硕士论文-电力系统频率测量及低频减载方案的研究.pdf

天津大学 硕士学位论文 电力系统频率测量及低频减载方案的研究 姓名：胡继堂 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：姜惠兰 20070601 中文摘要 为了保证电力系统稳定运行，电力系统安全稳定导则制定了三道安全稳 定防线。而低频减载是第三道防线的重要组成部分。好的低频减载策略不仅可以 避免系统在严重故障时崩溃，还可以在尽量减小切负荷量的同时使系统频率快速 恢复到允许范围之内。因此制订切实可行的低频减载方案具有重要意义。 本文对电力系统低频减载及国内外在该领域的研究进行了较全面的分析，在 对已有研究成果的综合归纳和分析的基础上，在电力系统频率实时测量和低频减 载方案设计方面提出了新的观点，使得系统在出现功率缺额后能够更加快速的切 除负荷和尽量减小切负荷量。 系统频率准确快速测量，是低频减载方案准确动作的基础。本文针对全波傅 氏算法应用于频率暂态时将产生正比于频率变化率的误差，对全波傅氏算法进行 了修正。并针对傅氏算法响应时间，提出了一种符合系统频率暂态变化规律并对 采样结束时刻系统频率进行预测的预测算法。仿真说明该预测算法不仅能够有效 的消除传统傅氏算法应用于频率动态变化时所引起的误差，同时也有效地减小了 傅氏响应时间所带来的误差。 低频减载方案要求在使系统频率快速恢复到允许范围之内尽量减小切负荷 量。本文针对传统低频减载方案在切负荷总量离线估计、动作频率和每级切负荷 量固定不变的缺点，提出了能够根据系统频率变化率的大小，即功率缺额的大小， 动态改变首级动作频率值和每级切负荷量的改进型低频减载方案。单机模型下仿 真表明改进后的方案能够有效抑制频率下降深度，同时与调速器配合较好，充分 发挥系统的旋转备用容量，减小了切负荷量，降低了系统过切或者欠切的可能性。 在多机系统下，由于系统频率的空间分布性，本文提出了根据频率变化率分 配切负荷容量的方法。在单区域多机系统中，该方法能够在灵敏度较大节点切除 更多负荷，有利于频率恢复；在多区域系统中，该方法有利于功率缺额的就地平 衡，降低了联络线过载的可能性。为了验证改进后的低频减载方案在多机系统中 的有效性，本文构造了一个五节点多机系统和一个三区域系统，并与传统方案进 行了仿真比较。仿真结果表明，改进后的低频减载方案切负荷量小，恢复频率满 足系统要求。 关键词：频率测量傅氏算法低频减载单机模型多机模型 A B S T R A C T T h r e ed e f e n s e sa r es e ti n P o w e rS y s t e mS e c u r i t ya n dS t a b i l i t yG u i d a n c e t o g u a r a n t e et h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r m i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m U F L Si sa n i m p o r t , 2 n tp a r to ft h el a s td e f e n s e Ag o o ds c h e m eo fu n d e rf r e q u e n c yl o a ds h d d d i n g ( U F L S ) c a nn o to n l ya v o i dp o w e rs y s t e mc o l l a p s ei ns e r i o u sf a u l t ，b u ta l s oc a ng e t f r e q u e n c yb a c kt ot o l e r a n c er a n g er a p i d l yw i t hl i U l el o a ds h e d d i n g S oi ti so f i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ow o r ko u tp r a c t i c a lU F L Ss c h e m e s T h i sp a p e rm a k e sac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fp o w e rs y s t e mU F L Sa n dt h e p a s s i n gs t u d yi nt h i sf i e l d B a s e do nt h es u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n go ft h er e s e a r c h p r e s e n t l y , t h i sp a p e rp r e s e n ts o m en e wv i e w p o i n t si nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n ta n d U F L Sd e s i g nw h i c hm a k et h