一种电力系统动态仿真压水反应堆控制系统模型构建方法

摘要

本发明提供了一种电力系统动态仿真压水反应堆控制系统模型构建方法，其中，通过对实际反应堆控制系统进行适当的简化和功能整合，将反应堆控制系统按功能分解为功率控制系统和温度控制系统两个子系统，用于模拟正常运行工况下对核电机组提升或降低功率的控制，并在出现功率、电压和频率电气量扰动情形下，模拟机组对温度、功率进行调节，维持稳定运行，实现包含压水反应堆核电机组的大规模电力系统机电暂态和中长期动态仿真。本发明解决了现有仿真程序中缺乏准确的反应堆控制系统模型，无法真实反映核电机组动态特性的问题。为研究核电机组内部的过渡过程、大规模电网与大容量核电机组之间的相互影响以及源网协调等问题提供了有力的工具。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统领域，具体涉及一种电力系统动态仿真中二代改进型压水堆核 电机组反应堆控制系统模型构建方法。

背景技术

目前，核电正处于大规模建设、加速发展时期。二代改进型百万千瓦级压水堆核电已经 成为在运核电机组的主体。由于核电机组单机容量大、安全要求高，核电接入电力系统后将 与系统之间产生重大影响，如何确保核电机组和电力系统均能安全稳定地运行是一个极其重 要的课题。

电力系统数字仿真是超大规模电力系统安全稳定运行的基础。为了研究电力系统及核电 机组对故障扰动的承受能力及其动态特性机理，研究核电机组控制保护与电力系统稳定的协 调控制技术，必须考虑核电机组的特殊性，建立准确的、适用于电力系统机电暂态和中长期 动态仿真的核电机组数学模型。

压水堆核电机组与常规机组的最大区别在于反应堆，而对反应堆及其动力装置输出功率 的控制,是整个核动力控制系统的核心。虽然压水堆具有良好的自稳性和自调性，但却不能满 足对其机动性以及运行参数定值的要求，因此配备相应的反应堆控制控制系统是十分必要的。 反应堆控制系统通过改变控制棒的位置或堆芯冷却剂中的硼浓度来改变或维持反应堆功率， 其工作状况直接影响着整个系统的安全运行和所发挥的效益。因此对反应堆控制系统进行研 究具有很重要的现实意义。

但实际压水堆核电机组反应堆控制系统与量测系统、保护系统、以及其它控制和调节系 统相互作用，规模庞大、逻辑复杂、精确度高，在大规模电力系统动态仿真程序中建立相应 的模型难度较大。目前，主流电力系统仿真程序如PSASP、BPA等均未考虑核电机组模型。一 些学者和专家先后开展了适用于电力系统动态仿真的核电建模研究。但总的来说，这些模型 的反应堆控制系统还存在一些缺陷，或是模型过于简单，仅用传递函数来描述，或是对模型 进行了线性化，而不是从基本物理意义来推导。因而模型的逼真程度受到了限制，不能准确 反映实际核电机组的真实动态特性，尚不具备在大规模电网电力系统动态仿真中推广应用的 条件。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种电力系统动态仿真压水反应堆 控制系统模型的构建方法，实现包含压水反应堆核电机组的大规模电力系统机电暂态和中长 期动态仿真，真实反映核电机组动态特性。为研究核电机组内部的过渡过程、大规模电网与 大容量核电机组之间的相互影响以及源网协调等问题提供有力工具。

本发明的目的采用下述技术方案予以实现：

一种电力系统动态仿真压水反应堆控制系统模型构建方法，其改进之处在于，将压水反 应堆控制系统按功能分解为功率控制系统和温度控制系统两个子系统，用于模拟正常运行工 况下对核电机组提升或降低功率的控制，并在出现功率、电压和频率电气量扰动情形下，对 温度、功率进行调节，实现包含压水反应堆核电机组的大规模电力系统机电暂态和中长期动 态仿真；具体步骤如下：

