陳本林,吳云龍,王康安,劉志鵬,曾利民,常 野,李德佳

(1.海南核電有限公司,海南 昌江572733;2.廣東海洋大學(xué),廣東 湛江524088;3.海南電網(wǎng)公司,海南 海口570203)

在電力系統(tǒng)各種事故時(shí),為了確保廠網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行設(shè)置了三道防線。第一道防線由電力系統(tǒng)合理的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式、繼電保護(hù)和有效的預(yù)防性控制措施等組成。它主要是通過快速有選擇性的切除故障,把故障設(shè)備從運(yùn)行電網(wǎng)中隔離,讓其他健康設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。第二道防線由安穩(wěn)控制主站、控制子站、切負(fù)荷子站等控制裝置構(gòu)成系統(tǒng)。采用切機(jī)、切負(fù)荷等緊急控制措施,確保電網(wǎng)在發(fā)生概率較低的嚴(yán)重故障時(shí)能繼續(xù)保持穩(wěn)定的運(yùn)行。第三道防線由失步解列、低頻低壓減載、高周切機(jī)等構(gòu)成。它是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諸如開關(guān)拒動(dòng)、多重故障、失去大容量電源等概率較低的極端嚴(yán)重故障導(dǎo)致穩(wěn)定破壞時(shí),通過這些極端緊急安全穩(wěn)定控制措施防止電力系統(tǒng)崩潰和大面積停電[1]。

安全穩(wěn)定控制系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱安穩(wěn)系統(tǒng))是保障電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性的第二道防線,對(duì)于保障電網(wǎng)、核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。海南電網(wǎng)是典型的 “大機(jī)小網(wǎng)”,安穩(wěn)配置著力解決網(wǎng)內(nèi)頻率穩(wěn)定、電廠送出高抗的熱穩(wěn)定及特殊方式下小干擾的穩(wěn)定問題[2]。由于核電機(jī)組單機(jī)容量大、調(diào)峰能力差、對(duì)外部電網(wǎng)依賴度高[3-4],這就使得在制定核電機(jī)組安穩(wěn)策略時(shí)必須嚴(yán)密,兼顧電網(wǎng)的穩(wěn)定,同時(shí)避免誤切核電機(jī)組;切機(jī)工況下確保核電廠盡量不失去外部電源。因此,深入分析安穩(wěn)系統(tǒng)在核電廠的實(shí)際運(yùn)行管理情況和功能需求,完善基于電網(wǎng)第二道防線要求的核電廠安穩(wěn)策略功能配置和機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)控制,對(duì)于增強(qiáng)完善廠網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行管理很有必要。

1 地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

1.1 核電廠接入系統(tǒng)

昌江核電廠一期建設(shè)2臺(tái)650 MW機(jī)組,分別于2015年和2016年投產(chǎn)。其主電源升壓站采用3/2接線,共四個(gè)完整串。通過220 k V核李Ⅰ線、核李Ⅱ線、核成Ⅰ線、核成Ⅱ線共四回2出線 (均為同桿雙回)接入海南電網(wǎng)220 k V主網(wǎng),每條出線設(shè)計(jì)輸出容量為720 MW,具體如圖1所示。

1.2 核電廠接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

昌江核電廠接入的海南電網(wǎng),其屬于海島型電網(wǎng),負(fù)荷規(guī)模較小。截至2016年,海南電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量為751.4萬k W[3],目前,海南電網(wǎng)已形成環(huán)繞全島的雙環(huán)目字型的220 k V網(wǎng)架結(jié)構(gòu),并通過一回交流500 k V海底電纜 (額定容量60萬k W)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)接。在核電機(jī)組投運(yùn)后,單機(jī)容量約為海南電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)負(fù)荷的13%,“大機(jī)小網(wǎng)”問題比較突出。核電機(jī)組投運(yùn)后,綜合分析核電機(jī)組運(yùn)行方式、故障方式、穩(wěn)定和控制措施等相關(guān)情況,按聯(lián)網(wǎng)和孤網(wǎng)運(yùn)行方式對(duì)核電廠接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析分述如表1和表2所示。

圖1 昌江核電廠接入海南電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic of Changjiang nuclear power plant access to Hainan power grid

表1 聯(lián)網(wǎng)方式下核電機(jī)組及出線路故障時(shí)的穩(wěn)定措施Table 1 Stability of the nuclear power unit and the failure of the outgoing line in the network mode

表2 孤網(wǎng)方式下核電機(jī)組及出線路故障時(shí)的穩(wěn)定措施Table 2 Stability of the nuclear power unit and the failure of the outgoing line without the network mode

