（电力系统及其自动化专业论文）电力系统低频减载算法的研究(1).pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第j i 页 a bs t r a c t p o w e rs y s t e mh a se n t e r e dt h ea g eo fl a r g ep o w e rg r i d ，h i g hv o l t a g ea n d l a r g eu n i t s ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fg r i di n t e r c o n n e c t i o na n dp o w e rm a r k e tm a k e s t h ed y n a m i ca c to fp o w e rs y s t e mg e tm o r ea n dm o r ec o m p l e x w h i c hm a k et h e r e q u i r e m e n t so fs a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e mg e th i g h e ra n dh i g h e r u n d e r f r e q u e n c yl o a ds h e d d i n g ( u f l s ) i st h ee a r l y e s tc o n t r o lm e a n sf o rt h e f r e q u e n c ys t a b i l i t y n o w , i ti ss t i l lt h el a s tl i n eo f d e f e n s ef o rp o w e rg r i ds a f ea n d s t a b l eo p e r a t i o n ，a n do n eo ft h em a i nm e a n s ，w h i c hp r e v e n tt h ea c c i d e n tf r o m b e c o m i n gm o r es e r i o u s ，a n dp r e v e n tl a r g e a r e ao u t a g e ，w h e np o w e rs y s t e m u n d e r g o e sas e r i o u sd i s t u r b a n c e i nf a c t u a lr u n n i n g ，p o w e rs y s t e mh a sa p p e a r e d t h es i t u a t i o n so fu f l sb e i n gf a i l u r et or u nf o rt h es y s t e mv o l t a g ed e c l i n ew i t h t h ed i s t u r b a n c e ，o rt h es y s t e mc o l l a p s ef o rt h el a c ko fa c t i v ep o w e rw h i c hr e s u l t s i nu f l sr u n n i n gt o ol a t e i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l ea n da l g o r i t h mo fu f l sa r e r e s e a r c h e di n - d e p t h 。t h ep u r p o s ei sh e i g h t e n i n gt h es t a b i l i t yo ff r e q u e n c y , w h e n p o w e rs y s t e mu n d e r g o e sd i s t u r b a n c e s t h ep a p e r sm a i nc o n t e n t si n c l u d et h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t r a d i t i o n a lu f l sa l g o r i t h mb a s e do nf r e q u e n c ya b s o l u t e v a l u ea n d a d a p t i v eu f l sa l g o r i t h mb a s e do nf r e q u e n c yr a t eo fc h a n g e a r ea n a l y z e d i n - d e p t h a d a p t i v eu f l sa l g o r i t h mb a s e do nl o c a lf r e q u e n c yr a t eo fc h a n g ei s i m p r o v e d a na d a p t i v eu f l sn e wa l g o r i t h mb a s e do nw i d ea r e ai n f o r m a t i o