(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

為了減少輸電線路輸送有功損耗、提高廠站機組經(jīng)濟運行能力,減輕運行人員勞動強度,改善地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量,越來越多的電廠投運了自動電壓控制(Automatic Voltage Control,以下簡稱AVC)系統(tǒng),通過AVC系統(tǒng)對電壓和無功進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)對核電廠電壓和無功的自動控制。

福清核電站AVC系統(tǒng)自2014年9月投入運行以來,曾經(jīng)由于AVC軟件邏輯不完善、定值設(shè)置不合理、通信故障、廠變分接頭位置調(diào)整不合理等原因退出運行。以福清核電站AVC系統(tǒng)為例,通過對調(diào)試和運行期間AVC系統(tǒng)故障進行分析總結(jié),對核電廠AVC系統(tǒng)采取的運算算法、軟件邏輯、控制調(diào)節(jié)策略和保護策略等進行分析介紹,為核電機組AVC控制系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計和改造提供參考[1]。

1 福清核電站AVC系統(tǒng)的組成

福清核電站AVC系統(tǒng)采用NCS與AVC一體化的模式,不設(shè)立單獨的AVC裝置。其中遠動裝置和機組測控裝置為西門子公司生產(chǎn)的AK1703,NCS后臺為南瑞科技的NS2000；NS2000后臺對機組各種參數(shù)和約束條件進行分析,計算出各臺機組的無功出力目標值。

圖1 福清核電站AVC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Fuqing Nuclear Power Plant AVC system structure diagram

福清核電站AVC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)的控制流程如下：

調(diào)度中心向遠動裝置下發(fā)500 kV母線電壓的控制目標值，遠動裝置以遙調(diào)的方式發(fā)送至NS2000 NCS監(jiān)控后臺，NCS監(jiān)控后臺經(jīng)過與當前實際機組無功功率進行運算，根據(jù)機組的無功調(diào)節(jié)裕度和系統(tǒng)下發(fā)的總無功，按照無功功率合理分配響應(yīng)策略[2]，將需要增、減磁的調(diào)節(jié)時間發(fā)送給發(fā)變組測控裝置，測控單元根據(jù)下發(fā)值的正負以及大小閉合增磁或者減磁繼電器的接點并發(fā)送至分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System，以下簡稱DCS)，DCS系統(tǒng)對手動增、減磁命令綜合判別后，向AVR裝置發(fā)出調(diào)節(jié)機組的無功功率信號。

2 福清核電站AVC運算算法介紹

2.1 改進自適應(yīng)AVC算法原理

與傳統(tǒng)的估測全廠總無功的運算方法不同，福清核電站AVC系統(tǒng)采用改進自適應(yīng)算法，該算法是首先假定一個系統(tǒng)阻抗，使系統(tǒng)電壓有個微調(diào)，然后通過微積分逐次逼近計算出實際的系統(tǒng)阻抗。

2.2 改進自適應(yīng)AVC算法的實現(xiàn)

根據(jù)上述算法為理論基礎(chǔ)，福清核電站改進自適應(yīng)AVC算法具體實現(xiàn)步驟如下：

(1)確定500 kV側(cè)母線無功目標值；

(2)計算當前實際系統(tǒng)阻抗；

(3)無功目標在機組間的分配。

2.2.1 確定 500 kV側(cè)母線無功電壓值

設(shè)當前500 kV側(cè)母線電壓為Ui,母線上所有機組送入系統(tǒng)的總無功為Qi。要求調(diào)節(jié)的高壓側(cè)母線電壓目標值為Uj,需向系統(tǒng)送出的總無功為Qj。系統(tǒng)阻抗用X表示,則機組送入系統(tǒng)的總無功調(diào)節(jié)目標值為:

(1)

因此,根據(jù)Ui,Qi,Uj和X即可確定送入系統(tǒng)的總無功調(diào)節(jié)目標值Qj,上式中系統(tǒng)阻抗X為待定值。

2.2.2 計算當前實際系統(tǒng)阻抗

在AVC功能的實現(xiàn)上,系統(tǒng)阻抗的確定是一個關(guān)鍵。由于在絕大多數(shù)時間,從電廠看出去的系統(tǒng)阻抗變化是不大的,因此系統(tǒng)阻抗往往可以優(yōu)選為一個定值。

系統(tǒng)阻抗計算的公式如下：

(2)