步骤1：设置计算时间T=0，开始仿真计算；

步骤2：将参数初始化；参数包括潮流基础数据、系统网络等值参数、常规动态元件和 核电机组反应堆中子动力学、热工水力参数。

步骤3：进行功率控制系统模型的计算；

步骤4：进行温度控制系统模型的计算；

步骤5：判别是否已到达设定的结束时间，若时间到则转入步骤6，否则返回步骤3进行 下一个循环；

步骤6：结束功率控制系统模型的计算和温度控制系统模型的计算。

其中，功率控制系统模型的计算方法包括如下步骤：

步骤（1）：按照设定的迭代算法计算得到本步长模拟量和状态量；

步骤（2）：反应堆功率控制系统模型从相应核电机组模型中获取机械功率、电磁功率、 汽轮机功率、汽轮机负荷参考值、一次调频信号、母线电压和频率信号，进行模型求解；

步骤（3）：得到汽轮机负荷功率整定值；

步骤（4）：根据汽轮机机械功率和发电机电磁功率计算得到核电机组最终功率整定值；

步骤（5）：比较步骤（3）中的汽轮机负荷功率整定值和步骤（4）中的核电机组最终功 率整定值，取其大者为功率设定值；

步骤（6）：由步骤（5）中的功率设定值经死区计算环节得到功率控制棒棒位调整死区；

步骤（7）：由步骤（5）中的功率设定值经棒位设定环节，并经过惯性环节，得到功率控 制棒参考棒位值；

步骤（8）：由功率控制棒参考棒位值和实际测量棒位值之间棒位偏差信号，以及功率控 制棒位调整死区，经棒速计算环节得到功率控制棒的棒速信号；

步骤（9）：对功率控制棒速积分，得到功率控制棒位；

步骤（10）：结束本步长功率控制棒模型计算，转入温度控制棒模型计算。

其中，所述功率控制系统模型采用开环的方式将功率控制棒迅速调节到所需的位置，使 反应堆的输出功率适应于所需的负荷。

其中，步骤（3）中，汽轮机一次调频信号经过一次调频死区处理，产生频率补偿信号， 再加上汽轮机负荷功率参考值，得到汽轮机负荷功率整定值。

其中，步骤（6）-步骤（9）得到功率控制棒位的过程中，采用磁滞回环方式设置可变死 区宽度，其中死区宽度由核电机组实际功率决定。

其中，温度控制系统模型的计算方法包括如下步骤：

步骤（11）：将一回路冷却剂平均温度依次经过惯性环节和超前滞后环节，得到用于计算 的校正后一回路平均温度；

步骤（12）：根据汽轮机机械功率和发电机电磁功率计算得到核电机组最终功率整定值；

步骤（13）：比较最终功率整定值和汽轮机冲动级压力，取其大值，并经过一阶惯性环节， 得到驱动温度控制棒的功率设定值；

步骤（14）：功率设定值经温度设定值计算环节和惯性环节，得到温度控制棒的温度参考 值；

步骤（15）：功率设定值通过可变增益环节得到温度可变增益，用于在不同的工况下，使 功率失配通道的开环增益基本相同，从而获得较为合理的动态相应特性；

步骤（16）：将实际核功率和功率设定值之差，经过一个WASHOUT环节，得到温度的 非线性增益；

步骤（17）：由步骤（15）的可变增益和步骤（16）的非线性增益相乘得到修正后增益， 再由将步骤（14）中的温度参考值分别减去步骤（11）中的校正后一回路平均温度和上述修 正后增益，得到用于驱动温度控制棒的温度偏差；