n ， w h i c hh e i g h t e n st h es h e d d i n ge f f e c t sb yt h em e a s u r i n go fs y s t e mf r e q u e n c yr a t e o fc h a n g e ，i sp r o p o s e d 2 u s i n gt h ef u n c t i o no fp s s eu s e r - d e f i n e dm o d e l ，a n da c c o r d i n gt ot h e f l o wo fp s s e d y n a m i cs i m u l a t i o n ，a d a p t i v eu f l sm o d e la n dt h eg o v e r n o r m o d e lu s e db yp r a c t i c a lp o w e rs y s t e ma r eb u i l tw i t hf l e c sl a n g u a g eb yc a l l i n g i n t e r n a ld y n a m i cs i m u l a t i o na r r a y s ，p a r a m i t r e sa n dr a l a t e df u n c t i o no fp s s e o n t h i sb a s i s ，i e e e s14 5 b u s5 0 g e n e r a t o rs y s t e mw i t hs o m em o d i f i c a t i o ni sb u i l t s i c h u a np a n z h i h u ap o w e rs y s t e ma n di t su f l ss y s t e ma r eb u i l t 3 o ni e e em o d i f i e dt e s ts y s t e ma n dp r a c t i c a lp a n z h i h u ap o w e rg r i d ， r e s p e c t i v e l y , t r a d i t i o n a lu f l ss c h e m ea n da d a p t i v eu f l ss c h e m ew i t hd i f f e r e n t a c c i d e n t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ea d a p t i v eu f l ss c h e m ep r o p o s e db y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 t h i sp a p e r , a c q u i r e sab a u e ru f l se f f e c tc o m p a r e dw i t ho t h e ru f l ss c h e m e s k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；f r e q u e n c ys t a b i l i t y ；u n d e r f r e q u e n c yl o a ds h e d d i n g ； p s s e ；u s e r - d e f i n e dm o d e l ；f r e q u e n c yd y n a m i cs i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 竺竺敝作者签名：奄确 日期：口8 、a o 指导老师签名：弼 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、通过分析低频减载的原理，提出了一种基于广域量测信息的自适应低 频减载新算法，通过对系统频率的准确测量，提高了减载效果。 2 、在p s s e 仿真软件上，建立了具有自适应功能的自定义低频减载模 型和实际电网所用的调速器模型；在此基础上，建立了i e e e 5 0 机改进测试 系统、四川攀枝花电力系统及其低频减载系统。 3 、分别在i e e e 改进测试系统及实际攀枝花电网系统上，对不同故障下 传统法减载方案及白适应法减载方案进行了仿真分析和比较，验证了新的自 适应低频减载算法具有更好的减载效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术和现代工业的发展，电力系统己步入大电网、高电压和大 机组的时代n ，电力系统日趋庞大和复杂，电力系统的发展面临着前所未有 的机遇和挑战，对大型电力系统的安全稳定运行的要求也越来越高心1 。现代 电力系统通过建设大电站、大机组以取得更高的发电经济效益的同时，也削 弱了在大拢动下维持系统频率稳定的能力，极易发生恶性频率事故，导致整 个系统解列。文献 3 介绍了近些年来国外一些电力系统由于故障导致系统出 现严重功率缺额而发生频率失稳事故。这些事故教训表明电力系统稳定是电 网安全运行的关键，一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损失和灾难性的后 果。 