（控制理论与控制工程专业论文）基于单片机控制的自动低频减载装置研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着现代电力系统的不断扩大，低频减载装置在电力系统安全稳定运行的维护 中的作用越来越重要。研究与电力系统发展需要相适应的低频减载装置已成为当前 电力技术研究十分重要的课题。本文根据现代电力系统的特征，结合低频减载装置 的发展现状，针对传统低频减载装置存在的不是和恩藏州电力系统低频减载装置的 应用情况，展开了基于单片机的自动低频减载装置的研究。 本文首先深入分析了电力系统频率特性和实时判断稳态频率或功率缺额的减载 方法，对系统功能需求作了全面分析，确定了设计方案。在此基础上，选用8 0 3 1 单 片机及实时性强的汇编语言，对基于单片机的自动低频减载装置系统进行了详细设 计。在硬件设计中，充分考虑了单片机的外部接口扩展功能，使本系统具有频率测 量、电压电流测量和友好的人机交互等功能得以实现。在软件设计中，强调模块化 结构，通过主程序模块、按键处理中断服务模块、a d 转换中断服务模块、频率测 量计算模块、异常情况判断处理模块、频率判断处理模块的设计，充分利用了系统 资源，并使得正确预测电力系统稳态参数的算法得到很好的实现。 本论文在设计中由于采用了单片机快速测频技术、中断技术及在装置动作判据 中引用了稳态频率和功率缺额，使装置具有更好的快速性和准确性。装置的应用表明 本设计具有合理性和实用性。 关键词：单片机稳态频率功率缺额低频减载 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eu n c e a s i n ge x p a n s i o no fm o d e me l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m , l o w f r e q u e n c yc u t c o n t a i n e dd e v i c e sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o g a n ti nt h e m a i n t e n a n c ef u n c t i o no ft h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ms a f es t a b l em o v e m e n t r e s e a r c h i n g t h el o wf r e q u e n c yc u tc o n t a i n e dd e v i c e sw h i c hc a nm e e tt h en e e d so f t h ee l e c t r i c a lp o w e r s y s t e md e v e l o p m e n th a sb e e nav e r yi m p o r t a n tt o p i ci nt h ef i e l do fo c r r e n te l e c t r i cp o w e r e n g i n e e r i n gr e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h em o d e me l e c t r i c a lp o w e r s y s t e m , c o m b i n i n go f t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fl o wf r e q u e n c yo c tc o n t a i n e dd e v i c e s ，i nv i e w o f t h ei n s u f f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a ll o w f r e q u e n c yo c tc o n t a i n e dd e v i c e sa n d t h ea p p l i c a t i o n s s i t u a t i o no fl o wf r e q u e n c yc u tc o n t a i n e dd e v i c e si n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mo fe n s h i a u t o n o m o u sp r e f e c t u r e , t h i st h e s i sh a ss t a r t e dar e s e a r c ho nt h ea u t o m a t i cl o wf r e q u e n c y o c tc o n t a i n e dd e v i c e sb a s e do nt h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t f i r s to f a l l ，t h i st h e s i sh a sd e e p l ya n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ee l e c t r i c i t ys y s t e m a n dt h em e t h o dt oj u d g et h ei m m e d i a t es t a b l ef r e q u e n c yo rt h ep o w e rv a c a n c y , a n dh a s m a d eac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，a