es y s t e mC a l ls h e dl o a dq u i c k l ya n dt r yt or e d u c el o a d s h e d d i n ga m o u n ta f t e ro c c u r r i n ga c t i v ep o w e rs h o r t a g ei nt h es y s t e m T h eb a s ef o rt h er i g h ta c t i o no fU F L Ss e t si st h ep r e c i s ea n dr a p i dm e a s u r e m e n t o ff r e q u e n c y I na l l u s i o nt ot h ed e v i a t i o nw h i c hi sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h er a t eo f f r e q u e n c yd e c l i n e ，w h e nf u l l w a v eF o u r i e ra l g o r i t h ma p p l i e dt of r e q u e n c yt r a n s i e n t ， t h i sp a p e ra m e n d sf u l l w a v eF o u r i e ra l g o r i t h m A g a i n s ti t sr e s p o n s ed e l a y , t h i sp a p e r p r o p o s e dan e wf o r e c a s t i n ga l g o r i t h mc o n f o r m i n gt ot h el a wo ft h ef r e q u e n c y t r a n s i e n tc h a n g et of o r e c a s tt h es y s t e mf r e q u e n c ya tt h ee n dt i m eo fl a s ts a m p l i n g p o i n t T h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h i sf o r e c a s t i n ga l g o r i t h me f f e c t i v e l y e l i m i n a t e st h ed e v i a t i o nc a u s e db yt h ef r e q u e n c yd y n a m i cc h a n g e sa n dt h er e s p o n s e d e l a yo fF o u r i e ra l g o r i t h m T h eU F L Ss c h e m er e q u i r e sg e t t i n gt h ef r e q u e n c yb a c kt ot h et o l e r a n c er a n g e w i t hl i t t l el o a ds h e d d i n g I na l l u s i o nt ot h et r a d i t i o n a lU F L Ss c h e m e sd e f i c i e n c i e so f o f f - l i n ee s t i m a t i o no ft h et o t a la m o u n to fl o a ds h e d d i n g ，c h a n g e l e s sf r e q u e n c ys e t t i n g v a l u ea n da m o u n to fl o a ds h e d d i n go fe v e r yr u n ，t h i sp a p e rp r o p o s e sr e f o r m a t i v e U F L Ss c h e m ew h i c hC a na l t e rt h ef r e q u e n c ys e t t i n gv a l u eo ft h ef i r s tr u na n dt h e a m o u n to fl o a ds h e d d i n go fe v e r yr U l ld y n a m i c l ya c c o r d i n gt ot h em a g n i t u d eo f f r e q u e n c yc h a n g er a t e ，n a m e l yt h e i n s u f f i c i e n ta m o u n to fa c t i v ep o w e r T h e s i m u l a t i o nr e s u l t so fs t a n d - a l o n em o d e ls h o wt h a tt h er e f o r m a t i v eU F L Ss c h