核電廠自動電壓控制系統安全控制策略分析

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

為了減少輸電線路輸送有功損耗、提高廠站機組經濟運行能力,減輕運行人員勞動強度,改善地區電網電能質量,越來越多的電廠投運了自動電壓控制(Automatic Voltage Control,以下簡稱AVC)系統,通過AVC系統對電壓和無功進行調節,實現對核電廠電壓和無功的自動控制。

福清核電站AVC系統自2014年9月投入運行以來,曾經由于AVC軟件邏輯不完善、定值設置不合理、通信故障、廠變分接頭位置調整不合理等原因退出運行。以福清核電站AVC系統為例,通過對調試和運行期間AVC系統故障進行分析總結,對核電廠AVC系統采取的運算算法、軟件邏輯、控制調節策略和保護策略等進行分析介紹,為核電機組AVC控制系統的開發、設計和改造提供參考[1]。

1 福清核電站AVC系統的組成

福清核電站AVC系統采用NCS與AVC一體化的模式,不設立單獨的AVC裝置。其中遠動裝置和機組測控裝置為西門子公司生產的AK1703,NCS后臺為南瑞科技的NS2000；NS2000后臺對機組各種參數和約束條件進行分析,計算出各臺機組的無功出力目標值。

圖1 福清核電站AVC系統結構示意圖Fig.1 Fuqing Nuclear Power Plant AVC system structure diagram

福清核電站AVC系統結構如圖1所示，該系統的控制流程如下：

調度中心向遠動裝置下發500 kV母線電壓的控制目標值，遠動裝置以遙調的方式發送至NS2000 NCS監控后臺，NCS監控后臺經過與當前實際機組無功功率進行運算，根據機組的無功調節裕度和系統下發的總無功，按照無功功率合理分配響應策略[2]，將需要增、減磁的調節時間發送給發變組測控裝置，測控單元根據下發值的正負以及大小閉合增磁或者減磁繼電器的接點并發送至分散控制系統(Distributed Control System，以下簡稱DCS)，DCS系統對手動增、減磁命令綜合判別后，向AVR裝置發出調節機組的無功功率信號。

2 福清核電站AVC運算算法介紹

2.1 改進自適應AVC算法原理

與傳統的估測全廠總無功的運算方法不同，福清核電站AVC系統采用改進自適應算法，該算法是首先假定一個系統阻抗，使系統電壓有個微調，然后通過微積分逐次逼近計算出實際的系統阻抗。

2.2 改進自適應AVC算法的實現

根據上述算法為理論基礎，福清核電站改進自適應AVC算法具體實現步驟如下：

(1)確定500 kV側母線無功目標值；

(2)計算當前實際系統阻抗；

(3)無功目標在機組間的分配。

2.2.1 確定 500 kV側母線無功電壓值

設當前500 kV側母線電壓為Ui,母線上所有機組送入系統的總無功為Qi。要求調節的高壓側母線電壓目標值為Uj,需向系統送出的總無功為Qj。系統阻抗用X表示,則機組送入系統的總無功調節目標值為:

(1)

因此,根據Ui,Qi,Uj和X即可確定送入系統的總無功調節目標值Qj,上式中系統阻抗X為待定值。

2.2.2 計算當前實際系統阻抗

在AVC功能的實現上,系統阻抗的確定是一個關鍵。由于在絕大多數時間,從電廠看出去的系統阻抗變化是不大的,因此系統阻抗往往可以優選為一個定值。

系統阻抗計算的公式如下：

(2)

式(2)中,Qk-,Uk-,Qk+,Uk+分別為所有機組第k次無功調整前后輸入系統的總無功和高壓側母線電壓[3]。

算法實現時，連續k次采集母線電壓和機組實發無功，代入式(2)，可得到第k次計算的系統阻抗，然后再進行k+1次的系統阻抗計算。通過逐次逼近，最后可使計算出的阻抗與實際的系統阻抗誤差較小，滿足工程需要。經過工程試驗驗證，一般經過連續6次逼近后，計算得到的系統阻抗基本能滿足工程需要。

2.2.3 無功在機組間的分配

無功在機組間的分配指的是按計算的總無功調節目標值，扣除不可調機組的無功出力，加上機組主變消耗無功及廠用電消耗無功后，將該目標值在所有可調無功出力的機組間進行優化分配[3]。

目前，AVC軟件的無功分配策略主要有相似的功率因數法、與容量成比例法、相似的調整裕度法這幾種方法。其中相似的調整裕度法是以各發電機的無功裕量作為控制對象，可有效避免各機組間出現無功調節不均衡現象。