步骤（18）：温度偏差经磁滞回环得到温度控制棒的调整棒速；

步骤（19）：将温度控制棒速积分得到温度控制棒位；

步骤（20）：将功率控制棒位、温度控制棒位引入反应性计算，并将计算结果输出至核电 机组热工水力系统模型。

其中，所述温度控制系统模型采用闭环的方式进行调节,逐步将冷却剂温度调节到符合冷 却剂平均温度程序所给定平均温度给定值。

其中，步骤（11）中，电力系统动态仿真中压水反应堆控制系统模型以热管段温度和冷 管段温度的平均值作为冷却剂温度的输入。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供一种电力系统动态仿真中压水反应堆控制系统模型构建方法，能够实现对实 际电力系统中二代改进型压水堆核电机组的控制系统准确模拟，可与核电机组一回路热工水 力系统模型、二回路电气系统进行接口，构成核电机组的完整模型，实现含压水堆核电机组 的大规模电力系统动态仿真。

本发明能够实现对大规模电力系统中电力系统动态仿真中压水反应堆控制系统模型的准 确模拟，克服了以往仿真软件不能准确模拟核电机组控制系统动态行为的缺点，为研究核电 站内部的过渡过程、研究核电机组控制保护与电力系统稳定的协调控制技术，以及大规模电 网与大容量核电机组之间的相互影响规律提供了有力的工具。

本发明的电力系统动态仿真中压水反应堆控制系统模型的温度控制对反应堆实际功率和 功率给定值的失配程度进行了自适应调整：当失配功率变化率较小时，调节作用相应较弱， 当失配功率变化率较大时，调节作用较强；当负荷较小时，调节作用较强，当负荷较大时， 调节作用较弱。从而较好地体现了实际温度控制系统在低功率和功率失配变化率较大时的调 节作用，使反应堆更加平稳运行的特点。

本发明在电力系统动态仿真程序中建立与实际系统中应用的二代改进型百万千瓦级压水 堆核电机组反应堆控制系统动态特性相一致的模型，能够对核电机组全动态过程进行有效仿 真，准确模拟核电机组受到扰动之后整个连续的动态过程，解决了现有仿真程序中缺乏准确 的核电机组反应堆控制系统模型，无法真实地反映核电机组动态行为的缺点。

附图说明

图1为本发明提供的功率控制系统模型示意图；

图2为本发明提供的温度控制系统模型示意图

图3为本发明提供的根据功率设定值计算温度设定值；

图4为本发明提供的压水反应堆控制系统模型构建方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

实际压水堆核电机组反应堆控制系统与量测系统、保护系统以及其它控制、调节系统相 互作用，规模庞大、逻辑复杂、精确度高。因此，在大规模电力系统动态仿真程序中建立相 应的模型难度较大。为了获得用于电力系统稳定分析的核电机组控制系统通用模型，本实施 例采用面向对象的建模思想，对二代改进型压水堆控制系统进行分解建模，并进行适当的简 化和功能整合，最终得到的反应堆控制系统模型由功率控制系统模型和温度控制系统模型构 成。所述模型构建方法主要关注电网电压频率扰动对控制系统的影响，忽略设备本身故障带 来的影响，并且不考虑停堆控制系统。

本发明提供的方案具体实施如下：

1、功率控制系统构建方案

图1给出了功率控制系统模型示意图。反应堆控制系统模型的功率控制根据功率设定值 计算得到功率控制棒调整死区和功率控制棒参考棒位值，并由功率控制棒参考棒位和实际测 量棒位之间棒位偏差信号，以及上述调整死区，经棒速计算环节得到功率控制棒的棒速信号， 最后将功率控制棒速积分得到功率控制棒位。上述方法采用磁滞回环方式设置可变死区宽度， 避免功率控制棒的频繁调整，其中死区宽度由核电机组实际功率决定。

2、最终功率整定值计算

最终功率整定值被用作蒸汽排放系统投入时的运行功率，或在厂用电负荷时和在低负荷 下运行时的功率。当超高压断路器或汽机脱扣之前，汽机负荷大于等于30%额定功率时，最 终功率整定值为30%额定功率；当超高压断路器或汽机脱扣之前，汽机负荷小于30%时，最 终功率整定值为当前功率。

