电力系统自动低频减载及其他安全控制装置

1、North China Electric Power University第十一讲 电力系统自动低频减载及其他安全控制装置主讲人：李岩松North China Electric Power Universitypage22022-4-25电力系统典型事故电力系统自动装置电力系统自动装置就是针对危及系统安全运行的故障所采用就是针对危及系统安全运行的故障所采用的自动化对策，他们的任务就是当系统发生某些故障时，按照预的自动化对策，他们的任务就是当系统发生某些故障时，按照预定的控制准则迅速作出反应，采取必要的措施以避免事故扩大。定的控制准则迅速作出反应，采取必要的措施以避免事故扩大。事故事故1：A电厂

2、发生故障而切机，电厂发生故障而切机，B系统突然减少了功率系统突然减少了功率 。如果运行机组备用容量远小于如果运行机组备用容量远小于 ，则会造成电网功率的严重，则会造成电网功率的严重缺额，频率会大幅度下降。此时如果不及时切负荷，则会危及缺额，频率会大幅度下降。此时如果不及时切负荷，则会危及系统安全，甚至整个系统崩溃。系统安全，甚至整个系统崩溃。APAPNorth China Electric Power Universitypage32022-4-25电力系统典型事故事故事故2：在双回线路上输送的功率：在双回线路上输送的功率 很大，当有一回线三相短很大，当有一回线三相短路而被切除，路而被切除，

3、超出了一回线路运行的暂态稳定极限。如果超出了一回线路运行的暂态稳定极限。如果不迅速减少输送功率，则可能由于系统稳定破坏而解列。造成不迅速减少输送功率，则可能由于系统稳定破坏而解列。造成受端更为严重的功率缺额。受端更为严重的功率缺额。APAP事故处理：事故处理：1、对于事故、对于事故1，B系统迅速切除负荷系统迅速切除负荷2、对于事故、对于事故2，A电厂迅速减少输送功率电厂迅速减少输送功率North China Electric Power Universitypage42022-4-25电力系统典型事故存在问题存在问题：如果由调度人员在很短的时间内正确判断事故并如果由调度人员在很短的时间内正确判

4、断事故并且完成相应的上述操作，显然是不可能的。原因是远动信息传且完成相应的上述操作，显然是不可能的。原因是远动信息传输和操作命令的传达都需要一定的时间，如此长的时间势必会输和操作命令的传达都需要一定的时间，如此长的时间势必会失去及时处理事故的良机。失去及时处理事故的良机。解决办法解决办法：针对引发系统性事故的紧急操作任务必须依靠：针对引发系统性事故的紧急操作任务必须依靠自动控制系统装置来完成。自动控制系统装置来完成。0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Sec.电磁暂态电磁暂态Electromagnetic Switching Transient暂态稳定暂态稳定Transi

5、ent stability（angle and voltage）系统运行系统运行Power system operation小扰动稳定小扰动稳定Small signal stability长期电压稳定长期电压稳定Long term voltage stability继电保护范围继电保护范围自动装置范围自动装置范围自动化系统范围自动化系统范围人员操作范围人员操作范围North China Electric Power Universitypage52022-4-25第二节 自动低频减载电力系统的频率反映了发电机组所发出的有功功率与负荷所需有电力系统的频率反映了发电机组所发出的有功功率与负荷所需有

6、功功率之间的平衡状况。功功率之间的平衡状况。当电力系统发生了当电力系统发生了较大的事故较大的事故时，系统出现了时，系统出现了严重的功率缺额严重的功率缺额，其缺额值超出了正常热备用可以调节的能力，这时即使令全系其缺额值超出了正常热备用可以调节的能力，这时即使令全系统中运行的所有发电机都发出其设备可能提供的统中运行的所有发电机都发出其设备可能提供的最大功率，仍最大功率，仍然不能满足负荷功率的需要然不能满足负荷功率的需要，所引发的系统频率下降值远远超，所引发的系统频率下降值远远超出了系统安全运行所允许的范围。出了系统安全运行所允许的范围。为了保证电网安全和对重要用户的供电，必须采取措施，为了保证电网

7、安全和对重要用户的供电，必须采取措施，切切除部分负荷除部分负荷，以使系统频率恢复到可以安全运行的水平内。，以使系统频率恢复到可以安全运行的水平内。North China Electric Power Universitypage62022-4-25频率降低对电力系统的影响系统频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成系统崩系统频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成系统崩溃的严重后果。溃的严重后果。1、对汽轮机的影响：频率降低会导致汽轮机的叶片产生裂纹，、对汽轮机的影响：频率降低会导致汽轮机的叶片产生裂纹，甚至叶片断裂。甚至叶片断裂。2、发生频率崩溃现象、发生频率崩溃现象3、发生电压