式(2)中,Qk-,Uk-,Qk+,Uk+分別為所有機組第k次無功調(diào)整前后輸入系統(tǒng)的總無功和高壓側(cè)母線電壓[3]。

算法實現(xiàn)時，連續(xù)k次采集母線電壓和機組實發(fā)無功，代入式(2)，可得到第k次計算的系統(tǒng)阻抗，然后再進行k+1次的系統(tǒng)阻抗計算。通過逐次逼近，最后可使計算出的阻抗與實際的系統(tǒng)阻抗誤差較小，滿足工程需要。經(jīng)過工程試驗驗證，一般經(jīng)過連續(xù)6次逼近后，計算得到的系統(tǒng)阻抗基本能滿足工程需要。

2.2.3 無功在機組間的分配

無功在機組間的分配指的是按計算的總無功調(diào)節(jié)目標值，扣除不可調(diào)機組的無功出力，加上機組主變消耗無功及廠用電消耗無功后，將該目標值在所有可調(diào)無功出力的機組間進行優(yōu)化分配[3]。

目前，AVC軟件的無功分配策略主要有相似的功率因數(shù)法、與容量成比例法、相似的調(diào)整裕度法這幾種方法。其中相似的調(diào)整裕度法是以各發(fā)電機的無功裕量作為控制對象，可有效避免各機組間出現(xiàn)無功調(diào)節(jié)不均衡現(xiàn)象。

根據(jù)各臺發(fā)電機的P/Q功率圓圖，確定當前運行點各發(fā)電機無功的上下限，以每臺機組的理想無功運行點為目標，將總目標值與實際總無功的偏差值，以每臺機組的可調(diào)無功作為權(quán)系數(shù)，按各臺機組的無功進行相似調(diào)整裕度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)各臺機組的目標輸出無功保持均衡。另外需注意的是如某臺機組因被閉鎖等原因不滿足調(diào)節(jié)條件將不參與計算。

如電廠實際無功值小于目標無功值，則需要增加機組無功值，相似調(diào)整裕度計算公式如下：

(3)

如電廠實際無功值大于目標無功值，則需要減少機組無功值，相似調(diào)整裕度計算公式如下：

(4)

3 福清核電站AVC安全控制策略介紹

整個AVC系統(tǒng)架構(gòu)按照數(shù)據(jù)流向從上到下構(gòu)成主站、中控單元和子站三級控制網(wǎng)絡(luò),結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AVC系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 AVC system structure diagram

正常運行時,調(diào)度端根據(jù)實際的電網(wǎng)電壓降落,給出發(fā)核電廠側(cè)的電壓目標值,核電廠側(cè)NCS系統(tǒng)收到調(diào)度端的目標值后，對母線電壓目標值進行判斷處理，計算出電廠向系統(tǒng)輸送的總無功目標值，將其與當前實際的總無功值進行比較，取偏差值。在滿足各種閉鎖約束條件的前提下，對能承擔無功變化的機組進行無功分配，再將分配的無功值按脈沖方式發(fā)給DCS系統(tǒng)，或直接發(fā)給各機組的AVR裝置，通過改變發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器AVR的給定值來改變發(fā)電機的輸出無功[2]。AVR、DCS和AVC裝置不斷將自身運行狀態(tài)、機組有功、無功、廠用電電壓等數(shù)值送到AVC服務(wù)器，AVC服務(wù)器對相應(yīng)數(shù)值進行限值及狀態(tài)判斷后，自動將不滿足運行條件的機組退出AVC策略計算，并將機組退出等信號上送調(diào)度。

4 福清核電站AVC軟件控制邏輯介紹

4.1 AVC 投退邏輯

當機組出現(xiàn)“發(fā)變組保護跳閘”“發(fā)電機出口斷路器開關(guān)非合位”等信號時將閉鎖AVC系統(tǒng)投入，如圖3所示。

當系統(tǒng)處于自動通道運行，機組沒有觸發(fā)上述異常信號，則AVC系統(tǒng)允許投入。AVC系統(tǒng)投入后，當AVC的采樣、通信或者電源模塊等故障時，“AVC故障”信號由常開變?yōu)槌ｉ]，“AVC允許投入”信號迅速由常閉變?yōu)槌ｉ_，并切換到DCS手動控制方式。正常情況下，DCS也可手動退出AVC，切換到手動控制方式。

圖3 AVC系統(tǒng)投退邏輯Fig.3 AVC system to turn off logic

4.2 AVC與DCS手動增、減磁閉鎖

為了方便實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能的邏輯,AVC自動控制和DCS增、減磁互為閉鎖,明確責任,互不影響。當AVC系統(tǒng)投入運行時,機組增、減磁指令由AVC進行下發(fā)調(diào)節(jié),運行人員手動增、減磁指令被閉鎖；當AVC由于故障或者人為退出AVC功能后,才允許運行人員手動增、減磁?；ユi邏輯如圖4所示。