n d d e t e r m i n e dt h ed e s i g np r o p o s a l b a s e do nt h i s ，t h et h e s i sh a ss e l e c t e dt h e8 ，0 31m o n o l i t h i c i n t e g r a t e dc i r c u i ta n dt i m e l i n e s ss t r o n gc o m p i l a t i o nl a n g u a g et om a k ead e t a i l e dd e s i g n a b o u tt h ea u t o m a t i cl o wf r e q u e n c yc u tc o n t a i n e dd e v i c e ss y s t e mw h i c hb a s e do nt h e m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t i nh a r d w a r ed e s i g nt h i st h e s i sh a sf u l l yc o n s i d e r e dt h e e x p a n s i o nf u n c t i o n so f t h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t se x t e m a li n t e r f a c e ，e n a b l i n gt h i s s y s t e m sf u n c t i o n so ft h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ，t h ev o l t a g ee l e c t r i cc u r r e n ts u r v e ya n d t h ef r i e n d l ym a n - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o nt ob ea c h i e v e d r e g a r d i n gt h es o f t w a r ed e s i g n , t h i st h e s i sh a se m p h a s i z e dt h em o d u l a rs t r u c t u r e , b yt h ed e s i g no ft h em a s t e rr o u t i n e m o d u l e ，t h ec l i c kp r o c e s s i n g i n t e r r u p t e d s e r v i c em o d u l e , t h ea dt r a n s f o r m a t i o n i n t e r r u p t e ds e r v i c em o d u l e ，t h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o nm o d u l e ，t h e u n u s u a le s t i m a t eo ft h es i t u a t i o np r o c e s s i n gm o d u l e ，t h ef r e q u e n c yj u d g m e n tp r o c e s s i n g m o d u l ed e s i g n , i nt h i sw a yt h es y s t e mr e s o u r c e sh a sb e e nm a d eag o o du s eo ft h u s ，i th a s m a d et h ea l g o r i t h mo f f o r e c a s t i n gp o w e rs y s t e ms t a b l ep a r a m e t e r sc o r r e c t l yt ob er e a l i z e d 华中科技大学硕士学位论文 b e c a u s et h l st h e s i sh a sa d o p t e dt h em o n o l i t h i c i n t e g r a t e dc i r c u i t sr a p i dt e s t i n g f r e q u e n c yt e c h n o l o g y , i n t e r r u p t e dt e c h n o l o g ya n dt h eq u o t eo fs t a b l ef r e q u e n c yo rt h e p o w e rv a c a n c yi nt h ej u d g m e n to ft h ed e v i c e sa c t i o n s ，i th a sp r o v e dt h a tt h ee q u i p m e n t h a sab e t t e rr a p i d i t ya n dt h ea c c u r a c y t h e a p p l i c a t i o no f t h ed e v i c e sh a si n d i c a t e dt h a tt h e d e s i g ni sb o t hr e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a l k e y w o r d s ：m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ts t a b l es t