秦山核电站320MW机组有功功率异常波动的分析及处理

【摘 要】秦山核电站320MW机组功率发生异常波动，经过对机组自身的原因分析和外部周边220KV电网电厂的原因分析，确认异常波动的原因来自外部电网，扰动源主要是电网荣成自备电厂机组强迫功率振荡时在电网中的传递过程所造成。通过现场测试，认定320MW机组阻尼比均明显高于国家标准，秦山核电站320MW机组自身不易引发低频振荡。通过试验及数据分析表明，荣成自备电厂机组汽轮机调节系统DDV阀在一定负荷水平下控制不稳定，造成机组负荷波动，是系统中1Hz左右的强迫扰动源，是引起秦山核电站320MW机组等浙北部分机组发生1Hz左右功率振荡的源头。详细介绍了采用投运电力系统稳定装置PSS和解决外部电网波动，消除机组有功功率异常波动扰动源的处理办法。对电网低频振荡扰动源的快速定位和分析提出了建议。

【关键词】有功功率；异常波动；原因分析；消除扰动；建议

【Abstract】An abnormal fluctuation was spotted in the Qinshan nuclear Power Plant 320MW unit， after launching the unit internal analysis and external surrounding 220kV power grid analysis， it is confirmed that disturbance is caused by a forced power oscillation in power system transmission process， which is owned by Rongcheng power plant unit.A field test has been found that the 320MW unit damping were significantly higher than the national standard， Qinshan nuclear power Plant of 320MW unit itself is not easy to cause the low frequency oscillation. The test and data analysis shows that Rongcheng power plant steam turbine regulating system of DDV valve control is unstable when under a certain load level， which caused the unit load fluctuation， system around 1 Hz forced disturbance source， is the cause of Qinshan nuclear power Plant units #1， such as northern part of unit 1 Hz oscillation power source.The operation of electric power system stabilizer （PSS） and the ways of solving the external power grid fluctuations， locating and eliminating power abnormal fluctuation disturbance source is thoroughly introduced in this paper. It so proposed a fast localization and analysis of the disturbance source of the low frequency oscillation in the power network.

【Key words】 Active power； Abnormal fluctuation； Cause analysis； Elimination of disturbance； Suggest

1 机组有功功率异常波动概述

2012年10月28日前，秦山核电站320MW机组功率维持在327MW左右（表1）。2012年10月28日开始，秦山核电站320MW机组功率主控室频繁发生电功率表小幅异常波动，接近于等幅振荡，波动范围在317-340MW之间。其中10月28日2次、10月29日4次、10月30日2次，11月2日1次，11月3日1次，最长振荡持续时间约37分钟（11月3日10：08-10：45），最短持续时间约1分钟。同时发现CB-505发电机功率表、CB-507发电机有功功率/定子电流、CB-536 2P59线路有功/电流、CB-535 2428线路有功/电流均出现较大晃动。DEH实际功率在320-336MW间波动，三个功率通道均出现波动，调门参数、调门开度未见大的变化，核功率稳定。秦山核电站320MW机组DCS系统和PMU装置捕捉并记录了明显的振荡曲线。功率波动期间，经与省调确认，电网无明显异常。类似的现象在后续的时间时有发生。发电机有功功率波动，可能导致电厂重要设备损坏以及停机停堆等事故。

2 机组有功功率异常波动扰动源的排查分析

秦山核电站320MW机组发生功率振荡后，根据WAMS及SCADA数据确认了功率振荡的频率、幅值等信息。考虑到秦山核电站320MW机组低频功率振荡可能是由于自身异常或者外部原因引起的，且国内也曾发生过由于汽轮机调门油动机设置不恰当引起的功率强迫振荡事件，核查了秦山核电站320MW机组低频振荡期间机组历史曲线，并对励磁和调速系统进行了相关测试。

