（电气工程专业论文）低频低压自动减载装置的研究.pdf

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：趔些日期： 沙 o 、毕晤 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版， 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) 论文作者签名逊导师签名：趣日 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章概述1 1 1现代电力系统的特征1 1 1 2 低频低压自动减载在电力系统中的作用n 们1 1 3本文的主要工作2 第二章低频低压减载基本工作原理5 2 1 电力系统频率特性2 1 n 3 1c 1 4 j n 耵5 2 1 1 电力系统频率静态特性嘲5 2 1 2 电力系统频率动态特性鲫7 2 2电力系统频率偏差及影响1 l 2 2 1电力系统频率偏差的标准1 1 2 2 2频率下降的影响1 2 2 2 3 频率上升的影响1 6 2 3电力系统电压与无功功率1 7 2 3 1电压偏差及其超标的危害和影响1 7 2 3 2电力系统的无功功率1 9 2 3 3电力系统电压调整的必要性与调压措施2 2 第三章低频低压减载装置的现状及存在问题2 5 3 1低频低压减载的意义2 5 3 1 1 电力系统频率稳定问题羽2 5 3 1 2 低频低压减载的意义2 6 3 2 低频低压减载技术的发展历程及现状1m 阳2 7 3 2 1频率继电器的发展过程2 7 3 2 2 低频减载技术的现状2 8 3 3现行低频低压减载方式3 l 3 3 1 低频低压减载的控制方式3 1 3 3 2 低频低压减载的基本要求3 2 3 4传统低频减载方式的缺陷与改进3 3 山东大学硕士学位论文 3 5现行低频低压减载装置的特点3 4 3 6目前主要存在的问题3 6 第四章d f 3 3 8 8 低频低压减载装置的总体方案3 9 4 1电压( u ) 、频率( f ) 的测量方法。3 9 4 2 启动元件3 9 4 3低频减载动作原理3 9 4 3 1低频减载动作逻辑3 9 4 3 2 低频减载判别式4 0 4 3 3异常情况下防止装置低频误动的闭锁措施4 1 4 3 4防止低频过切负荷的措施4 1 4 4低压减载动作原理4 2 4 4 1低压减载动作逻辑4 2 4 4 2低压自动减载的判别式4 3 4 4 3短路故障与低电压切负荷的自动配合4 4 4 4 4异常情况下防止装置低压误动的闭锁措施4 4 4 5p t 断线4 5 4 6 装置检修4 5 4 7 开入4 6 4 8 定值区4 7 4 8 1定值区说明4 7 4 8 2 配置字4 7 4 8 3 定值表4 8 第五章d f 3 3 8 8 低频低压减载装置的硬件和软件系统设计5 3 5 1硬件系统设计5 3 5 1 1硬件系统总体概述5 3 5 1 2 采样计算模块5 4 5 1 3 逻辑处理模块5 5 5 1 4 监控模块5 7 5 1 5e m c 措施5 8 5 2软件系统设计5 9 山东大学硕士学位论文 5 2 1软件系统整体设计5 9 5 2 2 监控平台软件5 9 5 2 3 控制软件6 1 5 2 4 软件测频算法6 2 5 2 5自适应相量算法6 5 第六章d f 3 3 8 8 低频低压减载装置的测试6 9 6 1r t d s 简介6 9 6 2r t d s 试验项目及结果6 9 6 2 1 试验项目6 9 6 2 2 试验接线图7 0 6 2 3装置无加速设置时动作录波图7 1 6 2 4装置设定加速时动作录波图1 7 2 6 2 5装置设定加速时动作录波图2 7 3 6 2 6 频率回升时动作录波图7 4 第七章结论7 5 参考文献7 7 致谢8 l i i i - 山东大学硕士学位论文 摘要 现代电力系统的特征是大机组容量，超高压线路，大范围远距离输电的网络 互连，供电可靠性和经济性非常显著。但是系统对网络的依赖性也越来越大，系 统的频率和电压崩溃的危险始终存在。为了保证供电质量，确保电力系统安全稳 定运行，防止电力系统频率和电压崩溃事故的措施之一就是采用低频低压减载装 置。电力系统“三道防线”概念的提出，更增强了低频低压减载设备的地位。我 国近年来随着电力技术和微机技术的发展，微机型低频低压减载设备在电力系统 中得到越来越广泛的应用。其中集中式微机低频低压减载装置的发展势头更迅 猛，市场十分看好。 本文充分讨论了电力系统低频低压减载原理；研究了电力系统频率特性、频 率偏差和电压偏差的影响；探讨低频低压减载的改进策略，提出了“紧急轮+ 基 本轮+ 后备轮”的低频低压减载模式，并采取多种措施有效地减少了过切现象的 发生；分析了目前的各种频率算法，包括周期法、解析法、误差最小化原理算法、 正交去调制法，提出了改进频率算法，在传统过零点测频的基础上引入了自适应 相量算法，仿真和实际的应用结果说明了该算法的可靠性和实用性；设计了一种 基于数字信号处理器( d s p ) 和微处理器( m c u ) 的集中式低频低压减载装置，详 细说明了该装置的软硬件方案和低频低压减载控制逻辑，并简要说明了低频低压 减载功能开发工作，介绍了r t d s 和装置在r t d s 上的试验结果。 