圖4 AVC增、減磁與 DCS增、減磁互為閉鎖邏輯 Fig.4 AVC increase, demagnetize and DCS increase, demagnetize mutual lock logic

5 福清核電站AVC典型故障案例

5.1 AVC增、減磁指令同時輸出導致AVC退出運行

5.1.1 故障現(xiàn)象

2017年4月4日01：13時，福清核電站2號機組廠用電壓達到-5%下限閉鎖，AVC 減磁閉鎖情況下，2 號機組AVC發(fā)出增磁命令時，DCS閃發(fā)“增減磁同時輸出”報警(AVC004KA)，并且機端電壓及廠用電壓降低，其中廠用電壓最低降到6.1 kV(額定值為6.6 kV)，經(jīng)省調(diào)許可后退出2號機組AVC，后查明機組AVC存在設(shè)計缺陷，增、減磁繼電器粘連時，無法可靠閉鎖AVC增、減磁輸出，申請退出全站AVC。

5.1.2 原因分析及解決措施

經(jīng)現(xiàn)場檢查，2號機組AVC減磁繼電器未復歸，持續(xù)輸出減磁命令，經(jīng)分析，AVC增、減磁輸出邏輯存在設(shè)計缺陷，在增、減磁繼電器故障粘連或邏輯響應(yīng)異常導致繼電器無法收到復歸信號而不能正常復歸的情況下，增、減磁閉鎖信號不能可靠地保持住，從而增、減磁命令持續(xù)輸出，促使機組電壓異常上升或下降。

由于2號機組AVC減磁出口繼電器持續(xù)輸出減磁命令至DCS，通過查詢測控歷史報警信息,出現(xiàn)了“command output busy”，即同一時刻出現(xiàn)了兩個遙控信號。因機組增磁、減磁、增磁閉鎖、減磁閉鎖采用同一塊遙控板卡輸出，現(xiàn)場使用的遙控板卡同一時刻只能輸出一個遙控命令，減磁命令發(fā)出后，減磁閉鎖與減磁復歸命令恰巧同時出口，導致減磁復歸命令未輸出，減磁繼電器無法復歸。同時，分析發(fā)現(xiàn)AVC增、減磁輸出閉鎖邏輯存在缺陷，減磁繼電器無法復歸時，減磁命令持續(xù)輸出，當增磁信號同時存在時可靠閉鎖增減磁輸出，但增磁命令復歸后，閉鎖信號同時復歸，導致減磁命令出口，在增、減磁繼電器粘連情況下無法可靠閉鎖增、減磁命令輸出。

因此,需要優(yōu)化增、減磁閉鎖邏輯,具體優(yōu)化邏輯修改見圖 5紅色方框內(nèi)所示。

優(yōu)化說明：根據(jù)圖 5的邏輯,對增、減磁信號增加 1.5 s的上延時判斷(1.5 s為躲過增、減磁1 s的遙調(diào)信號),并取“非”后分別閉鎖增、減磁命令出口,同時發(fā)報警信號到主控,當增、減磁繼電器粘滯或異常不能復歸始終觸發(fā) 1信號時,經(jīng) 1.5 s上延時判斷會始終輸出1,取“非”后即可閉鎖對應(yīng)的增、減磁命令出口,同時輸出報警信號,提示主控就地增、減磁繼電器有故障。此外,一旦增、減磁繼電器復歸,1.5 s上延時判斷會直接輸出 0信號,取“非”后即可無延時釋放增、減磁閉鎖信號,從而實現(xiàn)增、減磁繼電器有異常時自動閉鎖增、減磁命令輸出,若增、減磁繼電器可以正常復歸,則閉鎖信號也正常復歸。

綜上分析,按照圖 5修改邏輯后(紅色方框內(nèi)部分),可以實現(xiàn)增、減磁繼電器粘滯或異常不能復歸情況下,有效閉鎖增、減磁命令輸出的功能。

圖5 AVC增、減磁邏輯修改示意圖 Fig.5 AVC increase,reduce the magnetic circuit diagram

5.2 NCS采樣滯后導致三臺機組低勵限制器動作

5.2.1 故障現(xiàn)象

2017年5月24日01：13，福清核電站AVC調(diào)節(jié)功能出現(xiàn)異常，10:45—10:50期間，AVC下發(fā)的電壓定值為531.75 kV，但AVC子站將500 kV 母線電壓上調(diào)至533.275 kV；10:50—11:00 期間，AVC下發(fā)的電壓定值為532 kV，但AVC子站將500 kV母線電壓下調(diào)至511.683 kV，1、2、3 號機組機端電壓下降至22.8 kV，三臺機組AVR低勵限制器同時動作，電壓調(diào)節(jié)曲線如圖6所示。