现代电力系统发电厂容量很大，大型发电厂在系统中所占的比例很高， 发电区域与用电区域的距离增长，形成各局部电力系统内发电容量与用电容 量严重不平衡。因此，一个大型发电厂或一条超高压输电线的切除，或者用 电负荷的增加，都将导致各局部电力系统功率严重失衡，使受电区域电力系 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。 同时，由于大机组对频率质量要求较高，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，从而造成电力系统频率调节能力下降，导致破坏系统频率稳定事故的连 锁发生。 现代电力系统通过建设大电站、大机组取得高的发电经济效益的同时， 削弱了在大扰动下维持系统频率稳定的能力，极易发生恶性频率事故，导致 全系统的瓦解。北美和西欧等多处现代化电网的多次恶性频率事故所造成的 重大经济损失，更引起了世界各国电力系统运营与管理部门对电力系统频率 稳定问题的普遍关注。面对这种严峻的局面，各国电力系统都把频率稳定作 为十分重要的研究课题，研究系统受到大扰动之后，电力系统频率的动态行 为。 与电压稳定和功角稳定相比，对频率稳定的研究显得很不够。事实上， 功角失稳、电压崩溃和频率崩溃的发生许多情况下是同时存在、相互关联并 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 相互激发的。不能只重视前两种而忽略第三者。近些年多次惨痛的大停电事 故表明，必须关心电力系统的频率稳定问题，即使在鲁棒性非常好的系统中 也必须详细考虑发生频率崩溃的可能性及相应的措施u 3 。 低频减载是最早被采用的频率稳定控制方法，目前仍是安全稳定运行的 最后一道防线h 3 。为了更好地反映功率缺额的大小，低频减载从最早的按频 率偏移切负荷发展到按频率变化率和电压变化率加速切负荷，以及自适应整 定的切负荷。但还是出现过由于扰动引起系统电压下降导致低频减载拒动， 或者由于有功功率缺额过大致使低频减载来不及动作系统已经崩溃等情况。 因此，有必要对低频减载的原理和算法进行进一步深入的研究，提高电力系 统在大扰动时的安全稳定性。 1 、低频运行对电力系统的影响 频率是电力系统运行质量和安全情况的重要指标。电力系统的全系统动 态频率是指由系统不平衡功率的总和作用于系统惯性中心的系统总的等值旋 转惯量上所产生的转速增量随时间的变化；地区动态频率是指由该地区不平 衡功率的总和作用于该地区惯性中心的地区总的等值旋转惯量上所产生的转 速增量随时间的变化；发电机节点或其他有旋转惯量节点的动态频率是指其 旋转惯量的转速增量随时间的变化；一般节点的节点动态频率为由其三相电 压瞬时值合成的电压空间矢量在相平面内的旋转速度怕。 从系统频率的上述变化运行中可知，当系统由于某种原因使机组出力不 能满足负荷在正常允许的频率偏差范围内运行时，就会使系统处于异常运行 状态。此时必须迅速采取相应措施，提高系统供电能力，削减负荷功率需求， 以减小系统频率偏差，使系统频率迅速恢复到正常允许偏差范围之内。 低频运行对发电系统的影响 电力系统运行频率过低，将导致电厂辅助机械出力减小，继而发电出力 下降，使系统频率更加降低，对系统频率崩溃起着推波助澜的作用。 系统低频率运行，对不同种类发电厂的影响有相当大的差别。其中受影 响最大的，当数火力发电厂。受影响的程度是由频率下降的幅度和其持续时 间共同确定的。持续短暂几秒的频率下降和持续数分钟的低频率，影响完全 不同。在长达数分钟甚至数十分钟的低频率运行时，由于发电机组冷却系统 出力下降引起的设备过热、振动，尤其是共振应力引起的汽轮机叶片疲劳和 损伤、及发电机电动势的降低等，均需分别采取防范措施，根据机组的设计、 已运行的年限等作不同的处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 系统低频率运行，使火电厂锅炉给水泵、循环水泵、引风机、送风机等 主要厂用设备出力随着转速的降低而减小，继而发电机组出力下降，严重影 响发电厂的正常运行。通常的对策是在设计时对给水泵等辅机设备出力多留 余度，但由于它们的出力通常与转速的一次或高次方成正比哺3 ，当频率降低 更多时，锅炉出力仍避免不了下降。 一般地说，高压高温电厂的极限范围是4 6 5 4 7 5 h z ，中、低压电厂的极 限范围是4 4 4 6 h z h l 。 当系统频率下降，抵达汽轮机能维持满出力运行的下限频率时，由于汽 轮机叶片的振动，使叶片开始明显加速消耗，轻则将降低其使用寿命，重则 可能产生裂纹。对于额定频率为5 0 h z 的电力系统，当频率降低到4 5 h z 附近 时，某些汽轮机的叶片可能由于共振而产生断裂，造成严重事故。 对于核电厂，虽然其蒸汽供给系统由于设计时采取了相应措施，允许频 率能在一定范围内变动，而不致限制蒸汽出力，具有相对较强的承受低频率 能力；但核电厂的其他辅机中也存在受频率影响较大的。例如压水堆核电站 的冷却介质泵，由于压水堆要求通过堆芯的冷却水流速度与反应堆内产生热 量的速率成比例，以免反应堆中的实际热通量达到临界值而遭损伤。而反应 堆冷却水的流速与反应堆冷却介质泵的转速成正比，冷却效果却取决于介质 泵的受电频率。因此，在系统频率崩溃过程中，核电机组断开，堆芯停止运 行。