根據各臺發電機的P/Q功率圓圖，確定當前運行點各發電機無功的上下限，以每臺機組的理想無功運行點為目標，將總目標值與實際總無功的偏差值，以每臺機組的可調無功作為權系數，按各臺機組的無功進行相似調整裕度的調節，實現各臺機組的目標輸出無功保持均衡。另外需注意的是如某臺機組因被閉鎖等原因不滿足調節條件將不參與計算。

如電廠實際無功值小于目標無功值，則需要增加機組無功值，相似調整裕度計算公式如下：

(3)

如電廠實際無功值大于目標無功值，則需要減少機組無功值，相似調整裕度計算公式如下：

(4)

3 福清核電站AVC安全控制策略介紹

整個AVC系統架構按照數據流向從上到下構成主站、中控單元和子站三級控制網絡,結構如圖2所示。

圖2 AVC系統實現結構圖Fig.2 AVC system structure diagram

正常運行時,調度端根據實際的電網電壓降落,給出發核電廠側的電壓目標值,核電廠側NCS系統收到調度端的目標值后，對母線電壓目標值進行判斷處理，計算出電廠向系統輸送的總無功目標值，將其與當前實際的總無功值進行比較，取偏差值。在滿足各種閉鎖約束條件的前提下，對能承擔無功變化的機組進行無功分配，再將分配的無功值按脈沖方式發給DCS系統，或直接發給各機組的AVR裝置，通過改變發電機勵磁調節器AVR的給定值來改變發電機的輸出無功[2]。AVR、DCS和AVC裝置不斷將自身運行狀態、機組有功、無功、廠用電電壓等數值送到AVC服務器，AVC服務器對相應數值進行限值及狀態判斷后，自動將不滿足運行條件的機組退出AVC策略計算，并將機組退出等信號上送調度。

4 福清核電站AVC軟件控制邏輯介紹

4.1 AVC 投退邏輯

當機組出現“發變組保護跳閘”“發電機出口斷路器開關非合位”等信號時將閉鎖AVC系統投入，如圖3所示。

當系統處于自動通道運行，機組沒有觸發上述異常信號，則AVC系統允許投入。AVC系統投入后，當AVC的采樣、通信或者電源模塊等故障時，“AVC故障”信號由常開變為常閉，“AVC允許投入”信號迅速由常閉變為常開，并切換到DCS手動控制方式。正常情況下，DCS也可手動退出AVC，切換到手動控制方式。

圖3 AVC系統投退邏輯Fig.3 AVC system to turn off logic

4.2 AVC與DCS手動增、減磁閉鎖

為了方便實現調節功能的邏輯,AVC自動控制和DCS增、減磁互為閉鎖,明確責任,互不影響。當AVC系統投入運行時,機組增、減磁指令由AVC進行下發調節,運行人員手動增、減磁指令被閉鎖；當AVC由于故障或者人為退出AVC功能后,才允許運行人員手動增、減磁?；ユi邏輯如圖4所示。

圖4 AVC增、減磁與 DCS增、減磁互為閉鎖邏輯 Fig.4 AVC increase, demagnetize and DCS increase, demagnetize mutual lock logic

5 福清核電站AVC典型故障案例

5.1 AVC增、減磁指令同時輸出導致AVC退出運行

5.1.1 故障現象

2017年4月4日01：13時，福清核電站2號機組廠用電壓達到-5%下限閉鎖，AVC 減磁閉鎖情況下，2 號機組AVC發出增磁命令時，DCS閃發“增減磁同時輸出”報警(AVC004KA)，并且機端電壓及廠用電壓降低，其中廠用電壓最低降到6.1 kV(額定值為6.6 kV)，經省調許可后退出2號機組AVC，后查明機組AVC存在設計缺陷，增、減磁繼電器粘連時，無法可靠閉鎖AVC增、減磁輸出，申請退出全站AVC。

5.1.2 原因分析及解決措施

經現場檢查，2號機組AVC減磁繼電器未復歸，持續輸出減磁命令，經分析，AVC增、減磁輸出邏輯存在設計缺陷，在增、減磁繼電器故障粘連或邏輯響應異常導致繼電器無法收到復歸信號而不能正常復歸的情況下，增、減磁閉鎖信號不能可靠地保持住，從而增、減磁命令持續輸出，促使機組電壓異常上升或下降。

由于2號機組AVC減磁出口繼電器持續輸出減磁命令至DCS，通過查詢測控歷史報警信息,出現了“command output busy”，即同一時刻出現了兩個遙控信號。因機組增磁、減磁、增磁閉鎖、減磁閉鎖采用同一塊遙控板卡輸出，現場使用的遙控板卡同一時刻只能輸出一個遙控命令，減磁命令發出后，減磁閉鎖與減磁復歸命令恰巧同時出口，導致減磁復歸命令未輸出，減磁繼電器無法復歸。同時，分析發現AVC增、減磁輸出閉鎖邏輯存在缺陷，減磁繼電器無法復歸時，減磁命令持續輸出，當增磁信號同時存在時可靠閉鎖增減磁輸出，但增磁命令復歸后，閉鎖信號同時復歸，導致減磁命令出口，在增、減磁繼電器粘連情況下無法可靠閉鎖增、減磁命令輸出。

