CN105760985A - 一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法，包括：厂网风险相结合的安全风险评估指标，综合核电与电网安全性、经济性的低频风险评估模型，低频安全风险变比、指标安全风险价值、装置低频风险敏感度等核电低频风险评估方法。所述的低频风险指标包括评估系统频率降低对厂网影响程度的低频风险指标和基于厂网低频保护装置的装置风险指标；所述低频综合风险模型基于风险理论建立并引入了厂网侧经济指标，实现了低频风险的量化分析；所述的安全风险变比、指标安全风险价值、装置低频风险敏感度等风险计算方法易于分析比较，为制定保护装置参数优化方案和厂网协调控制策略提供依据。本发明结构严谨清晰，符合风险分析决策的需求；模型参数意义明确、易获取，建模过程清晰便捷、高效准确，实用性强。

Description

一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统与核电厂的风险建模技术领域，具体涉及一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法。

背景技术

建立可评估核电接入电网的低频风险综合模型，是提高电网稳定运行和核电机组安全并网的重要基础。核电机组单机容量大、安全性要求高，易与电网易产生相互影响。核电机组及其辅助设备极易受到电力系统低频故障的干扰，严重低频状况会引发核电机组强迫停运、紧急停堆、堆芯熔毁等风险，并可能引发大面积停电。核电厂低频涉网保护装置与电网安全自动装置之间的协调配合可以提高机组和电网的安全稳定性。

现有的核电与电网相互影响机理及协调控制的研究，主要是通过保护装置原理及仿真分析等定性分析方法来实现的。仅在原理层面的定性分析并未提出电力系统的风险指标，也没有对风险因素进行量化分析，不能直观反映风险的相对大小。而已有的关于核电风险的分析主要集中在厂站层面，如核电厂系统安全评估指标、提高核电站安全性方法研究、核电站自然灾害风险分析、地震安全分析、堆芯条件失效概率估算等方面，较少见有结合电网侧风险的综合分析研究。将核电厂侧和电网侧的风险因素分开来单独研究，没有全面考虑厂网侧风险因素之间的关联性，不能实现厂网协调配合的综合性研究。

安全风险方法是电力系统分析决策的一种有效方式，目前在电力系统中有着广泛而成熟的应用，综合考虑风险概率和风险损失的评估方法是电力系统风险研究的主流方向，通过对风险值的计算比较，辨识薄弱环节，寻找协调控制方案。安全风险方法在核电与电网的风险分析中也具有普适性和良好的应用前景，但是目前还没有在该领域的相关研究应用。在核电接入电网的低频风险的综合分析中，可以通过风险指标、风险变比、风险敏感度等的计算，并依据量化的风险值制定核电与电网协调控制策略。核电厂侧和电网侧的各项风险因素相互联系，也相互独立，亟待建立结合厂网侧风险因素的综合风险模型，从而通过比较计算，依据风险值大小选择调控方式，制定核电低频保护协调控制策略及优化方案，为核电与电网的风险分析及协调配合提供依据，为促进核电安全并网、厂网协调运行提供重要基础。

发明内容

本发明的目的在于基于风险建模分析方法，提出考虑核电侧和电网侧低频影响的安全风险评估指标，提出低频安全风险变比、指标安全风险价值、装置低频风险敏感度等核电低频风险计算方法，提出一种厂网风险相结合的、适用于风险决策分析的、综合核电与电网安全经济性的、具有理论与工程意义且应用前景良好的核电低频风险评估模型。

本发明的上述目的采用如下技术方案来实现的：

一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法，其特征在于，具体是基于厂网风险相结合的安全风险评估指标，量化安全风险评估指标后并基于建立的综合风险评估模型，获得指标的安全风险价值和保护装置的低频敏感度，得到协调控制策略和优化结果；

所述安全风险评估指标包括评估电力系统频率降低对厂网影响程度的低频风险指标和考虑低频涉网保护装置工作机理的装置风险指标，其中，

低频风险指标包括：电力系统功率缺额β_less、堆芯散热异常程度Δq；

装置风险指标：冷却剂主泵低转速保护动作转速n_p、、核电厂汽轮机低频保护动作频率f_s和时延t_s、电力系统有功出力损失α_loss、电力系统切负荷量d_load、自动低频减载装置动作频率f_JZOP1；

对风险指标进行标幺化处理结果：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δq}}^{*}={\mathrm{\Δf}}^{*}=\frac{f_N-f_L}{f_N}\\ {\mathrm{\β}}_{less}=\frac{P_{less}}{P_{GN}}=\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_N}\\ f_p^{*}=\frac{f_p}{f_N}\\ f_s^{*}=\frac{f_s}{f_N}\\ {\mathrm{\α}}_{loss}=\frac{P_{loss}}{P_{GN}}\\ d_{load}=\frac{P_{load}}{P_{GN}}=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{L}_{ci}\\ f_{JZOP1}^{*}=\frac{f_{JZ0P1}}{f_N}\end{array}\right.$