3、功率设定值计算

当汽轮机不输出功率时，功率设定值即为最终功率整定值，堆功率将维持在此最终功率 整定值；而在正常工况下，功率棒驱动功率将取为汽轮机功率参考值频率补偿信号，并由此 信号驱动功率棒动作。

4、功率控制棒的死区计算

功率控制棒的死区宽度根据核电机组实际功率曲线按下式计算，其中，P₁为功率设定值， S₁为死区宽度，a₁₀₁，b₁₀₁，k₁₀₁为输入的设计参数：

$S_1=\left(\begin{array}{cc}{b}_{101}& 0\le P_1<a_{101}\\ b_{101}+{K_{101}}^{*}(P_1-a_{101})& a_{101}\le P_1\end{array}\right);$

5、功率控制棒位设定值计算

功率控制棒位设定值可按下式计算，其中，P₁为功率设定值，S₂为功率控制棒位设定值， a₂₀₁，b₂₀₁，k₂₀₁等均为输入的设计参数：

$S_2=\left(\begin{array}{cc}{b}_{201}+{k_{201}}^{*}{P}_1& 0\le P_1<a_{201}\\ b_{202}+{k_{202}}^{*}(P_1-a_{201})& a_{201}\le P_1<a_{202}\\ b_{203}+{k_{203}}^{*}(P_1-a_{202})& a_{202}\le P_1<a_{203}\\ b_{204}{{+k}_{204}}^{*}(P_1-a_{203})& a_{203}\le P_1<a_{204}\\ b_{205}+{k_{205}}^{*}(P_1-a_{204})& a_{204}\le P_1<a_{205}\\ b_{206}+{k_{206}}^{*}(P_1-a_{205})& a_{205}\le P_1<a_{206}\\ b_{207}+{k_{207}}^{*}(P_1-a_{206})& a_{206}\le P_1<a_{207}\\ b_{208}+{k_{208}}^{*}(P_1-a_{207})& a_{207}\le P_1<a_{208}\\ b_{209}+{k_{209}}^{*}(P_1-a_{208})& a_{208}\le P_1<a_{209}\\ b_{210}& a_{209}\le P_1\end{array}\right);$

6、功率控制棒速和棒位计算

当负荷增大时，计算棒位变大，实际棒位并没有变化，则当前棒位偏差信号相对于上一 时刻呈增加趋势，且此偏差大于死区时，产生棒速信号（60步/min），开始提棒；若当前棒位 偏差信号相对于上一时刻呈减小趋势，且当此偏差信号小于死区和迟滞宽度的差时（迟滞宽 度为1步），停止提棒。插棒情况与此类似，只不过此时棒位偏差信号为负数。为了消除控制 棒驱动机构接通-脱开时产生的振动，模型设置了磁滞回环。通过上述步骤实现了将功率控制 棒位偏差转换为功率控制棒的棒速信号，进一步将功率控制棒速按下式积分，即可得到功率 控制棒位。

S₃=S₃₀+∫V_Pdt；

其中，S₃为功率控制棒当前棒位，S₃₀为功率控制棒上一积分步棒位，V_P为功率控制棒 调整棒速。

7、温度控制系统构建方案

图2给出了温度控制系统模型示意图。反应堆控制系统模型的温度控制系统是由功率设 定值计算出温度参考值以及补偿功率增益，并根据温度参考值和一回路平均温度及补偿功率 增益的差，得到用于驱动温度控制棒的温度偏差，此温度偏差再经磁滞回环即得到温度控制 棒的调整棒速，最后由棒速积分得到温度控制棒位。所述温度控制系统对反应堆实际功率和 功率给定值的失配程度进行了自适应调整，较好地体现了实际温度控制系统在低功率和功率 失配变化率较大时的调节作用，使反应堆更加平稳运行的特点。