若此时驱动冷却介质泵仍然接在电力系统上，当电力系统频率下降速度 快于设计的冷却介质泵电动机的自由滑行速度时，则供应反应堆的冷却水流 速将被迫降低到不能允许的水平，从而必须采取相应的保护措施。 低频运行对输配电系统的影响 电力系统频率下降时，使各种输电和配电变压器的励磁电流增加，使变 压器的无功消耗增加，从而使系统电压下降。频率的不断下降还会引起励磁 机出力下降，并使发电机电动势下降，导致全网电压水平降低。当系统频率 下降到一定值时，还可能出现电压快速不断下降，即电压雪崩现象。电压雪 崩会造成整个网络的大面积停电，甚至使整个系统崩溃。 低频运行对用户的影响 现代工业的许多产品质量与电力系统频率有关。例如，纺织工业、造纸 工业等。这些工业使用的大多数电动机为异步电动机，频率的降低会造成异 步电动机转速下降，使异步电动机传动的生产设备生产出次品，乃至废品。 一般工业由电动机传动的生产设备也会因频率下降而使生产率降低。电力系 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 统频率波动过大时，会影响某些测量和控制用的电子设备( 如雷达等) 的准 确性和性能，频率过低时有些设备甚至无法工作。 此外，系统频率下降还可能伴随着潮流失调、线路过载及系统电压下降 等现象出现，这些现象也同样会影响电力系统的稳定。为了保证电力系统的 安全稳定运行，目前各国电网均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。低频减载是控制电力系统一般故障及大面积复杂故障重要 而有效的手段。合理而快速地切除部分负荷或解列，可以使整个电网在最短 的时间内恢复至稳定运行状态，是保证系统安全运行的重要措施之一。 2 、低频减载的意义 电力系统安全稳定导则将电力系统中的扰动分为三类喁1 ：第1 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1 i 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1 i i 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。其 中第三道防线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，避免造成巨大经济损失和社会影响。这就是设置 第三道防线的重要意义。 系统扰动通常会造成系统功率不平衡。调节系统功率不平衡主要有两种 措施：增加功率输入和减载负荷。当系统发生事故出现功率缺额时，系统旋 转备用容量将积极、尽可能快地阻止系统崩溃，这一方案被称为低频调速控 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，以防止系统频率的下降，这一方案被称为低 频减载控制。由于现代电网经济运行的要求，系统的旋转备用容量偏低，低 频减载成为严守第三道防线，维持整个电网安全稳定运行，防止系统频率崩 溃的主要手段。 1 2 低频减载研究的现状与发展 上世纪4 0 年代，前苏联首先提出了低频减载，随后世界各国电力系统相 继采用，取得了良好的效果。1 9 4 8 年，前苏联电力系统中低频减载安装数目 为2 6 5 ，成功动作次数为3 2 5 次，显示出这一新的自动安全装置对于确保电 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 力系统安全稳定运行具有显著功效，可以很好地稳定电力系统频率、防止频 率崩溃。 1 2 1 低频减载的特点及分类 基于近5 0 年以来切负荷的研究，低频减载方案大致可以分为：传统法、 半适应法和自适应法。 ( 1 ) 传统法1 们 传统法设定简单，不需要复杂的继电器，应用最为广泛。当系统频率低 于整定值时，切除一部分负荷，如果频率继续下降又低于第二步整定值时， 再切除一部分负荷，如此重复至频率恢复。其继电器的整定是离线的，基于 操作人员的运行经验、系统分析及系统仿真。 低频减载所切负荷的总量，应根据各种运行方式和各种可能发生的事故 情况，找出实际可能发生的最大功率缺额来确定。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求。 传统法是根据系统运行数据预测可能会出现的事故，再提出相应的切负 荷方案和时延。 传统法整定的低频减载装置在大多数情况下运行良好。但是这种离线整 定的传统法通常是根据系统最严重故障下的频率绝对值进行整定，虽然可以 有效阻止系统频率下降，但由于没有考虑到运行时的具体情况，以及事故等 级的不同，往往会过量切除负荷，引起不必要的经济损失。 另外，根据传统法整定的低频减载装置必须等到频率下降到整定值以下 才动作切除负荷，可能会错过最佳切除时间。其继电器也有可能由于电压或 电流低于正常工作值，而被闭锁，无法动作。 ( 2 ) 半适应法1 半适应法是当频率下降到设定的频率点时，同时测量当前的频率变化率 d f d t 。根据频率变化率的值决定具体切除负荷的量。半适应法在频率通过设 定点时，测量的频率变化率越高，切除的负荷就越多。 通常，频率变化率的测量点选择在继电器动作的首轮频率设定点，其后 。继电器动作的整定与传统法相同。 半适应法在切负荷的首轮监测了频率变化率，因此首轮的切负荷量在理 论上比传统法更具有选择性。