式中，式中，f_N为电力系统额定频率，f_L为电力系统出现低频工况时的频率值，Δq^*为堆芯散热异常程度的标幺值；P_GN为电力系统总容量，P_less为电力系统有功功率缺额；f^* _p为主泵低转速保护动作频率的标幺值，f^* _s为核电厂汽轮机低频保护动作于发信号或跳闸时的厂用电频率标幺值；P_loss为低频故障时自动装置动作带来的电力系统有功出力损失数值；P_load为自动低频减载装置动作所切除负荷的功率；L_ci表示自动低频减载装置第i轮切除负荷量的标幺值；k表示自动低频减载装置已动作的轮次；f_JZOP1和f^* _JZOP1分别表示自动低频减载装置动作频率及其标幺值；

所述综合风险评估模型基于公式：

$\begin{array}{c}S=\∫\[P\left(f_L\right)\×\frac{{\mathrm{\Δq}}^{*}}{{{\mathrm{\Δq}}^{*}}_{\max }}\×C_n+P\left(f_L\right)\×\frac{d_{load}}{d_{load\max }}\×C_e\]\\ =\∫\[P\left(f_L\right){\mathrm{\Δq}}^{*}{C}_n+P\left(f_L\right)d_{load}{C}_e\]\end{array}$

式中，P(f_L)为电力系统中频率为f_L的概率，Δq^*为堆芯散热异常程度，以标幺值来表示；Δq^* _max为其最大值；d_load表示电力系统切负荷量，其最大值d_loadmax＝1；C_e为核电标杆电价，C_n表示核电厂单位造价。

在上述的一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法，获得指标的安全风险价值和保护装置的低频敏感度，得到协调控制策略和优化结果的具体方法是基于指标的安全风险价值和保护装置的风险敏感度。指标的安全风险价值即指标对综合风险值的贡献大小，表征了风险指标对核电厂及电网安全运行的影响程度，其采用直观的分级评分形式，以风险值、风险变比为依据，定义强风险、较强风险、一般风险进行强弱分级，分别对应标注为1、2、3；

其中安全风险变比Δin、装置低频风险敏感度m表达为：

$\mathrm{\Δ}in=\frac{\mathrm{\Δ}S}{S_b}=\left|\frac{S_b-S_{jd}}{S_b}\right|$

m＝max{k₁,k₂,k₃}

式中，S_b为实际运行设定值或厂家建议整定值下的风险值，ΔS为一定范围内改变保护装置参数后的风险变化值，S_jd表示参数调整后的风险值；

k₁，k₂，k₃分别表示堆芯散热异常程度风险变比值、电力系统切负荷量风险变比值和综合风险变比值的数量级。

在上述的一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法，各指标的具体定义为：

指标一，冷却剂主泵低转速保护动作转速：冷却剂主泵低转速保护动作转速，在额定频率附近，核主泵电动机转速n与运行频率f近似成正比，即n∝f；采用主泵低转速保护动作频率标幺值表征主泵低转速保护动作转速标幺值，即有

$f_p^{*}=\frac{f_p}{f_N}$

式中，f^* _p为主泵低转速保护动作频率的标幺值，f_p为主泵低转速保护动作频率，f_N为额定频率；

指标二，堆芯散热异常程度：冷却剂主泵转速降低时，冷却剂流量减少，则堆芯不能充分散热，堆芯温度将逐渐升高；以堆芯散热异常程度衡量冷却剂主泵转速降低时堆芯熔化的风险；所述的堆芯散热异常程度定义为燃料棒表面热流密度异常的比例，其值越大，则堆芯散热越异常，堆芯熔化风险越高；

冷却剂流体的密度为常数；冷却剂流量q与主泵转速n成正比，即有q∝n∝f，取额定工况下的热流密度q_N为基准值，则热流密度标幺值与频率标幺值相等，因此堆芯散热异常程度Δq^*可以通过频率表示为

${\mathrm{\Δq}}^{*}={\mathrm{\Δf}}^{*}=\frac{f_N-f_L}{f_N}$

式中，Δq^*为堆芯散热异常程度的标幺值；Δf^*为频率变化的标幺值；f_L为厂用电频率；

当f_L为堆芯可承受的最低频率f_Lmin时，堆芯散热异常程度达到最大值Δq^* _max；f_Lmin可取值为主泵低转速保护动作频率；

指标三，核电厂汽轮机低频保护动作频率和时延：电力系统频率降低到一定值时，汽轮机低频保护经过相应的设定时延，动作于发信号或者跳闸；

所述的汽轮机低频保护动作频率标幺值表示为

$f_s^{*}=\frac{f_s}{f_N}$

式中，f_s为核电厂汽轮机低频保护动作于发信号或跳闸时的厂用电频率；所述的汽轮机低频保护动作时延以t_s表示；

指标四，电力系统有功出力损失：汽轮机低频保护动作于切机跳闸或者冷却剂主泵低转速保护动作于紧急停堆时，电力系统失去核电机组的有功功率，若低频导致其它能源形式的发电机组退出运行，电力系统损失相应的有功出力；

