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(zé)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(jī)容量為1 000 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量250 MW的單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，發(fā)電電動(dòng)機(jī)與變壓器采用單元接線，其間裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器和換相隔離開關(guān)。每2臺(tái)機(jī)組—變壓器單元在500 kV側(cè)組成聯(lián)合單元，500 kV側(cè)最終為2進(jìn)2出GIS四角形接線，本期僅建設(shè)2進(jìn)1出（2個(gè)斷路器間隔）即半個(gè)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(yùn)行。

2 500 kV保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)狀

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

（1）線路保護(hù)

張廉線設(shè)置2套光纖分相電流差動(dòng)保護(hù)裝置。1套線路保護(hù)裝置為南瑞RCS931AM，另1套線路保護(hù)裝置為南自PSL603GA。2套保護(hù)均以分相電流差動(dòng)保護(hù)和零序電流差動(dòng)保護(hù)為主，距離保護(hù)和零序方向過流保護(hù)為后備保護(hù)。

設(shè)置2套遠(yuǎn)方跳閘就地判別裝置，1套為南瑞RCS-925A，另1套為南自SSR530。遠(yuǎn)方跳閘就地判別裝置與2套線路保護(hù)配套設(shè)置。遠(yuǎn)方跳閘保護(hù)采用直接跳閘傳輸方式,跳閘信號(hào)分別通過2套線路保護(hù)光纖通道傳輸至線路對(duì)側(cè)。

（2）線路T區(qū)差動(dòng)保護(hù)

電站500 kV線路T區(qū)設(shè)置了差動(dòng)保護(hù)，線路T區(qū)短差保護(hù)冗余配置，以保證能快速、可靠切除2個(gè)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(hù)裝置采用南自的PSL608型短差保護(hù)裝置。

（3）短線差動(dòng)保護(hù)

電站主變高壓側(cè)至GIS之間短引線設(shè)置了差動(dòng)保護(hù)，以保證能快速、可靠切除主變聯(lián)合單元高壓側(cè)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(hù)裝置采用南自的PSL608型短引線差動(dòng)保護(hù)裝置。

（4）斷路器保護(hù)

電站斷路器保護(hù)采用南自的PSL632C型開關(guān)保護(hù)裝置，500 kV側(cè)設(shè)置2個(gè)母線斷路器（5002、5003），每個(gè)斷路器配置1套，分別布置于單獨(dú)的柜內(nèi)。500 kV斷路器保護(hù)均設(shè)置了失靈保護(hù)、自動(dòng)重合閘及充電保護(hù)，并配置分相操作箱。

3 500 kV保護(hù)系統(tǒng)存在問題

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

具體問題如下：

（1）現(xiàn)電站短差保護(hù)和母差保護(hù)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(hù)設(shè)備對(duì)時(shí)功能欠缺，現(xiàn)場除1套線路保護(hù)具備對(duì)時(shí)功能，其余500 kV保護(hù)裝置對(duì)時(shí)功能均未調(diào)通，無法與電站對(duì)時(shí)，影響事故分析。

（3）保護(hù)裝置通信模塊老化，無法與調(diào)試計(jì)算機(jī)連接。

（4）盤內(nèi)打印機(jī)故障，無法正常打印事故報(bào)告。

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

（6）柜后端子排布設(shè)計(jì)不合理，不滿足國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)“功能分區(qū)，端子分段”的原則要求，有待改進(jìn)。

此外，電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)各保護(hù)電源插件均更換過，各保護(hù)裝置現(xiàn)有對(duì)時(shí)方式為分脈沖對(duì)時(shí)，不滿足國網(wǎng)“六統(tǒng)一”中對(duì)時(shí)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(shè)置的時(shí)鐘對(duì)時(shí)系統(tǒng)發(fā)出的IRIG-B（DC）對(duì)時(shí)的要求。

綜上所述，原500 kV保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)維成本及運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)逐年加大，已不能滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行新要求。根據(jù)《新源運(yùn)檢（2017）226號(hào) 國網(wǎng)新源公司關(guān)于加強(qiáng)繼電保護(hù)等二次系統(tǒng)全過程管理工作的通知》要求：二次系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行年限為8～12年。張河灣電站保護(hù)系統(tǒng)自投產(chǎn)至今已有12年時(shí)間，亟需對(duì)張河灣電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行整體技術(shù)升級(jí)改造。

4 改造技術(shù)方案

電站保護(hù)系統(tǒng)升級(jí)項(xiàng)目將以提高電站保護(hù)裝置的安全可靠性能，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)，在維持原有設(shè)計(jì)方案和保護(hù)配置的基礎(chǔ)上，充分借鑒國內(nèi)外保護(hù)產(chǎn)品先進(jìn)的技術(shù)理念和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，升級(jí)優(yōu)化整個(gè)電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)的軟硬件。

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

4.1 方案1部分設(shè)備改造方案

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

具體包括：對(duì)電站2套線路保護(hù)裝置板卡（1套南瑞 RCS931AM、1套南自 PSL603GA）、6套短差保護(hù)裝置板卡（南自PSL608）、2套斷路器保護(hù)裝置板卡（南自PSL632C），以及各保護(hù)裝置通信板卡、對(duì)時(shí)板卡和一套斷路器保護(hù)操作箱進(jìn)行改造升級(jí)。相關(guān)附件包含線路保護(hù)柜中一臺(tái)打印機(jī)因故障需要更換，同時(shí)需要在6套短差保護(hù)柜中增加打印機(jī)。其他硬件設(shè)備維持不變，所有保護(hù)柜的外接電源，控制及信號(hào)電纜不變。

