（电力系统及其自动化专业论文）新型低频减载方案的研究(1).pdf

较，可以看出新型减载方案具有荷装置动作迅速，能优先在扰动大的地区 进行切负荷，降低了联络线的负担，频率恢复时间短，最低频率值高等优 点。 关键词：电力系统，低频减载，频率特性，频率偏差 a b s t r a c t w it ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，p o w e rs y s t e me c o n o m yg o t n o t a b l ei m p r o v e m e n ta n d a tt h es a m et i m et h ea b i l i t ya n t i g r e a t d is t u r b a n c e w a sw e a k e d f ir s t l y ，t h e a r t ic l et o l da b o u t t h e d e v e l o p i n go fp o w e rs y s t e ma n dm o d e r np o w e rs y s t e mc h a r a c t e r i s t ic ， a n de x d l a i n e dt h ec o n c e p t so fp o w e rs y s t e mf r e q u e n c ya n df r e q u e n c y d e v i a t i o n , s t u d i e d t h ei n f lu e n c e o f p o w e rs y s t e mf r e q u e n c y d e v i a t i o n t op o w e rs y s t e me a c hs i d e s h o w i n gt h a tt h ep o w e rs y s t e m f r e q u e n c y isa ni m p o r t a n tq u o t ao fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n ，a n d e x d l a i n e dt h ei m p o r t a n c e o f f r e q u e n c y c o n t r 0 1 t h e nt h ea r t i c l e i n t r o d u c e d t h e p r e s e n t s i t u a t i o no fu n d e r f r e q u e n c y l o a d s h e d d i n g ，i n t r o d u c e da n da n a l y s e ds e v e r a ll o a ds h e d d i n gs c h e m ef o r e x a m d l et r a d i t i o n a l m e t h o d 、h a l fa d a p t i v e m e t h o da n d a d a p t i v e m e t h o d p o i n t i n go u tt h a t t h e s el o a ds h e d d i n gs c h e m eb u ii t 0 nt h e s i m p l es y s t e me x i s t e ds o m ed e f e c t st h a tc a n n o tb es u r m o u n t e d t h e n t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r is t i co fp o w e rs y s t e mw a s i na n a l y s i s i n t h ea n a l y s i so fs t a t i cs t a t ef r e q u e n c yc h a r a c t e r is t i c ，p o i n t i n go u t t h a ts t a t i cs t a t ef r e q u e n c yo fp o w e rs y s t e m is c o m p o s e do fl o a d c h a r a c t e r is t i ca n dg e n e r a t i n gs e tc h a r a c t e r is t i e ：i nt h ea n a ly s i s o fd y n a m i cf r e q u e n c ys p e c i f i ep r o p e r t yo fp o w e rs y s t e m ，t h i n k i n g o v e rs i m p l ep o w e rs y s t e ma n dc o m p l i c a t e ds y s t e m f o rs i m p l ep o w e r s y s t e m ，i