陈本林,吴云龙,王康安,刘志鹏,曾利民,常 野,李德佳

(1.海南核电有限公司,海南 昌江572733;2.广东海洋大学,广东 湛江524088;3.海南电网公司,海南 海口570203)

在电力系统各种事故时,为了确保厂网安全稳定运行设置了三道防线。第一道防线由电力系统合理的网架结构和运行方式、继电保护和有效的预防性控制措施等组成。它主要是通过快速有选择性的切除故障,把故障设备从运行电网中隔离,让其他健康设备继续运行。第二道防线由安稳控制主站、控制子站、切负荷子站等控制装置构成系统。采用切机、切负荷等紧急控制措施,确保电网在发生概率较低的严重故障时能继续保持稳定的运行。第三道防线由失步解列、低频低压减载、高周切机等构成。它是当系统发生诸如开关拒动、多重故障、失去大容量电源等概率较低的极端严重故障导致稳定破坏时,通过这些极端紧急安全稳定控制措施防止电力系统崩溃和大面积停电[1]。

安全稳定控制系统 (简称安稳系统)是保障电网稳定性、安全性的第二道防线,对于保障电网、核电厂的安全稳定运行具有重要意义。海南电网是典型的 “大机小网”,安稳配置着力解决网内频率稳定、电厂送出高抗的热稳定及特殊方式下小干扰的稳定问题[2]。由于核电机组单机容量大、调峰能力差、对外部电网依赖度高[3-4],这就使得在制定核电机组安稳策略时必须严密,兼顾电网的稳定,同时避免误切核电机组;切机工况下确保核电厂尽量不失去外部电源。因此,深入分析安稳系统在核电厂的实际运行管理情况和功能需求,完善基于电网第二道防线要求的核电厂安稳策略功能配置和机组风险控制,对于增强完善厂网调度运行管理很有必要。

1 地区电网稳定性分析

1.1 核电厂接入系统

昌江核电厂一期建设2台650 MW机组,分别于2015年和2016年投产。其主电源升压站采用3/2接线,共四个完整串。通过220 k V核李Ⅰ线、核李Ⅱ线、核成Ⅰ线、核成Ⅱ线共四回2出线 (均为同杆双回)接入海南电网220 k V主网,每条出线设计输出容量为720 MW,具体如图1所示。

1.2 核电厂接入系统的稳定性分析

昌江核电厂接入的海南电网,其属于海岛型电网,负荷规模较小。截至2016年,海南电网统调装机容量为751.4万k W[3],目前,海南电网已形成环绕全岛的双环目字型的220 k V网架结构,并通过一回交流500 k V海底电缆 (额定容量60万k W)与南方电网主网进行联接。在核电机组投运后,单机容量约为海南电网统调负荷的13%,“大机小网”问题比较突出。核电机组投运后,综合分析核电机组运行方式、故障方式、稳定和控制措施等相关情况,按联网和孤网运行方式对核电厂接入系统的稳定性分析分述如表1和表2所示。

图1 昌江核电厂接入海南电网示意图Fig.1 Schematic of Changjiang nuclear power plant access to Hainan power grid

表1 联网方式下核电机组及出线路故障时的稳定措施Table 1 Stability of the nuclear power unit and the failure of the outgoing line in the network mode

表2 孤网方式下核电机组及出线路故障时的稳定措施Table 2 Stability of the nuclear power unit and the failure of the outgoing line without the network mode

2 安稳系统策略功能及配置

2.1 安稳控制策略的设置原则

1)海南电网安稳控制系统应建立不同功能不同层次的安稳控制体系,构筑起保证电力系统安全稳定运行的三道防线。安稳控制体系采用分散协调控制的思路进行配置,整定系统化相结合的原则。

2)核电厂安稳控制系统是整个海南电网分区分层式安全稳定紧急控制系统 (第二道防线)一个区域部分,其设置的主要原则应与海南电网其他区域安全稳定控制系统相协调。

3)海南电网严重故障时安稳系统应优先考虑切机措施,然后再考虑切负荷措施;切机切负荷要切足,可考虑过切以保持系统的完整性;切负荷宜采用分散切负荷方式。不得已时才考虑解列措施,解列时应尽量确保只解一个断面。