8、崩溃现象、发生电压崩溃现象频率降低频率降低火电厂厂用机械出力降低火电厂厂用机械出力降低锅炉出力降低锅炉出力降低发电厂出力降低发电厂出力降低频率降低频率降低励磁机、发电机转速下降励磁机、发电机转速下降电动势下降电动势下降加剧无功不足加剧无功不足电压水平下降电压水平下降North China Electric Power Universitypage72022-4-251、电力系统频率的静态特性在电力系统出现较大的功率缺额时，如能在较低的频率维持运在电力系统出现较大的功率缺额时，如能在较低的频率维持运行，主要是依靠负荷频率特性的调节作用。行，主要是依靠负荷频率特性的调节作用。当频率降低时，负荷按照

9、自身的频率特性自动地减少了从系统当频率降低时，负荷按照自身的频率特性自动地减少了从系统中所吸收的功率，使之与发电机发出的功率尽可能的保持平衡。中所吸收的功率，使之与发电机发出的功率尽可能的保持平衡。此时，系统所减少的功率就是系统的功率缺额。此时，系统所减少的功率就是系统的功率缺额。hLPKf1LNLhPKPf*50 系统功率缺额系统功率缺额负荷的频率调节特性负荷的频率调节特性系统功率缺额系统功率缺额North China Electric Power Universitypage82022-4-252、电力系统频率的动态特性在系统稳态运行情况下在系统稳态运行情况下iimiitUusin全电网统

10、一的角频率全电网统一的角频率当系统受到微小扰动时，系统频率仍然维持当系统受到微小扰动时，系统频率仍然维持 ， 发发生变化，生变化， 也发生变化。此时，母线电压的瞬时角频率为也发生变化。此时，母线电压的瞬时角频率为XfAiPBiPiiXiiXiXiXifffdtdtdtd由于在扰动过程中，各母线电压的相角不可能具有相同的变化由于在扰动过程中，各母线电压的相角不可能具有相同的变化率，因此，系统中各母线电压频率变化并一致。率，因此，系统中各母线电压频率变化并一致。 取决于取决于 的的变化情况。变化情况。ifiNorth China Electric Power Universitypage92022

11、-4-252、电力系统频率的动态特性当系统出现功率缺额时，系统中旋转的动能都为支持电网的当系统出现功率缺额时，系统中旋转的动能都为支持电网的能耗而做出贡献。能耗而做出贡献。频率随时间变化的过程主要取决于有功功率缺额大小和系统频率随时间变化的过程主要取决于有功功率缺额大小和系统中所有转动部分的机械惯性，包括：汽轮机、同步发电机、同中所有转动部分的机械惯性，包括：汽轮机、同步发电机、同步调相机、电动机及其拖动的机械设备。步调相机、电动机及其拖动的机械设备。电力系统由于有功功率的平衡遭到破坏，引起系统频率发生变电力系统由于有功功率的平衡遭到破坏，引起系统频率发生变化，频率从正常状态过渡到另一个稳定值

12、所经历的时间过程化，频率从正常状态过渡到另一个稳定值所经历的时间过程电力系统频率的动态过程电力系统频率的动态过程。用用 来表示电力系统频率动态特性。来表示电力系统频率动态特性。 tfXNorth China Electric Power Universitypage102022-4-252、电力系统频率的动态特性研究电力系统频率的动态过程研究电力系统频率的动态过程（1）以单机单负荷为例：）以单机单负荷为例：MdtdJMdtdWNKN22*22MdtdPWdtdPWGNKNNGNKN*2LTGGNKNPPdtdTdtdPW系统出现有功缺额时，转子运动方程系统出现有功缺额时，转子运动方程221NK

13、NJW转子动能转子动能*PM*考虑到机械角速考虑到机械角速度变化不太快度变化不太快North China Electric Power Universitypage112022-4-252、电力系统频率的动态特性（2）全网多台机组并联运行：）全网多台机组并联运行：考虑忽略各节点频率偏差考虑忽略各节点频率偏差 的差异，把全系统的所有机组看作的差异，把全系统的所有机组看作一台等值机。一台等值机。if电动机及其拖动机械负荷的转动惯量远小于发电机组的转动惯电动机及其拖动机械负荷的转动惯量远小于发电机组的转动惯量，可以忽略，这样并不会影响计算结果。量，可以忽略，这样并不会影响计算结果。*LTXPPdtd