本文所开发的装置在国家继电器质量监督检验中心( n c q t r ) 通过了静模测 试，在华北电科院( n c e p r i ) 通过了实时数字仿真系统( r t d s ) 试验测试，并已 在现场获得应用。 关键词：电力系统低频减载低压减载频率偏移电压偏移 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o d e r np o w e rs y s t e ma r el a r g ec a p a c i t y g e n e r a t o r s ，e x t r a h i g hv o l t a g e l i n e s ，l a r g e s c a l e a n d l o n g d i s t a n c e t r a n s m i s s i o ni n t e r c o n n e c t i o n ，t h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m i c a le f f i c i e n c y o fp o w e rs u p p l yh a v e b e e ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d b u tt h e s y s t e mh a s b e c o m ei n c r e a s i n g l yn e t w o r k d e p e n d e n t ，t h es y s t e mf r e q u e n c ya n dv o t a g e c o l l a p s eh a sa l w a y se x i s t e d t oe n s u r et h eq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y ，e n s u r e s t a b l eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e ms e c u r i t y ，t op r e v e n tt h ep o w e rs y s t e m f r e q u e n c ya n dv o l t a g ec o l l a p s ea c c i d e n t so fo n eo ft h em e a s u r e si st ou s e l o w f r e q u e n c y l o w v o l t a g el o a ds h e d d i n ge q u i p m e n t p o w e rs y s t e mo ft h e t h r e eli n e so fd e f e n s e c o n c e p tp u tf o r w a r d m o r ee n h a n c e d l o w f r e q u e n c y l o w - v o l t a g el o a ds h e d d i n ge q u i p m e n ts t a t u s w i t ht h ep o w e r o fc h i n ai nr e c e n t y e a r s ，t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， c o m p u t e r 。b a s e dl o w f r e q u e n c y 。l o w 。v o l t a g el o a ds h e d d i n ge q u i p m e n ti n p o w e rs y s t e mb ys e tt og e tm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d c e n t r a l i z e dc o m p u t e r w h i c h l o w f r e q u e n c y l o w v o l t a g el o a ds h e d d i n ge q u i p m e n tm o r er a p i d d e v e l o p m e n tm o m e n t u m ，t h em a r k e ti sv e r yg o o d i nt h i sa r t i c l e ，f u l l yd i s c u s s e dt h e p o w e rs y s t e mp r i n c i p l e so f l o w 。