但实践表明，这还远远不够。文献 1 1 中的比 较可以发现，半适应法虽然切负荷量比传统法有所改善，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，当严 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 重故障导致系统功率缺额较大时，半适应法只是在首轮监测了频率变化率， 没有对后续动作改善。因此，半适应法与传统法相比优势微弱。 ( 3 ) 自适应法 自适应法基于系统频率响应模型建立。根据简化的系统频率响应模型， 可以得到频率变化率初值与扰动负荷值p 。把p 的关系。由此可以计算出应切除 多少负荷。 虽然理论上自适应法可以准确地切除多余负荷，但有时上述计算值不等 于实际应切负荷量。实践表明，在严重事故时，自适应法切负荷量明显低于 前述方法，可能会使频率下降较大低于最低频率点旧1 。其次，由于基于简化 的频率响应模型，系统发电机退出时，惯性常数又发生变化，因此自适应法 有时会存在一定偏差。另外，在大系统中，由于频率下降过程中同一时间不 同地点的频率变化率可能存在较大的差异，无法准确反映系统的频率变化率， 这样也会带来一定的误差，并显著地减弱了其优越性。 1 - 2 _ 2 目前主要的低频减载算法 目前世界各国采用的低频减载方案中以传统低频减载方案为主，少部分 采用的是半适应低频减载方案。部分国家采用的减载方案如下表所示n 5 | ： 表1 1 部分国家目前采用的低频减载方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 从上表可以看出，由于经过适当整定的传统低频减载方案在大多数情况 下均运行良好，并且具有设置简单、运营维护费用相对较低等特点，因此目 前各国实际低频减载方案仍然以传统法为主。 1 2 3 低频减载的研究进展 由于目前的低频减载方案存在不同程度的缺陷，和理想低频减载的要求 尚有一段距离，近些年在国内外的相关文献中提出了大量的改进方案。 九十年代初，a n d e r s o n 等人在系统频率响应模型的基础上建立了系统初 始频率变化率与有功功率缺额之间的关系h 羽。在系统发生扰动后，低频减载 装置通过测量本地初始频率变化率，预测系统初始频率变化率，进而计算出 系统有功功率缺额。系统的低频减载装置据此切除多余负荷，快速、有效地 抑制系统频率下降。 随着计算机技术的快速发展，文献 1 6 1 8 n 用神经网络和遗传算法计算 速度快、自学能力强等优点，进行自适应法的设计和优化，以适应电网拓扑 结构和参数的实时变化，实现方案的实时整定。 在系统切负荷研究中，神经网络被用来计算发电机退出时，动态系统下 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 最低频率和决定切负荷系统的动作等级。这两类问题有联系，但非线性。主 要的触发信号是切负荷系统的频率值。这样最低频率和要切的负荷量就联系 起来了。实验表明，神经网络在低频减载中的应用，速度明显提高，计算偏 差较小，性能优于传统算法。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称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，该算法借鉴了生物进化过程中优胜劣 汰、适者生存的自然选择机理和生物界繁衍的遗传机制，简单通用、鲁棒性 强，应用范围广，是2 1 世纪智能计算的重要技术之一。 遗传算法作为一种新兴的全局优化算法，对求解问题几乎没有什么限制， 也没有常规优化问题求解的复杂数学过程，特别是对于一些大型、复杂非线 性系统，它更表现出比传统优化方法更加独特和优越的性能，适合于求解类 似于低频减载等复杂非线性优化问题。近年来把遗传算法应用于电力系统求 解，已成为电力工作者研究的热点之一，并已取得了许多成果。但是遗传算 法在实际应用过程中存在收敛速度慢，易早熟等缺陷，因此遗传算法还需要 改进以提高其在低频减载问题上的性能。最近，也有人提出神经网络结合遗 传算法，用遗传算法来训练神经网络中的神经元，从而优化迭代，但都还没 有应用于实际。 文献 1 9 2 1 从旋转备用的投入、维护和运行成本以及切负荷带来的经济 损失等方面综合考虑总的经济效益，选择适当的旋转备用容量和低频减载方 案，以实现最大获利。 文献 2 2 1 针对电力系统负荷自身频率调节效应的差异，提出了一种在对 负荷进行实时检测的基础上计及负荷频率特性的低频减载方案。使之能够充 分利用频率下降时，负荷自身吸收的功率也下降的特点，优先切除频率调节 系数小的线路，有利于系统频率的快速恢复和稳定，在一定程度上增强了低 频减载装置适应系统变化的能力。 由于传统的观点认为宁可过切也不欠切，因此低频减载方案中过切现象 比较普遍。文献 2 3 】分析了低频减载过切的原因，引入了紧急轮的概念，即 按照d f d t 大小加速切负荷构成的轮次。使低频减载形成“基本轮+ 紧急轮+ 后备轮”的新模式及整定计算思路，以达到减少过切的目的。同时，还探讨 了在按频率自动重合闸回路中引入d f d t 符号判据的可行性。 文献 2 4 1 为低频减载的研究引入了新的思路，设计了一种基于比例积分 微分( p i d ) 控制思想的电力系统频率紧急控制策略。