張河灣電站500 kV保護系統(tǒng)改造方案解析

羅全兵，李國賓，任 剛，李 倩，杜志健

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

1 引言

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上，距井陘縣城公路里程45 km，距石家莊市公路里程77 km。該電站總裝機容量為1 000 MW，安裝4臺單機容量250 MW的單級混流可逆式水泵水輪機組，發(fā)電電動機與變壓器采用單元接線，其間裝設發(fā)電機斷路器和換相隔離開關。每2臺機組—變壓器單元在500 kV側組成聯(lián)合單元，500 kV側最終為2進2出GIS四角形接線，本期僅建設2進1出（2個斷路器間隔）即半個四角形接線，500 kV出線采用SF6氣體絕緣高壓管道母線（GIL），電站以一回500 kV線路接入河北南網(wǎng)。電站已于2008年底全部投入商業(yè)運行。

2 500 kV保護系統(tǒng)現(xiàn)狀

張河灣電站500 kV系統(tǒng)保護包括500 kV線路保護、線路T區(qū)短線差動保護、主變高壓側至GIS之間短線差動保護及斷路器保護。

（1）線路保護

張廉線設置2套光纖分相電流差動保護裝置。1套線路保護裝置為南瑞RCS931AM，另1套線路保護裝置為南自PSL603GA。2套保護均以分相電流差動保護和零序電流差動保護為主，距離保護和零序方向過流保護為后備保護。

設置2套遠方跳閘就地判別裝置，1套為南瑞RCS-925A，另1套為南自SSR530。遠方跳閘就地判別裝置與2套線路保護配套設置。遠方跳閘保護采用直接跳閘傳輸方式,跳閘信號分別通過2套線路保護光纖通道傳輸至線路對側。

（2）線路T區(qū)差動保護

電站500 kV線路T區(qū)設置了差動保護，線路T區(qū)短差保護冗余配置，以保證能快速、可靠切除2個斷路器間隔及500 kV出線GIL間隔（由GIS至出線之間角形短線及出線由地下到地面出線套管部分）范圍內(nèi)發(fā)生的接地故障及相間短路故障。保護裝置采用南自的PSL608型短差保護裝置。

（3）短線差動保護

電站主變高壓側至GIS之間短引線設置了差動保護，以保證能快速、可靠切除主變聯(lián)合單元高壓側及斷路器間隔范圍內(nèi)發(fā)生的接地故障及相間短路故障。保護裝置采用南自的PSL608型短引線差動保護裝置。

（4）斷路器保護

電站斷路器保護采用南自的PSL632C型開關保護裝置，500 kV側設置2個母線斷路器（5002、5003），每個斷路器配置1套，分別布置于單獨的柜內(nèi)。500 kV斷路器保護均設置了失靈保護、自動重合閘及充電保護，并配置分相操作箱。

3 500 kV保護系統(tǒng)存在問題

張河灣電站500 kV保護系統(tǒng)自投產(chǎn)后一直處于運行狀態(tài)，至今已有12年時間。由于長期連續(xù)運行，保護裝置在硬件及軟件的可靠性方面都出現(xiàn)了一些問題，設備的老化、裝置的停產(chǎn)以及功能的欠缺，使得保護系統(tǒng)無法保障安全穩(wěn)定運行，得不到連續(xù)性的售后服務和技術支持，檢修維護的費用也不斷提高，而且部分繼電保護配置已經(jīng)不滿足電網(wǎng)反措要求。保護系統(tǒng)的安全隱患隨時威脅著電站的安全穩(wěn)定運行，升級改造迫在眉睫。

具體問題如下：

（1）現(xiàn)電站短差保護和母差保護所使用的南自PSL608裝置已停產(chǎn)，無法提供插件及裝置。

（2）保護設備對時功能欠缺，現(xiàn)場除1套線路保護具備對時功能，其余500 kV保護裝置對時功能均未調(diào)通，無法與電站對時，影響事故分析。

（3）保護裝置通信模塊老化，無法與調(diào)試計算機連接。

（4）盤內(nèi)打印機故障，無法正常打印事故報告。

（5）5002開關斷路器保護裝置C相信號燈故障，發(fā)生跳閘后C相指示燈不亮。

（6）柜后端子排布設計不合理，不滿足國網(wǎng)標準“功能分區(qū)，端子分段”的原則要求，有待改進。

此外，電站500 kV保護系統(tǒng)各保護電源插件均更換過，各保護裝置現(xiàn)有對時方式為分脈沖對時，不滿足國網(wǎng)“六統(tǒng)一”中對時接口：使用RS-485串行數(shù)據(jù)通信接口接收站內(nèi)統(tǒng)一設置的時鐘對時系統(tǒng)發(fā)出的IRIG-B（DC）對時的要求。