因此,需要優化增、減磁閉鎖邏輯,具體優化邏輯修改見圖 5紅色方框內所示。

優化說明：根據圖 5的邏輯,對增、減磁信號增加 1.5 s的上延時判斷(1.5 s為躲過增、減磁1 s的遙調信號),并取“非”后分別閉鎖增、減磁命令出口,同時發報警信號到主控,當增、減磁繼電器粘滯或異常不能復歸始終觸發 1信號時,經 1.5 s上延時判斷會始終輸出1,取“非”后即可閉鎖對應的增、減磁命令出口,同時輸出報警信號,提示主控就地增、減磁繼電器有故障。此外,一旦增、減磁繼電器復歸,1.5 s上延時判斷會直接輸出 0信號,取“非”后即可無延時釋放增、減磁閉鎖信號,從而實現增、減磁繼電器有異常時自動閉鎖增、減磁命令輸出,若增、減磁繼電器可以正常復歸,則閉鎖信號也正常復歸。

綜上分析,按照圖 5修改邏輯后(紅色方框內部分),可以實現增、減磁繼電器粘滯或異常不能復歸情況下,有效閉鎖增、減磁命令輸出的功能。

圖5 AVC增、減磁邏輯修改示意圖 Fig.5 AVC increase,reduce the magnetic circuit diagram

5.2 NCS采樣滯后導致三臺機組低勵限制器動作

5.2.1 故障現象

2017年5月24日01：13，福清核電站AVC調節功能出現異常，10:45—10:50期間，AVC下發的電壓定值為531.75 kV，但AVC子站將500 kV 母線電壓上調至533.275 kV；10:50—11:00 期間，AVC下發的電壓定值為532 kV，但AVC子站將500 kV母線電壓下調至511.683 kV，1、2、3 號機組機端電壓下降至22.8 kV，三臺機組AVR低勵限制器同時動作，電壓調節曲線如圖6所示。

圖6 電壓調節曲線Fig.6 Voltage regulation curve

5.2.2 原因分析及解決措施

就整個過程中各種數據、日志、報文分析的結果來看，入庫處理進程client_report_proxy堵塞，使得接收報文出現延遲是導致此次故障的原因。通過對現場主服務器的系統參數進行分析，發現現場系統啟動.start文件中后臺軟件的調試打印信息是指向終端的(START>/dev/console &)，會占用Solaris系統資源，Solaris對系統資源有限制，操作系統如果回收不夠合理有可能會將進程阻塞。而后臺client_report_proxy進程用到了大量系統服務，如果有系統資源被分配的問題，就會產生堵塞。建議將.start文件中指向改為(START>/ NULL&),相當于把程序的打印輸出放進黑洞,就不會有資源分配的問題。

改進措施與優化方案如下：

(1)修改.start文件,將 START輸出至null,從根源上解決 DNET堵塞。

(2)修改AVC系統全站閉鎖策略

將福清核電站原AVC系統全站閉鎖策略：母線電壓、目標電壓越限后AVC系統全站閉鎖,修改為：母線電壓、目標電壓越下限后閉鎖減磁,越上限后閉鎖增磁。

(3)增加遙測數據不刷新的閉鎖策略

當在2 min時間內連續減磁(或增磁)3～4次以后,母線電壓變化范圍遠低于連續三次減磁或增磁電壓的變化值,則 AVC系統全站閉鎖。福清核電站單臺機組每增磁或減磁一次,母線電壓變化約0.5 kV,連續三次變化約1.5 kV。

(4)加固NCS后臺總線和數據處理服務,增加 log記錄功能,對總線的運行記錄進行監測。

6 核電廠AVC設計邏輯、控制策略探討

6.1 AVC與AVR勵磁限制器配合控制邏輯

通過案例2可以看出,AVC與AVR存在緊密聯系,AVR限制器是機組AVC發生故障異常時的最后一道保護屏障,所以對于機組AVC與AVR的配合控制邏輯必須滿足以下述要求：

(1)勵磁系統數據采集

一般情況下勵磁系統與AVC采集的發電機電氣量參數,如：機端電壓、電流、功率等數據要非同源,但應特別注意AVC閉鎖用的發電機電氣量參數應與勵磁系統采集到的數據一致。