a t ef r e q u e n c y p o w e rv a c a n c y l o wf r e q u e n c yc u tc o m m n e d 独创性声明 y 1 0 1 7 7 0 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，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，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：可荡q 年 魄p c 年l f 月1 日l 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，即：学校有 权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。本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密 z ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位擎作粼：p2 夸 日期： 存f f 月 日 指导教师签名：c 丈杈 日期：彦年，f 与罗日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源及背景 1 绪言 电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力 和效益。国内外经验表明，大型电力系统一旦发生自然或人为故障，不能及时采取 措施有效控制，就有可能引起连锁反应，使事故扩大，以致危及整个系统的安全运 行，使电网瓦解，酿成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。而这一系列的紧急 操作是人为所不能的，必须依靠自动装置来完成。 在事故情况下，由于发电厂的退出，导致系统内有功功率供需不平衡，这将引 起系统频率下降，频率下降值与功率缺额有关，频率降低较大时，对系统运行极为 不利，甚至会造成严重后果【1 】。 1 9 7 8 年的法国大停电、1 9 8 3 年的瑞典大停电、1 9 8 7 年的日本大停电，台湾1 9 9 9 年的大停电事故嘲以及2 0 0 5 年的美加“8 1 4 ”停电等许多国内国外停电事件都说明了 安全自动装置的优化配置对电力系统的安全稳定运行有着巨大的直接影响口】。 世界范围内电力系统多次大面积停电的教训，又表明那种认为电力系统稳定水 平足够高就不会发生大面积停电的说法是不确切的。我国早就强调建立防止大面积 停电的第三道防线 4 1 ，美国西部系统协调委员会w s c c 提出建立针对极端严重和难 以预料故障的s a f e t yn e t s s ，魁北克系统建立反极端故障计同等。 电力系统安全稳定导则将电力系统的扰动分为三类：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。 上述第三种情况所采取的措施，即所谓保证安全稳定的第三道防线，就是在主 系统发生稳定破坏时对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 华中科技大学硕士学位论文 网的稳定运行，保证电力系统在严重复杂的故障f ，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会影响吲。 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性的能力，极易发生恶性频率事故，导致全系统的瓦 解。 低频减载装置( u 】凡s u n d e rf r e q u e n c yf r r i e $ s h e d d i n g ) 就是在系统发生严重功率 缺额时，迅速断开一定数量的用户负荷，使系统频率在不低于某允许值的情况下， 达到有功功率平衡，确保电力系统安全运行，防止系统瓦解事故口1 。由于现代电网经 济运行的要求，系统的备用容量偏低，低频减载已成为严守第三道防线，防止系统 崩溃的主要手段。 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 起了各国电力系统运行与管理部门对电力系统频率稳定问题的普遍关注，把频率稳 定作为十分重要的研究课题。鉴于这样的背景，根据现代电力系统的特征，结合低频 减载装置的发展现状，针对传统低频减载装置存在的问题和恩施州电力系统低频减 载装置的应用情况，本论文选择了基于单片机的自动低频减载装置这个研究课题。 1 2 低频减载装置的发展现状 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，取得了良好的效果。1 9 4 8 年，前苏联电力系统中u f l s 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，直到现在它仍是当前电力系统频率紧急控制的最主要的手段，对稳定电力系 统频率、防止频率崩溃起到了很好的作用。基于近5 0 年以来的研究，低频减载方案 大致分为三类：传统法；半适应法；自适应法；以及计算辅助算法。微机低频减载 装置代替常规的低频减载装置是必然的趋势 9 1 。 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 2 华中科技大学硕士学位论文 的需要。这种方法不能反映系统实际功率缺额的大小，并且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。 随着计算机技术的高速发展，出现了一些基于计算机在线应用的低频减载方法， 国外的一些电力系统，使用频率变化率r o c o f 启动减负荷装置帅】，用d f d t 的信息 来判断是否应该加速切除负荷或是应该进行闭锁。