4)海南电网由于电网小,在切机的同时为防止电网频率崩溃,必须选择通道简单易行的地方集中切负荷;当集中切负荷时,为避免机组高周保护动作,必须采取切除相应机组加以配合。

5)按照2016年海南电网系统的负荷规模,小负荷方式下发生严重故障后,如果切除机组容量过大将导致全网频率偏低,低频减载装置动作,损失大量负荷;因此,制定稳控措施应充分考虑切除核电机组对系统的影响。

基于以上设置原则,核电厂安稳系统的配置如图2,作为电力系统安全稳定第二道防线的安稳控制子站,其职能主要是负责收集所在电厂区域电力系统的运行状况和故障信息并上传到主站,接收主站的切机命令,下发并执行切机命令,通过切除核电机组来完成指令。

图2 核电厂地区电网安稳系统配置图Fig.2 Configuration of the stability system of the power grid at nuclear power plant site

2.2 安稳系统策略表

安稳控制策略是安稳系统的核心,时刻运行在各电厂和变电站的安稳装置中,不同厂站的安稳策略是不同的。各年网架、潮流水平不同,安稳策略需适时调整,才能适应电网的运行工况。

核电厂安稳系统的设置结合未来在线预决策系统应用需求,实现与在线预决策系统一体化设计,支持在线策略定值计算和下发等功能[4]。通过离线计算得出动作策略表,然后在控制系统上添加在线预决策来实现具体功能,即通过判断机组和线路运行方式与预先计算的策略表相吻合,来执行相应动作指令。因而,每套安稳装置的功能及动作策略表、逻辑等必须根据实际的稳定问题及特点进行单独设计。针对昌江核电厂接入系统的主要稳定问题,安稳装置的控制策略详见表3。

系统运行方式 起动条件 故障元件 出口命令/控制对象双机运行 过载启动 4回送出线路中I≥I set且t≥T set按照切机序列切除一台核电机组,同时发送切负荷量信息双机运行 突变量启动 4回送出线路中3回线路跳闸 按照切机序列切除一台核电机组,同时发送切负荷量信息双机运行,出线N-1 突变量启动 4回送出线路中2回线路跳闸 按照切机序列切除一台核电机组,同时发送切负荷量信息双机运行,出线N-2 突变量启动 4回送出线路中1回线路跳闸 按照切机序列切除一台核电机组,同时发送切负荷量信息—突变量启动 机组跳闸 发送切负荷量信息

表3 昌江核电厂安稳装置控制策略表Table 3 The control strategy for the stability device of Changjiang nuclear power plant

2.3 安稳控制策略主要判断逻辑

核电厂安稳策略遵循的几条基本原则有:尽量兼顾事故后运行方式调整、设备安全和核电厂切机不失去厂外电源;尽量保持电网完整性,优先切机,避免切线路。因此,安稳控制系统的切机和切线路准确性是控制策略执行的关键。基于简化、优化原则,核电厂安稳控制策略主要判断逻辑包括线路判投停逻辑、安稳切机逻辑和线路过载切机逻辑、切机方式的选择。

2.3.1 线路判投停的逻辑

核电厂安稳系统主要解决的是暂稳和低频失稳问题,如采用手动判方式不能确保及时性,因此,采用 “自动判+双侧综合判断方式”,这一判断逻辑克服了开关量判据可靠性低、电气量判据线路电流较低时无法有效判断的缺点。另外,为了提高运行可靠性,最大限度避免误发切机信号,安稳装置线路跳闸切机逻辑中设置了断面功率不低于设定限值闭锁条件。

2.3.2 线路跳闸的切机逻辑

根据核电厂接入系统稳定计算结果,只有在核电厂两台机组同时运行时线路故障才有可能引起电网暂态稳定问题,需要采取切机策略。因此,在线路跳闸切机逻辑中增设了核电机组双机运行闭锁条件;而当核电厂单机组运行时,安稳装置的切机功能将被自动闭锁,从而有效降低了误切机组的可能性。