e m ec a n r e s t r a i nt h ef r e q u e n c yf a i l i n gd e p t he f f e c t i v e l y , f i ts p e e dc o n t r o l l e rp r e f e r a b l y , m a k e f u l lu s eo fs y s t e mr o t a t i n gs p a r ec a p a c i t y , a n dr e d u c et h ea m o u n to fl o a ds h e d d i n ga n d t h ep o s s i b i l i t yo fo v e r - c u to ro w e s c u t O na c c o u n to ft h es p a c ed i s t r i b u t i o no ff r e q u e n c yi nm u l t i m a c h i n es y s t e m , t h i s p a p e rp r e s e n t sam e t h o do fd i s t r i b u t i n gs h e d d i n gl o a da c c o r d i n gt Or a t eo ff r e q u e n c y d e c l i n e I ns i n g l ea r e a ，t h i sm e t h o dc a ns h e dm o r el o a d sa th i g hs e n s i t i v en o d ew h i c h i sf a v o r a b l et of r e q u e n c yr e s u m e I nm u l t i a r e a ，t h i sm e t h o dh e l p sb a l a n c et h e s h o r t a g eo fa c t i v ep o w e rl o c a l l ya n dr e d u c e st h ep o s s i b i l i t yo ft i e l i n eo v e r l o a d I n o r d e rt op r o o ft h ee f f e c t i v i t yo ft h er e f o r m a t i v eU F L Ss c h e m ei nm u l t i a r e a ，t h i sp a p e r s t r u c t u r e saf i v e n o d em u l i t i m a c h i n es y s t e ma n dat h r e e a r e as y s t e ma n dm a k e s c o m p a r i s o n sw i t ht r a d i t i o n a lU F L Ss c h e m e T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h e r e f o r m a t i v eU F L Ss c h e m es h e d sl e s sl o a da n di t sr e c o v e r yf r e q u e n c ym e e t st h e r e q u i r e m e n to fp o w e rs y s t e m K E YW O R D S - F r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ， S t a n d a l o n em o d e l ，M u l t i m a c h i n em o d e l F u l l - w a v eF o u r i e ra l g o r i t h m ，U F L S ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：善月绉蛊 签字日期：2 扩c 7 年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：胡格显 导师签名： 签字R 期：z 护7 年石月店R 签字同期：加7 年月同 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 电力系统频率是电力系统极为重要的一个运行参数，是电力系统运行质量和 安全情况的重要指标之一，是系统多种安全自动装置、继电保护和运行监测装置 的启动量。在正常运行状态下，全系统各处频率相等并稳定以保证有功功率的稳 定传输。当系统受N d , 的扰动之后，系统应有能力通过频率的一次调节以及二次 调节使得系统频率维持在额定值左右n 1 。同时随着国民经济的发展，人们对系统 频率的要求也越来越高。为缩小电力系统在受到扰动后频率的偏移量和提高电力 系统的稳定性以及可靠性，现代电力系统逐渐实现了大区域互联。 电力系统区域互联的逐步实现，使得系统的规模越来越大，大容量机组、超 高压线路和大范围远距离的网络互连构成现代电力系统的主要特征。