f w ed on o tt h i n k o v e rt h e s y s t e mr e v o l v i n g r e s e r v e c a p a c i t y ，a f t e rt h e d i s t u r b a n c et h ef r e q u e n c yc h a n g ec o u r s ew i l l b eas m o o t hi n d e xc u r v e ，a n dt h el a r g e s tf r e q u e n c yc h a n g er a t e o f s y s t e m w i l lb ei n d is t u r b a n c et w i n k l i n gt h a tb e g i n s f o r t h e c o m p l ic a t e ds y s t e m ，t h ec h a n g eo ff r e q u e n c yp o s s e s s e st h es p a t i a l d i s t r i b u t i o ns p e c i f i cp r o p e r t y ，a n de a c hf r e q u e n c yc h a n g eo fr e g i o n i sn o tas i m p l ei n d e xc u r v e t h ef r e q u e n c yd e s c e n tr a t eo fs y s t e m c h a n g e sr e p e a t e d l y u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e sw h ic hs y s t e mw a sn o t o p e r a t e d ，d i s t u r b a n c e d is t r i c ta n dn o n d is t u r b a n c ed is t r ic t p o s s e s s e s ac o u r s e s u r g e c o m p a r i n g c h a r a c t e r is t i c o f c o m p l ic a t e d s y s t e m w i t h t ot h e t h e f r e q u e n c y s 1 m d e m o n s t r a t e s t h el i m i t a t i o n so fl o a ds h e d d i n gs c h e m e a r t ic l ep u tf o r w a r do n en e wr e l i e fs c h e m ea c c o r d i n gt o p l e f i n a l d is t u s y s t e m 1 y r b t h e a n c e d i s t r i c t ，t h i sk i n do fs c h e m ei sd i v i d e di n t ot w op a r t s f i r s td a r t s u b t r a c t i n gi s u s e df o rj u d g i n gr a p i da c t i o no fd is t u r b a n c er e g i o n a n dr e s t r a i n i n gf r e q u e n c y d e s c e n ta tt h ei n i t i a ls t a g eb e i n gi n d is t u r b a n c e ，a c c o r d i n gt ot h ef r e q u e n c yc h a n g er a t ea tt h ei n i t i a l s t a g eo ft h ea c c i d e n ta n d d e s c e n tl e v e lo ff r e q u e n c ya n dv o l t a g e s e c o n dp a r ts u b t r a c t i n gt h e1 0 a dd e v i c ef o rt h es y s t e mi so n ee n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e mt h a t c o n t r o l l e do nt h el a y e ra f t e rf i r s tp a r t a c t i o n i tc a nc o u n to u tt h es u b t r a c t i n gl o a dp o w e ro fe a c hb i gn o d e a n dc u tt h el o a df u r t h e ra c c o r d i n gt ot h ed e s c e n t1 e v e lo fv o l t