f r e q u e n c y 。l o w 。v o l t a g el o a ds h e d d i n g ；s t u d i e dt h ep o w e rs y s t e m f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea f f e c to ff r e q u e n c yd e v i a t i o na n dv o l t a g e d e v i a t i o n ；p r o b e dt h ei m p r o v e d f r e q u e n c ya n du n d e rv o l t a g el o a ds h e d d i n g s t r a t e g y ，p r o p o s e dt h e ”e m e r g e n c yw h e e l + b a s i cw h e e l s + s p a r ew h e e l l o w f r e q u e n c yv o l t a g el o a ds h e d d i n gm o d e ，a n dt ot a k ev a r i o u sm e a s u r e s t oe f f e c t i v e l yr e d u c et h eo c c u r r e n c eo fe x c e s s i v e r e m o v a l ：a n a l y z e d v a r i o u sf r e q u e n c ya l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gt h ec y c l e m e t h o d ，a n a l y t i c a l i i i 山东大学硕士学位论文 m e t h o d ，e r r o rm i n i m i z a t i o na l g o r i t h m ，o r t h o g o n a lt ot h em o d u l a t i o nm e t h o d ， i sp r o p o s e dt oi m p r o v ef r e q u e n c ya l g o r i t h m ，i si n t r o d u c e da d a p t i v ep h a s o r a l g o r i t h mb a s e do nt h et r a d i t i o n a lz e r o c r o s s i n gf r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ， s i m u l a t i o n a n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h er e l i a b i l i t ya n d p r a c t i c a l i t yo ft h ea l g o r i t h m ；d e s i g n e db a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n dm i c r o p r o c e s s o r ( m c u ) c e n t r a l i z e dl o w f r e q u e n c y l o w v o l t a g e l o a ds h e d d i n ge q u i p m e n t ，d e t a il so ft h ed e v i c eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p r o g r a m s ，a n d l o w f r e q u e n c y l o w v o l t a g el o a ds h e d d i n gc o n t r o ll o g i c ， a n dab r i e fd e s c r i p t i o no ft h el o w l f r e q u e n c y 。