通过检测电力系统相 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 关开关量的变化，识别发电机退出或出现与大电网解列等严重事故，根据所 测量的退出电源容量迅速启动低频减载装置的紧急启动轮，以尽快抑制频率 的急剧下降。在后续的调节过程中，引入p i d 闭环控制策略对频率进行跟踪 控制，并引入粗调轮和细调轮以应对频率的不同变化阶段，避免了大功率缺 额情况下频率的严重下降。 一些研究结果表明，不同的系统、元件模型对低频减载方案的设计与控 制影响较大。文献 2 5 1 在分析了负荷模型对低频减载控制设计及方案性能的 影响后，将由静态负荷模型和动态电机模型所组成的综合负荷模型作为电力 系统负荷模拟的推荐模型。文献 2 6 1 采用负荷的复阻抗模型，并考虑调速器、 a v r 装置的影响进行仿真，得到适合已有低频减载方案的模型，从而提高了 方案的精确性。理论上，影响频率动态过程的因素有【2 6 _ 2 9 】：发电机惯性时 间常数h ；调速器调差系数r ；再热时间常数t r ；高压比例系数f h ； 负荷频率调节效应系数k d ；阻尼系数d 等。 近年来低频减载在理论上得到了较大发展，而其实用技术的发展和应用 相对缓慢，各种新技术、新方案对于实际运行系统控制的可行性和有效性仍 需进一步分析研究。 1 3 本文主要工作和章节安排 本文在深入分析基于频率绝对值整定的传统算法和基于本地频率变化率 整定的自适应法的基础上，对自适应低频减载算法的关键技术进行了研究， 提出了基于广域量测信息的自适应低频减载新算法。并通过i e e e 改进测试 系统与实际系统的仿真和比较，验证了所提出方法的正确性和有效性。 论文共分五章，主要内容如下： 第l 章介绍了目前低频减载研究的背景、与发展现状，对目前主要的低 频减载算法及低频减载研究的进展进行了介绍。本章内容是对低频减载研究 的总体描述。 第2 章在分析电力系统频率特性的基础上，分析阐述了低频减载的设计 要求及整定原则，分析了传统低频减载算法。 第3 章介绍了基于本地频率变化率的自适应低频减载算法，在此基础上， 提出了基于广域量测信息的自适应低频减载新算法。 第4 章应用f l e c s 语言，在p s s e 软件上建立了具有自适应功能的自 定义低频减载模型，以及实际四川攀枝花电网系统所需的调速器模型，为建 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 立实际电网系统并验证低频减载算法奠定了基础。 第5 章建立了i e e e 5 0 机改进测试系统和四川电网攀枝花子网及其低频 减载控制系统，分别在i e e e 3 机测试系统、i e e e 5 0 机改进测试系统和四川 攀枝花电网系统进行了扰动、机电动态和低频减载仿真试验，并对不同低频 减载算法的减载效果进行了分析比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章传统低频减载算法 2 1 电力系统的频率特性 2 1 1 电力系统频率波动的原因 单一电源的系统频率是发电机转速的函数 f = 聍p 6 0 式中厂电力系统频率； n 发电机的转速； p 发电机的极对数； 6 0 分钟转换秒的转换系数。 为了研究系统频率变化的规律，需要研究发电机的运动规律。 转子运动方程为 乙一z = 丁= 乃譬 “l 式中l 输入机械力矩； z 输出电磁力矩； l 发电机转动惯量； 掣发电机转子角加速度。 蹦 由于功率与力矩间存在转换关系为 p = c o t 将式( 2 2 ) 规格化处理并拉氏变换后，可得传递函数 匕一e e = 2 h s a a o 式中 己原动机功率； 发电机电磁功率； 日发电机惯性常数； ( 2 - 1 ) 发电机的 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) a c o 发电机转子角速度偏移量。 由此可知，当原动机功率和发电机电磁功率产生不平衡时，必然引起发 电机转速的变化，从而引起电力系统频率的变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 在众多发电机并联运行的电力系统中，虽然原动机功率不是恒定不变的， 但它主要取决于本台发电机的原动机和调速器的特性，是相对容易控制的因 素：而发电机电磁功率的变化则不仅与本台发电机的电磁特性有关，还与电 力系统的负荷特性等其他因素有关，是难以控制的因素，而这些正是引起电 力系统频率波动的主要原因。 2 1 2 电力系统静态频率特性 电力系统的静态频率特性取决于发电机组的静态频率特性和负荷的静态 频率特性。 1 、发电机的静态频率特性 当电力系统频率变化时，促使发电机组原动机( 汽轮机或水轮机等) 的 调速系统自动改变原动机的输入，从而改变发电机的出力，以求系统功率供 需平衡，恢复频率到正常允许的偏差范围之内。这表明发电机组的功率频率 特性取决于调速系统的特性。 发电机组的静调差系数6 描述为口0 3 妇 反：一尘卫止：盟血( 2 5 ) 哦 p g n 、。 式中频率偏移量； 厂额定频率； a p o 频率变化厂时机组出力变化量； 最额定频率时机组出力； ( - o n 空载静态角速度； o , ) f l 满载静态角速度； 绋额定角速度。 