以电力系统有功出力损失指标评估核电厂低频涉网保护装置动作给电力系统带来的安全风险，同理采用标幺值，所述的电力系统有功损失可表示为

${\mathrm{\α}}_{loss}=\frac{P_{loss}}{P_{GN}}$

式中，α_loss为电力系统有功出力损失，P_GN为电力系统总容量，P_loss为低频故障时自动装置动作带来的电力系统有功出力损失数值；

指标五，电力系统切负荷量：电力系统自动低频减载装置动作切除部分负荷，以电力系统切负荷量评估低频减载装置动作产生的电力系统安全风险；电力系统切负荷量为自动低频减载装置切除的负荷功率占电力系统总容量的比例；

对电力系统频率降低到汽轮机低频保护或者主泵低转速保护的动作整定值时的切负荷量进行累加，可得到电力系统切负荷量指标，即有

$d_{load}=\frac{P_{load}}{P_{GN}}=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{L}_{ci}$

式中，d_load表示电力系统切负荷量，其最大值d_loadmax＝1；P_load为自动低频减载装置动作所切除负荷的功率；L_ci表示自动低频减载装置第i轮切除的负荷量；k表示自动低频减载装置已动作的轮次；

指标六，电力系统功率缺额：电力系统频率降低的根本原因是电力系统出现了有功缺额，以电力系统有功功率缺额指标评估电力系统低频安全风险；电力系统有功功率缺额指电力系统频率回升到额定值需要增发的有功功率，可表示为

${\mathrm{\β}}_{less}=\frac{P_{ess}}{P_{GN}}=\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_N}$

式中，β_less为电力系统有功功率缺额与电力系统总容量的比值，P_less为电力系统有功功率缺额；

指标七，自动低频减载装置动作频率：自动低频减载装置动作频率在一定程度上可以表征电力系统在某一功率缺额下允许的低频水平，不同的低频状态对应于不同的负荷切除量；因此，自动低频减载装置动作频率是研究电力系统低频安全风险时的一项重要指标，可表示为

$f_{JZOP1}^{*}=\frac{f_{JZOP1}}{f_N}$

式中，f_JZOP1和f^* _JZOP1分别表示自动低频减载装置动作频率及其标幺值。

本发明具有如下显著效果：1、本发明的风险指标综合考虑了核电厂侧和电网侧的安全性和经济性，结合厂网侧风险因素，各风险指标均可通过电力系统频率值来表示，意义明确，易计算、易比较；2、本发明的核电低频综合风险模型，实现了低频风险的量化分析，建模过程清晰便捷、高效精确，模型所需参数易获取；3、本发明的风险计算方法：安全风险矩阵、低频安全风险变比、指标安全风险价值、装置低频风险敏感度等，可以清晰明确地分析相关风险，符合风险分析决策的需求；4、本发明的核电接入电网的低频综合风险模型适用于厂网风险分析，为制定保护装置参数优化方案和厂网协调控制策略提供参考依据，实用性强。

附图说明

图1为厂网风险指标分类图；

图2为核电低频安全风险评估流程图；

图3为风险计算原理流程图；

图4(a)(b)(c)为主泵低转速保护装置Δinf-Δf风险变比图，分别取主泵低转速保护整定值为46.5Hz、47Hz、48Hz时的各项风险值为基准值，进行整定参数微调及参数改变后的风险变比分析；

图5(a)(b)(c)为汽轮机低频保护Δinf-Δf变比图：汽轮机低频保护采用三段式，记其频率整定值为f₁/f₂/f₃，分别取频率值为46.5/47/47.5Hz、47/47.5/48Hz、47.5/48/48.5Hz时的各项风险值为基准值，进行整定参数微调及参数改变后的风险变比分析；

图6(a)(b)(c)为汽轮机低频保护Δint-Δt变化图：汽轮机低频三段式保护的时延整定值为t₁/t₂/t₃，分别取时延值为10/50/290s、20/60/300s、30/70/310s时的各项风险值为基准值，进行风险变比分析。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

1、首先，对图1中的厂网风险指标分类图中的各指标含义进行说明：

(1)冷却剂主泵低转速保护动作转速

本发明所述的冷却剂主泵低转速保护动作转速，在额定频率附近，核主泵电动机转速n与运行频率f近似成正比，即n∝f。因此本发明采用主泵低转速保护动作频率标幺值表征主泵低转速保护动作转速标幺值，即有

