某核電基地多機組聯(lián)合開關(guān)站運行控制技術(shù)研究

汪運律,陳富杰,陳子明,李戈超,張曉偉,王東博,郭少杰,李 鑫,趙振華,洪琪旭

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

1 概況

某核電基地500 kV聯(lián)合開關(guān)站接入了二廠、三廠共6臺機組，4回出線，總輸出容量(上網(wǎng))約380萬kW，開關(guān)站第一、二串為不完整串，第三～六串為完整串，第一、二串開關(guān)容量4000 A，第三～六串12個開關(guān)容量2000 A。出線5413線、5414線為4*LGJ-400/35型導(dǎo)線，導(dǎo)線截面積為400 mm2，5415線、5416線各由兩段線路組成，一段為4*LGJ-630/45型導(dǎo)線，導(dǎo)線截面積為630 mm2，另一段為4*AFSZS4 A-400/45型導(dǎo)線，導(dǎo)線截面積為400 mm2。此外，5413和5414線位于同一個同塔雙回路通道中，5415線和5416線則同方家山開關(guān)站至海寧的5410線位于同塔三回線路通道中。根據(jù)國家電網(wǎng)華東電力調(diào)控分中心文件《關(guān)于方家山送出線路工程投產(chǎn)后某核電基地聯(lián)合開關(guān)站穩(wěn)定控制要求》，這四回出線線路長期載流能力為2000 A，短時為2930 A(30 min)，四回出線線路的最大通流容量為2280 MW(P=500×2930×1.732×0.9=228萬kW)。

2 問題癥結(jié)分析

根據(jù)穩(wěn)定限額要求，正常運行方式下，開關(guān)站四回出線潮流小于400萬kW，大于聯(lián)合開關(guān)站的最大輸出容量380萬kW，因此正常方式下該穩(wěn)定限額對于聯(lián)合開關(guān)站的運行沒有影響。造成出力受限問題主要是由于重要一次設(shè)備檢修引起的穩(wěn)定限額，這包括：

2.1 母線檢修工況

任一母線檢修時，要求聯(lián)合開關(guān)站四回出線潮流不大于310萬kW，秦喬5413、5414雙線和秦由5415、秦拳5416雙線潮流均不大于200萬kW。

2.2 開關(guān)檢修工況

任一回線路相鄰的邊開關(guān)或中開關(guān)檢修時，要求聯(lián)合開關(guān)站的四回出線潮流不大于310萬kW，相應(yīng)線路所在雙回線路潮流不大于200萬kW。

2.3 線路檢修工況

任一回線路檢修且保持另外三個回路完整串開關(guān)閉環(huán)運行時，聯(lián)合開關(guān)站穩(wěn)定限額為228萬kW。

2.4 任一回線檢修且同桿雙回線中另一串內(nèi)開關(guān)停運工況

在停運開關(guān)與檢修線路的同桿線路相鄰時，要求聯(lián)合開關(guān)站剩下三回線路潮流不大于155萬kW；非相鄰時，三線潮流不大于215萬kW。

2.5 問題總結(jié)

上述四種工況，每個換料大修均需檢修線路、主變，頻度高，主變檢修會引起開關(guān)停役，故主要窩電現(xiàn)象在線路檢修和開關(guān)檢修中。線路檢修時接入機組總發(fā)電容量不大于228萬kW，即使線路同串機組陪停，檢修期間仍需降出力92萬kW。開關(guān)站四回出線年度停役均超30 d，2010—2013年四年內(nèi)最短31 d，最長58 d，平均每年45 d，若按穩(wěn)定限額要求，降功率92萬kW計算，線路檢修每年平均窩電9.936億kW·h，另，因主變檢修引起的主變兩側(cè)開關(guān)停役時，四線潮流需小于等于310萬kW，考慮二廠兩臺主變檢修(三廠大修無影響，停一臺70萬kW)，機組還需降功率10萬kW，檢修窗口按至少7 d考慮，每年平均窩電0.336億kW·h，每年總計窩電約10.272億kW·h[1]。因此，急需針對上述問題研究對策，實現(xiàn)開關(guān)站外送能力提升或降低接入發(fā)電容量的改進優(yōu)化方案。

3 方案研發(fā)與對比

針對線路檢修、開關(guān)檢修、母線檢修、任一回線檢修且同桿雙回中另一串內(nèi)開關(guān)停運引起限額的四個根本問題，研發(fā)出六種解決方案，并進行對比分析，選擇最優(yōu)方案。

