胡斌骏 李屹 陶沿初

【摘 要】本文主要考虑到秦山320MW核电机组存在着孤网运行的风险和可能，且秦山320MW机组因为机组自身的特殊性，在孤网运行下有些问题值得探讨。全文简单地介绍孤网运行的定义和特点，大电网甩至孤网运行过程中电网存在的高频切機、低频减载等一系列保护及这些保护的动作原理，给出了玉树电网在孤网运行下频率的变化趋势图，并根据秦山320MW核电机组的实际情况，在DEH控制模式、规程对频率电压规定、核岛侧的限制等方面存在的问题进行分析和探讨，最后给出了在孤网运行模式下，从秦山320MW核电机组在保证机组自身安全，对规程中频率和电压的修改建议及载负荷模式下如何手动增减负荷来保证孤网下频率的稳定三个方面的一些建议。通过这些探讨和提出的建议，有助于在孤网运行下秦山320MW机组更好的稳定安全运行。

【关键词】孤网运行；频率调整；低频减载；高频切机；核电机组

中图分类号： TM712 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）20-0034-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.012

【Abstract】In this paper， we consider the existence of qinshan 320 MW unit the isolated net running the risks and possible. Qinshan 320MW unit because of the particularity of its own，in the isolated net running under some problems worth exploring. The paper simple introduces the definitions and characteristics of the isolated net running， power grid to jilt to the isolated net running of high frequency cutting unit、low frequency load shedding ，and the principle of these protection. Giving Yushu grid under the isolated net running frequency change trend chart. According to the actual situation of qinshan 320MW nuclear power unit is proposed under the isolated net running， In DEH control mode， procedures for frequency voltage requirement， restriction and other aspects of the nuclear island side of the existing problems are analyzed and discussed. Finally， the in isolated operation mode， from 320MW Qinshan nuclear power plant units in ensuring their own safety， regulations under the proposed changes the frequency and voltage mode and how to manually increase or decrease the load carrying the load to ensure stability under isolated grid frequency recommendations in three areas. Through these discussions and made recommendations to help in isolated operation in Qinshan 320MW unit at a better stable and safe operation.

【Key words】Isolated net running； Frequency adjustment； Low frequency load shedding； High frequency cutting unit； Nuclear power unit

0 引言

近年来，随着国内经济的迅速发展，对电量的需求越来越大，互联网送电的规模越来越大，各子系统之间的相互联系越来越强，然而由于局部电网故障、自然灾害或者人为操作失误等偶然事故仍可能导致电网联络线解列，造成地区电网脱网运行[1]。

对于秦山核电320MW机组来说，在部分线路检修时，若再出现线路跳闸则有可能出现单台机组或者几台机组带着小电网运行的特殊运行方式。如2016年3月10-18日，浙江电网将进行兴塘2433、嘉塘2434双线同停检修工作，此时若王跃4460、店新4463线发生跳闸，无继电保护信号自动联跳秦山320MW机组220KV各线路开关。机组将带跃新变、海塘变、勤丰变、坎杜变运行，形成四站一厂的孤网运行方式。因此研究正常运行方式甩至孤网运行对秦山320MW机组的影响有其实际意义。

本文主要简单介绍了孤网运行的相关定义和特点，大电网甩至孤网运行时，频率、电压的变化，及电网的一些保护措施，以及孤网运行时秦山320MW机组存在的一些问题的探讨。

1 孤网运行定义和特点

电力建设规程规定，电网中单机容量应小于电网总容量的8%，保证当该机组发生甩负荷时，不影响电网的正常运行。最大单机容量小于电网总容量的8%的电网，称为大电网。我们现在各地区的电网的最大单机容量都远远小于电网总容量的8%，基本可以看作是无限大的电网。最大单机容量大于电网总容量的8%的电网统称为小网，孤立运行的小网，称为孤网，孤网可分为下列几种情况：（1）电网中有几台机组并列运行，单机容量大于电网总容量的8%，称为小网。（2）电网中只有一台机组带全厂负荷，称为单机带负荷。（3）机组甩负荷带厂用电，称为孤岛运行，是单机带负荷的一种特例。