$f_p^{*}=\frac{f_p}{f_N}$

式中，f^* _p为主泵低转速保护动作频率的标幺值，f_p为主泵低转速保护动作频率，f_N为额定频率。

(2)堆芯散热异常程度

冷却剂主泵转速降低时，冷却剂流量减少，则堆芯不能充分散热，堆芯温度将逐渐升高。以堆芯散热异常程度衡量冷却剂主泵转速降低时堆芯熔化的风险。本发明所述的堆芯散热异常程度定义为燃料棒表面热流密度异常的比例，其值越大，则堆芯散热越异常，堆芯熔化风险越高。

冷却剂流体的密度为常数；冷却剂流量q与主泵转速n成正比，即有q∝n∝f，取额定工况下的热流密度q_N为基准值，则热流密度标幺值与频率标幺值相等，因此堆芯散热异常程度Δq^*可以通过频率表示为

${\mathrm{\Δq}}^{*}={\mathrm{\Δf}}^{*}=\frac{f_N-f_L}{f_N}$

式中，Δq^*为堆芯散热异常程度的标幺值；Δf^*为频率变化的标幺值；f_L为厂用电频率。

当f_L为堆芯可承受的最低频率f_Lmin时，堆芯散热异常程度达到最大值Δq^* _max。f_Lmin可取值为主泵低转速保护动作频率。

(3)核电厂汽轮机低频保护动作频率和时延

电力系统频率降低到一定值时，汽轮机低频保护经过相应的设定时延，动作于发信号或者跳闸。

本发明所述的汽轮机低频保护动作频率标幺值表示为

$f_s^{*}=\frac{f_s}{f_N}$

式中，f_s为核电厂汽轮机低频保护动作于发信号或跳闸时的厂用电频率。

本发明所述的汽轮机低频保护动作时延以t_s表示。

(4)电力系统有功出力损失

汽轮机低频保护动作于切机跳闸或者冷却剂主泵低转速保护动作于紧急停堆时，电力系统失去核电机组的有功功率，若低频导致其它能源形式的发电机组退出运行，电力系统损失相应的有功出力。

以电力系统有功出力损失指标评估核电厂低频涉网保护装置动作给电力系统带来的安全风险，同理采用标幺值，本发明所述的电力系统有功损失可表示为

${\mathrm{\α}}_{loss}=\frac{P_{loss}}{P_{GN}}$

式中，α_loss为电力系统有功出力损失，P_GN为电力系统总容量，P_loss为低频故障时自动装置动作带来的电力系统有功出力损失数值。

(5)电力系统切负荷量

电力系统自动低频减载装置动作切除部分负荷，以电力系统切负荷量评估低频减载装置动作产生的电力系统安全风险。电力系统切负荷量为自动低频减载装置切除的负荷功率占电力系统总容量的比例。

对电力系统频率降低到汽轮机低频保护或者主泵低转速保护的动作整定值时的切负荷量进行累加，可得到电力系统切负荷量指标，即有

$d_{load}=\frac{P_{load}}{P_{GN}}=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{L}_{ci}$

式中，d_load表示电力系统切负荷量，其最大值d_loadmax＝1；P_load为自动低频减载装置动作所切除负荷的功率；L_ci表示自动低频减载装置第i轮切除的负荷量；k表示自动低频减载装置已动作的轮次。

(6)电力系统功率缺额

电力系统频率降低的根本原因是电力系统出现了有功缺额，以电力系统有功功率缺额指标评估电力系统低频安全风险。电力系统有功功率缺额指电力系统频率回升到额定值需要增发的有功功率，可表示为

${\mathrm{\β}}_{less}=\frac{P_{less}}{P_{GN}}=\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_N}$

式中，β_less为电力系统有功功率缺额与电力系统总容量的比值，P_less为电力系统有功功率缺额。

(7)自动低频减载装置动作频率

自动低频减载装置动作频率在一定程度上可以表征电力系统在某一功率缺额下允许的低频水平，不同的低频状态对应于不同的负荷切除量。因此，自动低频减载装置动作频率是研究电力系统低频安全风险时的一项重要指标，可表示为

$f_{JZOP1}^{*}=\frac{f_{JZOP1}}{f_N}$

式中，f_JZOP1和f^* _JZOP1分别表示自动低频减载装置动作频率及其标幺值。

图2为核电低频安全风险评估流程图，如图2所示，本发明所述的一种适用于核电与电网综合分析的低频风险评估方法，包括：厂网风险相结合的安全风险评估指标，综合核电与电网安全性、经济性的低频风险评估模型，低频安全风险变比、指标安全风险价值、装置低频风险敏感度等核电低频风险评估方法。其中，所述的核电与电网的安全风险指标综合考虑了核电厂侧和电网侧风险因素，所述的低频综合风险模型基于风险理论建立并引入了厂网侧经济指标，所述的安全风险变比、指标安全风险价值、装置低频风险敏感度等计算方法实现了对量化的低频风险指标和风险模型的比较分析，根据所述风险评估方法的计算结果，提出核电低频涉网保护装置和电网安全自动装置之间的优化整定方案和协调配合策略。