2 安穩(wěn)系統(tǒng)策略功能及配置

2.1 安穩(wěn)控制策略的設(shè)置原則

1)海南電網(wǎng)安穩(wěn)控制系統(tǒng)應(yīng)建立不同功能不同層次的安穩(wěn)控制體系,構(gòu)筑起保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的三道防線。安穩(wěn)控制體系采用分散協(xié)調(diào)控制的思路進(jìn)行配置,整定系統(tǒng)化相結(jié)合的原則。

2)核電廠安穩(wěn)控制系統(tǒng)是整個(gè)海南電網(wǎng)分區(qū)分層式安全穩(wěn)定緊急控制系統(tǒng) (第二道防線)一個(gè)區(qū)域部分,其設(shè)置的主要原則應(yīng)與海南電網(wǎng)其他區(qū)域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。

3)海南電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)安穩(wěn)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先考慮切機(jī)措施,然后再考慮切負(fù)荷措施;切機(jī)切負(fù)荷要切足,可考慮過切以保持系統(tǒng)的完整性;切負(fù)荷宜采用分散切負(fù)荷方式。不得已時(shí)才考慮解列措施,解列時(shí)應(yīng)盡量確保只解一個(gè)斷面。

4)海南電網(wǎng)由于電網(wǎng)小,在切機(jī)的同時(shí)為防止電網(wǎng)頻率崩潰,必須選擇通道簡(jiǎn)單易行的地方集中切負(fù)荷;當(dāng)集中切負(fù)荷時(shí),為避免機(jī)組高周保護(hù)動(dòng)作,必須采取切除相應(yīng)機(jī)組加以配合。

5)按照2016年海南電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷規(guī)模,小負(fù)荷方式下發(fā)生嚴(yán)重故障后,如果切除機(jī)組容量過大將導(dǎo)致全網(wǎng)頻率偏低,低頻減載裝置動(dòng)作,損失大量負(fù)荷;因此,制定穩(wěn)控措施應(yīng)充分考慮切除核電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)的影響。

基于以上設(shè)置原則,核電廠安穩(wěn)系統(tǒng)的配置如圖2,作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定第二道防線的安穩(wěn)控制子站,其職能主要是負(fù)責(zé)收集所在電廠區(qū)域電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和故障信息并上傳到主站,接收主站的切機(jī)命令,下發(fā)并執(zhí)行切機(jī)命令,通過切除核電機(jī)組來完成指令。

圖2 核電廠地區(qū)電網(wǎng)安穩(wěn)系統(tǒng)配置圖Fig.2 Configuration of the stability system of the power grid at nuclear power plant site

2.2 安穩(wěn)系統(tǒng)策略表

安穩(wěn)控制策略是安穩(wěn)系統(tǒng)的核心,時(shí)刻運(yùn)行在各電廠和變電站的安穩(wěn)裝置中,不同廠站的安穩(wěn)策略是不同的。各年網(wǎng)架、潮流水平不同,安穩(wěn)策略需適時(shí)調(diào)整,才能適應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行工況。

核電廠安穩(wěn)系統(tǒng)的設(shè)置結(jié)合未來在線預(yù)決策系統(tǒng)應(yīng)用需求,實(shí)現(xiàn)與在線預(yù)決策系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì),支持在線策略定值計(jì)算和下發(fā)等功能[4]。通過離線計(jì)算得出動(dòng)作策略表,然后在控制系統(tǒng)上添加在線預(yù)決策來實(shí)現(xiàn)具體功能,即通過判斷機(jī)組和線路運(yùn)行方式與預(yù)先計(jì)算的策略表相吻合,來執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作指令。因而,每套安穩(wěn)裝置的功能及動(dòng)作策略表、邏輯等必須根據(jù)實(shí)際的穩(wěn)定問題及特點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。針對(duì)昌江核電廠接入系統(tǒng)的主要穩(wěn)定問題,安穩(wěn)裝置的控制策略詳見表3。

系統(tǒng)運(yùn)行方式 起動(dòng)條件 故障元件 出口命令/控制對(duì)象雙機(jī)運(yùn)行 過載啟動(dòng) 4回送出線路中I≥I set且t≥T set按照切機(jī)序列切除一臺(tái)核電機(jī)組,同時(shí)發(fā)送切負(fù)荷量信息雙機(jī)運(yùn)行 突變量啟動(dòng) 4回送出線路中3回線路跳閘 按照切機(jī)序列切除一臺(tái)核電機(jī)組,同時(shí)發(fā)送切負(fù)荷量信息雙機(jī)運(yùn)行,出線N-1 突變量啟動(dòng) 4回送出線路中2回線路跳閘 按照切機(jī)序列切除一臺(tái)核電機(jī)組,同時(shí)發(fā)送切負(fù)荷量信息雙機(jī)運(yùn)行,出線N-2 突變量啟動(dòng) 4回送出線路中1回線路跳閘 按照切機(jī)序列切除一臺(tái)核電機(jī)組,同時(shí)發(fā)送切負(fù)荷量信息—突變量啟動(dòng) 機(jī)組跳閘 發(fā)送切負(fù)荷量信息