孤网运行时，并入电网的发电机组较少，且有些小机组在大电网运行时不参与频率的调节，充当一个恒功率的电源，即使参与一次调频，其调节幅度也有限。当形成孤网时，由于孤网内通常存在不平衡功率，机组旋转储能和锅炉蓄热储能都比较少，孤网自平衡能力差，负荷扰动对孤网的影响较大，频率会发生变化，有时会导致发电机组保护动作而使系统崩溃。孤网运行最主要的特点就是，由大电网运行时的负荷控制转变成孤网运行时的频率控制，这就要求发电机组调速系统具有快速、充足的调节能力，以保证负荷不断变化的情况下，机组出力能够自动跟踪负荷的变化，保证电网频率的稳定[2]。

2 大电网甩至孤网运行的过程

大电网正常运行期间，电网上的所有机组出力与所有用户的负荷保持平衡，电网的电压和频率保持稳定。当由于局部电网故障、自然灾害或者人为误操作等原因而造成某一区域的局部电网脱离大电网变成孤网运行的瞬间，会造成该小电网上的机组出力与电网上的用户不匹配，导致小电网的频率出现过大的首摆量，若持续时间过长，不仅对同步和异步电动机负荷造成较大的影响，同时也会降低暂态频率的稳定性。若电网负荷缺口较大，频率首摆严重下降时，有可能导致发电机组低频保护动作切出发电机，加剧孤网功率的不平衡，甚至引发其他机组联锁跳闸，造成频率失稳。

在发生电网联络线解列，某一局部电网变成孤网运行时，为了维持该小电网频率的稳定性，电网一般采用高频切机和低频减载的方式来切除部分发电机组或者切除部分负荷，保证电网频率的稳定。

2.1 高频切机

高频切机的作用主要是在电网频率高的情况下为了防止汽轮机过度超速而损坏。当汽轮机转速超过额定转速的110%时，会危机保安系统，将迅速关闭主汽门、高压调节汽门和中压调节汽门，切除汽轮机，防止引起重大事故。

针对如何更高的高频切机也有较多研究。如文献[3]中针对贵州主网和其他地区电网孤网运行时可能出现的高频问题，制定了三种协调控制措施，即在系统频率上升过程中发电机高频切机保护在汽轮机OPC动作之前先切除1台或者2台发电机使系统频率不致于上升过快、过高；重新设定高频切机保护的定值，增加OPC动作的延时；闭锁汽轮机103%超速保护的功能，仅通过设置合理的连锁切机和高频切机保护保持电网的安全稳定。文献[4]中分析了连锁切机与高频切机协调保护方案，指出首先采取连锁切机措施，快速切除机组，达到系统有功功率平衡；在连锁切机部分动作或者全部拒东的情况下，考虑由系统措施，转化为发电机高频切机措施，经过一定延时切除发电机，最终达到有功功率平衡，系统频率恢复到可接受范围之内。切机应优先考虑切除水轮机，当水轮机容量不足时切除部分火电机组；还应选择距主节点电气距离较近的电厂以提高切机动作后的频率响应的快速性。切机时保证不会过切导致地区电网低频减灾动作切负荷。

2.2 低频减载

当电力系统发生严重故障突然失去大量电源后，电网的电力输出就会小于电网用户的负荷，电网的频率就会被拉低。此时快速的切除部分负荷可以减小发电机输入输出之间功率的不平衡，从而保证了系统的稳定。低频减载目前仍是安全稳定运行的最后一道防线，是一种防止电力系统发生频率崩溃的低成本的紧急措施，在世界范围内得到了广泛使用。

对低频减载的方法和策略，目前也有很多研究。但主要分为静止的低频减载和动态的低频减载。

静止的低频减载方案也就是采用单机带集中负荷的简化系统模型进行静态分析的方法，忽略扰动后系统内机组间振荡、节点电压变化、旋转备用容量限制等因素的影响。在设计过程中，往往以频率值和相应的延时作为负荷切除的判断标准；并按照最大可预见的扰动量来确定各级频率切除点对应的负荷切除量。但在实际动作过程中，各个参数都是随时在变化的，这种方法难以反映实际系统的动态响应和控制需求；且依据最大可预见的扰动量来进行设计所得到的方案在实际的运行控制中往往造成负荷过切。这种传统的设计方案在设计上获得了简易型和方便性的同时也很大程度上降低了方案的经济性、甚至有效性。