本发明所述的核电低频风险评估流程主要步骤可以总结为：结合各装置的运行特性及影响，提出核电低频安全风险指标；考虑电力系统自动低频减载装置，分别建立汽轮机低频保护和主泵低转速保护综合风险模型；基于装置的厂家建议整定值或实际运行设定值等初始参数，计算风险因素、风险概率、影响程度，构建风险矩阵；计算保护装置参数改变后的风险值和风险变比；绘制风险变比图，比较保护装置参数变化对风险值的影响，对风险指标进行安全风险价值评估，并分析保护装置的风险敏感度。风险变比图表征的是风险值相对于风险基准值的变化率绝对值，其大小反映指标的安全风险价值和装置的风险敏感度。

2、本发明基于风险建模分析方法，提出了考虑核电侧和电网侧低频影响的安全风险评估指标，提出了低频安全风险变比、指标安全风险价值、装置低频风险敏感度等核电低频风险计算方法，提供了一种厂网风险相结合的、适用于风险决策分析的、综合核电与电网安全经济性的、具有理论与工程意义且应用前景良好的核电低频风险评估模型。本发明具有如下显著效果：(1)本发明的风险指标综合考虑了核电厂侧和电网侧的安全性和经济性，结合厂网侧风险因素，各风险指标均可通过电力系统频率值来表示，意义明确，易计算、易比较；(2)本发明的核电低频综合风险模型，实现了低频风险的量化分析，建模过程清晰便捷、高效精确，模型所需参数易获取；(3)本发明的风险计算方法：安全风险矩阵、低频安全风险变比、指标安全风险价值、装置低频风险敏感度等，可以清晰明确地分析相关风险，符合风险分析决策的需求；(4)本发明的核电接入电网的低频综合风险模型适用于厂网风险分析，为制定保护装置参数优化方案和厂网协调控制策略提供参考依据，实用性强。

核电厂低频涉网保护装置与电力系统自动低频减载装置动作给核电厂和电网带来的风险采用电力系统切负荷量d_load和堆芯散热异常程度Δq^*评价。将d_load和Δq^*分别参照其最大值进行折算，引入核电标杆电价和核电厂单位造价两项经济指标，得到综合经济损失。考虑低频减载装置的核电厂低频涉网保护装置综合风险，如式(1)所示。

$\begin{array}{c}S=\∫\[P\left(f_L\right)\×\frac{{\mathrm{\Δq}}^{*}}{{{\mathrm{\Δq}}^{*}}_{\max }}\×C_n+P\left(f_L\right)\×\frac{d_{load}}{d_{load\max }}\×C_e\]\\ =\∫\[P\left(f_L\right){\mathrm{\Δq}}^{*}{C}_n+P\left(f_L\right)d_{load}{C}_e\]\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中，P(f_L)为电力系统中某低频状态发生的概率，C_e为核电标杆电价，C_n表示核电厂单位造价。

若电力系统频率分布采用正态模型表示，σ_f为频率标准差，则有

$P\left(f_L\right)={\∫}_{f_{\min }}^{f_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_f}\exp (-\frac{{(f-f_N)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_f}^2})df---\left(2\right)$

带入电力系统切负荷量和堆芯散热异常程度表达式，并将式(2)代入式(1)得

$S=\∫\[(C_n\frac{f_N-f_L}{f_N}+C_e\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{L}_{ci}){\∫}_{f_{\min }}^{f_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_f}\exp (-\frac{{(f-f_N)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_f}^2})df\]---\left(3\right)$

由此可得，考虑低频减载装置的主泵低转速保护综合风险S_MP-AU为

$S_{MP-AU}=(C_n\frac{f_N-f_p}{f_N}+C_e\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{L}_{ci}){\∫}_{f_{\min }}^{f_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_f}\exp (-\frac{{(f_p-f_N)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_f}^2})df---\left(4\right)$

式中，f_p表示主泵低转速保护的频率整定值。

考虑低频减载装置的汽轮机低频保护综合风险S_TU-AU为

$S_{TU-AU}=\∫\[(C_n\frac{f_N-f_s}{f_N}+C_e\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{L}_{ci}){\∫}_{f_{\min }}^{f_{\max }}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_f}\exp (-\frac{{(f_s-f_N)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_f}^2})df\]dt---\left(5\right)$