14、Tdtfddtddtd*LTLNGNXPPdtfdPPT*LhLNGNXKPfdtfdPPTfKPPLLNL等值机的惯性等值机的惯性时间常数时间常数转换为以负荷转换为以负荷在额定频率时在额定频率时的总功率为基的总功率为基准功率准功率North China Electric Power Universitypage122022-4-252、电力系统频率的动态特性*LhLNGNXKPfdtfdPPT当系统出现功率缺额或者功率过剩时，系统频率当系统出现功率缺额或者功率过剩时，系统频率 的动态特性可用指数曲线来描述。的动态特性可用指数曲线来描述。 tfX在事故初期，频率下在事故初期，频率下降的速度与功

15、率缺额降的速度与功率缺额成正比成正比North China Electric Power Universitypage132022-4-252、电力系统频率的动态特性当频率下降至当频率下降至 ，切除负荷，切除负荷 ，若若 则有曲线则有曲线C1fLPhLPP当频率下降至当频率下降至 ，切除负荷，切除负荷 ，若若 ，且使，且使 则有曲线则有曲线d1fLPhLPP1ffX当频率下降至当频率下降至 ，切除负荷，切除负荷 ，若若 ，且使，且使 则有曲线则有曲线e1fLPhLPPbXff结论：如果能够及时切除负荷功率，就可以延缓系统频结论：如果能够及时切除负荷功率，就可以延缓系统频率下降过程。率下降过程。

16、North China Electric Power Universitypage142022-4-253、自动低频减载的工作原理当电力系统发生严重的功率缺额时，低频减载装置的任务就是迅当电力系统发生严重的功率缺额时，低频减载装置的任务就是迅速断开相应数量的用户负荷，使系统频率在不低于某一允许值的速断开相应数量的用户负荷，使系统频率在不低于某一允许值的情况下，达到有功功率平衡，以确保电力系统安全运行，防止事情况下，达到有功功率平衡，以确保电力系统安全运行，防止事故进一步扩大。这是防止电力系统发生频率崩溃的系统性的保护故进一步扩大。这是防止电力系统发生频率崩溃的系统性的保护装置。装置。1、最大功

17、率缺额的确定、最大功率缺额的确定2、自动低频减载装置的动作顺序、自动低频减载装置的动作顺序3、频率级差的选择、频率级差的选择4、每段切除功率的限制、每段切除功率的限制5、自动减载装置的延时与防止误动作、自动减载装置的延时与防止误动作6、特殊轮、特殊轮North China Electric Power Universitypage152022-4-25（1）最大功率缺额的确定考虑即使在系统发生最严重的事故情况下，也就是出现最大可能考虑即使在系统发生最严重的事故情况下，也就是出现最大可能的功率缺额时，接至自动低频减载装置的用户功率量（待切除的的功率缺额时，接至自动低频减载装置的用户功率量（待切除

18、的负荷）也能使系统频率恢复至可以运行的水平，以避免事故扩大。负荷）也能使系统频率恢复至可以运行的水平，以避免事故扩大。确定系统事故情况下最大的可能功率缺额，以及接入自动低频减确定系统事故情况下最大的可能功率缺额，以及接入自动低频减载装置的功率值，是系统安全运行的重要保证。载装置的功率值，是系统安全运行的重要保证。一般应该根据最不利的运行方式下发生事故时，实际可能发生的一般应该根据最不利的运行方式下发生事故时，实际可能发生的最大功率缺额来考虑。例如：按系统中断开最大机组，或者某一最大功率缺额来考虑。例如：按系统中断开最大机组，或者某一电厂来考虑。电厂来考虑。一般希望系统切除负荷后的恢复频率要小于

19、系统额定频率一般希望系统切除负荷后的恢复频率要小于系统额定频率Nhff max. hP自动低频减载装置的最大可能断开的功率自动低频减载装置的最大可能断开的功率 要小于最大功率要小于最大功率缺额缺额max.LPmax.max.hLPPNorth China Electric Power Universitypage162022-4-25（1）最大功率缺额的确定hNfff*max.max.max.fKPPPPLLLNLh*max.max.1fKfPKPPLLNLhLhLPKf1根据系统负荷、系统恢复频率以及最大功率缺额根据系统负荷、系统恢复频率以及最大功率缺额 ，可以，可以计算出接到自动低频减载装

20、置的功率总数。计算出接到自动低频减载装置的功率总数。max. hPNorth China Electric Power Universitypage172022-4-25（2）自动低频减载装置的动作顺序系统运行方式有很多种，事故的严重程度也很大差别，而对于自系统运行方式有很多种，事故的严重程度也很大差别，而对于自动低频减载装置都必须做出恰当的反应，切除相应数量的负荷。动低频减载装置都必须做出恰当的反应，切除相应数量的负荷。解决的办法解决的办法只有分批断开负荷功率，采用逐步修正的办法，只有分批断开负荷功率，采用逐步修正的办法，才能取得较为满意的结果。才能取得较为满意的结果。尽管频率动态方程表明频