圖6 電壓調(diào)節(jié)曲線Fig.6 Voltage regulation curve

5.2.2 原因分析及解決措施

就整個過程中各種數(shù)據(jù)、日志、報文分析的結(jié)果來看，入庫處理進程client_report_proxy堵塞，使得接收報文出現(xiàn)延遲是導致此次故障的原因。通過對現(xiàn)場主服務(wù)器的系統(tǒng)參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場系統(tǒng)啟動.start文件中后臺軟件的調(diào)試打印信息是指向終端的(START>/dev/console &)，會占用Solaris系統(tǒng)資源，Solaris對系統(tǒng)資源有限制，操作系統(tǒng)如果回收不夠合理有可能會將進程阻塞。而后臺client_report_proxy進程用到了大量系統(tǒng)服務(wù)，如果有系統(tǒng)資源被分配的問題，就會產(chǎn)生堵塞。建議將.start文件中指向改為(START>/ NULL&),相當于把程序的打印輸出放進黑洞,就不會有資源分配的問題。

改進措施與優(yōu)化方案如下：

(1)修改.start文件,將 START輸出至null,從根源上解決 DNET堵塞。

(2)修改AVC系統(tǒng)全站閉鎖策略

將福清核電站原AVC系統(tǒng)全站閉鎖策略：母線電壓、目標電壓越限后AVC系統(tǒng)全站閉鎖,修改為：母線電壓、目標電壓越下限后閉鎖減磁,越上限后閉鎖增磁。

(3)增加遙測數(shù)據(jù)不刷新的閉鎖策略

當在2 min時間內(nèi)連續(xù)減磁(或增磁)3～4次以后,母線電壓變化范圍遠低于連續(xù)三次減磁或增磁電壓的變化值,則 AVC系統(tǒng)全站閉鎖。福清核電站單臺機組每增磁或減磁一次,母線電壓變化約0.5 kV,連續(xù)三次變化約1.5 kV。

(4)加固NCS后臺總線和數(shù)據(jù)處理服務(wù),增加 log記錄功能,對總線的運行記錄進行監(jiān)測。

6 核電廠AVC設(shè)計邏輯、控制策略探討

6.1 AVC與AVR勵磁限制器配合控制邏輯

通過案例2可以看出,AVC與AVR存在緊密聯(lián)系,AVR限制器是機組AVC發(fā)生故障異常時的最后一道保護屏障,所以對于機組AVC與AVR的配合控制邏輯必須滿足以下述要求：

(1)勵磁系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

一般情況下勵磁系統(tǒng)與AVC采集的發(fā)電機電氣量參數(shù),如：機端電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)要非同源,但應(yīng)特別注意AVC閉鎖用的發(fā)電機電氣量參數(shù)應(yīng)與勵磁系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)一致。

(2)AVC的閉鎖條件及與勵磁系統(tǒng)的配合

1)系統(tǒng)及自身閉鎖：出現(xiàn)與主站通訊中斷，系統(tǒng)振蕩，增、減磁同時出現(xiàn)，控制超時等情況，無需與勵磁系統(tǒng)配合;

2)開關(guān)量閉鎖：發(fā)電機AVR勵磁調(diào)節(jié)器限制器動作信號，發(fā)電機出口斷路器跳閘信號，勵磁系統(tǒng)故障報警或跳閘等信號均應(yīng)該直接或間接(經(jīng)DCS)送至AVC，AVC對相關(guān)信號邏輯處理后閉鎖自身對勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié);

3)模擬量閉鎖：500 kV高壓母線、6.6 kV中壓廠用電、發(fā)電機組的電氣量參數(shù)，采用有延時的定時限方式，設(shè)定值按照與勵磁調(diào)節(jié)器設(shè)定值5%～10%的極差配合進行整定:

①發(fā)電機定子電壓高限應(yīng)小于勵磁系統(tǒng)過電壓限制值，可設(shè)為1.03～1.04 pu，低限應(yīng)大于進相試驗時發(fā)電機最低機端電壓，可設(shè)為0.91～0.92 pu。