4.2 方案2更新全套保護(hù)裝置

對(duì)電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)全面更新升級(jí)。對(duì)電站2套線路保護(hù)（1套南瑞RCS931AM、1套南自PSL603GA）、2套遠(yuǎn)跳保護(hù)（1套南瑞 RCS925A、1套南自 SSR530）、6 套短差保護(hù)（南自 PSL608）、2 套開關(guān)保護(hù)（南自PSL632C）的相關(guān)設(shè)備及盤柜全部更新，全面提升張河灣電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備性能，更好地滿足電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)裝置安全穩(wěn)定的要求。也隨著新設(shè)備的投入，其通信和信號(hào)監(jiān)視更為全面，對(duì)事故信息記錄更為準(zhǔn)確，使電站運(yùn)維更為經(jīng)濟(jì)便捷，為電站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有利保障。

5 技術(shù)方案比較選擇

5.1 安全方面比較

對(duì)比2個(gè)方案，方案1更新保護(hù)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(duì)電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)的要求。僅更換部分設(shè)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(shè)備選型需考慮與原設(shè)備匹配問題，而且不能徹底解決柜后端子排布置設(shè)計(jì)不合理的問題，改造后仍不滿足國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)“功能分區(qū)，端子分段”的原則要求。方案2更新全套保護(hù)裝置，可以更好地滿足電網(wǎng)對(duì)電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)的要求，保護(hù)系統(tǒng)整體性能得到提升。

方案2對(duì)張河灣電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)升級(jí)改造,其在安全方面的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）可充分比選當(dāng)前主流繼電保護(hù)裝置的優(yōu)點(diǎn)，提升張河灣電站的整體運(yùn)維水平，提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（2）如果僅更換保護(hù)盤內(nèi)部分插件將存在舊設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行的情況，部分舊設(shè)備已經(jīng)不是主流產(chǎn)品，相關(guān)的備件需重新生產(chǎn)，耗時(shí)較長。一旦電站保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，保護(hù)裝置無法及時(shí)得到維修及技術(shù)響應(yīng)，將嚴(yán)重影響電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）現(xiàn)保護(hù)裝置運(yùn)行年限已經(jīng)超過10年，如果再遇到設(shè)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(shè)備型號(hào)進(jìn)行更換并完成相關(guān)調(diào)試，會(huì)增加后期電站運(yùn)維成本和工作量。

（4）采用更新全套保護(hù)裝置可完全解決現(xiàn)電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)的全部問題，提升保護(hù)裝置安全穩(wěn)定性，減少后期運(yùn)維的工作量，同時(shí)柜后端子排布置可以重新設(shè)計(jì)，滿足國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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

5.2 效能方面比較

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

方案2是更新全套保護(hù)裝置，包括盤柜、打印機(jī)等所有附件。對(duì)比方案1的部分設(shè)備改造，方案2實(shí)施起來較為復(fù)雜，改造周期稍長，項(xiàng)目一次性投資成本較高。但方案2有著顯著的優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）整套保護(hù)系統(tǒng)的升級(jí)可以最大程度提升設(shè)備安全可靠性，新設(shè)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(dòng)保護(hù)的保護(hù)型號(hào)、軟件版本保持一致。

（3）相比方案1部分設(shè)備改造方案，備品備件需要單獨(dú)購買，而且可選型號(hào)相對(duì)固定，價(jià)格相對(duì)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(jià)比高，且能夠?yàn)橛脩籼峁?shù)量充足的備品備件。

5.3 設(shè)備全壽命周期成本比較

從改造方案的一次性投資、設(shè)備運(yùn)行壽命、設(shè)備故障帶來的停電損失和年設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本等考慮，對(duì)以上2個(gè)升級(jí)改造方案進(jìn)行全壽命周期成本分析比較。方案1中，部分設(shè)備改造方案即更新保護(hù)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(shè)備費(fèi)用約為130萬。未更換的部分設(shè)備也已經(jīng)運(yùn)行了12年，設(shè)備可靠性降低，后期隨時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備老化故障導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)故障而給電站帶來停電損失?，F(xiàn)張河灣電站運(yùn)維合同中檢修費(fèi)、維護(hù)費(fèi)及備品備件費(fèi)平均每年需約60萬，而且由于設(shè)備已經(jīng)不屬于現(xiàn)市場主流產(chǎn)品，備件價(jià)格將會(huì)越來越高。

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

6 方案選擇

通過對(duì)2個(gè)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(hù)成本將逐年提升，備品備件費(fèi)用也會(huì)居高不下。同時(shí)存在新舊設(shè)備共用的情況，整個(gè)電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性不如方案2更新全套保護(hù)裝置。方案2雖然一次性投入較高，但后期的維護(hù)檢修成本基本可以忽略，而且保護(hù)裝置的整體升級(jí)改造，可以更好地滿足電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)裝置安全穩(wěn)定的要求，設(shè)備安全可靠性均經(jīng)過國網(wǎng)入網(wǎng)檢測。同時(shí)對(duì)現(xiàn)電站保護(hù)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(shè)備的檢修和維護(hù)時(shí)間的條件下，對(duì)電站的運(yùn)行影響并不大，因此張河灣電站500 kV保護(hù)系統(tǒng)升級(jí)改造采用方案2，即500 kV保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備全部改造升級(jí)。