但这种方式并未充分发挥计算机 的快速计算与分析能力，只能算是一种改良。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( l a n ) 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 减载装置的反应，改善了性能，是低频减负荷装置的发展方向。 低频减载装置的广泛应用使低频减载的研究日益具体。研究对象主要集中在孤 立系统n 2 】、配电网【l ”、含抽水蓄能元件的系统【”1 以及大型工厂和系统【1 5 1 等。计算机 的广泛应用使得专家系统【1 6 l 、基于计算机的算法和模型成为研究重点。 传统低频减载装置本质上具有以下特点： 1 ) 于简单系统概念分析动态频率特性。所谓简单系统指的是等效为一个变电站 的系统，在频率下降的过程中，全系统各点频率按指数曲线统一变化f 1 琊”。 2 ) 各级减载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 状况不相符合。 3 ) 低频减载装置只检测当前频率，按当前频率决定是否动作，不预测未来。 这种减载装置已不能很好地适应现代电力系统的需要，主要原因在以下几个方 面： 1 ) 代电力系统是一个复杂系统，出现有功缺额时系统频率下降的动态过程变得 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 际系统的情况有很大的差异，特别是开始几秒的过程相差甚远，这是使目前低频减 载装置动作不令人满意的主要原因之一阱【2 1 1 。 2 ) 现代电力系统负荷波动剧烈，而传统的低频减载是预先估计系统的功率缺 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，以达到稳定系统频率的目的。但是这种离线整定的方法往往是根据系统最 华中科技大学硕士学位论文 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问，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。 3 ) 当前频率与系统的稳态频率和功率缺额并无联系，在现代技术条件下必需预 测稳态频率或功率缺额才能使低频减载装置得到质的飞跃。 l 。3 课题研究的目的、意义和主要内容 目前，恩施电力系统低频减载装置的应用情况及存在的问题：主电网主要采用 南京南瑞集团稳定技术公司的u f v - 2 a b d 型频率电压紧急控制装置和北京华瑞泰 系统控制技术有限公司的e f v - a b d 型频率电压紧急控制装置，属于以d f d t 为判据 的传统方法；各县市部分站所在综合自动化改造之后，采用综合自动化设备中的低 频减载功能单元，但大多不能准确动作或不动作。这些问题将影响恩施电网的连续 安全稳定运行。 本课题的主要内容是研究基于单片机测频、依据预测的电力系统稳态频率或功 率缺额的实时判断实现减载的低频减载装置。要求该装置达到以下要求： 1 ) 保证测频精度达干分之一以上，防止超调和悬停现象。 2 ) 当变电站的馈电线路故障或变压器跳闸造成失压时，装置不误动；电力系统 低频振荡或受谐波干扰时，不误动作；当频率异常( f 6 0 h z ) 时，装置 不再动作，同时延时5 s 发出告警信号。 3 ) 考虑远方控制和当地整定的功能；在六个数码管及相应l e d 显示出频率值 及工作状态。装置具有一定的自检能力。 4 ) 适应无人值班的需要。 该课题的研究对单片机技术在电力系统中的应用起到积极的推动作用，本装置 的应用对低频减载技术的发展和电力系统安全稳定运行的维护具有重要的现实意 义。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 低频减载方法研究 2 1电力系统频率状态及频率偏差标准 2 1 1 电力系统频率状态 所谓电力系统频率是指电力系统的节点电压在l s 内交变的次数，其单位为h z 。 电力系统频率在运行中的状态，随着机组携能工质的输入和电能输出之间的平衡程 度而变化着，而这种平衡又依赖于其输出的电能与负荷电能需求之间的平衡程度。 平衡点为系统机组功一频特性曲线( p t _ _ f 特性) 与负荷功一频特性曲线( p l - _ f 特性) 的 交点。 系统频率的变化，可分为两种主要状态1 1 9 】- 1 2 2 】： 1 ) 正常运行状态 系统负荷吸收电能的大小时刻处于变动之中，促使系统频率随之波动。系统调 频就是靠机组追随负荷功率波动，调节自身所需工质的输入，即平移自身频率特性 鳆线，使其与负荷频率特性曲线相交，以满足系统功率平衡。当交点处于系统频率 正常允许的偏差范围之内，即构成系统频率的正常运行状态，要求系统9 5 9 9 以 上的运行时间处于这种状态之内，此时系统中各节点频率相等。 在稳定运行状态下，整个电力系统的各个节点的电压和频率必须统一为一个值 的原因是：电机内部的各个磁场和电力系统的各个节点的电压必须相对静止才能保 证功率的稳定传输( 由超前的一方向滞后的一方传输) ，这是同步发电机或者是异步发 电机作为电源的系统都必须遵守的法则。 2 ) 异常运行状态 系统中由于某种原因使机组出力不能满足负荷在正常允许偏差范围内运转的功 率需求，被迫在低于频率正常允许偏差下限之下，借系统负荷功率一频率特性调节作 用，压低负荷功率正常实际需求，使系统在低频率下运行，以满足系统功率平衡的 条件。这种状态虽然系统仍维持在同步运行状态之下，但系统损耗增加，发、供、 华中科技大学硕士学位论文 用电效率下降，是一种安全稳定性很差的运行状态，安全裕度很小，其危急程度视 机组和负荷的构成及系统频率偏差的程度而定。这种运行状态潜伏着系统频率和电 压事故，甚至存有崩溃的危机，必须迅速采取措施，提高电能供应能力，削减负荷 功率需求，以减小系统频率偏差，迅速恢复到正常允许偏差范围之内。 