②發(fā)電機定子電流應(yīng)小于勵磁系統(tǒng)定子電流定時限限制設(shè)定值，可設(shè)定為發(fā)電機額定電流。

③發(fā)電機最大勵磁電流應(yīng)低于過勵限制定時限設(shè)定值，可設(shè)為發(fā)電機額定勵磁電流，最小勵磁電流應(yīng)大于進相試驗時的最小勵磁電流限制設(shè)定值，可取1.05～1.1倍最小勵磁電流設(shè)定值[4]。

④發(fā)電機組無功高限可按照不超過發(fā)電機額定無功功率設(shè)定，無功低限建議采用幾段折線(曲線)的形式，曲線在發(fā)電機運行P/Q平面上應(yīng)高于勵磁調(diào)節(jié)器P/Q限制曲線，對應(yīng)同一有功功率下的無功設(shè)定值可可按照勵磁無功設(shè)定值的90%～95%設(shè)定。

⑤發(fā)電機組高壓廠用電壓高限設(shè)定值可設(shè)定為1.05 pu，低限應(yīng)大于進相試驗時高壓廠用電壓最低電壓，可設(shè)定為0.96 pu。

⑥發(fā)電廠主變高壓側(cè)母線電壓按照調(diào)度要求設(shè)定，無需與勵磁系統(tǒng)配合[5]。

6.2 DCS與AVC、AVR之間的接口要求

結(jié)合案例1，為保證機組安全運行，AVC投運后應(yīng)允許運行人員在一定的前提條件下根據(jù)機組運行情況調(diào)節(jié)控制無功，建議通過DCS接入AVC子站，AVC通過DCS系統(tǒng)控制切換邏輯，借用原AVR控制物理通道調(diào)控AVR,嚴禁AVC新增AVR控制通道與原DCS系統(tǒng)AVR控制通道物理并聯(lián)。同時勵磁系統(tǒng)狀態(tài)信號可先送至DCS,經(jīng)DCS邏輯處理后再送至AVC,可減少勵磁、DCS與AVC與之間的狀態(tài)量傳輸,提高運行可靠性。AVR的模擬量和開關(guān)量信號(含增、減磁信號)應(yīng)以無源接點方式輸出至DCS或AVC系統(tǒng),以脈寬、脈沖信號輸出。在設(shè)計階段必須考慮脈寬方式會發(fā)生接點粘連的問題,可以采用硬件結(jié)合軟件邏輯判別的方式予以避免,因此建議AVC輸出為脈寬可調(diào)的脈沖信號,并且在發(fā)出的脈沖間隔的時間可調(diào)。

6.3 設(shè)備異常運行時的控制保護措施

福清核電站對AVC系統(tǒng)控制設(shè)置了相應(yīng)的閉鎖條件及安全約束,保證AVC系統(tǒng)實現(xiàn)正常功能以及機組的安全穩(wěn)定運行。

1)當AVC功能退出時,母線電壓目標設(shè)定為自動跟蹤電廠實發(fā)值,避免AVC功能投退造成負荷波動,影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行[6];

2)當福建省調(diào)與福清核電站遠動裝置通信全部中斷時,AVC系統(tǒng)的控制自動由省調(diào)轉(zhuǎn)到福清核電站側(cè),保證AVC系統(tǒng)處于可控狀態(tài);

3)當電壓小于調(diào)壓死區(qū)0.5 kV時,AVC無功分配功能閉鎖,避免頻繁進行電壓調(diào)節(jié);

4)當500 kV母線電壓或頻率故障、電壓越上、下限等,需要立刻退出AVC;

5)當電氣量參數(shù)發(fā)生閉鎖限值越限時,自動閉鎖正方向的控制輸出并發(fā)出告警信息,當測量值恢復正常后自動解鎖,而反方向(電壓越限減小)的控制能保持正常輸出;

6)AVC子站的安全約束主要包括設(shè)置高壓母線電壓、機端電壓、有功功率、無功功率、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機頻率、廠用電電壓的上、下限值,當超出限值后閉鎖AVC控制,不允許進一步調(diào)節(jié)。

7 結(jié) 論

由于核電機組的容量越來越大，在電力系統(tǒng)中的作用越來越強，AVC 系統(tǒng)可以有效減少輸電線路的電壓損耗，但如果算法選擇不正確、內(nèi)部實現(xiàn)軟件邏輯和接口設(shè)計不合理，將會影響AVC 系統(tǒng)和電網(wǎng)、機組的安全穩(wěn)定運行。

結(jié)合對福清核電站現(xiàn)場發(fā)生的兩起故障案例的分析，給出的改進建議以及AVC 與DCS、AVR之間的安全控制策略，適合調(diào)節(jié)裕度有限的百萬核電機組，可以為后續(xù)項目在設(shè)計階段提供經(jīng)驗參考。