(2)AVC的閉鎖條件及與勵磁系統的配合

1)系統及自身閉鎖：出現與主站通訊中斷，系統振蕩，增、減磁同時出現，控制超時等情況，無需與勵磁系統配合;

2)開關量閉鎖：發電機AVR勵磁調節器限制器動作信號，發電機出口斷路器跳閘信號，勵磁系統故障報警或跳閘等信號均應該直接或間接(經DCS)送至AVC，AVC對相關信號邏輯處理后閉鎖自身對勵磁系統的調節;

3)模擬量閉鎖：500 kV高壓母線、6.6 kV中壓廠用電、發電機組的電氣量參數，采用有延時的定時限方式，設定值按照與勵磁調節器設定值5%～10%的極差配合進行整定:

①發電機定子電壓高限應小于勵磁系統過電壓限制值，可設為1.03～1.04 pu，低限應大于進相試驗時發電機最低機端電壓，可設為0.91～0.92 pu。

②發電機定子電流應小于勵磁系統定子電流定時限限制設定值，可設定為發電機額定電流。

③發電機最大勵磁電流應低于過勵限制定時限設定值，可設為發電機額定勵磁電流，最小勵磁電流應大于進相試驗時的最小勵磁電流限制設定值，可取1.05～1.1倍最小勵磁電流設定值[4]。

④發電機組無功高限可按照不超過發電機額定無功功率設定，無功低限建議采用幾段折線(曲線)的形式，曲線在發電機運行P/Q平面上應高于勵磁調節器P/Q限制曲線，對應同一有功功率下的無功設定值可可按照勵磁無功設定值的90%～95%設定。

⑤發電機組高壓廠用電壓高限設定值可設定為1.05 pu，低限應大于進相試驗時高壓廠用電壓最低電壓，可設定為0.96 pu。

⑥發電廠主變高壓側母線電壓按照調度要求設定，無需與勵磁系統配合[5]。

6.2 DCS與AVC、AVR之間的接口要求

結合案例1，為保證機組安全運行，AVC投運后應允許運行人員在一定的前提條件下根據機組運行情況調節控制無功，建議通過DCS接入AVC子站，AVC通過DCS系統控制切換邏輯，借用原AVR控制物理通道調控AVR,嚴禁AVC新增AVR控制通道與原DCS系統AVR控制通道物理并聯。同時勵磁系統狀態信號可先送至DCS,經DCS邏輯處理后再送至AVC,可減少勵磁、DCS與AVC與之間的狀態量傳輸,提高運行可靠性。AVR的模擬量和開關量信號(含增、減磁信號)應以無源接點方式輸出至DCS或AVC系統,以脈寬、脈沖信號輸出。在設計階段必須考慮脈寬方式會發生接點粘連的問題,可以采用硬件結合軟件邏輯判別的方式予以避免,因此建議AVC輸出為脈寬可調的脈沖信號,并且在發出的脈沖間隔的時間可調。

6.3 設備異常運行時的控制保護措施

福清核電站對AVC系統控制設置了相應的閉鎖條件及安全約束,保證AVC系統實現正常功能以及機組的安全穩定運行。

1)當AVC功能退出時,母線電壓目標設定為自動跟蹤電廠實發值,避免AVC功能投退造成負荷波動,影響電網的穩定運行[6];

2)當福建省調與福清核電站遠動裝置通信全部中斷時,AVC系統的控制自動由省調轉到福清核電站側,保證AVC系統處于可控狀態;

3)當電壓小于調壓死區0.5 kV時,AVC無功分配功能閉鎖,避免頻繁進行電壓調節;

4)當500 kV母線電壓或頻率故障、電壓越上、下限等,需要立刻退出AVC;

5)當電氣量參數發生閉鎖限值越限時,自動閉鎖正方向的控制輸出并發出告警信息,當測量值恢復正常后自動解鎖,而反方向(電壓越限減小)的控制能保持正常輸出;

6)AVC子站的安全約束主要包括設置高壓母線電壓、機端電壓、有功功率、無功功率、定子電流、轉子電流、發電機頻率、廠用電電壓的上、下限值,當超出限值后閉鎖AVC控制,不允許進一步調節。

7 結 論

由于核電機組的容量越來越大，在電力系統中的作用越來越強，AVC 系統可以有效減少輸電線路的電壓損耗，但如果算法選擇不正確、內部實現軟件邏輯和接口設計不合理，將會影響AVC 系統和電網、機組的安全穩定運行。

結合對福清核電站現場發生的兩起故障案例的分析，給出的改進建議以及AVC 與DCS、AVR之間的安全控制策略，適合調節裕度有限的百萬核電機組，可以為后續項目在設計階段提供經驗參考。