式中，f_s为汽轮机低频保护动作轮的频率整定值。

在本发明中，图3为风险计算流程图，折算基准值用S_b表示，根据情况可选取S_Δq*、S_dload、S_MP-AU、S_TU-AU之一，如图3所示，所述核电低频风险评估模型中参数调整后的风险值S_jd采用式(6)、(7)、(8)计算。

$S_{jd1}=\{\[P\left({f_{Li}}^{\left(n\right)}\right)\×C_n\×\frac{50-{f_{Li}}^{\left(n\right)}}{3}+P\left({f_{turbine}}^{\left(n\right)}\right)\×C_e\×\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{Lc}}_i\]\×T_{Li}\}---\left(6\right)$

$S_{jd2}=\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\{\[P\left(f_{Li}\right)\×C_n\×\frac{50-f_{Li}}{3}+P\left(f_{turbine}\right)\×C_e\×\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{Lc}}_i\]\×{T_{Li}}^{\left(n\right)}\}---\left(7\right)$

$S_{jd3}=P\left({f_L}^{\left(n\right)}\right)\×C_n\×\frac{50-{f_L}^{\left(n\right)}}{3}+P\left({f_{pump}}^{\left(n\right)}\right)\×C_e\×\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{Lc}}_i---\left(8\right)$

3、基于具体案例对模型进行验证。

以某核电机组接入电网的算例验证风险评估模型及方法的有效性。其中，频率平均值取为电力系统额定频率50Hz，频率标准差取电力系统允许最大频率偏差0.5Hz，核电厂单位造价的经验值为12709.8元/kWh，核电标杆电价为0.43元/kWh，电力系统自动低频减载装置的基本级现行整定参数如表1所示。

表1

3.1主泵低转速保护安全风险评价。

基于算例数据的计算分析，得到主泵低转速保护频率整定参数的风险变比图如图4所示，风险矩阵如表2所示。

由图4可知，堆芯散热异常程度变比图和综合风险变比图基本重合,低频综合风险值主要来源于堆芯散热异常带来的堆芯造价经济损失；自动低频减载装置是分段保护，因此电力系统切负荷量风险变比值呈锯齿状分布，在电力系统频率降低到47.75Hz时其基本级的动作已经全部完成，对称轴f＝50Hz左右Δf≥2.25Hz区间内电力系统切负荷风险变比为零。频率的基准值为48Hz时，其值大于自动低频减载基本级末轮的整定值47.75Hz，风险变比图中出现了两个(Δf＝2Hz±δ)综合风险变比零点。主泵低转速保护的整定值不宜太高，以低于47.75Hz为宜，以免出现不必要的切机跳闸。

表2

3.2核电厂汽轮机低频保护安全风险评价。

选取不同的汽轮机低频保护时延整定值和频率整定值，得到对应的风险变比图如图5和图6所示，风险矩阵如表3所示。

由图5和图6可知，泵低转速保护频率整定值、汽轮机低频保护频率整定值和堆芯散热异常程度均为强风险指标，电力系统切负荷量属于较强风险指标。时延整定值的改变给所有风险值带来的是同步的线性变化量，因此综合风险变比图、堆芯散热异常程度风险变比图、电力系统切负荷量风险变比图十分接近，汽轮机低频保护时延整定值属于一般风险指标。Δt＝0时，风险变比值为零，此时的风险值即为参考整定值下的风险基准值。综合考虑实际运行情况和其它风险因素，可在一定范围内选择合适的时延整定参数。

表3

3.3模型效果验证。

由本发明提供的算例可知，堆芯散热异常程度、低频涉网保护装置的频率整定值、电力系统有功出力损失、电力系统切负荷量是强风险指标，汽轮机低频保护装置动作时延是一般风险指标。主泵低转速保护的风险变比值可达到10⁹数量级，其风险敏感度为9；汽轮机低频保护对频率整定值的风险敏感度为2，对时延整定值的风险敏感度为0。相对来说，主泵低转速保护是风险敏感装置；汽轮机低频保护是频率风险敏感、非时延风险敏感装置。电力系统出现f≤46Hz的低频故障的概率极低，但是这种极低概率下的低频状况一旦出现将给核电与电网带来巨大的损害。若为了减小低频保护切机的可能性而过分降低核电厂低频保护装置的频率整定值，保护装置将失去其应有的保护功能。主泵低转速保护的频率整定值设定在46.5Hz～47Hz之间。核电厂汽轮机低频保护是分段累加保护，对于其分段数目，若分段太少，核电机组不必要跳闸的可能性会增大，汽轮机低频保护的分段数目可以定为2或3个。对汽轮机低频保护的时延值可以进行优化，结合实际电力系统的频率响应特性，在保证厂网安全的前提下将时延增加5～10s，使得电力系统有足够的低频故障恢复时间，实现核电机组低频故障下持续不脱网运行，以提高电力系统的稳定性，减小频率崩溃的可能性。