a g e n o to n l yt h i ss c h e m ei ss u i t a b l ei nt h em o s ts e r i o u sp o w e rv a c a n t i n s t a n c ef o rs y s t e m ，b u ta ls ob e s u i t a b l ei nt h ed is t r ic tp o w e r v a c a n tin s t a n c e a c c o r w i t ht r a d i t i o n a ll o a d d i n g s h e d t ot h ec o m p a r is o no fs i m u l a t i o nt r i a l d i t h en e wl o a ds h e d d in gs c h e m e n g t h a s c h e m e ，w ec a ng e ts o m ev a l u e so f ti tisr a p i dt op o s s e s s e st h el o a d d e v i c ea c t i 0 1 2 ，a n dc a nc u tt h e1 0 a di nb i gd is t u r b a n c ed is t r i c t a n dc a nr e d u c et h el o a do fl i a i s o nt h r e a d ，f r e q u e n c yr e c o v e r yt i m e i ss h o r ta n dh a st h ea d v a n c e dm e r i to ft h e1 0 w e s tf r e q u e n c y k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，u n d e r f r e q u e n c yl o a d s h e d d i n g ，f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i e ，f r e q u e n c yd e v i a t i o b 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：蜒望日期：竺生兰! 兰， 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：噬导师签名：鱼垡日期：趟：兰：z 山东大学硕士学位毕业论文 第一章：概述 1 1 电力系统的发展简介 十九世纪的八十年代到九十年代，是电力系统的初创时期。据记载， 1 8 8 2 年在美国纽约建成了世界第一个完整的电力系统。这是一个由发电 机、电缆和负载组成的直流电力系统。然而由于直流输电系统的局限性， 人们转而研究交流输电技术，并在二十世纪初，确立了交流输电系统进一 步发展和应用的基本取向，从而带来了本世纪交流高电压输电和电力系统 的大发展。从上世纪初到六十年代末，最高交流输电电压从1 2 4 4 千伏和 6 0 千伏提高到7 3 5 千伏和7 6 5 千伏。在此期间，电力系统规模也迅速扩大， 电网互联程度不断加强。在交流输电和电力系统大发展的同时，从5 0 年 代开始，又发展了高压直流输电技术，奠定了当今高压交直流电力系统 的基础。现在发展中国家用电需求仍在迅速增长，大量的电源资源有待开 发利用，一些发展中国家和地区特别是东亚、东南亚地区、南美洲地区仍 在进行大规模的电网建设。大容量远距离输电系统，如中国的三峡输电系 统、金沙江水电甚至雅鲁藏布江水电的开发及其输电系统，巴西亚马逊河 水电开发及其输电系统等，这些系统的建设无疑将是对现有电力系统技术 的挑战。冷战结束后，全球和地区经济一体化的步伐加快；又由于能源分 布和经济发展的不平衡及电网互联运行的巨大效益，使大电网互联、跨国 联网输电的趋势不断发展。如东西欧联网，欧洲发输电联盟( u c p t e ) 早 西欧各成员国4 0 0 千伏交流联网，以后又通过直流同英国、瑞典实现非同 期联网。目前西欧电网与东欧国家电网联网正在逐步实现。其中1 9 9 5 年9 月原民主德国电网与西欧电网联网，1 9 9 5 年1 0 月波兰、捷克、匈牙利三 国电网与西欧电网同期互联。此外还有若干拟议中的地区性跨国联网，如 环波罗的海地区联网，环地中海地区联网，东南亚地区联网，环日本海地 区联网等，其中波罗的海沿岸1 l 国的1 8 家电力公司已于近期合作进行了 一项研究，拟通过相关国家之间的交直流联网实现环波罗的海电力共同市 山东大学硕士学位毕业论文 场，并已成立了环波罗的海电力合作组织( b a l t r e l ) 。另据报道，地中 海地区的突尼斯与隔海相望的西班牙已实现联网送电。我国与周边国家的 联网也在考虑和规划之中。如拟议中的澜沧江水电( 景洪电站) 开发向泰 国送电、俄罗斯西伯利亚水电向中国华北等地送电等，如能实现都可以形 成跨国的电网互联。 1 9 8 7 年我国发电装机容量突破1 0 0 吉瓦( 1 g 瓦= 1 0 3 兆瓦) 1 9 9 5 年 突破2 0 0 吉瓦。