摘要：本文以国内某核电站1号机组为参考，讨论基于WESTEN公司的3KeyMaster仿真技术平台上，典型电网故障—小电网故障的两种模拟方法：外电网频率修改法和外电网负载修改法，通过分析比对，得出两种模拟方式的优缺点，分析结果值得模拟机开发设计人员及模拟机维护人员参考借鉴。
关键词：模拟机；小电网；频率修改法；有限负载法
0引言
核电站模拟机主要用于对运行人员的培训；为提高操纵员机组操作、调整、事故处理、异常情况下应急处理及协调的能力，在模拟机日常培训中，要求模拟机能够提供从换料冷停堆到满功率运行的所有正常运行工况、全部故障和事故瞬态工况等培训场景，模拟系统包括设计所要求的所有操纵员培训相关系统，模拟精度应达到相应法律法规及技术文件的要求。
小电网故障模拟，是全范围模拟机模拟的事故瞬态工况之一，也是运行人员培训过程中需要用到的场景之一。本文以国内某核电站1号机组为参考，讨论基于WESTEN公司的3KeyMaster仿真技术平台下，小电网故障的两种模拟方法—外电网频率修改法和外电网负载修改法，通过分析比对，得出两种模拟方式的优缺点，分析结果值得模拟机开发设计人员及模拟机维护人员参考借鉴。
1、小电网故障概述
1.1小电网定义
当发生台风等外部破坏力时，电网容易出现一系列故障，供需平衡被破坏，引起电网频率、电压波动，如果不加以控制，最终使整个电力系统崩溃。当电网某部分发生故障，造成电网甩掉部分负荷时（断路器自动重合闸不成功），电网就变成了小电网。
1.2主要现象及现象解释
小电网故障导致小电网的频率上升，汽机转速也上升。由于电网频率的增加使得一次调频动作（±0.25HZ），使汽机减负荷。汽机转速（在负荷下降时）的上升要求主汽门关小，汽机甩负荷信号出现，汽机旁路系统阀门开启，因为10%的负荷阶跃机组可以接受，其结果是使得汽机负荷的实际值小于其目标负荷1089MW。由于目标负荷较高以及升负荷速率存在，这时汽机调节系统的自动调节又要求汽机增加负荷，最终二者的作用平衡到某一功率水平上（可能高于电网要求的负荷），所以此时汽机仍然是超速的小电网。
1.3主要处理过程
发生小电网故障时，一二回路处理措施重在检查和跟踪：
一回路稳定机组，考虑氙毒的影响，争取12小时内把功率棒提出堆芯；关注堆芯功率展平；温度棒一旦提至低低棒位以上便开始大流量稀释；若到厂用电，则维持核功率并使用校正因子。
二回路关注频率变化；切回负荷屏，明白当前负荷，将目标负荷改为当前值；询问电网故障原因及恢复的时间；报告值长、安工；机组稳定后即汽轮机旁路系统关闭后复位汽机甩负荷信号。
机组参数稳定后，可以通过适当降功率，使电网频率向50HZ降低，小电网程度越大，降功率对频率降低的贡献越大。
2、电气主接线模型
参考国内某核电站1号机组模拟电气主接线，发电机发出的电经出口断路器送出，少部分功率通过两个厂用变压器变压后供电厂使用，大部分功率则升压至500kV后送至主外电网。将主外电模拟成一个无穷大的源，电压500kV，频率50HZ，当发电机冲转并网之后，电压频率和相位跟无穷大的外电网保持一致。
3、小电网模拟方法
3.1理论分析
小电网故障最直接的后果就是电网频率的上升，只要实现了频率上升，机组后续的一系列动作将通过控制系统自动来完成，因此我们对小电网故障的模拟需要从频率角度出发。由于模拟的外电网是无穷大电网，要实现频率的变化（小电网故障时外电网频率上升），可以通过两种方式来实现：直接修改外电网频率；将无穷大电网更换为有限大的负荷。
3.2频率修改法
外电网模块通过两个EP转换器，可以对外电网模块频率和电压直接赋值，因为外电网为无穷大电网，处于并网状态的发电机会有相应的一次调频动作，因此可实现小电网故障的模拟。
3.3有限负载法
有限负载法即将无穷大电网替换为有限大的负载，通过改变负载的电气参数（消耗的有功功率和无功功率），来实现整个电气系统频率的变化。
4、小电网故障响应
4.1频率修改法
通过频率EP转换器，直接设置外电网频率51HZ，建立时间趋势，得到频率、电功率以及汽机旁路系统开度变化如下图所示：
图 实验结果
从图中可以看出，由于直接修改的外电网频率，电气系统跟随外电网频率变化，因此频率的变化几乎为阶跃响应，汽机转速维持1530转。由于一次调频动作，使得发电机开始降功率，功率下降为平滑的曲线，且有变缓的趋势，电功率最终稳定在586MW左右。汽机旁路系统的开度也随着功率的变化先快速增大，后逐渐减小。
4.2有限负载法
插入小电网故障，断开无穷大电网，并设置有限负载负荷540MW，建立时间趋势，得到频率、电功率以及汽机旁路系统开度变化，从各参数变化趋势可以看出，由于直接断开无穷大电网，接入远小于1030MW的有限负荷，因此功率的变化斜率较大，瞬间甩掉500MW负荷，最终稳定在600MW左右（外电网功率加上厂用电），而频率的变化过程相对较是一个不断调节的过程，当输出电功率和电网负荷达到平衡时，汽机转速维持1530转左右；汽机旁路系统的开度也随着功率的变化先快速增大，后逐渐减小。此外，甩负荷信号出现。
5、结果比对
回顾小电网故障的定义，我们知道小电网故障最直接的后果就是频率的上升，因此我们从结果出发，想到了频率修改模拟法；同时从小电网产生的原因入手，得到了有限负载模拟机法。通过前面的实验论证，两种方法都能使小电网故障的大部分现象在模拟机上复现，如频率稳定值、最终功率值等；但同时也存在以下不同之处：
（1）出发角度不同：一个是从结果出发；一个是从原因出发；
（2）频率变化趋势不同：直接修改频率后，发电机频率同步电网频率，且保持不变；有限负载法的频率是一个动态的调节过程；
（3）功率变化趋势不同：频率修改法电功率是一个线性下降的过程，有限负载法是一个阶跃下降的过程，因此前者只出了C7A（10%），后者会出C7A和C7B（50%）。
（4）汽机旁路系统变化趋势不同：有限负载法的开度变化幅度更大。
另外，当机组各项参数稳定后，操纵员有可能需要通过降低电功率来为小电网频率的下降作出贡献，而频率修改法外电网频率不变，因此这种情况下只有有限负载法能够满足培训需求。
有限负载法，二回路操纵员通过降功率，发电机功率逐步降低的过程中，汽机转速有下降的趋势，且汽机旁路系统的开度持续减小。发电机功率降至580MW后，汽机转速下降到1511转并趋于稳定。
综上所述，有限负载法所模拟机的小电网故障更加接近真实场景，但对汽机调节的要求较高，而频率修改法适用于普通电站的简易模拟，对汽机调节这一块的模拟精度要求不高。
参考文献
【1】电站模拟机电气系统建模特点浅析. 齐宏伟 等.计算机时代，2013年2期