2.1 机组自身异常原因分析

机组历史曲线表明数次负荷信号发生波动时，汽机调门位置反馈、调节级压力、蒸汽流量、蒸发器水位等信号均稳定、无异常，未发生与负荷类似频率波动。汽机调门实际位置或阀前蒸汽参数未发生明显变化，未导致进入汽轮机蒸汽流量改变，汽机抽汽量或背压未发生明显变化，在故障发生时汽机真空稳定无异常，也可以排除真空导致的负荷波动，排除由于汽机侧原因导致的功率波动。

对秦山核电站320MW机组的励磁和调速系统进行排查。完成秦山核电站320MW机组PSS、励磁等相关试验。验证PSS投入前后对抑制秦山30万千瓦机组功率波动的影响（投入前后阻尼比分别约为8.3%、21.8%）。秦山核电站320MW机组PSS投入前后均能快速阻尼1Hz左右的功率波动，系统阻尼较强，且PSS投入后能够增加系统的阻尼，功率波动能够更快衰减。仿真计算和现场测试机组阻尼比均明显高于国家标准，秦山核电站320MW机组自身不易引发低频振荡。

2.2 外部周边220KV电网电厂异常原因分析

秦山核电站320MW机组功率异常波动事件发生后，调控中心高度重视，省调控中心通过周边220kV变电站主变负荷SCADA数据排查，发现秦山核电站320MW机组历次功率振荡期间，220kV新华变主变及其110kV出线荣成1443线功率均发生较大波动，发生时刻与发电机功率波动时间段一致，二者有很强的相关性，而其他周边变电站负荷波动较小。荣成1443线是荣成纸业自备电厂接入新华变的110kV联络线，初步怀疑是荣成纸业自备电厂运行异常导致荣成1443线和新华变负荷的大幅度波动。

省调组织省电科院和嘉兴局赴荣成纸业自备电厂检查。现场检查荣成纸业自备机组的运行情况和DCS、故障录波数据发现，秦山核电站320MW机组历次功率波动期间，荣成纸业自备电厂机端功率均同时发生大幅度的1Hz功率波动，调速系统异常，转速偏差在-50～50转间大幅度波动。秦山核电站320MW机组功率振荡期间，荣成自备电厂DCS记录的机端电磁功率及蒸汽压力典型曲线如图1所示，机端电磁功率在0-60MW间大幅度波动。秦山核电站320MW机组功率振荡期间，荣成自备电厂均在相同起止时间发生了1Hz的大幅度的功率振荡，初步判断是由于荣成自备电厂机组调速系统异常所致，并将其一次调频的死区调整为±50转。

试验及数据分析表明，荣成自备电厂机组汽轮机调节系统DDV阀在一定负荷水平下控制不稳定，造成机组负荷波动，是系统中1Hz左右的强迫扰动源，是引起秦山核电站320MW机组等浙北部分机组发生1Hz左右功率振荡的源头（图2―图4）。

3 机组有功功率异常波动扰动源的处理

3.1 投运电力系统稳定装置PSS

经请示浙江省电力调控中心，由维修一处继保班进行电力系统稳定器（PSS）试验，PSS相关试验完成，结果良好，并投运电力系统稳定装置PSS，机组保持无功功率在110MVar左右，功率因数0.95运行。

3.2 解决外部电网波动，消除扰动源

省调再次组织省电科院、嘉兴地调相关专家赴荣成电厂对机组励磁系统和调速系统进行测试检查，经分析并依照分析结果对汽轮机调节系统DDV阀进行了更换，并对DDV阀及相关辅助设备进行了彻底清洗。停机检修结束后，荣成自备电厂机组满出力运行，并在不同负荷点做频繁升降负荷试验，机组未再次出现负荷波动及转速波动大幅度波动异常情况。

4 理论分析及仿真计算

强迫功率振荡是近年来发展起来的一种低频振荡理论成果，它的理论是共振理论。在电力系统中，当原动机功率由于某种原因受到持续周期性强迫扰动时，发电机转子运动方程会产生一个等幅不衰减的特解，当扰动频率与系统固有频率重合或者接近时，会引起较大幅度的稳态功率波动。强迫功率振荡与负阻尼机理有明显的不同，其显著特点是：