l o w v o l t a g el o a ds h e d d i n g c a p a b i l i t i e sd e v e l o p m e n tw o r k ，i n t r o d u c e dt h er t d sa n dt h ed e v i c et e s t r e s u l t so nt h er t d s t h i s d e v i c ed e v e l o p e d b yh a st h r o u g has t a t i cm o d e lt e s ta tt h e n a t i o n a lc e n t e ro fq u a l i t ys u p e r v i s i o n t e s to fr e l a y ( n c q t r ) ，a n dh a s t h r o u g hr e a l - t i m ed i g i t a ls i m u l a t i o ns y s t e m ( r t d s ) t e s t sa t t h en o r t h c h i n a e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ( n c e p r i ) ，a n dh a s r e c e i v e d a p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，l o w f r e q u e n c y l o a d s h e d d i n g ， l o w - v o l t a g el o a ds h e d d i n g ，f r e q u e n c yd e v i a t i o n ，v o l t a g ed e v i a t i o n 山东大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 现代电力系统的特征n 町 现代电力系统已步入大电网、高电压和大机组的时代。电力系统的特征是大 机组容量；超高压线路；大范围远距离输电的网络互连；供电可靠性和经济性非 常显著。但是随着电力系统日趋庞大和复杂，电力系统的发展面临着机遇和挑战， 对大型电力系统的安全稳定运行的要求也越来越高，系统对网络的依赖性也越来 越大，电网规模的不断扩大，大区电网的不断互联，使得电网结构的复杂程度不 断增加。电力系统分布范围广，运行元件多，使得电网发生故障后波及面大。如 果某个区域输电线路解列或机组断开较多时，整个系统的供需出现了不平衡，系 统处于不稳定的运行状态中，小则对用电、发电设备产生危害，大则使电网系统 逐步崩溃。大电力系统相继发生的大面积停电事故已暴露出电力系统安全防御问 题的严重隐患，大电网的大面积停电不仅造成巨大经济损失，同时造成严重的社 会混乱。例如，1 9 9 0 年9 月2 0 日我国广东发生大停电事故，导致广东北网崩 溃，广州、佛山、清远、肇庆、韶关五个城市部分或全部停电，3 小时后系统才 基本恢复正常。在2 0 0 3 年8 月1 4 日，北美东部系统又发生了一连串的相继开 断，最终导致了系统失稳，酿成了有史以来最大规模的停电灾难。1 0 0 多个发电 厂，包括2 2 个核电厂，几十条高压输电线雪崩似的停运。系统失去了6 1 s g w 负荷，扰乱了5 0 0 万人的生活，停电长达2 9 小时，经济损失高达3 0 0 亿美元。 2 0 0 3 年8 月2 8 日，伦敦电网也由于相继故障而持续停电3 4 m i n ，6 0 的地铁 停运，5 0 万人被困。这都说明保证电力系统安全稳定运行、防止大面积停电事 故是现代电力系统所面临的一顶迫切而重大的任务。除了要研究保护装置的误动 和拒动外，低频减载、低压减载等紧急控制装置的研究也越来越重要，低频低压 自动减载装置作为最后的补救措施，将有效地阻止系统频率的继续下降，从而避 免系统出现“频率崩溃”、“电压崩溃”的结果。 1 2 低频低压自动减载在电力系统中的作用n 们 电力系统的频率和电压是反映电网有功功率、无功功率是否平衡的重要质量 指标。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功功率之 山东大学硕士学位论文 间的平衡情况，电力系统的电压反映了发电机组所发出的无功功率与系统所需无 功功率之间的平衡情况。正常情况下，对于计划外负荷所引起的频率波动，系统 动用发电厂的热备用容量，即系统运行中的发电机容量就足以满足用户要求。当 电厂发出的有功功率不满足用户要求而出现差额时，系统频率就会下降：而当无 功功率不满足用户要求而出现差额时，系统电压就会下降；但当电力系统发生较 大事故时，系统出现严重的功率缺额，其缺额值超出了正常热备用可以调节的能 力，即使系统中所有发电机组都发出其设备可能胜任的最大功率，仍不能满足负 荷功率的需要。这时由于功率缺额所引起的系统频率和电压的下降，将远远超过 安全运行所允许的范围，在这种情况下，会同时破坏有功功率和无功功率的平衡， 直接影响供电的质量指标频率和电压。为了保证供电质量，确保电力系统安 全稳定运行，不得不采取应急措施，切除部份负荷，以使系统频率、电压恢复到 可以安全运行的水平以内。 电力系统运行规程规定 i j ：电力系统的允许频率偏差为o 2 h z ；系统频率不 能长时间运行在4 9 5 - 4 9 h z 以下；事故情况下，不能较长时间停留在4 7 h z 以下； 系统频率的瞬时值不能低于4 5 h z 。