动态的低频减载方案是对静止方案的一种改进。当频率下降到设定的频率点时，同时测量当前的频率变化率。根据频率变化率大小来决定切负荷量，频率变化越高，切除的负荷就越多。通常，频率变化率的测量点选择在继电器动作的首轮频率设定点，其后继电器动作的整定与传统法相同。这种动态低频减载方案虽然比传统的静态减载方案有所改善，但优势不明显，在严重故障时，动作曲线与静止方式基本相同[5]。对于如何探索一种更好的动态算法，很多专家和学者正在研究。

高频切机和低频减载是在故障发生后保护电网安全的最后一道屏障和措施，在那之前电网还有设定的各套保护装置和稳控系统等一系列措施保护电网的安全和稳定。

给出一个青海玉树330KV在线路发生故障，与主系统分隔开，成为一个孤网运行后的频率变化仿真计算过程，便于大家对大电网甩至孤网运行过程的频率变化过程有一个粗略的了解[1]。

由于玉树电网是一个受电系统，所以在故障发生的第一时刻，切荷率越高，频率的首潜量越大，我们看到在切荷率90%的情况下，是有可能出现4Hz的巨大偏差的。

3 孤网运行对秦山320MW機组的影响

当顺利由大电网甩至了孤网运行后，则根据秦山320MW的自身特点，需要考虑如下的影响：

3.1 DEH自身设计特点对孤网运行的影响

秦山320MW机组带在带小系统孤网运行过程中，若此时主变母线侧2001M开关、主变2001B开关未自动断开，则汽机DEH-IIIA系统将继续保持负荷控制状态，不能自动或手动切至转速控制，以维持机组3000rpm的正常运行转速。我厂DEH-IIIA的一次调频功能自运行以来从未投入，且其设计死区较大（±1.5Hz），带小系统运行期间无法通过该功能有效调节汽机转速，此时只能在负荷控制模式下增减汽机功率来调节汽机有效转速。

秦山320MW机组平时在大电网运行时，只充当了一个稳定的恒功率电源，±1.5Hz的一次调频死区也保证了我们基本不会参与一次调频，但如果进入孤网运行模式后，我们320MW机组有可能会成为孤网上一个很大的影响孤网频率的因素，此时如何通过手动的增减负荷来保证电网频率和汽轮机有效转速成为一个需要考虑的问题。

3.2 秦山320Mw机组对发电机频率、电压异常的规定

《1#发电机主变压器运行规程》6.2章节中对对秦山320MW机组的发电机的电压、频率异常有如下规定：

3.2.1 对频率的规定：

（1）发电机频率超过50±0.2Hz，总持续时间不得超过30分钟，超过50±0.5Hz，总持续时间不得超过15分钟。在任何情况下，发电机频率不允许超过50±3Hz。

（2）当发电机频率超过50.2Hz时，汇报省调，根据省调值班调度员的指令降低发电机的出力，最低可至发电机最低技术允许出力。

（3）当发电机频率超过50.5Hz时，立即降低发电机出力至最低技术出力，并汇报省调。

（4）当发电机频率低于49.8Hz时，汇报省调，根据省调值班调度员的指令增加发电机的出力，最高可至发电机满载。

（5）当发电机频率低于49.5Hz且有继续下降趋势或低于49.8Hz持续时间30分钟以上时，汇报省调，根据省调值班调度员的指令增加发电机的出力，最高可至发电机满载。

（6）当发电机频率在49Hz～48.5Hz时，超过5分钟频率无回升趋势时，汇报省调要求断开2001M，与电网解列。

（7）当发电机频率低于48.5Hz时，立即手动断开2001M，与电网解列，发电机带厂用电运行。汇报省调。

3.2.2 对电压的规定：

（1）依据省调下发的本厂220KV母线电压控制值要求，确定发电机电压允许偏差范围。

（2）当发电机电压降低至额定电压的90～95%时，允许运行时间30分钟

（3）当发电机电压降低至发电机额定电压80～90%时，允许运行时间5～10分钟。

（4）当发电机电压低于发电机额定电压80%时，立即手动断开2001M，与电网解列，发电机带厂用电运行，并汇报省调。

（5）当发电机电压高于允许范围偏差范围上限时，可减少发电机励磁电流，降低发电机无功功率（但不允许进相运行），同时汇报省调。

（6）当发电机电压高于额定电压的10%时，立即减少发电机励磁电流，降低发电机无功功率（但不允许进相运行），同时汇报省调。必要时汇报华东网调协助调整，直至恢复到允许偏差范围内。