3.4模型适用性验证。

根据本发明所述的核电接入电网的低频风险模型以及低频安全风险变比、指标安全风险价值、装置低频风险敏感度等核电低频风险计算方法，通过算例计算分析，可以提出核电低频涉网保护装置和电网安全自动装置之间的参数整定优化方案和协调控制配合策略。

结果表明，所建立的核电低频综合风险模型能直观反映出各项风险的相对强弱程度，反映各项风险指标的安全风险价值和保护装置的风险敏感度，能反映不同整定方案和不同运行工况下的风险值的相对大小，并可以通过风险指引，把调控重点放在风险较大的指标和设备上。所建立的模型方法合理有效，可用于厂网协调控制策略分析制定。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法，其特征在于，具体是基于厂网风险相结合的安全风险评估指标，量化安全风险评估指标后并基于建立的综合风险评估模型，获得指标的安全风险价值和保护装置的低频敏感度，得到协调控制策略和优化结果；

所述安全风险评估指标包括评估电力系统频率降低对厂网影响程度的低频风险指标和考虑低频涉网保护装置工作机理的装置风险指标，其中，

低频风险指标包括：电力系统功率缺额β_less、堆芯散热异常程度Δq；

装置风险指标：冷却剂主泵低转速保护动作转速n_p、、核电厂汽轮机低频保护动作频率f_s和时延t_s、电力系统有功出力损失α_loss、电力系统切负荷量d_load、自动低频减载装置动作频率f_JZOP1；

对风险指标进行标幺化处理结果：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δq}}^{*}={\mathrm{\Δf}}^{*}=\frac{f_N-f_L}{f_N}\\ {\mathrm{\β}}_{less}=\frac{P_{less}}{P_{GN}}=\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_N}\\ f_p^{*}=\frac{f_p}{f_N}\\ f_s^{*}=\frac{f_s}{f_N}\\ {\mathrm{\α}}_{loss}=\frac{P_{loss}}{P_{GN}}\\ d_{load}=\frac{P_{load}}{P_{GN}}=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{L}_{ci}\\ f_{JZOP1}^{*}=\frac{f_{JZOP1}}{f_N}\end{array}\right.$

式中，式中，f_N为电力系统额定频率，f_L为电力系统出现低频工况时的频率值，Δq^*为堆芯散热异常程度的标幺值；P_GN为电力系统总容量，P_less为电力系统有功功率缺额；f^* _p为主泵低转速保护动作频率的标幺值，f^* _s为核电厂汽轮机低频保护动作于发信号或跳闸时的厂用电频率标幺值；P_loss为低频故障时自动装置动作带来的电力系统有功出力损失数值；P_load为自动低频减载装置动作所切除负荷的功率；L_ci表示自动低频减载装置第i轮切除负荷量的标幺值；k表示自动低频减载装置已动作的轮次；f_JZOP1和f^* _JZOP1分别表示自动低频减载装置动作频率及其标幺值；

所述综合风险评估模型基于公式：

$\begin{array}{c}S=\∫\[P\left(f_L\right)\×\frac{{\mathrm{\Δq}}^{*}}{{{\mathrm{\Δq}}^{*}}_{\max }}\×C_n+P\left(f_L\right)\×\frac{d_{load}}{d_{load\max }}\×C_e\]\\ =\∫\[P\left(f_L\right){\mathrm{\Δq}}^{*}{C}_n+P\left(f_L\right)d_{load}{C}_e\]\end{array}$

式中，P(f_L)为电力系统中频率为f_L的概率，Δq^*为堆芯散热异常程度，以标幺值来表示；Δq^* _max为其最大值；d_load表示电力系统切负荷量，其最大值d_loadmax＝1；C_e为核电标杆电价，C_n表示核电厂单位造价。

2.根据权利要求1所述的一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法，其特征在于，获得指标的安全风险价值和保护装置的低频敏感度，得到协调控制策略和优化结果的具体方法是基于指标的安全风险价值和保护装置的风险敏感度；

指标的安全风险价值即指标对综合风险值的贡献大小，表征了风险指标对核电厂及电网安全运行的影响程度，其采用直观的分级评分形式，以风险值、风险变比为依据，定义强风险、较强风险、一般风险进行强弱分级，分别对应标注为1、2、3；

其中安全风险变比Δin、装置低频风险敏感度m表达为：

$\mathrm{\Δ}in=\frac{\mathrm{\Δ}S}{S_b}=\left|\frac{S_b-S_{jd}}{S_b}\right|$

m＝max{k₁,k₂,k₃}

式中，S_b为实际运行设定值或厂家建议整定值下的风险值，ΔS为一定范围内改变保护装置参数后的风险变化值，S_jd表示参数调整后的风险值；

k₁，k₂，k₃分别表示堆芯散热异常程度风险变比值、电力系统切负荷量风险变比值和综合风险变比值的数量级。

3.根据权利要求2所述的一种针对核电接入电网的低频风险综合评估方法，其特征在于，各指标的具体定义为：

指标一，冷却剂主泵低转速保护动作转速：冷却剂主泵低转速保护动作转速，在额定频率附近，核主泵电动机转速n与运行频率f近似成正比，即n∝f；采用主泵低转速保护动作频率标幺值表征主泵低转速保护动作转速标幺值，即有