（1）起振快，从受到扰动到达到最大振幅一般只需几个振荡周期；

（2）振荡过程中，基本保持等幅功率振荡；

（3）振荡的频率与扰动信号的频率一致，扰动频率越接近系统固有共振频率时，振荡幅值越大，当与共振频率相差值超过一定的范围时，将很难激发振荡；

（4）消失快，一旦扰动消失后，功率振荡幅值大幅度减小。

发电机侧的原动机扰动、励磁系统扰动、调速系统扰动，以及电网侧的负荷周期性冲击、机组非同期并网等均可能激发强迫功率振荡。

当荣成自备电厂机组输入机械功率发生周期性强制变化时，相应频率的功率成分将在电网中传播。为了分析、验证荣成自备电厂机组强迫功率振荡时在电网中的传递过程，在BPA时域仿真计算过程中，在荣成自备电厂原动机机械功率上叠加一个1Hz左右的强迫功率扰动。秦山核电站320MW机组和荣成自备电厂机组不同出力水平下，荣成自备电厂机械功率变化量Pm与电磁功率变化量P间的关系如图5所示。

可以发现，荣成自备电厂1Hz机械功率波动幅度与电磁功率波动幅度比值相对固定，而受秦山核电站320MW机组、荣成电厂机组起始功率水平影响较小。数值仿真计算表明荣成汽轮机电功率和机械功率放大倍数约为3。从功率振荡期间DEH历史曲线来看，均发生了汽轮机转速大幅度波动的情况，根据汽轮机转速算出来的阀位变动值（一次调频信号）叠加到阀位目标值，导致汽轮机阀位的波动。在扰动的开始，转速与功率几乎同时发生变化，而汽轮机阀门的波动频率与功率的波动频率一致，汽轮机电功率和机械功率波动的幅度比约3～4，与上述的数值仿真计算结果比较接近。

此外，仿真计算也表明，荣成机组功率波动幅度与秦山机组波动幅度比值相对固定，而受秦山核电站320MW机组、荣成电厂机组起始功率水平影响较小。上述特征也与强迫扰动低频振荡特征吻合。

为了分析扰动源频率变化时，荣成自备电厂机械功率变化量Pm 与电磁功率变化量P间的关系，在荣成自备电厂原动机机械功率上依次叠加0.6-2.5Hz强迫功率扰动（秦山核电站320MW机组及荣成自备电厂起始功率分别为320MW和15MW），荣成自备电厂P/P与扰动源频率间的关系，P/P在f=1Hz时约为3，在f=1.2Hz时达到最大9.1（荣成自备电厂对主网的振荡频率）。

5 结论与建议

1）按照电力系统低频振荡理论进行了计算分析，秦山核电阻尼较高，达到了国家相关标准，经省电科院现场试验，自身不易引起1Hz 的低频振荡。

2） 试验及数据分析表明，荣成自备电厂机组汽轮机调节系统DDV阀在一定负荷水平下控制不稳定，造成机组负荷波动，是系统中1Hz左右的强迫扰动源，是引起秦山核电站320MW机组等浙北部分机组发生1Hz左右功率振荡的源头。

3）成自备电厂机组停机检修并更换汽轮机调节系统DDV阀后，机组运行正常，未再次出现大幅功率振荡现象。秦山核电站320MW机组现满出力运行，运行正常。

4）220kV变电站PMU装设数量极少，全省仅安装了杭州变和金华变，远远不能满足电网对低频振荡和强迫振荡的监测要求。由于SCADA数据采样频率的限制，这在一定程度上限制了低频振荡扰动源的快速定位和分析。建议各地区局根据地区电厂和自备电厂的情况，尽快在接入容量较大的220kV变电站装设PMU装置。

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