到1 9 9 7 年底达到2 5 0 吉瓦，居世界第二位。5 0 0 千伏超高 压输电线路总长度已超过1 3 0 0 0 千米。6 个跨省大区电网和5 个独立省网 都得到了较快发展。到1 9 9 6 年底，华东电网装机容量已达到3 8 2 2 吉瓦； 由广东、广西、云南、贵州四省电网互联组成的南方联营电网总装机容量 也已达3 8 4 1 9 吉瓦。这表明我国电力系统已进入大电网互联运行的时代。 展望未来，到2 0 1 0 年，随着三峡输电系统的建成，在我国中部将形成沿 长江流域包括川渝、华中、华东电网在内的三峡交直流电力系统，预计总 容量将会接：i 丘：2 0 0 吉瓦。与此同时，北方的华北、东北、西北电网将实现 互联；南方电网将进一步加强。届时，全国将形成北、中、南三大互联电 网的格局。通过它们之间的互联，预期2 0 2 0 年左右将基本实现全国联网。 随着东部地区核电的建设，西部巨型水电和坑口火电的开发，全国范围的 远距离输电和电网互联将得到进一步加强。 1 2 现代电力系统的主要特征 由上面论述可以看出现代电力系统主要特征是大容量机组、超高压线 路、大范围远距离输电、重负荷、大区域联网和交流直流联合输电。这种 互联系统运行的经济性和可靠性得到了显著提高，但同时也消弱了在大扰 动下维持系统频率平衡的能力。主要体现在以下几个方面： 大机组的增加和单机容量的日益增大使得系统可能遭受的有功功 率扰动增大； 大容量机组的惯性时间常数减小： 工业负荷的恒频传动负荷以及民用负荷的增长使得负荷的频率调 2 山东大学硕士学位毕业论文 节效应减小： 大机组对频率质量的要求严格，为了保护机组本身，一些大型汽轮 发电机配置了频率保护，运行频率过高或者过低，都可能导致保护动作， 从而导致破坏系统频率稳定事故的连锁发生，加剧系统的崩溃。 由此可知，现代电力系统出现频率崩溃的危险性是客观存在的，并在 国内外系统中多次发生，如1 9 6 5 年1 1 月9 同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。 为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，目 前各国电网已普遍采用了低频减载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。 1 3 频率偏差及其对电力系统的影响 电力系统频率是指电力系统节点电压在1 s 内交变的次数，单位为赫兹 ( h z ) 。在电力系统稳态运行的情况下，全系统的发电机出力和负荷( 包 括线损) 是平衡的，这时每台发电机上的机械转矩等于电磁转矩，即： r ，= 7 。 每台发电机均以同步角速度一旋转，相应的电动势，电压和电流的频 率为厂。2 罢。所以，在稳态运行情况下，电力系统频率是一个全系统一致 的运行参数。在实际运行中，当电力系统出现干扰使发电机的总出力和负 荷总功率出现不平衡时，相应的在每台发电机组上出现转矩不平衡和转速 变化，即： a t = t 一t 。 = 一触i 因而导致电力系统频率的变化，发电机出力大于负荷总功率，频率就上升； 反之，频率下降。 电力系统中的负荷是瞬息万变的，电力系统运行的重要任务之一，就 山东大学硕士学位毕业论文 是要根据出力和负荷的变化对电力系统频率进行监视和调节。频率调节的 任务就是当系统有功功率不平衡而使频率偏离额定值时，必须相应的调节 发电机的出力，使电力系统的有功功率达到新的平衡，从而保证电力系统 的频率的偏移维持在允许范围之内。世界各国都有各自规定的频率偏差允 许范围，根据我国电力工业技术管理法规规定，在电力系统具有足够 的发电出力情况下，电力系统的频率偏差上下不得超过0 2 h z 。在使用近 代调频装氧时，频率偏差可不超过0 0 5 0 1 5 h z 。 频率的降低将影响劳动生产率和生产质量。因为负荷中大量应用异步 电动机。当频率变化时，传动机械的转速也跟着变化。有关资料表明频 率长期降低0 5 h z 大致相当于每日减少5 m i n 的工作时间，对于8 h 工作制 的工厂企业，它意味着产品减少1 。对于电子计算机及各种自动监测和控 制设备，频率下降将会引起各种误差。频率的变化也将使线损增大，主要 是变压器的铁损增加。频率的变化将使各发电厂之间的功率分配发生变 化，偏离最经济的运行状态。频率的变化对大容量汽轮机组设备的安全运 行有很大影响，如多数制造厂规定在4 9 5 0 5 h z 范围内可连续运行，如超 出此范围由于汽轮机叶片的振动，产生疲劳应力和损伤，将使机组寿命受 到损失，只允许超出范围外的运行时间总积累在卜3 m i n 内。随着电力系 统容量的增大，频率的微小偏移均将发生很大的有功功率潮流波动和调 整。严重情况下甚至破坏系统的稳定性。例如，在很大部分( 5 0 ) 由电 牵引，电炉，电灯等组成负荷的电力系统中，当切除1 0 的发电功率时， 频率可降到4 4 h z ；切除1 5 则降到3 9 h z 。切除2 0 将使全系统停止供电。 增加功率与频率成高次方关系的负荷的比重，系统的频率的下降会小些， 但当出力切除1 0 ，仍是很危险的。