海南“大機小網”下核電廠安穩策略研究

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.海南電網公司,海南 海口570203)

在電力系統各種事故時,為了確保廠網安全穩定運行設置了三道防線。第一道防線由電力系統合理的網架結構和運行方式、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中隔離,讓其他健康設備繼續運行。第二道防線由安穩控制主站、控制子站、切負荷子站等控制裝置構成系統。采用切機、切負荷等緊急控制措施,確保電網在發生概率較低的嚴重故障時能繼續保持穩定的運行。第三道防線由失步解列、低頻低壓減載、高周切機等構成。它是當系統發生諸如開關拒動、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定破壞時,通過這些極端緊急安全穩定控制措施防止電力系統崩潰和大面積停電[1]。

安全穩定控制系統 (簡稱安穩系統)是保障電網穩定性、安全性的第二道防線,對于保障電網、核電廠的安全穩定運行具有重要意義。海南電網是典型的 “大機小網”,安穩配置著力解決網內頻率穩定、電廠送出高抗的熱穩定及特殊方式下小干擾的穩定問題[2]。由于核電機組單機容量大、調峰能力差、對外部電網依賴度高[3-4],這就使得在制定核電機組安穩策略時必須嚴密,兼顧電網的穩定,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,深入分析安穩系統在核電廠的實際運行管理情況和功能需求,完善基于電網第二道防線要求的核電廠安穩策略功能配置和機組風險控制,對于增強完善廠網調度運行管理很有必要。

1 地區電網穩定性分析

1.1 核電廠接入系統

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220 k V主網,每條出線設計輸出容量為720 MW,具體如圖1所示。

1.2 核電廠接入系統的穩定性分析

昌江核電廠接入的海南電網,其屬于海島型電網,負荷規模較小。截至2016年,海南電網統調裝機容量為751.4萬k W[3],目前,海南電網已形成環繞全島的雙環目字型的220 k V網架結構,并通過一回交流500 k V海底電纜 (額定容量60萬k W)與南方電網主網進行聯接。在核電機組投運后,單機容量約為海南電網統調負荷的13%,“大機小網”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、穩定和控制措施等相關情況,按聯網和孤網運行方式對核電廠接入系統的穩定性分析分述如表1和表2所示。

圖1 昌江核電廠接入海南電網示意圖Fig.1 Schematic of Changjiang nuclear power plant access to Hainan power grid

表1 聯網方式下核電機組及出線路故障時的穩定措施Table 1 Stability of the nuclear power unit and the failure of the outgoing line in the network mode

表2 孤網方式下核電機組及出線路故障時的穩定措施Table 2 Stability of the nuclear power unit and the failure of the outgoing line without the network mode

2 安穩系統策略功能及配置

2.1 安穩控制策略的設置原則

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

2)核電廠安穩控制系統是整個海南電網分區分層式安全穩定緊急控制系統 (第二道防線)一個區域部分,其設置的主要原則應與海南電網其他區域安全穩定控制系統相協調。

3)海南電網嚴重故障時安穩系統應優先考慮切機措施,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)海南電網由于電網小,在切機的同時為防止電網頻率崩潰,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年海南電網系統的負荷規模,小負荷方式下發生嚴重故障后,如果切除機組容量過大將導致全網頻率偏低,低頻減載裝置動作,損失大量負荷;因此,制定穩控措施應充分考慮切除核電機組對系統的影響。

基于以上設置原則,核電廠安穩系統的配置如圖2,作為電力系統安全穩定第二道防線的安穩控制子站,其職能主要是負責收集所在電廠區域電力系統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,下發并執行切機命令,通過切除核電機組來完成指令。

圖2 核電廠地區電網安穩系統配置圖Fig.2 Configuration of the stability system of the power grid at nuclear power plant site

2.2 安穩系統策略表

安穩控制策略是安穩系統的核心,時刻運行在各電廠和變電站的安穩裝置中,不同廠站的安穩策略是不同的。各年網架、潮流水平不同,安穩策略需適時調整,才能適應電網的運行工況。

核電廠安穩系統的設置結合未來在線預決策系統應用需求,實現與在線預決策系統一體化設計,支持在線策略定值計算和下發等功能[4]。通過離線計算得出動作策略表,然后在控制系統上添加在線預決策來實現具體功能,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,來執行相應動作指令。因而,每套安穩裝置的功能及動作策略表、邏輯等必須根據實際的穩定問題及特點進行單獨設計。針對昌江核電廠接入系統的主要穩定問題,安穩裝置的控制策略詳見表3。

系統運行方式 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,同時發送切負荷量信息—突變量啟動 機組跳閘 發送切負荷量信息

表3 昌江核電廠安穩裝置控制策略表Table 3 The control strategy for the stability device of Changjiang nuclear power plant

2.3 安穩控制策略主要判斷邏輯

核電廠安穩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;盡量保持電網完整性,優先切機,避免切線路。因此,安穩控制系統的切機和切線路準確性是控制策略執行的關鍵。基于簡化、優化原則,核電廠安穩控制策略主要判斷邏輯包括線路判投停邏輯、安穩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

核電廠安穩系統主要解決的是暫穩和低頻失穩問題,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可靠性低、電氣量判據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,最大限度避免誤發切機信號,安穩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

根據核電廠接入系統穩定計算結果,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暫態穩定問題,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

安穩裝置線路判過載邏輯可采用線路電流和功率作為主判據。考慮到核電廠主電源接入系統共有四回出線,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防誤判據。

2.3.4 切機方式的選擇

核電機組與電網解列可根據不同故障類型選擇采用跳汽輪機、跳發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電機出口斷路器并滅磁,這種方式相比直接跳發電機出口斷路器并滅磁對發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解列,發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過程,但主冷卻泵壓力,蒸汽發生器的水位和壓力,穩壓器的水位和壓力,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,宜采取安穩裝置直接跳發電機出口斷路器的切機方式。為了降低軸系超速的風險,安穩裝置跳發電機出口斷路器的同時發送切機信號用于啟動滅磁及關閉主汽門。

3 安穩系統運行的風險控制

第二道防線是一個區域性的控制系統,控制策略執行后對電網有一定影響,可能存在一定風險發生。如故障后的頻率穩定、電壓穩定、熱穩定、暫態穩定和動態穩定等問題。核電廠對應的風險控制策略如下:

1)單臺核電機組運行時,安穩裝置的切機功能被閉鎖,但是因其還承擔著監視核電機組故障跳機并向電網發送切負荷信息的重要功能,仍需保證安穩裝置處于投運狀態。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,并應保證安穩裝置投運。為了避免安穩裝置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,根據機組的燃耗和出力大小情況,宜通過切機壓板設定優先被切除的機組。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附近發生系統震蕩時,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,這種情況下失步解列裝置可能將兩臺機組同時切除。考慮到海南電網 “大機小網”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

根據海南電網的實際網架和電源結構,核電廠安穩策略遵循的原則有:簡化優化的原則;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;盡量保持電網完整性,優先切機,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控制系統是基于電網安全穩定第二道防線的要求,是提高廠網安全穩定水平、充分發揮電網經濟效益的重要手段。核電廠安穩裝置主要解決的是區域電網發生暫態失穩、低頻失穩以及熱穩定的問題,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”條件下,核電機組接入的電力系統穩定性較差,因此,需要綜合考慮采取相應措施和策略。昌江核電廠安穩系統正是通過控制策略及邏輯優化很好地解決了以上突出的問題。