与之相反，当机组出力超过负荷在频率正常允许偏差范围内运转的功率需求， 同样也是借负荷频率特性的调节作用，增加负荷功率实际需求，迫使系统在高频率 下运行。高频率运行，同样也会降低发、供、用电设备效率，增加系统损耗，并易 引起过电压和飞逸转速损伤系统设备。因此必须迅速采取措施，果断削减电源机组 携能工质的输入和电能的输出，以恢复频率至正常值范围之内。 不论系统是低频率或高频率运行，均是处于系统频率的异常状态之中，此时一 旦发生系统功率平衡进一步遭受破坏，系统阻尼和同步力矩的减弱，势必导致频率 异常运行状态的恶化，而进入同步振荡甚至进入振荡失步的境地，因此，系统频率 异常状态不能任其自流，而应尽快采取相应的技术措施，使其恢复至正常状态。 2 1 2 电力系统频率偏差标准 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【2 3 】。 国内外电力系统的频率允许偏差规定原则是一致的，仅具体数值略有差异。因 为允许偏差值和系统电源结构、负荷运行特性的需求等关系十分密切。系统的多样 性带来对频率允许偏差值在数值上的差异，是完全可以理解的，也无加以统一的必 要。只有电力系统同步互联时，出于运行管理和技术运作的原因，需对频率允许偏 差作统一的规定。正因为如此，视电力系统容量的大小，对频率允许偏差作出不同 的规定是可行的。至于作为国家标准 z 4 - 1 2 6 】，为有别于行业标准，统一规定系统频率 允许偏差，并要求所属各系统视自身具体条件制定行业( 企业) 标准，前提是不得低于 国标要求，这也是制定标准的惯例。鉴于我国现有十几个电力系统，为使其实际操 作上具有一定的灵活性，这样处理也是可以的。 6 华中科技大学顽士学位论文 电力系统频率正常允许误差，一般为士o 2 1 - 1 z ，实际运行中不少系统保持在不大 于士0 i h z 的范围内，再进一步缩小允许范围，在技术上并无不可克服的困难。这 是安全、质量、经济三方面的综合优化问题，存在一个最佳值域，并不是偏差越小 越好。从发展趋势看，由于单位机组容量的增大及系统互联的扩大，实际运行系统 频率偏差己有所减小。 2 2 电力系统频率特性 电力系统的频率特性分为静态频率特性和动态频率特性。所谓静态频率特性指 的是稳定( 发电与用电平衡) 状态下功率和频率的关系；所谓动态频率特性指的是发电 与用电不平衡状态下电力系统各节点频率随时间的变化特性。 2 2 1 电力系统的静态频率特性 电力系统的静态频率特性取决于负荷的静态频率特性和发电机组的静态频率特 性。 i ) 发电机组的静态频率特性 发电机组的静态频率特性是指原动机功率随着频率的变化特性，取决于调速器 的特性，可用发电机组静态特性系数k o 来描述【2 1 2 3 】： k o = a p o f n p o n a f - = i 6 x 1 0 0 ( 2 1 ) 6 = ( 矗- f n ) f n x1 0 0 ( 2 2 ) 式中，晶广一额定频率； p o n 一额定频率时的机组出力； 仁频率偏移； p g 一频率偏移为f 时原动机功率变化量； f 扣一机组空载运行时的频率； 2 ) 电力系统负荷的静态频率特性 电力系统负荷的静态频率特性指的是负荷消耗功率随频率变化的特性。可用负 荷静态频率特性系数k l 描述： k l = ( a p l f l q ) ( p l n f ) 华中科技大学硕士学位论文 k l ：a p e f ( 2 3 ) 式中，a p l 一频率偏移f 时的负荷功率变化量( a p l p n ) ； a f o 频率变化量的标么值( a f f n ) ； p i n 一额定频率下的负荷功率； p i - 频率偏移为a f 时的负荷功率变化量 3 ) 电力系统静态频率特性 电力系统静态频率特性由发电机组和系统负荷共同确定。物理意义为电力系统 运行频率与功率的关系，其增量表达式为： a 矗= p 依s ( 2 ，4 ) 式中，k s = k o 十k l _ 一电力系统频率系数； p 一电力系统功率缺额标么值； f o 电力系统频率偏移标么值。 2 2 2 电力系统的动态频率特性 电力系统的动态频率特性是指系统由于有功功率平衡遭到破坏而引起系统频率 发生变化，频率从正常状态过渡到另一个稳定值所经历的时间过程【2 3 l 。 1 ) 简单电力系统的动态频率特性 简单电力系统如图2 1 所示。 s 、ip s 卜 7 l 图2 1 简单电力系统示意图 当系统中出现功率缺额时，频率从正常状态过渡到另一个稳定值，在这个过程 中，频率的变化规律为： f = f o ”a f 0 c - 1 q ，t f = t k l 华中科技大学硕士学位论文 式中： t i 一系统等值机组惯性时间常数； t f 一系统频率过程下降的时间常数； k 广负载调节效应系数。 6 一出现功率缺额后任意时刻t 的系统频率； 岛- 起始时刻( t _ o ) 的系统频率； 6 f o 一稳态频翠与起始频率之差，4 f f o = a p + k l 图2 2 简单电力系统动态频率特性 2 ) 复杂电力系统的动态频率特性 图2 3 所示是一个具有4 个节点的复杂电力系统。系统中有两个变电站( 2 、3 ) ， 有各自的负载和电源，正常运行时需由远方系统s 提供部分功率，当联络线l l 跳闸 时，两个变电站均出现功率缺额口7 1 。 譬 3 图2 3 复杂电力系统示意图 绝大多数复杂系统都是不对称系统，由仿真可知：当系统出现功率缺额时，频 率动态过程具有空间分布性，并且频率变化曲线不再是光滑的指数曲线，而是不断 华中科技大学顽士学位论文 振荡的非指数曲线，d d t 也不再单调变化【2 “i 【”1 。 2 3 频率下降对电力系统的影响 1 ) 频率下降对发电系统的影响 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p l l 【3 2 】。