海南“大機小網(wǎng)”下核電廠安穩(wěn)策略研究

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,廣東 湛江524088;3.海南電網(wǎng)公司,海南 ?？?70203)

在電力系統(tǒng)各種事故時,為了確保廠網(wǎng)安全穩(wěn)定運行設置了三道防線。第一道防線由電力系統(tǒng)合理的網(wǎng)架結構和運行方式、繼電保護和有效的預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,把故障設備從運行電網(wǎng)中隔離,讓其他健康設備繼續(xù)運行。第二道防線由安穩(wěn)控制主站、控制子站、切負荷子站等控制裝置構成系統(tǒng)。采用切機、切負荷等緊急控制措施,確保電網(wǎng)在發(fā)生概率較低的嚴重故障時能繼續(xù)保持穩(wěn)定的運行。第三道防線由失步解列、低頻低壓減載、高周切機等構成。它是當系統(tǒng)發(fā)生諸如開關拒動、多重故障、失去大容量電源等概率較低的極端嚴重故障導致穩(wěn)定破壞時,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,對于保障電網(wǎng)、核電廠的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。海南電網(wǎng)是典型的 “大機小網(wǎng)”,安穩(wěn)配置著力解決網(wǎng)內頻率穩(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]。由于核電機組單機容量大、調峰能力差、對外部電網(wǎng)依賴度高[3-4],這就使得在制定核電機組安穩(wěn)策略時必須嚴密,兼顧電網(wǎng)的穩(wěn)定,同時避免誤切核電機組;切機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)在核電廠的實際運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)策略功能配置和機組風險控制,對于增強完善廠網(wǎng)調度運行管理很有必要。

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2臺650 MW機組,分別于2015年和2016年投產。其主電源升壓站采用3/2接線,共四個完整串。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),每條出線設計輸出容量為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),負荷規(guī)模較小。截至2016年,海南電網(wǎng)統(tǒng)調裝機容量為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)架結構,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)進行聯(lián)接。在核電機組投運后,單機容量約為海南電網(wǎng)統(tǒng)調負荷的13%,“大機小網(wǎng)”問題比較突出。核電機組投運后,綜合分析核電機組運行方式、故障方式、穩(wěn)定和控制措施等相關情況,按聯(lián)網(wǎng)和孤網(wǎng)運行方式對核電廠接入系統(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)方式下核電機組及出線路故障時的穩(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)方式下核電機組及出線路故障時的穩(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)控制策略的設置原則

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

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

3)海南電網(wǎng)嚴重故障時安穩(wěn)系統(tǒng)應優(yōu)先考慮切機措施,然后再考慮切負荷措施;切機切負荷要切足,可考慮過切以保持系統(tǒng)的完整性;切負荷宜采用分散切負荷方式。不得已時才考慮解列措施,解列時應盡量確保只解一個斷面。

4)海南電網(wǎng)由于電網(wǎng)小,在切機的同時為防止電網(wǎng)頻率崩潰,必須選擇通道簡單易行的地方集中切負荷;當集中切負荷時,為避免機組高周保護動作,必須采取切除相應機組加以配合。

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

基于以上設置原則,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,其職能主要是負責收集所在電廠區(qū)域電力系統(tǒng)的運行狀況和故障信息并上傳到主站,接收主站的切機命令,下發(fā)并執(zhí)行切機命令,通過切除核電機組來完成指令。

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,時刻運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)策略需適時調整,才能適應電網(wǎng)的運行工況。

核電廠安穩(wěn)系統(tǒng)的設置結合未來在線預決策系統(tǒng)應用需求,實現(xiàn)與在線預決策系統(tǒng)一體化設計,支持在線策略定值計算和下發(fā)等功能[4]。通過離線計算得出動作策略表,然后在控制系統(tǒng)上添加在線預決策來實現(xiàn)具體功能,即通過判斷機組和線路運行方式與預先計算的策略表相吻合,來執(zhí)行相應動作指令。因而,每套安穩(wěn)裝置的功能及動作策略表、邏輯等必須根據(jù)實際的穩(wěn)定問題及特點進行單獨設計。針對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)運行方式 起動條件 故障元件 出口命令/控制對象雙機運行 過載啟動 4回送出線路中I≥I set且t≥T set按照切機序列切除一臺核電機組,同時發(fā)送切負荷量信息雙機運行 突變量啟動 4回送出線路中3回線路跳閘 按照切機序列切除一臺核電機組,同時發(fā)送切負荷量信息雙機運行,出線N-1 突變量啟動 4回送出線路中2回線路跳閘 按照切機序列切除一臺核電機組,同時發(fā)送切負荷量信息雙機運行,出線N-2 突變量啟動 4回送出線路中1回線路跳閘 按照切機序列切除一臺核電機組,同時發(fā)送切負荷量信息—突變量啟動 機組跳閘 發(fā)送切負荷量信息