当系统发生功率缺额的事故时，必须迅速地 断开部分负荷，减少系统的有功缺额，使系统频率维持在正常的水平或允许的范 围内。这就是低频减负荷装置的作用，简称低频减载。同样的，当系统发生无功 功率缺额的事故时，也必须断开部分负荷，减少系统的无功缺额，使系统电压维 持在正常的水平或允许的范围内，简称低压减载。 低频低压自动减载装置安装在电力系统运行现场，实时采集运行现场运行母 线电压，并计算工作频率，经过与预先设置的频率、电压数据表比较，从而得出 电力系统是否工作在正常状态，当有低频低压现象时，采取切除部分线路负荷使 频率、电压恢复到正常工作状态，以保证整个电力运行系统的安全稳定运行。 1 3 本文的主要工作 本文首先探讨了电力系统频率电压稳定和低频低压减载的重要意义及研究 现状，并在列举分析了目前低频低压减载的应用的基础上，分析了它存在的问题， 并在国内外低频低压减载策略的研究上，充分讨论电力系统低频低压减载原理， 研究了电力系统频率特性、频率偏差和电压偏差的影响，从理论和实际上说明了 频率电压稳定对于电力系统的重要性，探讨低频低压减载的改进策略。分析了目 2 山东大学硕士学位论文 前的各种频率算法，包括周期法、解析法、误差最小化原理算法、正交去调制法。 提出了改进频率算法，在传统过零点测频的基础上引入了自适应相量算法，仿真 和实际的应用结果说明了该算法的可靠性和实用性。并根据电力系统对低频低压 减载的要求，设计了低频低压减载方案，该方案具有良好的电磁兼容( e m c ) 性 能和通用性。设计了一种基于数字信号处理器( d s p ) 和微处理器( m c u ) 的集中 式低频低压减载装置，详细说明了该装置的软硬件方案和低频低压减载控制逻 辑。最后以d f 3 3 8 8 低频低压减载装置实现方式简要说明了低频低压减载功能开 发工作，介绍了r t d s 和装置在r t d s 上的试验结果。 山东大学硕士学位论文 4 山东大学硕士学位论文 第二章低频低压减载基本工作原理 2 1 电力系统频率特性乜1 3 “埔， 2 1 1 电力系统频率静态特性嘲 当电力系统频率变化时，用户所消耗的功率也将随着改变。电力系统负荷对 频率变化的敏感程度，随着用户负荷性质的不同而异。第一类用户吸收的有功功 率与频率无关，例如电热设备、照明负荷、整流设备等；第二类用户的有功功率 与频率成正比，阻力矩等于常数的负荷属于这一类，例如卷扬机、磨煤机、切削 机床等；第三类用户消耗的功率是频率的高于一次方的函数，属于这一类的用户 有给水泵、风泵电动机等。整个系统的负荷功率与频率的关系可综合用负荷静态 频率特性来表明。 严格说来，负荷功率的大小，还与其端电压有关，但在仅限于讨论按频率减 负荷的工作原理时，一般可以不计入电压的因素。 p 2 p e p 1 o f l 图2 - 1 负荷静态频率特性图 图2 1 表示了随着频率升高，用户消耗的有功功率增加；频率降低，消耗的 有功功率相应减少的负荷静态频率特性。负荷静态频率特性可用下式表示 勖= k 厶。+ k 厶。( 丢) + k z 厶。( 丢) 2 + + 疋厶。( 丢) “ ( 2 - 1 ) j ji j 山东大学硕士学位论文 式中 一频率为厂时，整个系统消耗的有功功率，即整个负荷功率； 厶。一额定频率时，整个系统的负荷功率； 蜀、k k 一各类负荷占总负荷的比例系数，并且有 局+ k l + - + k = 。 当频率偏离额定值不大时，根据线性化原理，可以近似地用一条直线来表示 负荷功率随频率变化的关系，即 嗥+ k g 。( 等) 式中 ( 2 2 ) k 一负荷调节效应舭并且k = 刮m = 墨似z + 城， 耻= 糍= 等= 筹或舻= 埘u 一 ) ll e鹭埘j ? 由上式可以看出，负荷调节效应系数k 表示当频率变化1 时，用户消耗的 有功功率相应地变化了k 。k 的大小由组成整个系统负荷的各类不同负荷所占 比重的大小来决定。不同电力系统的k 值不同，同一电力系统在不同时间的k 值 也不同，k 值一般在1 - - 3 之间。 负荷有功功率也可以用百分值表示、而频率用数值表示。如取六= 5 0 h z 时， 有 峨，( ) = 2 心 ( 2 3 ) 负荷的调节效应对电力系统频率稳定运行的作用很大。如图2 2 ，事故发生 前，系统总负荷为厶。，系统总发电功率为名，它们在额定频率正时是平衡的， 即厶。= 名。，当发生一台发电机断开或一条输电线跳闸等有功功率缺额的事故 后，系统的有效发电功率降为名：，出现的有功缺额为凹= 名：一名。，则系统的 频率就会下降至一个新的频率稳定值兀；如果这时用断开用户的方法使频率回 6 。 山东大学硕士学位论文 升，图2 - 2 表示，若系统保留的负荷为厶：，则频率又会重新稳定在z 。当然， 如果保留负荷小于厶：，则稳定频率就会大于正；反之，保留负荷大于厶：时， 频率会小于以的数值。 p o 【 图2 2 系统频率稳定值 2 1 2 电力系统频率动态特性1 电力系统的动态频率特性就是当发生有功功率缺额的事故性缺额时，频率下 降的过程。 