这种大规模 联合电力系统有效的提高了电力系统运行可靠性和经济型，当系统受N d , 的随机 干扰时，在系统容量增大后可以仅靠释放系统内旋转机组的惯性能量将之平衡， 因而使得正常运行条件下系统的频率质量也得到明显的改善。然而另一方面，随 着电力工业的日益发展，系统在大扰动下维持频率稳定的能力却在不断恶化幢1 ， 主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 大型发电厂在系统中所占容量比例越来越高，大机组的增加和单机容量 的日益增大使得系统可那遭受的有功功率扰动增大； ( 2 ) 发电区域与用电区域的距离加长，形成各局部电力系统内发电容量与用 电用量严重不平衡。在一个大型发电厂或一条超高压输电线路切除时，将导致各 局部电力系统功率严重失衡，受电区电力系统功率缺额很大，造成系统频率下降， 严重时将导致全网频率崩溃。 ( 3 ) 大容量机组使得系统的惯性时间常数相对减少；同时工业负荷中的恒频 传动负荷及民用负荷的增长使得负荷的频率调节效应减小。 ( 4 ) 一些原有的小机组退出了频率一次调节，而_ 些新装的大机组出于经济 考虑采用滑参数运行方式，且核电机组不参加调节，因此随核电机组所占比例的 增加，将导致电力系统频率的调节能力不断下降。 ( 5 ) 大机组对频率质量的要求更加严格，为了保护机组本身，一些大型汽轮 发电机配置了频率保护，运行频率过高或过低都可能引起大机组保护动作，从而 第一章绪论 导致破坏系统频率稳定事故的连锁发生1 。 总之，现代大型电力系统在取得高的发电经济效益的同时，也消弱了在大扰 动下系统维持频率稳定性的能力，使系统发生频率崩溃导致全系统瓦解的可能性 加大。例如1 9 6 5 年1 1 月9 日美国东北部和加拿大安大略省的大停电事故和我国湖 北系统1 9 7 0 年的7 2 7 事故都属于典型的频率崩溃事故“】。这些大型事故虽然不经 常发生，但事故波及面广，不仅仅直接影响了人们的正常生活，还造成了社会混 乱和巨额的经济损失。 因此，防止事故状态下系统频率的大幅度下降、保证系统的频率稳定、防止 大面积停电事故，是现代电力系统所面临的一项迫切而重大的任务。目前各国电 网已普遍采用低频减载( U n d e rF r e q u e n c yL o a dS h e d d i n g U F L S ) 措施作为保障系 统安全的最后一道防线，并取得了显著的效果，避免了大量恶性事故的发生。但 由于目前我们对多机系统频率动态过程的特点尚缺乏足够的了解，因而在U F L S 方案的设计和分析中仍存在一些问题，如负荷切除过多造成频率回升至额定值以 上或切除过少造成频率悬停于允许值以下等鼯1 。这些问题严重影响了U F L S 制止 频率下降并恢复频率的效果，迫切需要加以解决。因此，深入研究电力系统在出 现有功功率缺额时的频率动态过程的特点，以此为基础设计低频减载方案对于系 统的规划和运行都具有重要的理论和实际意义。 1 2 低频减载的发展与现状 1 2 1 电力系统的三道防线 电力系统安全稳定导则将电力系统的扰动按严重程度和出现概率分为三 类似1 ：第一类为常见的普通故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行与 正常供电；第二类故障为出现概率较低的较严重的故障，要求系统在承受此类故 障时能保证稳定运行，但允许损失部分负荷；第三类故障为罕见的严重复杂故障， 电力系统在承受此类故障时，如不能保持系统稳定运行，则必须防止系统崩溃并 尽量减少负荷损失。 针对上述三种情况所采取的措施，即所谓保证安全稳定的三道防线：第一道 防线，电网快速保护及预防控制；第二道防线，稳定控制；第三道防线，就是在 主系统发生稳定破坏时的电压及频率紧急控制，有计划、合理地实施解列的自动 装置或手动方案，以及解列后为防止小系统崩溃而设置的低频减载装置，以维持 整个电网的稳定运行。其中第三道防线就是要保证电力系统在严重复杂的故障 下，防止事故扩大，防止导致长时间的大范围停电，以免造成巨大经济损失和社 第一章绪论 会影响。而低频减载是第三道稳定防线的重要组成部分，其任务是系统中有功功 率出现大的扰动，频率出现大的偏差时，使系统频率快速恢复到可以安全运行的 范围以内，以保证电网的安全和对重要用户的供电。 系统的扰动往往造成发电、用电功率的不平衡。调节系统功率不平衡主要有 两种措施：增加功率输入或裁切负荷n 】。如果事故发生出现功率缺额时，系统旋 转备用容量将积极、尽可能快的阻止系统崩溃，这一方案称为低频调速控制。低 频调速控制必须在系统频率刚开始下降时动作，并且是一种独立于能量管理系统 ( E M S ) 地区性的控制。但当系统发生严重事故，旋转备用容量不足以弥补系统功 率缺额时，就应该有选择地切掉一部分负荷，从而阻止频率下降，这就是低频减 载控制。由于现代电网经济运行的要求，系统的备用容量偏低，低频减载成为严 守第三道防线，维持整个电网的稳定运行，防止系统崩溃的主要手段。 1 2 2 低频减载的发展 1 9 世纪4 0 年代，前苏联首先提出了低频减载。随后世界各国大电力系统相继 采用，取得了良好的结果。