21、率下降速率载有有功缺额的信息，但是，尽管频率动态方程表明频率下降速率载有有功缺额的信息，但是，在实际应用中，按频率降低值来切除负荷，即按频率自动减载。在实际应用中，按频率降低值来切除负荷，即按频率自动减载。自动低频减载装置是在电力系统发生事故后系统频率下降时，按自动低频减载装置是在电力系统发生事故后系统频率下降时，按照频率的不同数值按顺序依次切除负荷，也就是将最大开断功率照频率的不同数值按顺序依次切除负荷，也就是将最大开断功率分配在不同启动频率值的区段内分批切除负荷。分配在不同启动频率值的区段内分批切除负荷。为了确定自动低频减载装置的级数，应该确定第一级启动频率为了确定自动低频减载装置的级数，

22、应该确定第一级启动频率 和最末一级启动频率和最末一级启动频率 的数值。的数值。1fnfNorth China Electric Power Universitypage182022-4-25（2）自动低频减载装置的动作顺序1、第一级启动频率、第一级启动频率在事故初期及早切除负荷功率，对于延缓频率下降过程是有利的。在事故初期及早切除负荷功率，对于延缓频率下降过程是有利的。第一级启动频率选择高值，在第一级启动频率选择高值，在48.5Hz-49Hz之间。之间。2、最末一级启动频率、最末一级启动频率在电力系统中允许最低频率受到在电力系统中允许最低频率受到“频率崩溃频率崩溃”和和“电压崩溃电压崩溃”的限

23、制，一般取的限制，一般取46Hz-46.5Hz之间。之间。3、频率级差、频率级差11fffnnn级数越大，每级开断的级数越大，每级开断的功率越少，适应性越好。功率越少，适应性越好。North China Electric Power Universitypage192022-4-25（3）频率级差的选择对于频率级差的选择有两种原则，原则之一如下：对于频率级差的选择有两种原则，原则之一如下：（1）按照选择性确定频率级差）按照选择性确定频率级差强调各级元件动作次序，要求在前一级动作后还不能制止频率强调各级元件动作次序，要求在前一级动作后还不能制止频率下降的情况下，后一级才能动作。下降的情况下，后一

24、级才能动作。ytffff2频率测量元件的频率测量元件的最大误差频率最大误差频率对应于对应于 时间时间内频率的变化内频率的变化t频率裕度频率裕度频率级差的主要决定因素频率级差的主要决定因素North China Electric Power Universitypage202022-4-25（3）频率级差的选择（2）级差不强调选择性）级差不强调选择性对于频率级差的选择有两种原则，原则之二如下：对于频率级差的选择有两种原则，原则之二如下：自动低频减载遵循逐步试探求解的原则，分级切除少量负荷，自动低频减载遵循逐步试探求解的原则，分级切除少量负荷，以求达到较佳的控制效果。以求达到较佳的控制效果。为达到

25、以上目标，要求减少级差，增加总的频率动作级数为达到以上目标，要求减少级差，增加总的频率动作级数n，同时，相应地减少每段的切除功率，这样，即使两轮无选择性同时，相应地减少每段的切除功率，这样，即使两轮无选择性启动，系统恢复频率也不会过高。启动，系统恢复频率也不会过高。在电力系统中，自动低频减载装置是分散设置在各个地区变电在电力系统中，自动低频减载装置是分散设置在各个地区变电站内。系统频率在下降动态过程中，站内。系统频率在下降动态过程中，各个母线上的频率并不一各个母线上的频率并不一致致。因此，分散在各地的同一级的低频减载装置实际上也不会。因此，分散在各地的同一级的低频减载装置实际上也不会同时启动。

26、如果同时启动。如果增加级数，减少各级切除的功率增加级数，减少各级切除的功率，级差的选择，级差的选择性问题也就不会很突出。性问题也就不会很突出。North China Electric Power Universitypage212022-4-25（4）每段切功率的限制在同一事故情况下，切除负荷越多，系统恢复频率就越高，因在同一事故情况下，切除负荷越多，系统恢复频率就越高，因此，每级切除负荷的功率受到恢复频率的限制。此，每级切除负荷的功率受到恢复频率的限制。切除功率的限值计算切除功率的限值计算按照按照“第第i-1级动作切除负荷后，系统级动作切除负荷后，系统的稳定频率正好在第的稳定频率正好在第i级