上述描述是秦山320MW机组运行规程中对发电机频率和电压的要求。在孤网运行时如果按照规程逐条进行严格执行，会存在一些问题。比如（1）中规定发电机在任何情况下频率不允许超过50±3Hz，而通过对玉树电网的仿真我们可以看到孤网运行的最初几十秒内，在切荷率过小的情况下，最低频率偏差达到了-4Hz，因此是可能存在频率低于47Hz的情况的，此时若严格按照规程解列停机则有可能会造成整个孤网的崩溃。在（3）中当频率高于50.5Hz时，需要秦山320MW机组立即降至最低技术出力，如果秦山320MW机组在孤网中承担很大的负荷比重，这么做会直接导致电网频率降至过低，因此此条不建议直接降至最低技术出力，而应该根据当时电网的频率手动调节。孤网运行时电网的电压可以通过投切电网内的低压电容来保持稳定，因此电压不会有太大影响，可以参照规程执行。

3.3 核岛侧对频率控制的限制

在孤网运行时，核电机组与常规的火电汽轮机组也有不同。由于核电机组核岛一次侧的特殊性：通过控制堆芯的平均温度（反应堆功率），来实现反应堆功率的自动控制；通过调节硼浓度来实现所需要的功率分布；但由于硼浓度变化的反应性效应很慢，且化容系统的反应堆冷却机上充最大流量限制了硼稀释的速率，尤其在高燃耗，硼浓度很低的寿期末更加限制了功率的提升速度；由于控制棒插入深度的限制，也同样制约了功率迅速提升的能力[6]。秦山320MW机组的这些特殊性，在孤网运行参与电网频率和负荷的调节的过程中都需要考虑到，核电机组因其自身的特殊性，无法在短时间内做到大范围的快速的改变机组的负荷。

4 孤网运行时对秦山320MW机组的建议

4.1 对机组安全的建议

若大电网运行甩至孤网运行过程中出现反应堆停堆或者反应堆需要停堆的情况，立即遵照《停堆与安注》等应急响应规程，确保机组安全停堆。孤网运行期间，需要保证厂用电的安全性和可靠性：

4.1.1 若出现孤网运行频率无法稳定存在崩溃风险时，立即手动分开2001M开关，转入机组单独带厂用电的孤岛运行模式。

4.1.2 孤网运行期间，验证3台EDG的可运行性。

4.2 孤网运行下对规程中频率和电压的建议：

（1）在秦山320MW机组刚由大电网运行转至孤网运行的前30秒内，若频率出现50±3Hz的偏差，不建议解列停机，主要是为了躲过孤网运行最初存在的那个较大的频率下潜量，30秒内的低频率运行也不至于会损坏发电机和汽轮机。

（2）对于规程中规定的有关减小机组至最低技术出力的规定，建议在孤网运行下不采用，机组的负荷应根据实际电网的频率来进行手动调节。

（3）规程中对于电压的规定可以严格参照规程进行执行。

5.3 手动模式下根据频率调节负荷的参考建议：

5 結束语

核电机组在电网的正常运行中，长期处于一个恒功率电源的角色存在，平时大家对核电机组在孤网运行下的关注点讨论的比较少。本文通过分析核电机组自身的特殊性，指出了秦山320MW机组在孤网运行时存在的一些问题和需要关注的要点。对规程中有关频率和电压的规定做了一些修改建议，在满足发电机组自身安全的前提下，保证孤网运行的稳定性。对如何手动增减负荷来达到频率的稳定方面给出了一个参考公式，以便于针对不同的频率偏差给出合适的功率调节量。在实际的电网运行中，核电机组存在着孤网运行的可能性，但由于其自身的一些特殊性，如核岛部分的特殊性和如何保证核安全等，因此还存在着较多需要解决的问题，所以对核电机组孤网运行的研究和探讨具有重要的意义。