表3 昌江核電廠安穩(wěn)裝置控制策略表Table 3 The control strategy for the stability device of Changjiang nuclear power plant

2.3 安穩(wěn)控制策略主要判斷邏輯

核電廠安穩(wěn)策略遵循的幾條基本原則有:盡量兼顧事故后運(yùn)行方式調(diào)整、設(shè)備安全和核電廠切機(jī)不失去廠外電源;盡量保持電網(wǎng)完整性,優(yōu)先切機(jī),避免切線路。因此,安穩(wěn)控制系統(tǒng)的切機(jī)和切線路準(zhǔn)確性是控制策略執(zhí)行的關(guān)鍵。基于簡(jiǎn)化、優(yōu)化原則,核電廠安穩(wěn)控制策略主要判斷邏輯包括線路判投停邏輯、安穩(wěn)切機(jī)邏輯和線路過載切機(jī)邏輯、切機(jī)方式的選擇。

2.3.1 線路判投停的邏輯

核電廠安穩(wěn)系統(tǒng)主要解決的是暫穩(wěn)和低頻失穩(wěn)問題,如采用手動(dòng)判方式不能確保及時(shí)性,因此,采用 “自動(dòng)判+雙側(cè)綜合判斷方式”,這一判斷邏輯克服了開關(guān)量判據(jù)可靠性低、電氣量判據(jù)線路電流較低時(shí)無法有效判斷的缺點(diǎn)。另外,為了提高運(yùn)行可靠性,最大限度避免誤發(fā)切機(jī)信號(hào),安穩(wěn)裝置線路跳閘切機(jī)邏輯中設(shè)置了斷面功率不低于設(shè)定限值閉鎖條件。

2.3.2 線路跳閘的切機(jī)邏輯

根據(jù)核電廠接入系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果,只有在核電廠兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)線路故障才有可能引起電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定問題,需要采取切機(jī)策略。因此,在線路跳閘切機(jī)邏輯中增設(shè)了核電機(jī)組雙機(jī)運(yùn)行閉鎖條件;而當(dāng)核電廠單機(jī)組運(yùn)行時(shí),安穩(wěn)裝置的切機(jī)功能將被自動(dòng)閉鎖,從而有效降低了誤切機(jī)組的可能性。

2.3.3 線路過載切機(jī)邏輯

安穩(wěn)裝置線路判過載邏輯可采用線路電流和功率作為主判據(jù)?？紤]到核電廠主電源接入系統(tǒng)共有四回出線,且單回線路輸送容量大于單臺(tái)核電機(jī)組額定輸出功率,發(fā)生線路過載的可能性較低。為了避免裝置誤動(dòng),除增加了核電機(jī)組雙機(jī)運(yùn)行閉鎖條件外,還設(shè)置了其他非過載線路中至少兩回處于停運(yùn)或潮流低狀態(tài)防誤判據(jù)。

2.3.4 切機(jī)方式的選擇

核電機(jī)組與電網(wǎng)解列可根據(jù)不同故障類型選擇采用跳汽輪機(jī)、跳發(fā)電機(jī)出口斷路器并滅磁或直接甩孤島運(yùn)行的方式。其中跳汽輪機(jī)和正常停機(jī)邏輯一致,先關(guān)閉主氣門,待正向低功率保護(hù)動(dòng)作后再跳開發(fā)電機(jī)出口斷路器并滅磁,這種方式相比直接跳發(fā)電機(jī)出口斷路器并滅磁對(duì)發(fā)電機(jī)出口斷路器損傷小。上述兩種方式下均不會(huì)造成主變停役,可保證核電廠外部主電源的完整性。

甩孤島運(yùn)行即在滿功率運(yùn)行直接跳主變高側(cè)斷路器與電網(wǎng)解列,發(fā)電機(jī)帶機(jī)組廠用電運(yùn)行,這種方式解列速度快且可以不停機(jī)停堆,但是存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)組在高功率穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),主變高側(cè)斷路器跳閘,機(jī)組瞬間只剩下廠用電負(fù)荷,機(jī)組理論上可以承受這一惡劣的瞬態(tài)過程,但主冷卻泵壓力,蒸汽發(fā)生器的水位和壓力,穩(wěn)壓器的水位和壓力,一回路溫度,反應(yīng)堆控制棒組等難以承受突變量的沖擊。如蒸汽發(fā)生器水位在高功率運(yùn)行突然甩孤島過程中會(huì)有巨大的波動(dòng),一旦水位波動(dòng)超出設(shè)計(jì)限值將觸發(fā)反應(yīng)堆自動(dòng)停堆[5]。