2.3.3 线路过载切机逻辑

安稳装置线路判过载逻辑可采用线路电流和功率作为主判据。考虑到核电厂主电源接入系统共有四回出线,且单回线路输送容量大于单台核电机组额定输出功率,发生线路过载的可能性较低。为了避免装置误动,除增加了核电机组双机运行闭锁条件外,还设置了其他非过载线路中至少两回处于停运或潮流低状态防误判据。

2.3.4 切机方式的选择

核电机组与电网解列可根据不同故障类型选择采用跳汽轮机、跳发电机出口断路器并灭磁或直接甩孤岛运行的方式。其中跳汽轮机和正常停机逻辑一致,先关闭主气门,待正向低功率保护动作后再跳开发电机出口断路器并灭磁,这种方式相比直接跳发电机出口断路器并灭磁对发电机出口断路器损伤小。上述两种方式下均不会造成主变停役,可保证核电厂外部主电源的完整性。

甩孤岛运行即在满功率运行直接跳主变高侧断路器与电网解列,发电机带机组厂用电运行,这种方式解列速度快且可以不停机停堆,但是存在一定的风险。机组在高功率稳定运行时,主变高侧断路器跳闸,机组瞬间只剩下厂用电负荷,机组理论上可以承受这一恶劣的瞬态过程,但主冷却泵压力,蒸汽发生器的水位和压力,稳压器的水位和压力,一回路温度,反应堆控制棒组等难以承受突变量的冲击。如蒸汽发生器水位在高功率运行突然甩孤岛过程中会有巨大的波动,一旦水位波动超出设计限值将触发反应堆自动停堆[5]。

基于电厂安全和事故反应迅速考虑,宜采取安稳装置直接跳发电机出口断路器的切机方式。为了降低轴系超速的风险,安稳装置跳发电机出口断路器的同时发送切机信号用于启动灭磁及关闭主汽门。

3 安稳系统运行的风险控制

第二道防线是一个区域性的控制系统,控制策略执行后对电网有一定影响,可能存在一定风险发生。如故障后的频率稳定、电压稳定、热稳定、暂态稳定和动态稳定等问题。核电厂对应的风险控制策略如下:

1)单台核电机组运行时,安稳装置的切机功能被闭锁,但是因其还承担着监视核电机组故障跳机并向电网发送切负荷信息的重要功能,仍需保证安稳装置处于投运状态。此时核电220 k V出线允许安排停役检修,但应避免同时安排两条或两条以上出线同时检修。否则,考虑线路发生N-1-0.5故障时,单台机组可能面临失步震荡的风险,此时应将失步解列装置投入运行。

2)两台核电机组运行时,正常方式下四回220 k V出线均应处于运行状态,并应保证安稳装置投运。为了避免安稳装置N-1或N-2切机通道开启造成误切机组,这种方式下宜避免安排线路停役检修工作。因核电机组在燃料末期启停较为困难,根据机组的燃耗和出力大小情况,宜通过切机压板设定优先被切除的机组。这是由于压水堆核电站在寿期末停堆可能造成反应堆中毒,不易再次临界,允切机组选择需要考虑到这一情况。

3)当核电主电源接入系统附近发生系统震荡时,两台核电机组的接入点处于同一地点,并且可能同时进入失步震荡状态,这种情况下失步解列装置可能将两台机组同时切除。考虑到海南电网 “大机小网”的问题,同时失去两台运行机组后果非常严重,因此,当两天核电机组运行时,应将失步解列装置退出。

4 结束语

根据海南电网的实际网架和电源结构,核电厂安稳策略遵循的原则有:简化优化的原则;尽量兼顾事故后运行方式调整、设备安全和核电厂切机不失去厂外电源;尽量保持电网完整性,优先切机,避免切线路;尽量就地切机,先切水电、火电,后切气电、核电。

昌江核电厂装设安稳控制系统是基于电网安全稳定第二道防线的要求,是提高厂网安全稳定水平、充分发挥电网经济效益的重要手段。核电厂安稳装置主要解决的是区域电网发生暂态失稳、低频失稳以及热稳定的问题,但同时也可能引起切除大量负荷造成电力安全事故,特别是在海南 “大机小网”条件下,核电机组接入的电力系统稳定性较差,因此,需要综合考虑采取相应措施和策略。昌江核电厂安稳系统正是通过控制策略及逻辑优化很好地解决了以上突出的问题。