在考虑系统频率下降的动态特性时，一般认为可以将系统看成是一个机械能 与电能转换的整体，它的机械转动惯量，。包括了系统所有转动部分如汽轮机、 水轮机、发电机、同步补偿机、电动机及被电动机拖动的机械等的机械转动惯量， 它们都以同一个等值转速，即在同一个不断变化的机械数值下共同工作。据此可 作如下分析。 电力系统任一有机械转动部分的点f ，无论它是发电或是用电单位，其机械 角速度的动态特性为： j jd ，& j - - - ，l ：巧一 口f f 式中， ( 2 - 4 ) 7 山东大学硕士学位论文 z 一点f 的机械转动惯量； q 一点i 的机械转动角速度： 巧一点f 的驱动机械转矩： ，一点f 的制动机械转矩。 令为点i 的额定机械转动角速度，则上式可改写为 以百d c l ) i , = 乙一 并有 j ：e 2 i 百d o i , = p g t p f h l 式中匕一点f 的驱动功率，并匕= 乙缈； 匕，一点f 的制动功率，并匕，= 。 左端忽略了彩“与q 间的差值 设电力系统中有机械转动部分的点共九个，则 善n 警( 0 = 喜( 名一厶，) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 若在在刀个点中。发电机有歹个，负荷有七个。对发电厂来说，乞为机械功 率，为电气功率，对负荷来说，为电气功率，为机械功率。从整个系 统来说，必有 8 圭：圭 ( 2 8 ) 山东大学硕士学位论文 令圭吃：名系统总发电功率 式为 七 = 易系统总的负荷功率 ( 2 - 9 ) 将电力系统看成一个机械能与电能转换的整体后，其机械角速度的动态方程 以缈；警= 名一匕 ( 纨嘞) 式中 以= 喜以时= 喜 ( 2 - 1 0 ) 公式( 2 - 1 0 ) 说明系统整体的机械转动惯量为各点等值机械转动惯量以之 和。 系统整体的惯性时间常数互为加于系统整体的转矩差一直保持为驱动力矩 的额定值时，整体从静止加速到角速度为吼所需的时间帆= 气国。) 。由公式 ( 2 1 0 ) 得 瓦= 詈= 等 式中口转动角加速度 公式( 2 1 0 ) 可改写为 ( 2 1 1 ) 9 一 名 堕出 缈 有 。 惰 。 山东大学硕士学位论文 正等= 墨一匕。 。l 百21 季叫舻 ( 2 1 2 ) 式中名、易。一以系统总发电功率名为基值时，整体发电功率与负荷功率 的标么值。如以系统负荷在额定频率时的总功率厶。为右端功率的基值时，则又 可写成 t 瓦p 百d c o , = 名一p ( 2 - 1 3 ) 考虑到 d c o d c o d a , 一= 一= 一 d td td t卜等卜等 及在事故情况下自动减负荷的过程中，系统各发电机组的进汽或进水阀门均 按开至最大计算，即单位时间的进汽量或进水量为定值，故认为 必= 0 并按照公式( 2 2 ) 中峨r 。的定义，得 ! p j r , 出- d t - = 一醯妒 把公式( 2 2 ) 代入上式，得 1 0 去c 警+ 蚴= 。 ( 2 州) ( 2 1 5 ) r 心 堂出 皲 马 黝 或 其 山东大学硕士学位论文 v = a f = e o ( 2 - 1 6 ) 式中，瓴一频率额定值与稳定值之差，即矾= z 一无 ( 见图2 - 2 ) i 乃频率下降过程的时间常数，甚弓= 去。 l 公式( 2 1 6 ) 说明系统频率的动态特性为一指数曲线，其时间常数为系统机 械惯性的时间常数的1 i x ，大致在4 一l o s 的范围内。 上述结论是把一个复杂系统简化为一个等值单机供电得到的。对于复杂的实 际系统，这个结论仍然是有价值的，因为它代表了全系统的平均频率的变化。研 究表明，这一结论与大型动态计算结果以及实际的系统记录颇为吻合，因而可以 用作讨论低频减负荷工作原理的依据。 2 2 电力系统频率偏差及影响 2 2 1电力系统频率偏差的标准 电力系统在稳定运转的状态下，负荷功率的增减，发电机出力的变动，一直 不间断地发生着，所属设备的操作也时有发生，这就使系统中不同节点的频率产 生不同程度的波动，这种波动是企求系统能量均衡的动态过程，在不破坏整个系 统稳定运行的前提下，用测量设备在不同节点同时检测，不易察觉到波动的差异， 即从概率统计的意义上各节点的频率是相等的，并在作同步变化，在这样的条件 下，有任一节点测得的频率，均为系统频率。 在系统动态过程中，电源的频率取决于自身原动机能量输入和其他机组同步 力矩对它的牵制及负荷的分布，因此和其他节点的频率有差异，在系统失步的过 程中这种差异尤为明显，而且带来的危害也很大。 国标g b1 9 8 0 - 8 0 电气设备额定频率规定设备的额定频率允许偏差值为 1 。国标g b7 0 6 4 - 8 6 汽轮发电机通用技术条件规定发电机的频率变动范 围为2 。两个标准允许的偏差范围有较大差别，这是因为用户要求系统提供的 电能质量高一些，以利于安全经济的使用电气设备。 