因为在现代大容量发电厂中，当频率 下降到4 6 5 - 4 5 h z 时，厂用设备( 传动和制备燃料的设备，锅炉进水设备， 保证锅炉燃烧的设备一鼓风枧，抽风机和凝结水泵等) 的生产率将急剧下 降，因为这些设备的生产率与由系统频率决定的电动机转速有关。例如循 环水泵将使进水 完全停止供水， 出力大大减少， 4 泵减少2 5 一4 0 。当频率降到4 2 4 5 h z 时一些给水泵可能 使锅炉停止工作，这将导致火电厂的生产过程遭到破坏， 并使电力系统的出力进一步减少和频率进一步降低。对于 山东大学硕士学位毕业论文 核电厂，它的反应堆冷却介质泵对频率有严格要求，如果不能满足，这些 泵将自动断开，使反映堆停止运行。这些情况将使电力系统频率雪崩式下 降，使发电厂停下来，与系统解列，以致全系统大面积停电，造成频率崩 溃。 1 4 低频减载技术发展的现状 电力系统安全稳定导则将电力系统中的扰动分为三类：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和正常供 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 障时能保持稳定运行，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 所谓保证安全运行的三道防线。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( 例如：占系统容量比例较大的一个发电厂全停：同一走 廊的输电线路全部同时或相继断开；严重故障时继电保护和自动装置误动 或拒动：严重故障时断路器拒动；系统中一个枢纽变电所全停；两个及多 个系统元件同时故障退出运行：其它由于偶然因素凑在一起的复杂故障 等) ，防止事故扩大，防止导致长期大范围停电，以免造成巨大经济损失 和社会影响。低频减载作为保证系统安全稳定运行第三道防线的主要手 段对消除系统的失步振荡，防止连锁跳闸、电压崩溃和频率崩溃，起着 至关重要的作用。 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 ( u f l s ) 安装数目为2 6 5 个，成功动作次数为3 2 5 次，显示出这新的 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，防止频率崩溃 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。 传统的低频减载是采用“逐次逼近”式的方案。它预先估计系统的功 山东大学硕士学位毕业论文 率缺额，在电力系统发生事故，系统频率下降的过程中，按照不同的频率 整定值顺序切除负荷( 也就是将接至低频减载的总功率分布在不同启动频 率值来分批的切除) ，逐步修正，以适应不同的功率缺额要求，达到稳定 系统频率的目的。但这种按频率自动减负荷的孤立系统的低频减载方案难 以适应功率缺额因素增多而形态复杂的大型互联系统对抑制频率下降以 及维持系统暂态稳定的要求。 随着计算机技术的发展，使用频率变化率启动的减负荷装置得到 应用，但在负荷切除的过程中，系统的转动惯量不断变化，很难根据系统 的实际情况决定与被切除负荷数量上的关系。另外在大型互联系统 中，为了避开频率下降过程中不同地点存在较大差异，需要人为的 增加延时，也削弱了这种方法的优越性。 目前，电力系统使用的低频减载方案设计与运行整体上仍然保持传统 状态，具有以下特点： 基于简单系统概念分析的动态频率特性( 所谓简单系统是指等效为 一个变电站的系统，在频率下降的过程中，全系统的频率按指数曲线统一 变化) 。 多级切负荷，各级切负荷量按预先人为假定的系统功率缺额进行计 算，往往与系统实际运行情况不相符。 低频减载装置只检测当前频率，按当前频率决定是否动作。 随着电力系统发展，这种减载方案已经不能很好适应现代电力系统需 要。主要有以下两方面的原因： 现代电力系统是一个复杂的系统，出现功率缺额时系统频率下降的 动态过程变的复杂，在空间上也具有分布特性，因此采用简单系统模型来 分析动态频率过程与实际系统的情况存在较大差异。 现代电力系统负荷波动剧烈。在此情况下仍以固定负荷( 假定的系 统功率缺额) 来整定低频减载装置，易于造成负荷的过切或欠切。 1 5 本文研究的目的与内容 6 山东大学硕士学位毕业论文 本文对简单电力系统与复杂的互联系统的动态频率特性进行了详细 的分析和比较，指出了简单系统与复杂系统频率特性的异同，并由此讨论 以往传统低频减载方案的优缺点，据此提出了一种在扰动大的地区优先切 除负荷的减负荷方案，从而满足负荷区域性紧急控制和系统综合调度两方 面的要求，达到更好的稳定系统频率的的目的。 7 山东大学硕士学位毕业论文 第二章：现行低频减载方案及其优缺点 调节系统的有功功率不平衡主要有两种措施：增加功率的输入或者切 负荷。如果发生事故出现功率缺额时，系统的旋转备用容量将尽可能快的 阻止系统频率频率崩溃，这一方案称为低频调速控制( u f g c ) 。u f g c 必须 在系统频率刚开始下降的时候动作，并且是种独立于能量系统( 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的 功率缺额的时候，就应该有选择的切掉一部分负荷，从而阻止频率的下降， 这一方案称为低频减载控制( u f l s ) 。