1 9 4 8 年，前苏联电力系统中低频减载装置安装数目为 2 6 5 个，成功动作次数为3 2 5 次，显示出这一新的安全自动装置对确保电力系统安 全运行的显著功效，直到现在它仍然是电力系统频率紧急控制的主要手段，对稳 定电力系统的频率，消除系统的失步振荡，防止连锁跳闸和频率崩溃起到了很好 的作用。我国也在5 0 年代就有感应型低频减载装置投入使用。 通过对5 0 多年以来低频减载方案的研究，我们可将低频减载方案大致分为 三类：传统法、半适应法、适应法，以及计算机辅助算法饵叫。 ( 1 ) 传统法 传统的低频减载是采用分级断开负荷功率并逐步修正的方法，在电力系统发 生事故，系统频率下降的过程中，按照不同频率整定值顺序切除负荷。也就是将 接至低频减载装置的总功率分配在不同起动频率值来分批地切除，以适应不同功 率缺额的需要。 传统法设定简单，不需要复杂的继电器，因而应用最为广泛。当系统频率低 于整定值时，传统法设定的继电器切除一部分负荷。如果频率继续下降，说明切 负荷量不足，当频率又低于第二步整定值时，继电器再次动作，并重复如上步骤， 直到频率恢复。传统法中继电器的整定是离线的，基于操作人员的运行经验和系 统仿真。 低频减载装置所控制的负荷总量应根据各种运行方式和可能发生的事故情 况，找出可能发生的最大功率缺额并留有一定的裕度来确定。各地区切负荷量除 了应满足整个系统按级按量的要求外，还应满足本地区电网发生严重事故时的要 第一章绪论 求。一般最大功率缺额的确定是按系统内同时失去两个最大电源来计算，在大多 数系统中取系统额定容量的3 0 为切负荷总量。 低频减载应分别装设基本级和特殊级。 基本级应快速动作，能够在系统发生功率缺额的早期切除负荷，但又为了能 够充分发挥系统旋转备用容量的作用，基本级首级动作频率不宜选得过高。基本 级末级动作频率要根据系统中各大机组对运行频率的危险点而定，一般应略高于 该危险点。基本级切负荷总量应比系统最大功率缺额稍大些，而每级切负荷量分 别确定。另外为了防止在系统振荡或电压急剧下降时误动作，一般可带0 3 0 5 s 的时限。基本级的级差取得越小，则恢复效果越好，但级差增多也会使低频减载 装置的成本增高。 特殊级是为了防止基本级动作后频率滞留在某一不允许的水平上或防止频 率缓慢降低，其切负荷总量应按最严重的情况考虑，即低频减载后系统频率稳定 在可能最低的频率值，并且保证足以使系统频率恢复到恢复频率以上。特殊级经 一定时延动作，一般采用1 5 2 5 s 的延时。特殊级通常按时间分级，每级切负荷 量因地而异，不能一概而论。 传统法的整定没有固定的公式，针对同一个系统可以有不同的整定方法，其 动作效果，需要通过仿真和实验测试来比较。 传统法是根据系统运行数据预测可能会出现事故的点，再提出时延和切负荷 的方案。实践证明大多数情况下，传统法整定的切负荷装置工作正常，运行良好。 但是这种离线整定的方法往往是根据系统最严重故障下的频率绝对值情况来整 定，虽然可以有效的阻止频率下降，但没有考虑到运行时具体情况，以及事故等 级的不同，不能反映系统实际功率缺额的大小，往往会过量切除负荷，或者无选 择的切负荷，引起不必要的经济损失；并且切负荷带有一定的动作延时，如果延 时较长或出现较大功率缺额时，就会影响抑制频率下降的效果。 另外根据传统法整定减负荷装置切负荷必须等到频率降低到整定值以下才 动作，可能会错过最佳切除时间，也会导致对继电器正确动作的依赖，在伴随低 电压等其他故障时，继电器可能由于电压或电流低于正常工作值，而被闭锁，无 一 法动作。 ( 2 ) 半适应法 半适应法的原理是当频率下降到设定的频率点时，测量当前的频率变化率 a f a t 。根据频率变化率的值决定具体的切负荷量。也就是说，半适应法测量频 率通过某一频率点的速度，这一速度越高，说明系统有功功率缺额越大，需要切 除的负荷就越多。 通常，频率变化率( R a t eO f C h a n g eO f F r e q u e n c y R O C O F ) 舰J 量点选择低频 第一章绪论 减载装置动作的首级动作频率，其后半适应法动作的整定与传统法相同。 通过频率变化率估计系统功率缺额的大小，从而决定减载量，所以频率变化 率的测量尤为重要。由于系统紧急情况时频率的波动使得传统继电器很难快速、 准确的测量频率变化率。近年来，出现了基于微处理器的智能继电器，采用智能 软件控制硬件在过频、低频的情况下有选择的切负荷。实践证明比传统继电器有 更好的特性。 半适应法在切负荷的第一步监测了频率变化率，在功率缺额较小时，切负荷 量比传统法有了较好的选择性。但实践证明，半适应法虽然切负荷量比传统法有 改善，但优势不明显。在严重故障时，动作曲线与传统法基本相同，没有明显改 善。原因在于，严重故障功率缺额较大，通常需要动作一步以上，半适应法只是 在第一步监测了频率变化率，对后续动作没有性能改善i ( 3 ) 自适应法 自适应法是基于频率微分和系统频率响应模型建立的。根据简化的系统频率 响应模型，可以得到频率变化率的初值与导致系统频率下降的扰动负荷值卸关 系：孕I= 黑。其中厂与卸均为基于系统基准值的标么值，H 为系统惯性常 t l tI f ：oZ - 数。可见频率变化率正比于系统功率缺额，通过测量扰动初始时刻频率变化率可 以算出应切除的负荷值。 在理论上自适应法可以准确的切除多余负荷，但考虑到自适应法是基于简化 的系统频率响应模型，计及简化条件，应乘以修正系数。