3.1 方案1：聯(lián)合開關(guān)站增加補充跳機裝置

在500 kV聯(lián)合開關(guān)站增加補充跳機裝置，其功能在于檢測四條線路功率，在線路檢修期間，如發(fā)現(xiàn)線路故障跳閘，立即啟動控制策略選擇性切除運行機組，保證線路不超限。因此在安裝補充跳機裝置后，可較為徹底地解決聯(lián)合開關(guān)站送出受限問題。導(dǎo)致聯(lián)合開關(guān)站送出受限主要原因是線路檢修，補充跳機裝置切機策略由常規(guī)島發(fā)變組保護裝置實現(xiàn)，汽輪機跳閘出口方式是發(fā)變組保護設(shè)計已有動作方式，信號發(fā)送到汽輪機保護系統(tǒng)，動作于關(guān)閉汽輪機主汽門，調(diào)門，再熱主汽門，再熱調(diào)門，迅速將沖動汽源切除，隨后發(fā)電機正向低功率保護動作跳開發(fā)電機出口斷路器，實現(xiàn)發(fā)電機與電網(wǎng)分離。上述動作均為汽輪發(fā)電機組設(shè)計能夠承受瞬態(tài)，其動作不會對常規(guī)島汽輪發(fā)電機組等重大設(shè)備造成損壞[2]。而甩孤島運行方式即滿功率直接跳主變高壓側(cè)斷路器，與電網(wǎng)解列，發(fā)電機帶廠用電運行，此方式解列速度快且可不停機停堆等待并網(wǎng)，一旦電網(wǎng)允許即可并網(wǎng)，經(jīng)濟損失小，本方案可行。

3.2 方案2：對500 kV 5413/5414出線進行擴容

因5413/5414線路輸送容量低，如適當(dāng)擴容，可大大提升開關(guān)站外送能力，從根本上解決問題。但更換導(dǎo)線也面臨問題：如更換為630 mm2導(dǎo)線，必須更換塔基，工程量、施工周期和費用巨大，還牽涉兩條線全停窗口約40 d，故不考慮此方案；如更換為400 mm2導(dǎo)線，不必全部更換塔基，相應(yīng)工程量、施工周期和工程費用稍小，但因更換導(dǎo)線需重新對通道內(nèi)所有桿塔進行校核計算，施工周期約30 d，工程量較大。5413/5414線施工期間，考慮開關(guān)站安排1臺機組陪停，剩余單回線路將承擔(dān)320萬kW送出需求。5415/5416線載流量達340萬kW，線路本身滿足送出需求。5415/5416線中開關(guān)潮流達188萬kW，在額定容量155萬kW控制下，開關(guān)將過載，機組仍需降低33萬kW，也存在一定窩電現(xiàn)象，本方案不可行。

3.3 方案3：沿海堤新建外送線路通道

500 kV洪明變位于海鹽縣西塘橋境內(nèi)，其有預(yù)留間隔，距某核電基地核電約19 km。某核電基地開關(guān)站內(nèi)第1、2串為不完整串，增加開關(guān)可滿足新接入1～2條線路。正常運行時，某核電基地—洪明新增線路兩側(cè)開關(guān)斷開，僅作備用線，在開關(guān)站線路檢修時投運。但該方案不足：1)參考華東電網(wǎng)2015年網(wǎng)架規(guī)劃方案，在1回線路檢修，同時陪停1臺機組時，新增線路將導(dǎo)致某核電基地周邊電網(wǎng)短路電流水平大大提高，需考慮在500 kV電網(wǎng)采取一定控制短路電流措施;2)開辟新走廊直接投資成本高，嘉興地區(qū)新建500 kV線路成本超1000萬/km。綜上所述，本方案不可行。

3.4 方案4：5422線改接至方家山開關(guān)站

在正常方式下，方家山開關(guān)站只兩臺百萬機組，可再接入1臺72萬kW機組，仍有一定外送裕度；而在1回線檢修時安排一臺機組陪停，其外送能力為228萬kW，方家山開關(guān)站不存在窩電問題?？紤]1臺72萬kW機組遷出后，可大大減少線路檢修時窩電量，但在5413/5414單線運行時(考慮機組陪停)，剩下4臺機組出力約250萬kW，按228萬kW限額考慮，仍需降出力22萬kW。將1臺機改接入方家山開關(guān)站，可考慮將其接入原來的第2個不完整串，使其與王店線路形成一個完整串；也可考慮在西側(cè)再擴建半串接入，本方案技術(shù)可行，但投入較多。