基于電廠安全和事故反應(yīng)迅速考慮,宜采取安穩(wěn)裝置直接跳發(fā)電機(jī)出口斷路器的切機(jī)方式。為了降低軸系超速的風(fēng)險(xiǎn),安穩(wěn)裝置跳發(fā)電機(jī)出口斷路器的同時(shí)發(fā)送切機(jī)信號(hào)用于啟動(dòng)滅磁及關(guān)閉主汽門。

3 安穩(wěn)系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)控制

第二道防線是一個(gè)區(qū)域性的控制系統(tǒng),控制策略執(zhí)行后對(duì)電網(wǎng)有一定影響,可能存在一定風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。如故障后的頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、熱穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等問題。核電廠對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制策略如下:

1)單臺(tái)核電機(jī)組運(yùn)行時(shí),安穩(wěn)裝置的切機(jī)功能被閉鎖,但是因其還承擔(dān)著監(jiān)視核電機(jī)組故障跳機(jī)并向電網(wǎng)發(fā)送切負(fù)荷信息的重要功能,仍需保證安穩(wěn)裝置處于投運(yùn)狀態(tài)。此時(shí)核電220 k V出線允許安排停役檢修,但應(yīng)避免同時(shí)安排兩條或兩條以上出線同時(shí)檢修。否則,考慮線路發(fā)生N-1-0.5故障時(shí),單臺(tái)機(jī)組可能面臨失步震蕩的風(fēng)險(xiǎn),此時(shí)應(yīng)將失步解列裝置投入運(yùn)行。

2)兩臺(tái)核電機(jī)組運(yùn)行時(shí),正常方式下四回220 k V出線均應(yīng)處于運(yùn)行狀態(tài),并應(yīng)保證安穩(wěn)裝置投運(yùn)。為了避免安穩(wěn)裝置N-1或N-2切機(jī)通道開啟造成誤切機(jī)組,這種方式下宜避免安排線路停役檢修工作。因核電機(jī)組在燃料末期啟停較為困難,根據(jù)機(jī)組的燃耗和出力大小情況,宜通過切機(jī)壓板設(shè)定優(yōu)先被切除的機(jī)組。這是由于壓水堆核電站在壽期末停堆可能造成反應(yīng)堆中毒,不易再次臨界,允切機(jī)組選擇需要考慮到這一情況。

3)當(dāng)核電主電源接入系統(tǒng)附近發(fā)生系統(tǒng)震蕩時(shí),兩臺(tái)核電機(jī)組的接入點(diǎn)處于同一地點(diǎn),并且可能同時(shí)進(jìn)入失步震蕩狀態(tài),這種情況下失步解列裝置可能將兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)切除?？紤]到海南電網(wǎng) “大機(jī)小網(wǎng)”的問題,同時(shí)失去兩臺(tái)運(yùn)行機(jī)組后果非常嚴(yán)重,因此,當(dāng)兩天核電機(jī)組運(yùn)行時(shí),應(yīng)將失步解列裝置退出。

4 結(jié)束語

根據(jù)海南電網(wǎng)的實(shí)際網(wǎng)架和電源結(jié)構(gòu),核電廠安穩(wěn)策略遵循的原則有:簡(jiǎn)化優(yōu)化的原則;盡量兼顧事故后運(yùn)行方式調(diào)整、設(shè)備安全和核電廠切機(jī)不失去廠外電源;盡量保持電網(wǎng)完整性,優(yōu)先切機(jī),避免切線路;盡量就地切機(jī),先切水電、火電,后切氣電、核電。

昌江核電廠裝設(shè)安穩(wěn)控制系統(tǒng)是基于電網(wǎng)安全穩(wěn)定第二道防線的要求,是提高廠網(wǎng)安全穩(wěn)定水平、充分發(fā)揮電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。核電廠安穩(wěn)裝置主要解決的是區(qū)域電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)、低頻失穩(wěn)以及熱穩(wěn)定的問題,但同時(shí)也可能引起切除大量負(fù)荷造成電力安全事故,特別是在海南 “大機(jī)小網(wǎng)”條件下,核電機(jī)組接入的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性較差,因此,需要綜合考慮采取相應(yīng)措施和策略。昌江核電廠安穩(wěn)系統(tǒng)正是通過控制策略及邏輯優(yōu)化很好地解決了以上突出的問題。