发电机调差系数的倒数即为发电机的功率频率静态特性系数，其标幺值 表示为2 3 1ap 磁2 玄一盖( 2 - 6 ) 2 、负荷的静态频率特性 电力系统负荷的有功功率频率静态特性是指不考虑电压变化，在总负荷 不变的情况下，负荷的有功功率与系统频率变化的关系。它由系统负荷的组 成决定。负荷的频率特性能起到减轻系统能量不平衡的作用。 负荷的有功功率与系统频率的关系随着负荷类型的不同而不同。一般有 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 以下几种类型： ( 1 ) 有功功率与频率变化无关的负荷，如照明灯、电炉、整流负荷等。 ( 2 ) 有功功率与频率一次方成正比的负荷，如球磨机、卷扬机、压缩机、 切削机床等。 ( 3 ) 有功功率与频率二次方成正比的负荷，如变压器铁心中的涡流损耗、 电网线损等。 ( 4 ) 有功功率与频率三次方成正比的负荷，如通风机、静水头阻力不大 的循环水泵等。 ( 5 ) 有功功率与频率高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵 等。 不计及系统电压波动的影响时，系统频率与负荷的有功功率关系为 忍= 厂( 厂) ( 2 7 ) lp 、 式( 2 - 7 ) 的一般表达式 置= + q ( 丢 + a 2 p z , , v ( 丢1 2 + 吩( 丢 3 + + ( 丢丁c 2 固 式中厶额定频率； 最系统频率为额定值时，系统的有功负荷； e 系统频率为厂时，系统的有功负荷；一 a o ，口1 ，a 2 ，a n 与系统频率的0 ，1 ，2 ，n 次方成正 比的负荷占额定负荷的百分比。 以额定频率和额定频率下的负荷功率丑。为基值，则式( 2 - 8 ) 的标幺值 表达式为 忍。= a o + q z + 吃z 2 + 吩z 3 + + 石” ( 2 9 ) 式( 2 - 9 ) 即为电力系统负荷频率静态特性方程，由定义可知式中 口o + q + 口2 + 口3 + + 2 l 。 通常忽略与频率变化三次方以上成正比的负荷的影响，并将式( 2 - 9 ) 对 频率微分，可得 譬：q + 2 a 2 f + 3 a 3 f 2 ：墨。 ( 2 - 1 0 ) 式中k ，。负荷的频率调节效应系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 电力系统的静态频率特性由系统发电机组和系统负荷共同确定。其物理 意义为电力系统发生功率缺额时的相对值与其发生的最大频率偏差的相对值 之比，是系统发电机组与系统负荷共同作用的结果，其表达式为： k s = 砭+ 琏 ( 2 1 1 ) 2 1 3 电力系统动态频率特性 电力系统中负荷的突然增减，使系统中能量供求关系失去平衡，系统频 率将从正常的稳态值过渡到另一个使能量供求达到新的平衡的稳态值。频率 的这种变化过程，一般称为电力系统的频率动态特性凹副。 按照各区域变电站的联系紧密程度，可以将系统分为简单电力系统和复 杂电力系统。简单系统因为各变电站联系紧密，频率统一变化，分析相对简 单。 目前，对电力系统功率频率动态过程的研究及对电力系统低频减载方案 的整定多采用单机带集中负荷的模型口引。而实际电力系统一般都是具有发电 机与负荷分布的区域较广、长距离输电线较多、网络联系相对校弱等特点的 复杂扩展式多机系统，因此采用简单系统模型来分析频率动态过程与实际系 统的情况会有较大差异，特别是开始十几秒的过程相差基远，这是目前低频 减载装置动作还不能令人十分满意的主要原因之一。 2 2 低频减载的设计要求及整定原则 2 2 1 低频减载的设计要求 当电力系统发生严重功率缺额时，低频减载装置中的低频继电器向断路 器发送断开信号，通过断路器迅速断开相应数量的负荷，使系统频率在不低 于某一允许值的情况下，达到有功功率的平衡，防止事故的进一步扩大，保 证电力系统的安全稳定运行和重要负荷的不间断供电。 一个理想的低频减载方案应能满足下列要求4 3 引： 1 、动作迅速。低频减载方案动作频率的整定应使系统频率降低到危及系 统稳定水平之前就能够快速地终止其继续下降，避免系统频率低于其允许的 最低值。 2 、与电网低频解列及机组低频保护相协调。在任何故障情况下，频率下 降过程中应保证系统的最低频率值与所经历的时间，能与运行中机组的自动 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 低频保护和联合电网间联络线的低频解列保护相配合。频率下降的最低值还 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 o 5 h z 的裕度，保证这些机组继续联网运行；其他一般情况下，为了保证火电厂的 继续安全运行，应限制频率低于4 7 0 h z 的时间不超过o 5 s ，以避免事故进一 步恶化。 3 、与机组过频率保护相协调。因负荷过切引起恢复时的系统频率超调， 其最大值不应超过5 1 h z ，并必须与运行中机组的过频率保护相配合。避免 自动控制程度高的大型汽轮机组在过频率过程中的可能误断开，进一步扩大 事故。 4 、不出现频率悬浮状态。低频减载动作后应使运行系统稳态频率恢复到 不低于4 9 5 h z 的水平。考虑到某些难以预计的可能情况，应增设长延时的 特殊轮，使系统运行频率不致于长期停留在低于4 9 h z 的水平。 5 、与系统的旋转备用容量相配合。