由于现代电网经济运行的要求，系 统的备用容量偏低，低频减载成为防止系统崩溃的主要手段。 低频减载( u f l s ) 装置作为防止电力系统频率在事故状态下大幅度下 降，保证系统安全运行的重要措施已经有几十年的应用历史并积累了丰富 的经验，对低频减载方案的设计也形成了一些实用的方法。当电力系统中 由于机组跳闸或者重要联络线断开造成系统中功率缺额的时候，低频减载 装置通过对频率的测量来感知系统中的功率缺额值，根据频率下降的具体 数额来决定应该切除的负荷的数量，从而达到制止频率下降并恢复系统频 率的目的。低频减载的总切除容量必须足以应付系统中可能出现的最大功 率缺额，同时低频减载实际切除的负荷量应该与功率缺额基本一致并使频 率尽快回复到允许范围之内。如果实际切除的负荷过少，则起不到制止频 率下降的作用，或频率虽然停止下降，但悬停在某一较低值处。如果切除 的过多t 则可能引起超调。因此，考虑低频减载方案的时候。应该满足下 列基本要求： 在电力系统发生突然有功功率缺额后，主要靠自动低频减负荷的动 作，使保留运行中的负荷的容量与运行中的发电容量相适应，以保持电力 系统的继续安全运行，保证重要负荷不问断供电。 电力系统在实际可能的各种运行情况下，因事故发生突然的有功功 率缺额后，能及时切除相应容量的负荷，使系统的频率迅速恢复到额定频 率附近继续安全运行，不发生系统的频率崩溃，或系统频率长期悬浮于某 9 山东大学硕士学位毕业论文 一过高或过低的数值。 在频率下降过程中，应保证系统低频值与所经历的时间，能与运行 中机组的自动低频保护和电网间联络线的低频解列保护相配合，频率下降 的最低值必须大于核电厂冷却介质泵低频保护的整定值，并留有不小于 0 3 - 0 5 h z 的裕度，保证这些机组继续联网运行。其它一般情况下，为了 保证火电厂继续安全运行，应限制频率低于4 7 o o h z 的时间不超过0 5 秒， 以避免事故进一步恶化。 自动低频减负荷装置动作后，应使系统运行稳态频率恢复到不低于 4 9 5 h z 的水平为了考虑某些难以预计的情况，一般增设长延时的特殊动 作轮，使系统的运行频率不至于悬浮在低于4 9 o h z 的水平。 因为过切而引起的恢复过程使系统频率过调，其最大值不应超过 5 i h z ，并与机组中的过频保护相协调，并且留有一定的裕度，避免过频保 护整定严格的大汽轮发电机组在频率过程中误动作断开，从而进一步夸大 事故。 自动低频减负荷的先后顺序，应该按照负荷的重要性进行安排。 充分利用系统的旋转备用容量，当发生只使系统频率下降不低于 4 9 5 h z 的功率缺额的时候，自动减负荷装置应该不动作。 应该避免发生短路故障或者主供电电源跳闸后，备用电源投入之前 的负荷反馈而引起的误动作。 好的低频减载方案还应该满足下列要求： 动作要快，应该能在系统危险情况出现以前阻止频率的下降。 应该尽量避免误动作和多余的动作。 保护系统应该准确，按时动作，避免因其小故障引起系统大的故障 甚至崩溃。 应该在保证恢复系统频率稳定性和不越过系统安全运行频率点的 情况下切负荷量最小。 针对以上要求，低频减载方案的整定成为研究的重点，其中切负荷量 切负荷点以及动作时间的选择是衡量减载方案的关键。 o 山东大学硕士学位毕业论文 2 1 传统法低频减载方案 传统法又叫“逐次逼近”法，它按照系统发生最严重事故的情况下出 现的最大可能的功率缺额确定接至低频减载装黄的总功率然后将其分配 在不同启动频率值来分批切除。其方案的设计主要分为多机系统直接设计 和单机模型设计，多机系统校核两种。前者的优点是设计过程中考虑到了 多机系统的一些特点，缺点是设计工作复杂。计算量庞大，并且难以得出 一般的设计方法，只能在具体系统中进行反复的试验。因此一般在设计低 频减载方案时，仍然主要是基于单机模型的假设进行，具体设计过程可以 采用反复试验的方法进行，也可按照一定的公式计算各级频率定值和切除 容量。低频减载方案的结构目前主要有三种，第一种是仅考虑按频率启动 的快速动作轮的方法，其目的是迅速制止频率下降，方案中不考虑频率恢 复问题，主要由系统的旋转备用负责频率的恢复，这种结构适用于西欧电 网这种具有足够容量且投入迅速的备用机组的系统。第二种结构是按频率 分为4 8 8 ，4 8 ，5 ，4 8 。2 ，及4 7 。9 h z 四级，每级再按时问延迟分为0 5 ， 1 5 ，3 0 ，及5 0 四级切除负荷的方法，这种结构及其对应的动作逻辑可 在一定程度上做到按频率的下降率切除负荷，对不同的过负荷量具有较高 的适应性并且能获得较好的频率动态过程，其主要不足是方案的设计和实 施比较困难，并且可能出现频率的悬停问题。第三种结构是在低频减载中 按频率启动的快速动作轮( 即基本级，又称一般级) 上附加一至数级按时 间动作的延时动作轮( 即恢复级，又称特殊级) 。我国的电力系统目前采 用的基本上都是这种结构。这种结构的低频减载方案使用最广泛，因而经 验也最丰富，本节主要介绍这种低频减载方案的设计方法。 2 1 1 传统法负荷的总切除量及基本级首级动作频率和末级 动作频率的确定 低频减载所切负荷的总量，应该根据各种运行方式和各种可能发生的 山东大学硕士学位毕业论文 事故情况找出实际可能发生的最大功率额来确定。