8、一回路平均温度测量

由于实际一回路管道较长，难以测量实际各部位温度，因此采用将冷管段平均温度和热 管段平均温度进行平均的方法作为计算用的一回路平均温度，这种方法容易实现，且不致带 来太大的误差。考虑到测量环节的延时和后续计算量的比较，需要将一回路冷却剂平均温度 经过一个惯性环节和一个超前滞后环节得到实际用于计算的平均温度。

9、温度控制系统的温度参考值计算

将汽轮机负荷冲动级压力和最终功率设定值取大值，并经一阶惯性环节，得到温度控制 系统的功率设定值。功率设定值经过温度设定值计算环节可得温度设定值，再经一阶惯性环 节即可得到温度控制系统的温度参考值。计算温度设定值的示意图如图3所示。

10、温度控制系统的补偿功率增益计算

反应堆传递系数随反应堆功率非线性变化，为了补偿这种非线性变化，以便在不同的工 况下，使功率失配通道的开环增益基本相同，从而获得比较理性的动态响应特性。首先按下 式计算可变增益Coe₁：

${\mathrm{Coe}}_1=\left(\begin{array}{cc}{b}_{401}& P_2<a_{401}\\ b_{401}-{k_{401}}^{*}(P_2-a_{401})& a_{401}\le P_2<a_{402}\\ b_{402}-{k_{402}}^{*}(P_2-a_{402})& a_{402}\le P_2<a_{403}\\ b_{403}{-k_{403}}^{*}(P_2-a_{403})& a_{403}\le P_2<a_{404}\\ b_{404}-{k_{404}}^{*}(P_2-a_{404})& a_{404}\le P_2<a_{405}\\ b_{405}& a_{405}\le P_2\end{array}\right);$

其次，将温度控制棒驱动功率和实际核功率的差值经过一个WASHOUT环节，输入到如 下非线性增益环节，计算得到非线性可变增益Coe₂

${\mathrm{Coe}}_2=\left(\begin{array}{cc}{-b}_{501}+{k_{502}}^{*}(P_3+1.0)& P_3<-1.0\\ {b_{501}}^{*}{P}_3& -1.0\le P_3<\\ b_{501}+{k_{502}}^{*}(P_3-1.0)& 1.0\le P_3\end{array},1.0\right);$

最后，得到补偿功率增益Coe＝Coe₁*Coe₂。

其中，P₂为温度控制系统的功率设定值，a₄₀₁，b₄₀₁，k₄₀₁等均为输入的设计参数：

11、温度控制棒的棒速和棒位计算

根据计算所得的温度参考值T₁和实际一回路平均温度，并考虑补偿功率增益，得到温度 偏差ΔT，并据此偏差按下式计算棒速V_T。其中，a₆₀₁，b₆₀₁，k₆₀₇等均为输入的设计参数：

$V_T\left(\begin{array}{cc}{b}_{601}& \mathrm{\Delta T}<a_{601}\\ b_{602}+{k_{602}}^{*}(\mathrm{\Delta T}+1.73)& a_{601}\le \mathrm{\Delta T}<a_{602}\\ b_{602}& a_{602}<\mathrm{\Delta T}<a_{603}\\ V_T& a_{603}<\mathrm{\Delta T}<a_{604}\\ 0.0& a_{604}\le \mathrm{\Delta T}<a_{605}\\ V_T& a_{605}\le \mathrm{\Delta T}{<a}_{606}\\ b_{606}& a_{606}\le \mathrm{\Delta T}<a_{607}\\ b_{607}+{k_{607}}^{*}(\mathrm{\Delta T}-a_{607})& a_{607}\le \mathrm{\Delta T}<a_{608}\\ b_{608}& a_{608}\le \mathrm{\Delta T}\end{array}\right);$