3.5 方案5：兩個聯(lián)合開關(guān)站間加裝聯(lián)絡(luò)線

某核電基地聯(lián)合開關(guān)站第1串新增一個開關(guān)，在另一開關(guān)站第2串新增一個開關(guān)，使兩個開關(guān)站間增加一條檢修方式備用聯(lián)絡(luò)線，正常運行時，保持現(xiàn)有運行方式，一旦線路檢修等影響穩(wěn)定限額，再考慮靈活連接。新增設(shè)備在兩個開關(guān)站的安裝空間、場地滿足要求。在正常運行方式下，兩聯(lián)合開關(guān)站均獨立運行，該聯(lián)絡(luò)線退出，本方案技術(shù)可行，但投入較多。

3.6 方案6：5422線改接至一廠220 kV升壓站

類似于方案4，將三廠1臺機組改接至一廠220 kV升壓站，目前220 kV升壓站僅可滿足當(dāng)前30萬kW機組送出需求。如改接，需增加兩回出線，這將大大提高220 kV周邊電網(wǎng)短路電流水平，需對規(guī)劃網(wǎng)架進行較大調(diào)整，并需落實新增線路通道、對側(cè)站點間隔及新增變壓器、斷路器、出線等設(shè)備，投資費用較高，且存在一定水平窩電，故本方案不可行。

通過上述六個方案可行性、經(jīng)濟性、工作量等多角度對比，最終選出最優(yōu)方案——某核電基地聯(lián)合開關(guān)站增加補充跳機裝置。除該方案外，其他方案都需花費上千萬元的年費用，且無法徹底解決窩電問題，而該方案總投入費用最低，且實施后不存在窩電現(xiàn)象。

4 500 kV聯(lián)合開關(guān)站補充跳機裝置研發(fā)設(shè)計

4.1 補充跳機裝置研發(fā)

補充跳機裝置設(shè)在聯(lián)合開關(guān)站，距某核電基地四臺機均不到500 m，補充跳機裝置的出口跳閘信號可直接通過電纜送至發(fā)變組保護間，裝置距三廠兩臺機組約3 km，需翻越太妃山，無法通過電纜直接接入三廠發(fā)變組保護，故在三廠安裝一套從柜，主柜和從柜間通過專用光纖連接，光纖抗干擾性能較好，可有效防止誤動。補充路機裝置配置示意圖見圖1。

圖1 補充跳機裝置配置示意圖Fig.1 Schematic of the supplementary tripping device configuration

4.2 補充跳機裝置策略研發(fā)

按《電網(wǎng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求，研發(fā)設(shè)計出某核電基地聯(lián)合開關(guān)站限額運行應(yīng)對策略運行方式與定值對照表，實現(xiàn)在線路、開關(guān)或母線停運期間，發(fā)生線路故障跳閘時，立即啟動相應(yīng)跳機策略，保證剩余線路不超限，滿足安全穩(wěn)定導(dǎo)則的要求[3]。策略表(見表1)包括：1)全跳功能壓板對應(yīng)策略表；2)選跳功能壓板對應(yīng)策略表；3)某核電基地-喬司、某核電基地-由拳任一線路檢修方式下，某核電基地聯(lián)合開關(guān)站內(nèi)開關(guān)停役控制定值表；4)正常方式下，某核電基地聯(lián)合開關(guān)站內(nèi)開關(guān)停役控制定值表；5)500 kV聯(lián)合開關(guān)站任一母線停役控制定值表。

4.3 切機方式設(shè)計

核電機組與電網(wǎng)解列可據(jù)不同故障類型采用跳汽機、跳發(fā)電機出口斷路器并滅磁，見圖2、圖3。跳汽輪機和正常停機邏輯一致，先關(guān)閉主汽門，待正向低功率保護動作后再跳開發(fā)電機出口斷路器滅磁，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，如此不會造成主變停役，可保證核電基地外部主電源完整；甩孤島運行即滿功率直接跳主變高壓側(cè)斷路器與電網(wǎng)解列，發(fā)電機帶廠用電運行，這種方式解列速度快且可以不停機不停堆等待并網(wǎng)，一旦電網(wǎng)允許即可并網(wǎng)，經(jīng)濟損失小。補充跳機裝置檢測四條線路的電流、電壓，采用全跳(跳主變高壓側(cè)開關(guān))和選跳(跳汽機)兩種方式。切機跳閘信號接口保留在發(fā)變組保護屏，接口簡單。切機跳閘信號與發(fā)變組保護的跳機輸出接點相并接后，啟動緊急停機邏輯。

圖2 汽輪機跳閘方式示意圖Fig.2 Schematic of the turbine trip mode

圖3 主變高壓側(cè)斷路器跳閘方式示意圖Fig.3 Schematic of the circuit breaker trip modeon the high voltage side of the main transformer