$f_p^{*}=\frac{f_p}{f_N}$

式中，f^* _p为主泵低转速保护动作频率的标幺值，f_p为主泵低转速保护动作频率，f_N为额定频率；

指标二，堆芯散热异常程度：冷却剂主泵转速降低时，冷却剂流量减少，则堆芯不能充分散热，堆芯温度将逐渐升高；以堆芯散热异常程度衡量冷却剂主泵转速降低时堆芯熔化的风险；所述的堆芯散热异常程度定义为燃料棒表面热流密度异常的比例，其值越大，则堆芯散热越异常，堆芯熔化风险越高；

冷却剂流体的密度为常数；冷却剂流量q与主泵转速n成正比，即有q∝n∝f，取额定工况下的热流密度q_N为基准值，则热流密度标幺值与频率标幺值相等，因此堆芯散热异常程度Δq^*可以通过频率表示为

${\mathrm{\Δq}}^{*}={\mathrm{\Δf}}^{*}=\frac{f_N-f_L}{f_N}$

式中，Δq^*为堆芯散热异常程度的标幺值；Δf^*为频率变化的标幺值；f_L为厂用电频率；

当f_L为堆芯可承受的最低频率f_Lmin时，堆芯散热异常程度达到最大值Δq^* _max；f_Lmin可取值为主泵低转速保护动作频率；

指标三，核电厂汽轮机低频保护动作频率和时延：电力系统频率降低到一定值时，汽轮机低频保护经过相应的设定时延，动作于发信号或者跳闸；

所述的汽轮机低频保护动作频率标幺值表示为

$f_s^{*}=\frac{f_s}{f_N}$

式中，f_s为核电厂汽轮机低频保护动作于发信号或跳闸时的厂用电频率；所述的汽轮机低频保护动作时延以t_s表示；

指标四，电力系统有功出力损失：汽轮机低频保护动作于切机跳闸或者冷却剂主泵低转速保护动作于紧急停堆时，电力系统失去核电机组的有功功率，若低频导致其它能源形式的发电机组退出运行，电力系统损失相应的有功出力；

以电力系统有功出力损失指标评估核电厂低频涉网保护装置动作给电力系统带来的安全风险，同理采用标幺值，所述的电力系统有功损失可表示为

${\mathrm{\α}}_{loss}=\frac{P_{loss}}{P_{GN}}$

式中，α_loss为电力系统有功出力损失，P_GN为电力系统总容量，P_loss为低频故障时自动装置动作带来的电力系统有功出力损失数值；

指标五，电力系统切负荷量：电力系统自动低频减载装置动作切除部分负荷，以电力系统切负荷量评估低频减载装置动作产生的电力系统安全风险；电力系统切负荷量为自动低频减载装置切除的负荷功率占电力系统总容量的比例；

对电力系统频率降低到汽轮机低频保护或者主泵低转速保护的动作整定值时的切负荷量进行累加，可得到电力系统切负荷量指标，即有

$d_{load}=\frac{P_{load}}{P_{GN}}=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{L}_{ci}$

式中，d_load表示电力系统切负荷量，其最大值d_loadmax＝1；P_load为自动低频减载装置动作所切除负荷的功率；L_ci表示自动低频减载装置第i轮切除的负荷量；k表示自动低频减载装置已动作的轮次；

指标六，电力系统功率缺额：电力系统频率降低的根本原因是电力系统出现了有功缺额，以电力系统有功功率缺额指标评估电力系统低频安全风险；电力系统有功功率缺额指电力系统频率回升到额定值需要增发的有功功率，可表示为

${\mathrm{\β}}_{less}=\frac{P_{less}}{P_{GN}}=\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_N}$

式中，β_less为电力系统有功功率缺额与电力系统总容量的比值，P_less为电力系统有功功率缺额；

指标七，自动低频减载装置动作频率：自动低频减载装置动作频率在一定程度上可以表征电力系统在某一功率缺额下允许的低频水平，不同的低频状态对应于不同的负荷切除量；因此，自动低频减载装置动作频率是研究电力系统低频安全风险时的一项重要指标，可表示为

$f_{JZOP1}^{*}=\frac{f_{JZOP1}}{f_N}$

式中，f_JZOP1和f^* _JZOP1分别表示自动低频减载装置动作频率及其标幺值。