綜上所述，原500 kV保護系統(tǒng)運維成本及運行安全風險逐年加大，已不能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟運行新要求。根據(jù)《新源運檢（2017）226號 國網(wǎng)新源公司關于加強繼電保護等二次系統(tǒng)全過程管理工作的通知》要求：二次系統(tǒng)設備運行年限為8～12年。張河灣電站保護系統(tǒng)自投產(chǎn)至今已有12年時間，亟需對張河灣電站500 kV保護系統(tǒng)進行整體技術升級改造。

4 改造技術方案

電站保護系統(tǒng)升級項目將以提高電站保護裝置的安全可靠性能，確保機組安全穩(wěn)定運行為目標，在維持原有設計方案和保護配置的基礎上，充分借鑒國內(nèi)外保護產(chǎn)品先進的技術理念和豐富的工程經(jīng)驗，升級優(yōu)化整個電站500 kV保護系統(tǒng)的軟硬件。

通過本次升級，保護裝置應滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。應選用性能滿足要求、原理盡可能簡單的保護方案，應采用由可靠的硬件和軟件構成的保護裝置。所選用的保護裝置應具有必要的自動檢測、閉鎖、告警等措施，且便于整定、調(diào)試和運行維護。

4.1 方案1部分設備改造方案

更新保護裝置中的部分模件及有問題（如老化等）的部件。對現(xiàn)有的線路保護裝置、短差保護裝置及斷路器保護裝置柜內(nèi)部分問題板卡進行升級改造，保留原有盤柜及相關附件。

具體包括：對電站2套線路保護裝置板卡（1套南瑞 RCS931AM、1套南自 PSL603GA）、6套短差保護裝置板卡（南自PSL608）、2套斷路器保護裝置板卡（南自PSL632C），以及各保護裝置通信板卡、對時板卡和一套斷路器保護操作箱進行改造升級。相關附件包含線路保護柜中一臺打印機因故障需要更換，同時需要在6套短差保護柜中增加打印機。其他硬件設備維持不變，所有保護柜的外接電源，控制及信號電纜不變。

4.2 方案2更新全套保護裝置

對電站500 kV保護系統(tǒng)全面更新升級。對電站2套線路保護（1套南瑞RCS931AM、1套南自PSL603GA）、2套遠跳保護（1套南瑞 RCS925A、1套南自 SSR530）、6 套短差保護（南自 PSL608）、2 套開關保護（南自PSL632C）的相關設備及盤柜全部更新，全面提升張河灣電站500 kV保護系統(tǒng)設備性能，更好地滿足電網(wǎng)對繼電保護裝置安全穩(wěn)定的要求。也隨著新設備的投入，其通信和信號監(jiān)視更為全面，對事故信息記錄更為準確，使電站運維更為經(jīng)濟便捷，為電站安全穩(wěn)定運行提供有利保障。

5 技術方案比較選擇

5.1 安全方面比較

對比2個方案，方案1更新保護裝置模件及有問題（如老化等）的部件，基本可以滿足電網(wǎng)對電站500 kV保護系統(tǒng)的要求。僅更換部分設備板卡，工藝較為簡單，工作周期短，但局部改造將受限制較多，設備選型需考慮與原設備匹配問題，而且不能徹底解決柜后端子排布置設計不合理的問題，改造后仍不滿足國網(wǎng)標準“功能分區(qū)，端子分段”的原則要求。方案2更新全套保護裝置，可以更好地滿足電網(wǎng)對電站500 kV保護系統(tǒng)的要求，保護系統(tǒng)整體性能得到提升。

方案2對張河灣電站500 kV保護系統(tǒng)升級改造,其在安全方面的優(yōu)點有：

（1）可充分比選當前主流繼電保護裝置的優(yōu)點，提升張河灣電站的整體運維水平，提高生產(chǎn)效率，降低運行風險。

（2）如果僅更換保護盤內(nèi)部分插件將存在舊設備繼續(xù)運行的情況，部分舊設備已經(jīng)不是主流產(chǎn)品，相關的備件需重新生產(chǎn)，耗時較長。一旦電站保護系統(tǒng)出現(xiàn)故障，保護裝置無法及時得到維修及技術響應，將嚴重影響電站的安全穩(wěn)定運行。