4.4 切機原則設(shè)計

核電基地一般雙機配置，每個生產(chǎn)單元配置兩臺機組，一旦一個單元的兩臺機同時切掉，將給操縱員帶來較大壓力，也不利于核安全。因此某核電基地核電補充跳機裝置第一個切機原則即一個機組單元一臺機參與切機。某核電基地聯(lián)合開關(guān)站接入的六臺機組分成三個生產(chǎn)單元，補充跳機裝置投跳時每個生產(chǎn)單元盡可能僅一臺機組被允切。與壓水堆自身特點有關(guān)，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，故允切機組選擇時需考慮。允切機組考慮線路跳閘帶掉運行機組的情況，如Ⅱ母停役時喬司方向雙線跳閘則某核電基地1號機組被自動甩孤島運行，此時1號機組不再允許切機，因為如再切會造成機組失去一路主電源不利于核安全。補充跳機裝置充分考慮了安全因素，同時可有效減少核電機組運行瞬態(tài)，提高核電機組的經(jīng)濟性和安全穩(wěn)定性。

4.5 運行管理模式設(shè)計

正常運行時四回線路運行，聯(lián)合開關(guān)站出力不受限，無需投入裝置，所有的跳閘壓板退出，裝置投信號。當(dāng)“機組+線路檢修”時，投入兩臺機組的壓板，滿足在《電網(wǎng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》對核電機組安全送出的需要。當(dāng)一回線路故障檢修，其他機組正常并網(wǎng)情況下，投入3臺機組的壓板，可保持六臺機組的功率安全穩(wěn)定送出，又能滿足《電網(wǎng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》的要求。當(dāng)母線、開關(guān)停役時，根據(jù)不同的工況和機組功率水平投入相應(yīng)數(shù)量的機組。

4.6 防拒動與防誤動設(shè)計

500 kV開關(guān)站補充跳機裝置控制主站雙機配置，并列運行，兩套裝置軟硬件上獨立A/B列雙冗余配置，功能完全相同，兩套裝置間完全獨立，互不通訊[4]。各執(zhí)行站也單獨配置，獨立判斷、執(zhí)行和出口，兩套裝置只要有一套正常即可實現(xiàn)切機。每列裝置配備兩個大功率繼電器，按照“二取二”的邏輯配置，即一套裝置的兩組出口接點串聯(lián)后送至發(fā)變組保護，避免單一元件故障及電纜信號干擾觸發(fā)保護誤動[5]，提高裝置的可靠性，類似的設(shè)計在核電基地也多有應(yīng)用。

5 500 kV聯(lián)合開關(guān)站補充跳機裝置分析論證

5.1 補充跳機裝置可行性

補充跳機裝置設(shè)計的切機方式對于機組影響，就安全分析而言等同于汽輪機故障停運瞬態(tài)事件，在最終安全分析報告中已經(jīng)對該瞬態(tài)進行了計算分析，分析結(jié)果沒有超出設(shè)計允許的限值。常規(guī)島設(shè)計中補充跳機裝置切機策略由常規(guī)島發(fā)變組保護裝置實現(xiàn)，汽輪機跳閘方式出口是發(fā)變組保護設(shè)計已有動作方式，信號發(fā)送到汽輪機保護系統(tǒng)，動作于關(guān)閉汽輪機主汽門，調(diào)門，再熱主汽門，再熱調(diào)門，迅速將沖動汽源切除，隨后發(fā)電機正向低功率保護動作跳開發(fā)電機出口斷路器，實現(xiàn)發(fā)電機與電網(wǎng)的分離。上述動作均為汽輪發(fā)電機組設(shè)計能夠承受的瞬態(tài)，其動作不會對常規(guī)島汽輪發(fā)電機組等重大設(shè)備造成損壞。從汽輪機本身分析認(rèn)為汽輪機跳閘是設(shè)計過程中已經(jīng)預(yù)先設(shè)計考慮過的故障，相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計能夠保證這種瞬態(tài)下的安全。汽輪機故障或事故停運作為中等頻率設(shè)計瞬態(tài)，在機組調(diào)試期間已經(jīng)通過瞬態(tài)試驗(停機不停堆試驗)得到驗證，試驗結(jié)果表明：在該設(shè)計瞬態(tài)下，依靠機組現(xiàn)有配置能夠?qū)C組帶到安全穩(wěn)定運行工況，正常停機過程也多次驗證了這種設(shè)計的安全性。同樣，跳主變高壓側(cè)開關(guān)出口方式，甩機組至孤島運行，也為核電基地設(shè)計允許方式，相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計也能夠保證這種瞬態(tài)下的安全。