最后对棒速V_T积分即得到棒位S₄：

S₄=S₄₀+∫V_Tdt。

其中，S₄为温度控制棒当前棒位，S₄₀为功率控制棒上一积分步棒位，V_T为温度控制棒 调整棒速。

图4为本发明实施例的电力系统动态仿真中压水反应堆控制系统模型构建方法的总流程 图，包括功率控制模型和温度控制模性，该方法的总步骤如下：

步骤101：设置计算时间T=0，开始仿真计算；本实施例的总体的设定时间根据现场由 工程师确认；

步骤102：将参数初始化；

步骤103：按照设定的迭代算法计算得到本步长模拟量和状态量；

步骤104：反应堆功率控制系统模型从相应核电机组模型中获取机械功率、电磁功率、 汽轮机功率、汽轮机负荷参考值、一次调频信号、母线电压和频率信号，进行模型求解；

步骤105：得到汽轮机负荷功率整定值；

步骤106：根据汽轮机机械功率和发电机电磁功率计算得到核电机组最终功率整定值；

步骤107：比较步骤105中的汽轮机负荷功率整定值和步骤106中的核电机组最终功率 整定值，取其大者为功率设定值；

步骤108：由步骤107中的功率设定值经死区计算环节得到功率控制棒棒位调整死区；

步骤109：由步骤107中的功率设定值经棒位设定环节，并经过惯性环节，得到功率控 制棒参考棒位值；

步骤110：由功率控制棒参考棒位值和实际测量棒位值之间棒位偏差信号，以及功率控 制棒位调整死区，经棒速计算环节得到功率控制棒的棒速信号；

步骤111：对功率控制棒速积分，得到功率控制棒位；

步骤112：结束本步长功率控制棒模型计算，转入温度控制棒模型计算；

步骤113：将一回路冷却剂平均温度依次经过惯性环节和超前滞后环节，得到用于计算 的校正后一回路平均温度；

步骤114：根据汽轮机机械功率和发电机电磁功率计算得到核电机组最终功率整定值；

步骤115：比较最终功率整定值和汽轮机冲动级压力，取其大值，并经过一阶惯性环节， 得到驱动温度控制棒的功率设定值；

步骤116：功率设定值经温度设定值计算环节和惯性环节，得到温度控制棒的温度参考 值；

步骤117：功率设定值通过可变增益环节得到温度可变增益，用于在不同的工况下，使 功率失配通道的开环增益基本相同，从而获得较为合理的动态相应特性；

步骤118：将实际核功率和功率设定值之差，经过一个WASHOUT环节，得到温度的非 线性增益；

步骤119：由步骤117的可变增益和步骤118的非线性增益相乘得到修正后增益，再由将 步骤116中的温度参考值分别减去步骤113中的校正后一回路平均温度和上述修正后增益， 得到用于驱动温度控制棒的温度偏差；

步骤120：温度偏差经磁滞回环得到温度控制棒的调整棒速；

步骤121：将温度控制棒速积分得到温度控制棒位；

步骤122：将功率控制棒位、温度控制棒位引入反应性计算，并将计算结果输出至核电机 组热工水力系统模型。

步骤123：判别是否已到达设定的结束时间，若时间到则转入步骤124，否则返回步骤103 至步骤122进行下一个循环；

步骤124：结束功率控制系统模型的计算和温度控制系统模型的计算。

依照本发明的电力系统动态仿真中压水反应堆控制系统模型构建方法，其中，压水反应 堆控制系统模型由功率控制系统模型和温度控制系统模型构成，不考虑停堆控制系统，主要 关注电网电压频率扰动对控制系统的影响，忽略设备本身故障带来的影响。本发明采用面向 对象的建模思想，对二代改进型压水堆控制系统进行分解建模。并与核电机组一回路热工水 力、二回路电气系统模型进行接口，实现了含压水反应堆控制系统模型的大规模电力系统闭 环式动态仿真。本发明能够实现对大规模电力系统中压水反应堆控制系统动作行为和控制特 性的准确模拟，克服了以往仿真软件不能反映压水反应堆控制系统模型动作行为的缺点，可 进行复杂和严重事故的事后分析，能够满足大规模电力系统动态仿真对核电机组系统模拟的 要求。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域 的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等 同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。