27、的启动频率上级的启动频率上”来考虑。来考虑。iNifffNiLikLkLNiffKPPP*1111iP（1）系统缺额功率）系统缺额功率系统缺额由负荷调节系统缺额由负荷调节效应来补偿效应来补偿*11*11iLikLkifKPPNorth China Electric Power Universitypage222022-4-25（4）每段切功率的限制（2）当第）当第i级切除负荷级切除负荷 后，系统后，系统 ，这时系统，这时系统功率缺额由负荷调节效应来补偿。功率缺额由负荷调节效应来补偿。*LiPhff *1*1hLikLkhifKPP（3）*1hiLiiPPP*11*1*11*1111hLhiLi

28、kLkhLikLkiLikLkLifKffKPfKPfKPP每级切除的负荷功率值每级切除的负荷功率值North China Electric Power Universitypage232022-4-25（5）自动减载装置的延时与防止误动作系统发生事故系统发生事故电压急剧下降电压急剧下降频率继电器可频率继电器可能会误动作能会误动作增加一个时限增加一个时限自动低频减载装置采用一个自动低频减载装置采用一个0.1-0.2s的延时的延时地区变电站短时供电中断地区变电站短时供电中断旋转机组反馈输送功率旋转机组反馈输送功率电压维持、频率急剧下降电压维持、频率急剧下降在容量不大系统出现冲击负荷在容量不大系统

29、出现冲击负荷系统频率瞬时下降系统频率瞬时下降低频低频减载减载装置装置误动误动作作附加附加其他其他信号信号闭锁闭锁North China Electric Power Universitypage242022-4-25（6）特殊轮自动低频减负荷装置分为两组：自动低频减负荷装置分为两组：基本轮基本轮和和特殊轮特殊轮。基本轮基本轮为快速动作，用以抑制频率下降。为快速动作，用以抑制频率下降。特殊轮特殊轮则为在基本轮动作后，用以恢复系统频率到可以操作的较则为在基本轮动作后，用以恢复系统频率到可以操作的较高数值。高数值。事例：在第事例：在第i轮动作后，系统频率稳轮动作后，系统频率稳定在低于恢复频率的低限，

30、但是又定在低于恢复频率的低限，但是又不足以使不足以使i+1轮减负荷装置动作。轮减负荷装置动作。带时限的特殊轮带时限的特殊轮动作切除负荷动作切除负荷启动频率不低于前面基本轮的启动频率启动频率不低于前面基本轮的启动频率动作时限为系统时间常数的动作时限为系统时间常数的2-3倍，最小动作时间为倍，最小动作时间为10-20sNorth China Electric Power Universitypage252022-4-254、自动低频减载装置低频继电器低频继电器延时元件延时元件跳闸执行回路跳闸执行回路North China Electric Power Universitypage262022-4-

31、254、自动低频减载装置51Hz49.5HzNorth China Electric Power Universitypage272022-4-25第三节 其他安全自动控制装置1、发电厂厂用电系统解列、发电厂厂用电系统解列当系统出现严重的功率缺当系统出现严重的功率缺额时，会引起系统频率大额时，会引起系统频率大幅度降低。这样会导致发幅度降低。这样会导致发电厂厂用电动机出力下降，电厂厂用电动机出力下降，威胁电厂电能的生产。威胁电厂电能的生产。在电力系统运行中，发电厂厂用系统如果具备独立供电的在电力系统运行中，发电厂厂用系统如果具备独立供电的条件。在以上这种情况下，可以考虑厂用系统与电力系统解条件。

32、在以上这种情况下，可以考虑厂用系统与电力系统解列运行。列运行。North China Electric Power Universitypage282022-4-251、自动解列装置2、电力系统解列、电力系统解列在联合电力系统运行中，在联合电力系统运行中，B系统发生故障引起了整系统发生故障引起了整个系统频率的下降。个系统频率的下降。A系统具有足够的旋转备用容量，但是由于受到输电线路的极限系统具有足够的旋转备用容量，但是由于受到输电线路的极限输送功率的限制不能发挥支援作用。此时，如果频率继续下降，输送功率的限制不能发挥支援作用。此时，如果频率继续下降，也会威胁到也会威胁到A系统的安全运行。系统的安全运行。为了控制事故范围，不至于波及到邻近系统，将两个系统解列为了控制事故范围，不至于波及到邻近系统，将两个系统解列是比较明智的选择。是比较明智的选择。North China Electric Power Universitypage292022-4-251、自动解列装置B系统发生故障系统发生故障系统频率降低系统频率降低输电线功率增加输电线功率增加超出极限功率超出极限功率AB两系统解列两系统解列A