5.2 補充跳機裝置的必要性

設(shè)備預(yù)防性檢修每年造成的電力損失巨大，還有開關(guān)站GIS設(shè)備十二年檢，將占用較長的停電窗口；電力系統(tǒng)安全與核電基地的安全是一致的，兩者安全均需保證；某核電基地為18個月?lián)Q料方式，即每1.5年要進行停堆換料，如線路檢修時機組陪停將會造成棄料。

5.3 補充跳機裝置的可靠性

針對同桿雙回線路故障的概率上限為5.45×10-8；且裝置采用雙重化冗余配置、大功率重動繼電器、每臺裝置設(shè)計“二取二”邏輯、設(shè)置多重壓板、異常自檢功能等，詳見圖4。

圖4 補充跳機裝置配置邏輯圖Fig.4 The configuration logic of the supplementary tripping device

5.4 補充跳機裝置暫態(tài)穩(wěn)定性

根據(jù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則中標(biāo)準(zhǔn)，對開關(guān)站一條出線檢修方式下，同桿并架線路異名兩相永久性跨線故障，即最后一條線路帶6臺機組，重合閘不成功后雙回線三相同時跳開情況進行暫態(tài)穩(wěn)定角度校核，結(jié)果滿足要求(見圖5、圖6)。

圖5 5415或5416單出線帶六臺機組Fig.5 5415 or 5416 single outlet with six units

圖6 5413或5414單出線帶六臺機組Fig.6 5413 or 5414 single outlet with six units

6 500 kV聯(lián)合開關(guān)站補充跳機裝置功能試驗驗證

項目測試組對該項成果進行了硬件功能試驗(開入回路檢查、開出回路檢查、中央信號檢查)和軟件功能試驗(元件投停測試、裝置異常測試、元件跳閘測試、出線全跳功能測試、全跳功能策略表測試、喬司方向選跳功能策略表測試、由拳方向選跳功能策略表測試)等內(nèi)容，通過實驗，測試組認(rèn)為該項成果可根據(jù)限額運行應(yīng)對策略準(zhǔn)確采取相應(yīng)切機措施，可有效解決聯(lián)合開關(guān)站輸送容量受限問題，確保電網(wǎng)安全，避免電廠有功功率震蕩。成果研制過程中遇到的各項問題，經(jīng)多次研究討論不斷改進，最終研發(fā)出與現(xiàn)場匹配的切機策略表，再通過軟件固化到裝置中，實現(xiàn)裝置經(jīng)策略判斷后執(zhí)行相應(yīng)切機動作。成果應(yīng)用后，各項指標(biāo)均符合原設(shè)計要求，在確保核安全和電網(wǎng)安全基礎(chǔ)上，能更好地發(fā)揮核電經(jīng)濟效益。

6.1 硬件功能試驗

包含主機箱開入回路、I/O機箱開入回路、主機箱開出回路、I/O機箱開出回路、中央信號檢查等內(nèi)容，以上試驗結(jié)果均合格。

6.2 軟件功能試驗

包含元件投停、裝置異常、元件跳閘、出線全跳功能、全跳功能策略、喬司方向選跳功能策略、由拳方向選跳功能策略測試等內(nèi)容，以上試驗結(jié)果均合格。

7 結(jié)束語

在現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和保護配置情況下，裝設(shè)補充跳機裝置是提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平、充分發(fā)揮電網(wǎng)經(jīng)濟效益的重要手段。補充跳機裝置在某核電基地投用后，開關(guān)站原定降功率92萬kW計劃不再執(zhí)行，不僅能滿足六臺機組380萬kW輸出容量要求，還解決了電網(wǎng)電力消納和聯(lián)合開關(guān)站輸送容量受限問題，確保了電網(wǎng)安全穩(wěn)定，避免電廠有功功率震蕩，有效降低電網(wǎng)和核電基地安全運行風(fēng)險。由于本項目在國內(nèi)核電基地屬首次自主設(shè)計、管理補充跳機裝置，具有良好社會示范效應(yīng)，隨著出線走廊越發(fā)緊張，以后會有更多的補充跳機裝置應(yīng)用于核電基地，后續(xù)可將研發(fā)出的核電基地補充跳機裝置切機模式和策略的設(shè)計思路、運行模式、成功經(jīng)驗推廣應(yīng)用于出力受限的其他機組，在確保核安全和電網(wǎng)安全的前提下，挖掘現(xiàn)有設(shè)備的潛力，更好的發(fā)揮核電的經(jīng)濟效益。