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:盡量兼顧事故后運行方式調整、設備安全和核電廠切機不失去廠外電源;盡量保持電網(wǎng)完整性,優(yōu)先切機,避免切線路。因此,安穩(wěn)控制系統(tǒng)的切機和切線路準確性是控制策略執(zhí)行的關鍵。基于簡化、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)切機邏輯和線路過載切機邏輯、切機方式的選擇。

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,如采用手動判方式不能確保及時性,因此,采用 “自動判+雙側綜合判斷方式”,這一判斷邏輯克服了開關量判據(jù)可靠性低、電氣量判據(jù)線路電流較低時無法有效判斷的缺點。另外,為了提高運行可靠性,最大限度避免誤發(fā)切機信號,安穩(wěn)裝置線路跳閘切機邏輯中設置了斷面功率不低于設定限值閉鎖條件。

2.3.2 線路跳閘的切機邏輯

根據(jù)核電廠接入系統(tǒng)穩(wěn)定計算結果,只有在核電廠兩臺機組同時運行時線路故障才有可能引起電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定問題,需要采取切機策略。因此,在線路跳閘切機邏輯中增設了核電機組雙機運行閉鎖條件;而當核電廠單機組運行時,安穩(wěn)裝置的切機功能將被自動閉鎖,從而有效降低了誤切機組的可能性。

2.3.3 線路過載切機邏輯

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)。考慮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核電機組額定輸出功率,發(fā)生線路過載的可能性較低。為了避免裝置誤動,除增加了核電機組雙機運行閉鎖條件外,還設置了其他非過載線路中至少兩回處于停運或潮流低狀態(tài)防誤判據(jù)。

2.3.4 切機方式的選擇

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

甩孤島運行即在滿功率運行直接跳主變高側斷路器與電網(wǎng)解列,發(fā)電機帶機組廠用電運行,這種方式解列速度快且可以不停機停堆,但是存在一定的風險。機組在高功率穩(wěn)定運行時,主變高側斷路器跳閘,機組瞬間只剩下廠用電負荷,機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行突然甩孤島過程中會有巨大的波動,一旦水位波動超出設計限值將觸發(fā)反應堆自動停堆[5]。

基于電廠安全和事故反應迅速考慮,宜采取安穩(wěn)裝置直接跳發(fā)電機出口斷路器的切機方式。為了降低軸系超速的風險,安穩(wěn)裝置跳發(fā)電機出口斷路器的同時發(fā)送切機信號用于啟動滅磁及關閉主汽門。

3 安穩(wěn)系統(tǒng)運行的風險控制

第二道防線是一個區(qū)域性的控制系統(tǒng),控制策略執(zhí)行后對電網(wǎng)有一定影響,可能存在一定風險發(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)定和動態(tài)穩(wěn)定等問題。核電廠對應的風險控制策略如下:

1)單臺核電機組運行時,安穩(wěn)裝置的切機功能被閉鎖,但是因其還承擔著監(jiān)視核電機組故障跳機并向電網(wǎng)發(fā)送切負荷信息的重要功能,仍需保證安穩(wěn)裝置處于投運狀態(tài)。此時核電220 k V出線允許安排停役檢修,但應避免同時安排兩條或兩條以上出線同時檢修。否則,考慮線路發(fā)生N-1-0.5故障時,單臺機組可能面臨失步震蕩的風險,此時應將失步解列裝置投入運行。

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

3)當核電主電源接入系統(tǒng)附近發(fā)生系統(tǒng)震蕩時,兩臺核電機組的接入點處于同一地點,并且可能同時進入失步震蕩狀態(tài),這種情況下失步解列裝置可能將兩臺機組同時切除?？紤]到海南電網(wǎng) “大機小網(wǎng)”的問題,同時失去兩臺運行機組后果非常嚴重,因此,當兩天核電機組運行時,應將失步解列裝置退出。

4 結束語

根據(jù)海南電網(wǎng)的實際網(wǎng)架和電源結構,核電廠安穩(wěn)策略遵循的原則有:簡化優(yōu)化的原則;盡量兼顧事故后運行方式調整、設備安全和核電廠切機不失去廠外電源;盡量保持電網(wǎng)完整性,優(yōu)先切機,避免切線路;盡量就地切機,先切水電、火電,后切氣電、核電。

昌江核電廠裝設安穩(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)經濟效益的重要手段。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,但同時也可能引起切除大量負荷造成電力安全事故,特別是在海南 “大機小網(wǎng)”條件下,核電機組接入的電力系統(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。