电力系统频率反映了系统中有功功率的供需平衡情况，它不仅是电力重要质 山东大学硕士学位论文 量指标，也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。根据我国有关规程规定， 系统的额定频率为5 0 h z ，正常运行时，允许的频率偏差不超过4 - 0 2 h z ，在使用 调频装置时，规定频率偏差不超过0 0 5 - 0 1 5 h z 。但是在电力系统中有时会出 现严重的有功功率缺额，导致系统频率的下降，虽然这种下降没有达到使系统崩 溃的程度，但长期在低频下运行，也会产生很多的问题。 频率允许偏差分两大类：一类是电力系统运行频率允许偏差；另一类是电力 系统中发电、输变电设备和用电设备受电( 或发电) 频率允许偏差，体现设备运 行中承受电源频率偏差的能力。因此，设备在运行中承受频率偏差的裕度和受电 频率偏差是完全不同的概念，显然要求前者小于后者。 对系统频率要求严格的用户，如一些高新技术负荷，容许系统频率的偏差很 小，有时靠整流逆变的交流稳频驱动( 或直流稳频驱动) 等措施，使一些对频 率敏感的设备，免受系统频率波动的影响。由于电力电子技术的发展，使这些措 施得以实现。因此，从系统总体的发展看，系统频率允许偏差，也没有迸一步缩 小的需求趋势。对系统频率的质量要求，关键在于保持正常频率允许偏差范围内 运行的持续性和供电可靠性的进一步提高。 2 2 2 频率下降的影响 ( 1 ) 频率下降对发电设备的影响 电力系统频率下降时，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，起着趋向频率崩溃的推波助澜的作用。 系统低频率运行，对各类发电厂的影响有相当大的差别。影响的程度是由频 率下降的幅度及其持续时间共同确定的。短暂的l 、2 秒频率下降和数分钟的持 续低频率，影响完全不同。长达数分钟甚至数十分钟的低频运行，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，视机组的设计、己运行的年 限等作不同的处理。 ( 1 ) 频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，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 附近时机的叶片可 能因产生共振而断裂，造成重大事故。 ( 2 ) 频率下降到4 7 - - 4 8 h z 时，由异步电动机驱动的送风机、吸风机、给 1 2 山东大学硕士学位论文 水泵、循环水泵和磨煤机等火电厂厂用机械的出力随之下降，火电厂锅炉和汽轮 机的出力也随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。这种趋势如果 不能及时制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度，这种现 象称为频率雪崩。出现频率雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。 ( 3 ) 在核电厂中，核电站有受低频率影响很大的辅助机械。例如压水堆核 电站的冷却介质泵。反应堆冷却效果取决于介质泵的受电频率，系统频率下降必 然导致冷却水的流速下降，对机组安全造成威胁。当频率降到一定数值时，冷却 介质泵会自动跳开，使反应堆停止运行。 ( 4 ) 频率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 系统电压水平降低。如果电力系统原来的电压水平偏低，在频率下降到一定值时， 可能出现电压快速且不断下降，即所谓的电压雪崩现象。出现电压雪崩会造成大 面积停电，甚至使整个系统瓦解。 ( 5 ) 在水电站中，频率降低造成内冷型机组因冷却介质流动速度减慢，降 低了冷却效率，而迫使机组出力下降。但水轮发电机组群中采用内冷却的为数不 多，则低频率运行将不至于影响系统中水轮发电机组总体的供电能力。 ( 2 ) 频率下降对输电设备的影响 ( 1 ) 各种输电或配电用变压器，都是按标准在标称频率运行条件下，确定 额定容量。若频率偏移标称值，变压器的铁芯损耗、漏磁通和噪声所受的影响与 相反方向的电压偏离导致的影响十分相似。虽然铁芯和磁滞损失、杂散负荷损失 和介质损耗在运行频率下降时会有所下降，但对强迫冷却的变压器，其冷却介质 的流量将会近似按频率变化的比例降低。在频率对标称值负偏离超出5 时，需 要顾及温升对变压器的出力的限制。 ( 2 ) 并联用电力电容器能持续在标称频率和1 1 0 标称电压下提供最大的 无功功率。当运行频率下降时，电容器的无功出力和额定电流将直接按频率的降 低成比例的下降。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 大而削弱，进一步使输出电流减少。 ( 3 ) 若运行频率下降，则线路感抗随之下降的同时增大电容的容抗，导致 线路补偿度的增加，从而造成串联电容器装置两端的电压差增大，削弱了串联电 容器的电压余度。 