通常通过上述计算得出 切除负荷的估计值。实践表明，自适应法在严重事故时，切负荷量明显低于前述 方法。 自适应法可以相对准确的根据实时系统频率变化情况，决定切负荷量，对系 统的低频减载性能有了较大的改善。但是也存在一些问题：对于频率响应模型的 简化对切负荷的影响未知；系统发电机退出时，惯性常数发生变化，导致计算偏 差( 虽然在大系统中，发电机引起的惯性常数变化通常可以忽略) 。一些实验表明， 自适应法在减少切负荷量的同时，频率下降较大，可能会低于最低频率点。 ( 4 ) 计算机辅助算法 现代电力系统运行复杂，突发事故增加，要求相关装置在异常时迅速、准确 的做出反应，采取适当措施，这需要准确的采集系统信息。而现代信息技术的发 展使大规模数据信息的采集成为可能，使用S C A D A 或D C S 等软件可以在线采集 数据信息，网络与现场总线技术的发展又可以远程控制切负荷。 总之，随着计算机技术和电力电子技术的发展，出现了基于微处理器的智能 型继电器，通过智能软件的控制，有选择有针对的切负荷，可以大大提高系统低 第一章绪论 频切负荷的效率，改善系统在大型事故下的恢复能力。 1 2 3 现有低频减载方案的缺陷 综上所述，本文认为现有的低频减载存在以下缺陷： ( 1 ) 级差固定不变 目前所采用的反映频率绝对值原理的低频减载装置，每级的动作频率事先按 照经验值设定，并且采用动作后带延时以防止误动作，而延时措施使得在电网有 功功率缺额引起频率下降时，必然出现消极等待频率下降到动作值以下，再经过 段延时才能减载。当电力系统功率缺额较大时，系统频率下滑较快，有可能在 延时阶段内，电网实际频率已下降到后几级动作频率值以下，下降的深度视频率 变化率的大小而定。而此时上一级的切负荷还未完成，从而使得在下一级再次动 作后，造成系统过切负荷。 ( 2 ) 减载速度慢 。 因为传统减载的基本思想不是预测，而是一种揣测方式：每一级总是认为系 统频率正好下降到本级动作频率，因此必需设多个级次，为防止越级动作，每一 级都需延时，势必导致减载速度慢。 ( 3 ) 自适应差 传统的低频减载装置，采用动作后带延时以防止误动作。在延时时间段内， 功率缺额没有得到有效的缩小，造成频率不断下降。频率不断下降的后果，可能 突破电网的最后一道防线，导致下降速率愈快，频率下降愈深，会严重影响抑制 电网频率下降的实际效果，最后导致频率崩溃，造成大面积停电事故。 针对这一缺陷，近几年新生产的一些低频减载装置在传统法的基础上引入了 频率的变化率作为减载的辅助判据，但是，目前也只是在低频减载的首轮整定值 处通过比较检测到的当前频率变化率和整定的频率变化率定值，确定是否实施加 速切除第二级、第三级的负荷。这其实是一种半适应的低频减载方案，在系统的 功率缺额不是太大的情况下有效。 如果系统开始的功率缺额过大，最终将使安装在低频减载装置上的所有负荷 都要切除，在这种情况下，如果采用只加速切除二、三级负荷的方案，其结果与 传统的按频率绝对变化量来切负荷的方案基本相同，不能显示, m J J i 速的功能。同 时，这种半适应法只考虑了系统在频率下降到第一个频率起跳定值前出现功率缺 额的情况，而如果系统在频率下降到第一个频率定值以后再出现第二次甚至多次 故障导致系统功率缺额加大的情况下，这种半适应的低频减载方案显然跟传统的 单纯按频率绝对变化量来切负荷的方案没有什么不同。 第一章绪论 1 3 低频减载装置 目前存在多种基于不同原理的低频减载装置n 2 、1 3 1 劓，其中反映频率绝对值原 理的低频减载装置由于其设定简单，被大多数系统所采用。但随着现代电网的发 展，这种装置暴露的缺陷也越来也多，存在以下主要问题： ( 1 ) 为躲开电动机负荷反馈误动必须带延时，严重影响低频减载方案阻止频 率下降的效果。 ( 2 ) 采用低电压闭锁，当电压低于6 0 额定电压时，低频减载装置全部直流 电源被低电压闭锁退出，造成电网低频减载装置拒动，扩大事故。 ( 3 ) 装置用直流电源，由电压互感器二次降压电流稳压供电，当低于3 0 交 流电源时，需要电压监视继电器切换才能工作。 ( 4 ) 在系统振荡、系统短路故障切除恢复同步过程中，当振荡中心在装置附 近时，将出现不正确动作。当系统振荡伴随功率缺额频率下降时，还会出现拒动。 国外的些电力系统，使用频率变化率启动减负荷装置。根据频率变化率达 到设定值动作，实现严重功率缺额时迅速切除。采用频率下降速率原理实现的装 置，不需要加任何时延和防误动措施，可直接根据事故时频率下降速率来确定电 网功率缺额的大小，实现积极主动快速减载还是延时减载，防止频率下降的过低， 造成大机组解列，引起电网频率崩溃事故，提高了电网安全可靠性。 随着电力系统的发展和容量的扩大，运行状况更加复杂，与之相适应低频减 载技术也不断改进与提高。在切除负荷的过程中，系统转动惯量常数不断变化， 很难根据系统的实际情况决定R O C O F 与被切负荷在数量上的关系。另外在大系 统中，为了躲开频率下降过程中同一时间不同地点的R O C O F 可能存在较大差 异，需要人为的增加延时，从而显著的降低了它的优越性。 近年来，随着微机保护的发展，出现了智能型继电器。