張河灣電站500 kV保護系統改造方案解析

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，發電電動機與變壓器采用單元接線，其間裝設發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。電站已于2008年底全部投入商業運行。

2 500 kV保護系統現狀

張河灣電站500 kV系統保護包括500 kV線路保護、線路T區短線差動保護、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區差動保護

電站500 kV線路T區設置了差動保護，線路T區短差保護冗余配置，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）范圍內發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、可靠切除主變聯合單元高壓側及斷路器間隔范圍內發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。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保護系統存在問題

張河灣電站500 kV保護系統自投產后一直處于運行狀態，至今已有12年時間。由于長期連續運行，保護裝置在硬件及軟件的可靠性方面都出現了一些問題，設備的老化、裝置的停產以及功能的欠缺，使得保護系統無法保障安全穩定運行，得不到連續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不滿足電網反措要求。保護系統的安全隱患隨時威脅著電站的安全穩定運行，升級改造迫在眉睫。

具體問題如下：

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

（2）保護設備對時功能欠缺，現場除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，無法與調試計算機連接。

（4）盤內打印機故障，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，不滿足國網標準“功能分區，端子分段”的原則要求，有待改進。

此外，電站500 kV保護系統各保護電源插件均更換過，各保護裝置現有對時方式為分脈沖對時，不滿足國網“六統一”中對時接口：使用RS-485串行數據通信接口接收站內統一設置的時鐘對時系統發出的IRIG-B（DC）對時的要求。

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

4 改造技術方案

電站保護系統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，充分借鑒國內外保護產品先進的技術理念和豐富的工程經驗，升級優化整個電站500 kV保護系統的軟硬件。

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。對現有的線路保護裝置、短差保護裝置及斷路器保護裝置柜內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保護系統設備性能，更好地滿足電網對繼電保護裝置安全穩定的要求。也隨著新設備的投入，其通信和信號監視更為全面，對事故信息記錄更為準確，使電站運維更為經濟便捷，為電站安全穩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，基本可以滿足電網對電站500 kV保護系統的要求。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標準“功能分區，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對電站500 kV保護系統的要求，保護系統整體性能得到提升。

方案2對張河灣電站500 kV保護系統升級改造,其在安全方面的優點有：

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

（2）如果僅更換保護盤內部分插件將存在舊設備繼續運行的情況，部分舊設備已經不是主流產品，相關的備件需重新生產，耗時較長。一旦電站保護系統出現故障，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定運行。

（3）現保護裝置運行年限已經超過10年，如果再遇到設備零件停產的情況，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電站500 kV保護系統的全部問題，提升保護裝置安全穩定性，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，滿足國網標準要求。

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

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。其優點是該方案所需工程量少、改造工期短、電站停運時間短、發電效益損失少。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，可以徹底解決現階段保護系統存在的各類問題，而且后期維護較為便捷，不會出現因設備不匹配帶來的事故點，為電站安全穩定運行提供保障。

（2）整套保護系統的升級可以最大程度提升設備安全可靠性，新設備都是經過國網入網檢測的，可以做到與電網縱聯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運行了12年，設備可靠性降低，后期隨時可能會出現設備老化故障導致保護系統故障而給電站帶來停電損失。現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，而且由于設備已經不屬于現市場主流產品，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保護系統的安全穩定性不如方案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對繼電保護裝置安全穩定的要求，設備安全可靠性均經過國網入網檢測。同時對現電站保護系統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保護系統升級改造采用方案2，即500 kV保護系統相關設備全部改造升級。