系统故障后，低频减载应充分利用系 统旋转备用容量恢复系统频率，当发生使系统稳态频率只下降到不低于 4 9 5 h z 的有功功率缺额时，低频减载装置不动作。 6 、在互联系统采用一致的整定方案，且不同减载装置的动作时间要一致， 否则可能只有最快的动作。切负荷量的整定，应该在满足全网最严重故障的 基础上按照各地区在全网的负荷比重分摊。 7 、应与系统其他控制装置相协调，如在低频减载中考虑与低频调速控制 相配合【3 6 】。 8 、切除的负荷量应尽可能少。应该在保证恢复系统稳定性和不越过系统 安全运行频率点的前提下使切负荷量最小。 低频减载切负荷总量，应该根据各种运行方式和各种可能发生的事故情 况下实际可能发生的最大功率缺额来确定。各地区切负荷量除了应满足整个 系统按级按量的要求外，还应该满足本地区电网严重事故时的要求。 2 2 - 2 低频减载的主要整定原则 电力系统的自动低频减负荷方案，应由系统调度部门负责制定并监督其 执行，调度部门应定期和当系统条件有重大变动时，对其进行重新审定。为 了累积经验，需要做好每次重大有功功率缺额事故后的分析总结工作口劓。整 定时需要按照以下原则： 1 、总体原则 总体原则是使系统能在实际可能的各种运行情况和可能发生的最大功率 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 缺额情况下，通过切除一定量的负荷有效地防止系统频率下降至危险点以下， 使故障后的系统频率能够快速地恢复至额定频率附近继续运行，不发生频率 崩溃。同时，尽量使所切除的负荷量最少。 2 、确定最大功率缺额 在电力系统中，自动低频减载装置是用来对付严重功率缺额事故的重要 措施之一，它通过切除一定量的负荷来制止系统频率的大幅度下降。因此必 须结合具体系统条件，要求系统在可能发生的最严重故障情况下，即出现最 大可能的功率缺额时，自动低频减载装置切除负荷后也能使系统频率恢复在 可运行的水平，以避免故障扩大而导致频率崩溃。 通常对系统最大功率缺额的估计，按系统不同运行方式下实际可能发生 的最大功率缺额来考虑。例如：占系统容量比重很大的某一台大机组、一个 大电厂或一个输电通道方向的全部输电线路断开；或者当系统失去同步运行 稳定性而发生振荡的过程中，允许将发电机组从系统中断开，或允许线路继 电保护动作将线路无计划断开等，往往会使这些地区的低频现象与过频率现 象特别严重。因此各地区减载量除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求，所在地区的低频减载量要略大于主网 所分配的容量。 当系统负荷和最大功率缺额已知后，只要确定系统恢复频率，就可以求 得自动低频减载装置应切除的功率。设恢复频率和额定频率之差为铆，则低 频减载装置最大可能断开功率必一与系统最大缺额功率必一的关系如下 所示 鲣业：k ，。觚( 2 1 2 ) 一必一 。 中、小型电力系统中低频减载装置上的总负荷大约应该为全系统总负荷 的4 0 - - 5 0 ，较多的电力系统考虑3 0 - - - - 5 0 旧7 1 。 3 、选择低频减载装置动作频率 一 电力系统在不同运行方式下可能发生各种故障，其严重程度千差万别。 对于各种可能发生的故障，都要求低频减载装置能够做出恰当的动作，切除 相应数量的负荷功率，既不能过多更不能不足。因此，应该分轮次切除负荷 功率，逐步恢复系统频率，以取得较为满意的结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 ( 1 ) 首轮起动频率的选择 当发生严重有功功率缺额时，为了使系统频率不致降低到过低的数值， 低频减载装置的首轮频率整定值不宜过低。但是由于机组可以长时间运行于 4 9 5 h z 以上，首轮起动频率应当低于4 9 5 h z 。同时为充分利用系统旋转备用 容量，当系统发生故障，而依靠系统的备用容量可以将频率恢复到4 9 5 h z 及以上时，则在频率下降的全过程中，不应使低频减载装置动作。确定低频 减载装置的首轮动作频率值必须考虑两个因素：既要考虑有利于抑制严重功 率缺额下频率的下降深度( 从这个角度分析首轮起动频率越高越好) ，又要有 利于充分利用系统的旋转备用容量( 从这个角度分析首轮起动频率越低越 好) 。因此，首轮动作频率的整定值的确定需要协调好这两者之间的关系。一 般首轮起动频率不宜超过4 9 5 h z 。 ( 2 ) 末轮起动频率的选择 低频减载装置末轮频率整定值的选择应该高于机组的低频保护值，并且 还要考虑留有o 3 o 5 h z 左右的裕度。 通常末轮起动频率为4 7 5 4 8 h z 左右口7 一刚。 ( 3 ) 频率级差的选择 由于每轮低频减载装置都有不可避免的延时，包括起动继电器的动作时 间，人为设定的时间，操作断路器的固有动作时间等，当系统频率下降，待 这轮低频减载装置动作之时，系统的实际频率早已下降到低于该轮装置起动 时的频率。有功功率缺额愈大，即系统频率下降率愈大时，这种差值也愈大。 为了保证各轮间的选择性，以防止过切，显然每轮间的起动频率需要合理的 差值( 当然，从理论上讲，如果轮数多，每轮切的负荷少，即使不保证完全 的选择也不会产生严重的后果) 。频率级差最好不小于0 2 h z ，原因是在频率 下降过程中，同一时间的各母线频率有一定差异，而系统中自动切负荷装置 的动作频率应该反映整个系统的平均频率。 如果给定的时延过长，显然又不利于轮间的选择