后备全套保护是容易的，但存在巨大的风险。应该从满足规程要求出发，采用主后备保护分布配置规避高集成度带来的风险。
　　
　　长期以来，在主设备保护中形成了“强化主保护，简化后备保护”的设计思想，其指导思想是强化机组中起主导作用的主保护，如差动、定子接地、过电压、失磁等，简化起后备作用的保护。同时指出，由于机组的故障非常复杂，实际故障过程远没有分析准确完整，因此，鼓励不同原理和方案的互补型保护同时应用，zui大限度地保护机组安全。
　　
　　同时，主保护和后备保护的合理分开和相互独立，有利于保护的安全性。
　　
　　针对某300MW机组，单套需要配备发电机纵差动、变压器差动、发变组差动、发电机裂相差动、单元件横差、过电压、过励磁、负序过流、反时限负序过流等保护。下面分析如何从可靠性角度分配所配置的保护。
　　
　　由于发变组差动和发电机差动、变压器差动保护之间存在互补性；发电机裂相差动和单元件横差保护之间存在互补性；过电压和过励磁之间存在互补性；负序过流、反时限负序过流之间存在互补性；等，如果在保护配置时照顾到保护原理之间的这种互补，在总配置不变的条件下，可以达到以*的配置完成zui可靠的机组保护的目的。
　　
　　图5是这一设计的具体实现（图5（a）为满足《反措实施细则》的一套完整保护，（b）为满足《反措实施细则》的另一套保护）。在A柜中，采用两层独立的硬件系统，在A柜的一个硬件系统中分配有发电机差动、变压器差动、发电机裂相差动、过电压、负序过流等保护，而在另外一个硬件系统中分配有发变组差动、单元件横差、过励磁、反时限负序过流等保护。当A柜中任何一层硬件系统发生故障时，快速保护依然存在，并且后备保护也存在，这时仍然是一套主后备完整的保护。再加上B柜的相同配置，依然有独立的三重快速保护对机组起保护作用。因此对机组的保护仍然是十分安全和可靠的。将图5模式简称为2+2模式，该模式适用于主后备保护分布配置的装置。
　　不同原理的两套保护实现双套化鼓励采用不同原理的产品共同构成满足《反措实施细则》双套化的解决方案，对机组更安全。
　　
　　3.BB，Siemens双套化方案
　　
　　ABB构成一套保护经常采用Reg216+216C或Reg216+316方式，因此构成满足《反措实施细则》的解决方案，见图6。　　
　　Siemens在规避高集成风险方面一直做得比较好，在分配保护时已经将保护分置于不同的硬件回路中，这样能更好地保护机组安全。当然，硬件过于分散成本会大大提高，安全性的提高也不再明显。
　　
　　3.6如何判定双套化满足《反措实施细则》
　　
　　从上面的多项分析可以看出，各种双套化方案是否满足《反措实施细则》，不仅要看配置的数目，还需具体分析，数字保护必须要规避高集成度带来的风险。更简单的判别方法是，在进行保护方案设计时将设计过程分成两部分完成。
　　
　　a.在保护配置设计时，以一套保护设计为指导思想，此时设计应*原规程要求，考核这一套能否长期、独立、完整、安全地完成保护功能。如能够，则这就是完整的一套保护装置。
　　
　　b.将上述的一套再重复配置，即双套化。
　　
　　经过以上两步考虑，可以zui大限度地规避风险，避免一些认识上的误区。
　　
　　4结论
　　
　　《反措实施细则》提出了双套化的配置要求，且每套保护必须具有完整的独立的主后备保护配置，同时要求每套保护之间电气上要*分开和独立，提高对机组的保护能力以及单套保护装置独立运行能力。对实现上述目的的实现过程，应该加强设计、制造、运行、管理各部门协调完善，使保护装置真正做到安全可靠，为电力系统安全稳定运行作出贡献。就此分析得出以下几点结论。
　　
　　a.2个和多个相同保护置于同一数字保护硬件中，效果等同于一个保护。
　　
　　b.主后备全套保护置于一套硬件系统，实际上是一套不完整的保护，不能起到主后备作用，是不符合规程要求的。
　　
　　c.主后备保护一体化装置的双套化不满足《反措实施细则》的要求。
　　
　　d.2+2模式适用于大容量主设备继电保护，它满足《反措实施细则》双套化要求，满足继电保护规程要求。
　　
　　e.《反措实施细则》实际上将数字保护原来推行的N-1的可靠性要求，提高到了N-2，以保证机组的安全稳定运行。
　　
　　f.数字保护应全面分析保护配置和保护装置可靠性的关系，以保证机组的安全。
　　
　　建议双套后TA，TV的共用及保护的增多带来的其他管理、运行问题应引起足够关注，要组织专题研究。
　　
　　另外，对新建工程和改造工程需区别对待。对那些做不到电气上*独立的双套保护的改造工程，就不应强求双主双后双套化配置，而应集思广益充分做好单套保护的安全性和可靠性，否则会给运行和管理带来许多不便。