各个地区切负荷值除了 应该满足整个系统要求外，还应该满足本地区电网发生严重事故的时候的 要求。在大多数系统中取系统额定容量的3 0 为切负荷总量。 低频减载装置设置基本级和恢复级。基本级应该快速动作，用于阻止 系统的频率快速下降。而恢复级一般只设一级，采用一定延时动作，恢复 级的任务是防止系统的频率悬浮于某一过低数值上。考虑充分发挥系统的 旋转备用容量，恢复级一般延时1 5 - 2 5 秒动作。 基本级中的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，设为厂。以火电为主的电力系统末级动 作频率4 7 5 h z ，以水电为主的可以取4 6 5 h z 。确定系统基本级的首级动 作频率的时候要考虑发挥旋转备用容量的作用，设为 ，对于火电为主的 系统一般取4 9 h z ，对于以水电为主的系统一般取4 8 5 h z 。 2 1 2 基本级的设计一各级减载量的确定 考虑装置的动作时间误差和断路器跳闸的延时，各基本级动作频率应 该保持一定的距离，称为级差。级差取的越小，则恢复效果越好，但级差 增多也会使低频减载装置成本增高，一般取o 2 - 0 5 h z 。设级差为， 则基本级的级数为聆= u 一，滋。每一级都应该确定系统频率已达本级动 作频率，所以要加一延时一般取0 2 - 0 5 秒。 基本级各级减载量的确定： 各级认为本级减载前，系统功率缺颧正好使系统频率下降至本级频率 厂，由此确定本级减载量。算式为： p “叫= k t0 一，) 尸坤叫 ( 2 - 1 ) 式中：p 。为本级减载前功率缺额标幺值； 厂为本级动作频率标幺值； 置。为负荷调节效应系数； 户。为本级减载前负荷的额定功率标幺值。 1 2 山东大学硕士学位毕业论文 各级认为本级减载p 后，使系统频率恢复为，此时系统的剩余功 率缺额为： a p ) = o 一厂) k 。( p ) 一a p ) ( 2 - 2 ) 按( 各级减载量) = ( 减载前的功率缺额) 一( 减载后的功率缺额) 得各级减载量应为： a p = p 坤叫一h p 坤) = ( 1 一，) k 。p 坤- 一0 一f ) k 。( p 坤- n a p ，) 整理得： 蛆：糕，( 2 - 3 ) 还有一种更为简单化的减载方式：确定系统的最大功率缺额和减载级 数，各级减载量平均分配。 2 1 3 恢复级的设计 为了避免基本级动作后频率的悬停并迅速将之恢复到4 9 5 - 5 0 h z 的范 围内，必须在基础级的基础上考虑附加恢复级。与一般设计相比，恢复级 设计比较简单，如欲将频率恢复到4 9 5 - 5 0 1 t z 以上，则可将恢复级设计为 4 9 5 h z 处带延时切一定的负荷，根据延时的不同可以分为卜3 级甚至更 多，同时为了加速频率恢复过程，还可以在低于4 9 5 h z 处带延时切一定 的负荷。恢复级在设计的时候应该注意两个问题： 恢复级切除容量不能过大，避免频率的超调。 恢复级的总容量必须不小于最大欠切量( 欠切量为过负荷量与负荷 切除量之差) 以保证在任何情况下均不会因为恢复级容量不够而造成系统 频率在4 9 5 h z 以下悬停。 2 1 4 传统方法的优缺点 传统法是根据系统运行数据预测可能会出现的事故点，再提出延时和 切负荷方案。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， 山东大学硕士学位毕业论文 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的下降但没有考虑到运行的时 候的具体情况，以及事故的等级的不同，往往会过量切除负荷，或者无选 择的切除负荷，引起不必要的经济损失。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的时候， 继电器可能由于电压或电流低于正常工作值，而被闭锁，无法动作。 2 2 半适应法低频减载方案 十九世纪六十年代，前苏联学者提出在低频减载中增加频率变化率 哆么的辅助判断以改善低频减载的效果。由于当时电子技术落后，未能在 实际中应用。随着计算机在电力系统中的应用，低频减载装置的微机化， 使得的实时测量成为可能。近几年我国出现了些增加频率变化率辅 ， 助判断的低频减载装置。 半适应法当频率下降到设定的频率点时，测量当前的频率变化率 哆么。根据频率变化率的值决定具体切负荷的量。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，切除的负荷越多。通常， 频率变化率的测量点选择在频率下降，继电器动作的第一点，其后继电器 的动作的整定与传统方法相同。 2 2 1 半适应法低频减载方案的设计 当电力系统的频率下降到首级动作频率的时候，按照不同的频率下降 速度作出不同的减载出口决策： a 频率下降速度很小一一只动作于本级； b 。频率下降速度较大一同时动作本级与下一级； c 频率下降速度很大一一同时动作本级与下两级。 1 4 山东大学硕士学位毕业论文 其后的整定设计与上面提到的传统的减载方案相同，这里不再做详细 的介绍。 