这种继电器基于可编 程器件的控制，于局域网相连，通过c l i e n t s e r v e r 结构，接收来自基于信息采集 系统的命令发布，实现在线编程控制，提高了事故下减负荷装置的反应，改善了 性能，是低频减负荷装置的发展方向，目前这种系统还只是应用于大型工厂。 1 4 本文主要工作 计算机技术的迅速发展特别是计算速度的提高，为改进低频减载技术创造了 极为有利的条件。本文研究的目的在于进一步提高低频减载的动作速度和减载量 的准确性，并考虑工程上实施的可能性。本文首先对传统的系统频率测量方法进 行了改进，并在此基础上提出了系统频率预测算法；然后分析了电力系统动态频 第一章绪论 率特性，针对传统低频减载方案在切负荷总量、动作频率和每级切负荷量方面存 在的缺点进行了改进，并提出了在多机系统下按照频率变化率分配切负荷量的方 法。现将本文主要工作总结如下： 1 系统频率的准确快速测量是低频减载装置动作的基础。本文对现有的电力 系统频率测量方法进行了分析比较，指出了他们的不足之处，并在此基础上提出 了频率预测算法。该算法基于传统的全波傅氏算法，针对全波傅氏算法运用于系 统频率暂态过程时将产生正比于频率变化率的误差，对全波傅氏算法进行了修 正；并针对傅氏算法存在响应滞后，对电压信号采样结束时刻系统实际频率进行 了预测。仿真结果说明该预测算法不仅能够有效的消除传统傅氏算法应用于频率 动态变化时所引起的误差，同时也有效地减小了傅氏响应时间所带来的误差。 2 本文对现有的多种低频减载方案进行了研究比较，对其优缺点进行了详细 的分析。针对传统低频减载方案在切负荷总量离线估计、动作频率和每级切负荷 量固定不变的缺点，提出了能够动态适应系统功率缺额的改进低频减载方案。该 方案能够根据系统频率变化率的大小，即功率缺额的大小，动态的改变低频减载 的首级动作频率值和每级的切负荷量，有效的抑制了频率下降的深度，同时与调 速器配合较好，充分发挥了系统的旋转备用容量，减小了切负荷量，降低了系统 过切或者欠切的可能性。 3 本文分析了多机系统下频率变化的动态过程，并对其空间分布性进行了 仿真验证。由于多机系统下频率变化的空间分布性，以及各点切负荷对系统频率 影响的不同，本文提出了按照扰动瞬间频率变化率进行切负荷容量分配的方法。 为了验证改进后的低频减载方案的可行性，本文对其和传统方案进行了仿真比 较。仿真结果表明，改进后的低频减载方案能够有效抑制频率下降的深度，与调 速器配合较好，能够充分发挥旋转备用容量的作用，切负荷量小，且恢复频率满 足系统正常运行要求。 第二章电力系统频率测量 2 1 引言 第二章电力系统频率测量 频率是检验电能生产质量的指标之一，也是衡量电力系统运行状态的重要参 数n 副。它反映了负荷与电源之间的动态能量平衡。在电力系统中，当系统电源出 力低于负荷标称频率下的功率消耗，且系统热备用容量明显不足时，系统将由于 有功不足导致电源机组低速运转而使系统频率下降，如不采取有效措施，将导致 机组损坏、系统瓦解的重大恶性事故。因而电力系统运行中的主要任务之一，就 是对频率进行监视和控制。 2 2 电力系统频率概述 2 2 1 电力系统频率的定义 电力系统中，发电机内电势向量E 的旋转速度被定义为发电机的机械频率 1 、j 厶 1 6 7 即：厶= 石+ 圭等，其标么值与发电机转速缈标么值相等。在上式中发 二死a t 电机转子角实际上是其内节点电压向量E 的相角，因而将上述定义推广到一般 1凸 节点时，则该节点的电频率为Z = f o + 去半，其中0 为该节点电压向量的相角。 z 冗n l 上述两式中和，= 均属于电力系统地区瞬时频率，当电力系统中由于机组 跳闸或负荷转移造成有功功率不平衡时，系统中各机的机械频率和各节点的电频 率具有相同的变化趋势但具体数值可能各不相同。此时，可以将发电机机械频率 看成发电机内节点的电频率或者将电网节点的电频率看成该节点电压向量的旋 转速度，从而使两者统一起来。但必须注意机械量厶和电气量Z 之间的本质区 别。疋为发电机的转速，其变化受到发电机惯性的制约，通常是平缓而连续的； 而在系统中出现故障或操作时，某些节点的电压相角变化不受任何制约，可能 出现突变，对应的节点电频率将会出现一个狄拉克脉冲。 2 2 2 电力系统频率偏移标准和规定 我国电力系统的额定功率为5 0 H z ，规定电网容量在3 0 0 0 M W 及其以上者其 第二章电力系统频率测量 供电频率偏差不得超过0 2 H z ；不足3 0 0 0 0 M W 系统的，其供电频率偏差不得超 过0 5 H z u 利。 在电力系统的实际运行中，不少电力系统保持在不大于5 ：0 1 H z 的范围内。 再进一步缩小允许范围，在技术上完全能实现，只是在安全、质量和经济三方面 的综合优化问题，存在一个最佳值的域，并不是偏差越小越好。对频率质量的要 求，关键在正常允许偏差范围内运行的持续性和供电可靠性的进一步提高。 2 2 3 频率偏移对电力系统的影响 系统频率降低时，将对电力系统的正常运行产生十分不利的影响，其具体危 害表现为n 8 坞2 们： ( 1 ) 频率降低威胁汽轮发电机组的正常运行 低频运行将增加汽轮机叶片所受的应力，增大轴向力，轻则缩短叶片的寿命， 重则可能使叶片陷入共振而断裂，造成重大事故，并伴随油压降低，油量减少， 导致油温升高，影响轴承润滑。同时发电机的通风量减少，为维护正常电压，将 增加励磁电流，从而使发电机定转子温升增加，降低机组的效率。 ( 2 ) 频率降低使电站厂用机械的出力大大降低，可能导致频率的崩溃。 当频率下降至4 7 - 4 8 I - I z 时，由异步电动机驱动的厂用给水泵水压降低，流 量减少引起锅炉处理下降甚至发生缺水事故，凝结水泵工作不正常导致凝汽器满 水，循环泵水压、流量下降影响凝汽器真空，锅炉引、送风机风量下降，导致锅 炉及发电机组出力进一步下降，这样恶性反馈将使电站运行受到破坏，如不及时 抑制频率的深度下降，必将导致频率崩溃现象，最终使整个电力系统瓦解。在核 电站中，反应堆冷却介质对供电频率有严格要求。当频率下降到一定数值时，冷 却介质泵会自动调开，使反应堆停止运行。 ( 3 ) 频率降低使系统中无功负荷增大，严重时导致电压崩溃。 低频运行时，异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器 的无功消耗增加，同时由于发电机及励磁机的转速下降，使得发电机内电势下降， 输出无功功率减少，从而导致全系统电压水平降低。当频率降至4 5 , - - 4 6 H z 时， 系统电压水平受到严重影响，直接影响自备机组的稳定运行，可能出现电压快速 且不断下降，甚至发生电压崩溃而瓦解。 ( 4 ) 低频运行时，由于变压器磁通密度增大，其铁芯损耗和励磁电流增大引 起过热，而冷却介质的流量将会近似按频率的变化成比例降低，为了不超过温升 限额，必须降低负荷，影响带载能力。 ( 5 ) 低频运行时，并联用电力电容器的无功出力和额定电流将直接按频率的 降低成比例下降，此时电压对并联电容器的支撑作用也因频率下降引起的容抗增 第二章电力系统频率测量 大而消弱，进一步使输出电流减少。 ( 6 ) 在互联电力系统中，某一区域频率下降，将引起区域间联络线过负荷。 联络线两端频率差异越大，持续时间越长，过负荷越严重。此时若无防止联络线 过负荷的措施消除过负荷，将危及联络线的正常运行，使得互联系统解列运行， 导致一端系统频率下降，另一端系统频率上升。 系统频率降低时，还将对电力用户产生影响： ( 1 ) 电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，这会使得电动机所驱动的 加工工业产品的机械转速发生变化。有些产品对加工机械的转速要求很高，转速 不稳定会影响产品质量。甚至会出现次品和废品。 ( 2 ) 现代工业、国防和科学研究部门广泛应用各种电子技术设备，如频率下降， 将会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能，频率过低时可能导致有 些设备无法工作。 ( 3 ) 电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致所带动机械的 转速和出力降低，影响用户设备的正常运行。 所以系统频率下降时，必须及时采取措施，予以解决，不然听其发展扩大事 故，后果将不堪设想。 2 3 电力系统频率的测量方法 电力系统频率偏移将对电力系统的运行产生巨大的危害，因此须对系统频率 进行实时调节，以使其满足系统运行的要求。而调节的基础，首先是对系统频率 的实时测量。 频率测量的一般方法是将电压( 或电流) 信号通过电平转换隔离、前置模拟低 通滤波器、采样保持和模数转换，得到电压( 或电流) 采样瞬时数值，再对采样到 的数值进行一系列的数学推导，从而得到系统频率及频率变化率。 目前主要有以下几种测频方法幔： ( 1 ) 周期法瑚1 原始的周期法基于单频率的正弦信号模型，通过测量信号波形相继过零点间 的时间宽度来计算频率。对于正弦稳态交流信号而言，周期法在电力系统理想的 正常运行状况下确实以相当简单的方法得到了电力系统的频率；但应用于电力系 统的动态过程中，该方法精度低，易于受谐波、噪声和非周期分量的影响，实时 性不好，因此，实用的测频装置很少单一的应用原始周期算法。对它的改进主要 是提高其精度和实时性，典型的改进算法有水平交算法、高次修正函数法和最小 二乘多项式曲线拟合法，它们以计算量和复杂度的增加为代价来提高算法的精度 第二章电力系统频率测量 和响应速度，一定程度上丧失了原有的零交算法的简明性。 ( 2 ) 解析法 对信号观测模型进行数学变换，将待测量表示为样本值的显函数来估计。解 析法测频的特点是：涉及复杂的数学推导，为简化分析和计算，只能采用简单的 信号模型，难以考虑谐波、非周期分量和噪声影响，且必须有严格的前置滤波环 节。因此该方法难以适应非稳态条件下电力系统频率的测量。 ( 3 ) 误差最小化原理算法 采用含噪声的信号模型，以某种范数的最小化误差为目标，实现在最小方差 意义下样本数据与模型的最佳拟合。主要有最小二乘算法拴引、卡尔曼滤波算法雎引、 牛顿类算法等。一般而言，该类方法对随机噪声的抑止能力强，而对抗谐波、衰 减直流分量等非特征信号分量的能力与所采用的信号观测模型和辅助算法有关。 误差最小化原理类算法的最大有点是：能较好的抑止具有白噪声动态的干扰信 号，但由于算法中有复杂的数学运算，实时性不佳。 ( 4 ) 正交去调制法一 去调制技术测频一般动态跟踪能力较好，且比较容易通过滤波去除高频噪声 和谐波干扰，但不易对付工频附近的噪声，固定频率去调制若不附加补偿措施， 则精度不高，测量范围窄。去调制测频算法