1 3 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 输电稳定稳定极限受到不少因素的制约，通常是依据具体系统的结构 及要求计及的扰动形式，在计算机上计算分析确定的。这些分析研究一般并不严 格考虑系统运行频率偏移标称值的影响。实际上影响面却是相当广泛的，不仅与 频率下降时减小电抗、增加电容和储藏在转动惯量中的能量有关，而且也和频率 相关，即和反映转矩变化的发电机组间角度速率的积分相关。拓展惯用的暂态稳 定计算分析法，去计及运行频率的所有影响来定量地确定频率对稳定极限的影 响，工作过于繁复，也无此必要。但某些定性的确定其影响的方法则是有用的。 ( 3 ) 频率下降对互联电力系统的影响 尽管原因多种多样，电力系统间联络线的过负荷最终总是由联络线两端频率 的差异引起的。差异越大，持续时间越长，过负荷越严重。这表明此时互联系统 的运行己超出了常规频率调节的控制能力，需要采取措施来消除过负荷；措施不 力或反应迟缓，均可能导致联络线跳闸。若不及时消除过负荷，势将导致其他联 络线发生连锁反应而相继跳闸；若无其他联络线，则互联系统的解列，将导致一 端系统频率下降，另一端系统频率上升。当联络线解列前瞬间也输送大量无功功 率，或线路的解列是由于该线路故障引起的跳闸，则问题更趋复杂和严重。被解 列一端若为大负荷、小电源的受端，处理不当甚至会酿成频率或电压崩溃，或低 频率、低电压互为因果，迫使系统全停。互联系统中电源机组多，容量大，有条 件从运行经济性的角度，采用一部分大机组单元容量占系统容量的2 0 3 0 为 宣。超临界汽轮机叶片的异常振动及材料耐疲劳、耐高压高温、耐腐蚀的余度相 对减少。抗运行频率偏离的能力相对降低，在互联系统作为一个整体运行时，频 率偏离一般都很小，这些大机组可充分发挥其经济效益，不会成为系统的累赘。 可一旦联络线由于某种原因发生解列，在被解列的局部系统中，往往电源少，电 压偏离大，首先严重威胁大机组的运行安全。大机组单元容量在总容量中占比例 大，易酿成所谓“大机组小电网”的运行困境。频率和电压的大偏离，首先促使 大机组停运，紧接着就会迫使该局部系统全停。 ( 4 ) 频率下降对负荷的影响 不计及电压波动的影响时，系统频率和系统负荷功率的关系为最= f ( 厂) ， 负荷有功部分与频率的关系，可归纳为5 类： ( 1 ) 与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷等； 1 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 与频率变化一次方成正比的负荷，如切削机床、球磨机、往复式水泵、 压缩机、卷扬机等； 与频率变化二次方成正比的负荷，如电网线损、变压器中的涡流损耗 等； 与频率变化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 ) 与频率更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。 ，系统频率下降时，对用电负荷产生以下影响： ( 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。同时电力系统频率降低将 使电动机输出功率降低，导致所带动机械出力降低，影响用户设备的正常运行。 ( 2 ) 电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性 能，频率过低时有些设备甚至无法工作。 ( 3 ) 电力系统频率波动将引起负荷功率变动。美国电科院的数据表明：在 6 0 h z 电力系统中，频率每变化0 1 h z ，将引起0 阶1 的负荷功率变动。我国在 各地曾多次进行了系统频率特性试验，综合所得结果为：在5 0 h z 的系统中，频 率每变化o 1 h z ，负荷功率变化0 0 2 0 0 6 。 ( 4 ) 电力系统频率下降使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，从而使系统电压下降。 电力系统运行中可能由于功率缺额太大或采取的预防措施不力，而导致频率 大幅度下降，一般从频率开始下降。遏制措施起作用，至电源与负荷重新维持平 衡，频率稳定于新运行点的全过程约为几秒至几十秒。电源与负荷在低频率下的 重新平衡是很不牢固的，其稳定性很差，抗干扰能力太弱，稍有负荷或电源的波 动很可能再次失去平衡，导致频率再度下降从而发生频率崩溃和系统分解。 频率崩溃是大灾难，不仅系统瓦解，甚至导致全系统或区域性系统的全停。 事故恢复时间可能长达数小时甚至更多。 频率的大幅度下降，火电厂的厂用机械尤其是高压给水泵、汽轮机离- t l , 式主 油泵出力下降，往往迫使发电机出力下降，导致功率缺额加大，频率进一步下降， 、，、 ，j 4，k ，k- 山东大学硕士学位论文 并形成恶性循环，直至频率崩溃。 频率下降除影响厂用机械出力之外，有时还会引起厂