（3）現(xiàn)保護裝置運行年限已經(jīng)超過10年，如果再遇到設備零件停產(chǎn)的情況，無備品備件可以更換。需要重新采購匹配的設備型號進行更換并完成相關調(diào)試，會增加后期電站運維成本和工作量。

（4）采用更新全套保護裝置可完全解決現(xiàn)電站500 kV保護系統(tǒng)的全部問題，提升保護裝置安全穩(wěn)定性，減少后期運維的工作量，同時柜后端子排布置可以重新設計，滿足國網(wǎng)標準要求。

（5）在保護系統(tǒng)改造的同時，滿足國網(wǎng)反措要求，采用雙重化配置的兩套保護裝置，以及因端子排布置調(diào)整而導致原電纜的長度不足，均可以一并進行更換調(diào)整。

5.2 效能方面比較

方案1是部分設備改造方案，更新保護裝置中的部分模件及有問題（如老化等）的部件。其優(yōu)點是該方案所需工程量少、改造工期短、電站停運時間短、發(fā)電效益損失少。但是該方案有2個很嚴重的問題：問題1，部分舊設備已經(jīng)超過10年，設備可靠性在逐年下降，后期維護成本將逐年升高；問題2，因考慮新舊設備匹配問題，升級改造的設備模件可選的型號及廠家將受到明顯限制，設備價格將可能高出市場價格。因此該方案短期經(jīng)濟投入相對較少，但是遺留問題較為嚴重。

方案2是更新全套保護裝置，包括盤柜、打印機等所有附件。對比方案1的部分設備改造，方案2實施起來較為復雜，改造周期稍長，項目一次性投資成本較高。但方案2有著顯著的優(yōu)點：

（1）項目實施所受限制少，設備選型范圍廣，可以徹底解決現(xiàn)階段保護系統(tǒng)存在的各類問題，而且后期維護較為便捷，不會出現(xiàn)因設備不匹配帶來的事故點，為電站安全穩(wěn)定運行提供保障。

（2）整套保護系統(tǒng)的升級可以最大程度提升設備安全可靠性，新設備都是經(jīng)過國網(wǎng)入網(wǎng)檢測的，可以做到與電網(wǎng)縱聯(lián)電流差動保護的保護型號、軟件版本保持一致。

（3）相比方案1部分設備改造方案，備品備件需要單獨購買，而且可選型號相對固定，價格相對偏高。而方案2采用成套購買的方式，各廠家所提供的備品備件的性價比高，且能夠為用戶提供數(shù)量充足的備品備件。

5.3 設備全壽命周期成本比較

從改造方案的一次性投資、設備運行壽命、設備故障帶來的停電損失和年設備運行維護成本等考慮，對以上2個升級改造方案進行全壽命周期成本分析比較。方案1中，部分設備改造方案即更新保護裝置中的部分模件及有問題（如老化等）的部件，一次性投資的設備費用約為130萬。未更換的部分設備也已經(jīng)運行了12年，設備可靠性降低，后期隨時可能會出現(xiàn)設備老化故障導致保護系統(tǒng)故障而給電站帶來停電損失?，F(xiàn)張河灣電站運維合同中檢修費、維護費及備品備件費平均每年需約60萬，而且由于設備已經(jīng)不屬于現(xiàn)市場主流產(chǎn)品，備件價格將會越來越高。

方案2中，更新500 kV全部保護設備，初始投資較高，全部設備更換設備費為245萬。但保護系統(tǒng)整體升級，設備可靠性提升，后期基本不需要太多的維護，改造后的運維成本及故障成本均不用考慮。

6 方案選擇

通過對2個方案的安全性、效能和全壽命周期成本比較，方案1在初期投入較少，但后期維護成本將逐年提升，備品備件費用也會居高不下。同時存在新舊設備共用的情況，整個電站500 kV保護系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性不如方案2更新全套保護裝置。方案2雖然一次性投入較高，但后期的維護檢修成本基本可以忽略，而且保護裝置的整體升級改造，可以更好地滿足電網(wǎng)對繼電保護裝置安全穩(wěn)定的要求，設備安全可靠性均經(jīng)過國網(wǎng)入網(wǎng)檢測。同時對現(xiàn)電站保護系統(tǒng)存在的問題可全部解決。雖然方案2改造周期稍長，但在合理利用電站或設備的檢修和維護時間的條件下，對電站的運行影響并不大，因此張河灣電站500 kV保護系統(tǒng)升級改造采用方案2，即500 kV保護系統(tǒng)相關設備全部改造升級。