2 2 2 半适应法低频减载方案的优缺点 半适应法与传统法相比，具有了一定选择性，当频率下降速度较快的 时候加速切负荷。尽早抑制频率的大幅度变化，防止出现系统的频率崩 溃。 但是此种半适应法只在第一步监控了频率变化率嘭，对后续动作没 有性能改善。在严重故障时，动作曲线与传统法基本相同，没有明显改善。 2 3自适应法低频减载方案 自适应法是基于发电机动态调速方程建立的连接无穷大系统的等值 发电机动态调速方程： h 等矾( 2 一m ) 三一啦) r ( 2 _ 4 ) 式中：为全系统转动惯量。等于发电机转动惯量和负荷转动惯量之和。 单位是影：。 将式( 2 4 ) 用标幺值表示并用r ：代替打，代替，得 胪r 糍 旧s ， 山东大学硕士学位毕业论文 竺盖：坐坠， 治。， 碜卜卜t 。 j 频率系数d ( ，) 很难确定，一般假设d ( ，) 是常数，等于l 。当发供电平 阱志i z 卜一爿 ， 、 l t5 f 图2 - 1 相平面边界线图 根据系统边界状态方程很容易画出相平面边界线图，如图2 - 1 所示， 边界线以上的点代表功率过剩状态。边界线以下的点代表功率缺额状态。 如果自动减负荷装置可以同时测量频率及频率变化率，那么它可以根据相 平面图来动作。当f = f 。，= 0 时，不需要动作；当系统状态低于边界 值时，即需要切除负荷。在切除负荷过程中，系统状态的变化将在相平面 图上有一个轨迹。当这个轨迹高于边界线，自动减负荷装置立即停止减负 荷。 1 6 山东大学硕士学位毕业论文 自适应法可以相对准确的根据实时系统频率变化情况，决定切负荷的 量，对于低频减载的性能有了较大的改善。但也存在一些问题：简化发电 机调速模型的简化对负荷的影响未可知；系统发电机退出的时，惯性时间 常数发生变化，导致计算偏差；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。 上述为根据频率变化率来改变频率设定值的自适应自动减负荷方案。 在半数情况下，发电设备连续退出，频率连续下降，此时所有低频减载继 电器都需要根据上一次减载过程中频率范围的最大值和最小值来改变其 设定值。原理如图2 2 所示。 图2 - 2 自动减负荷动态过程图 由图2 2 可以看出，一台发电机故障退出引起有功功率不平衡导致频 率下降，在频率达到切负荷频率，时，低频减载装置将一步步切负荷，如 图中曲线a 所示。当切除足够负荷后，系统频率会停止下降并恢复到额定 值附近，如曲线b 所示。在曲线a 和曲线b 的暂态过程中，t ，时刻符 ， 号发生变化，继电器记录下此时频率值，。一假设系统频率恢复后，再次 出现功率缺额，则会导致系统频率发生新一轮的下降，如曲线c 所示。由 于此时连接在切负荷装置的切负荷频率为，一，。的负荷已经被切除掉了， 系统频率在下降至，以前没有任何切负荷动作。由此可以考虑设计一种 自适应减载方案应付这种情况。在系统频率变化率在r 2 时刻变号时， 1 7 山东大学硕士学位毕业论文 记录下对应的频率厂。则可以将每轮动作频率厂，重新设定为，。： ，。一，2 ，+ 驴一一f 。) ( 2 - 8 ) 此时，系统频率变化曲线如d 所示。 可以看出。此种自适应减载方案对有发电机连续事故退出的情况的频 率有明显的改善。 2 。4 遗传算法在低频减载中的应用 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 是建立在自然选择和自然遗传学 基础上的迭代自适应概率性搜索算法，含有进化过程中的信息遗传思想以 及生物界优胜劣汰的原则。在一定条件下，g a 能收敛到问题的全局最优解。 遗传算法中，染色体是二进制字符串编码，每一编码字符串为一候选 解群，这种字符串有多个，为一群候选解群。染色体是主要的进化对象， 象生物一样有繁殖，杂交。突变三种现象，这些现象成为遗传算子。每一 代中，对一给定的问题，保持一定数目n 为定值的解群p ( t ) 。通过衡量 各解适合度的值f ，使解群中各解得到评价，各解的适合度值的大小作为 染色体复制机会的大小的体现。杂交和突变因子使最后得到的解具有全局 性。 对于电力系统中的低频减载问题，目标函数应反映如下要求： 特定时间内，减负荷量最小，即不得多切：当负荷量大于供电量时， 应有选择的切除负荷，即优化切除方案；开关投切的损耗应计入；最终系 统的能量损失应最小。 满足上述要求，就应该考虑如下约束：故障后系统拓扑结构应变化； 母线电压等级限制：当前有没有线路过载。 根据以上得出优化问题目标函数：f = fk ) ，工e q ( f 为自然数) 。 其中工为自变量，q 为自变量定义域，也是优化问题f 的解空间。优 化要求使找到一组工使得f = ，b ) 叫m i no rm a x ，即问题的最优解。 优化与搜索是g a 首先应用的场合，可以避免局部优化从而找到全局最 优解，该算法在实际系统中通过测试。但还存在一些问题。如群体的大小， 1 8 山东大学硕士学位毕业论文 交叉，变异概率是实验参数，很难选择。同时，g a 并不总是能获得最优解， 这一现象称为成熟前收敛，主要发生于其解的适应度停止提高，即适合度 达蓟平衡时，还没有达到最优值。 2 5 神经网络在低频减载中的应用 电力系统是一个巨维数