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，视机组的设计和己运行的年限等作不同的处理。 2 ) 频率下降对输电系统的影响 ( 1 ) 对变压器的影响 各种输电或配电用变压器，包括带负荷调节分接头的，都是按标准在标称频率 运行条件下，确定额定容量，并在二次侧绕组电压为1 0 5 倍标称电压、功率因数为 0 8 及以上时，使变压器温升不超过规定极限值。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 ) 对电容器和电抗器的影响 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。 线路串联补偿用电容器若运行频率下降，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，使线路的传输能力得到提高。但此时线路在给定 华中科技大学硕士学位论文 的传输功率下，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。 在多数实际运行系统中，串联电容器属额定电流装置，其容量受标称电流的制约， 即低频率运行时，只能视作串联补偿线路输送能力的储备得到了提高。 无功补偿用并联电抗器的感抗随频率的降低而线性地下降，同时导致无功电流 的增加。有关标准规定，并联电抗器要能在1 0 5 标称电压下持续运行。这相当于可 长期耐受1 0 5 标称电流。因此，就设备的容量而言，5 的频率偏离不会带来明显 的影响。 ( 3 ) 对继电保护装置的影响 在频率不低于9 0 标称值时，电网中的继电保护对任何故障形式都无须检验低 频率对其性能的影响。除频率继电器外，还有一些对频率很敏感的继电器。例如， 插棒式铁芯型的继电器，其灵敏度与运行频率成线性关系，在进行了温度和频率的 补偿之后，其性能有足够余度抵消运行频率下降的影响刚。 ( 4 ) 对输电稳定性的影响 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 ) 频率下降对负荷的影响 以本世纪8 0 年代美国电科院进行这方面综合研究所所获数据为例，弄清不同系 统的负荷频率特性差异，以及差异的原因有利于恰当使用这些数据。他们综合研究 大量的电力系统现场实测数据，在6 0 h z 电力系统中，频率每变化01 h z ，将引起 0 - 1 的负荷功率变动。该资料指出一个大都市地区频率变动试验中，没有测出负 荷有任何变化。一个电气联系紧密地区的试验，每o 1 h z 的变化带来的负荷变动也 可忽略不计，仅为0 - - 0 3 3 。而另一电气结构稀疏系统的实测数据表明，每0 1 h z 华中科技大学硕士学位论文 的下降引起1 负荷功率的下降。这样大的变化，据分析是频率下降使系统中所需磁 化电流增加，在加上恒电流特性的无功负荷和恒定阻抗特性的并联电容器的影响， 使电压下降，引起有功负荷的进一步的降低，因此负荷的总体的频率响应加大。 我国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0 1h z ，负荷功率变化0 0 2 , - - - 0 0 6 。负荷对低频率响应的系统试验需要 限制在很短的时段内进行。因为在这时段内负荷自身也会发生一些变化( 不是由频率 变化引起的那一部分) 。此外，还有一些恒温控制的负荷，例如冰箱和空调，其吸收 的电功率随着频率的降低的减轻仅仅是暂时的。在非短时性的低频率下，这些恒温 控制的电器设备在其运转的循环工作周期内将增加吸收有功功率，以恢复控制恒温 的需要。因此，这类负荷对低频运行的响应是，持续时间越短，功率变化越大。 4 ) 对互联电力系统的影响 电力系统间联络线的过负荷，尽管原因多种多样，但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，需要由事先设定的防止联络线过负荷 的措施起作用来消除过负荷，甚至还需要调度人员及时干预。措施不力或反应迟缓， 均可能导致联络线跳闸。若此时尚有其他联络线互联时，则将危及这些联络线的正 常运行。若不及时消除过负荷，势将导致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的下降，另一端系统频率的上升。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 * * 为宜。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 华中科技大学硕士学位论文 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。 2 4 实时判断稳态频率或功率缺额实旋减载 传统低频减载装置的负荷功率是按以下原则确定的：要使在系统发生最严重事 故的情况下，即出现最大可能的功率缺额时，装置动作切除负荷后也能使系统频率 恢复在可运行水平。所以是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某一电厂来考虑，如果系统有 可能解列成几个子系统运行时，还必须考虑各子系统可能发生的最大功率缺额。这 样一来，功率缺额的测量就不能反应系统当时的实际情况，即不具有实时性。而且， 一般来说，按照上述原则制定的减载方案偏于保守，往往切除一些根本不必要切除 的负荷，给用户带来不便，同时导致系统超频1 1 3 6 。 充分发挥微机快速计算的能力，对电力系统稳定状态进行预测的构想应作为使 低频减载得到质的飞跃的途径。电力系统稳定状态下的频率与功率缺额是与低频减 载相关的两个重要参数，其中任何一个参数的获得都可以为低频减载作出重要的决 策口j - 1 3 9 1 。 2 4 1 简单电力系统稳态频率及功率缺额的预测 如前所述，当简单系统发生功率缺额时，整个系统统一的频率按指数规律下降， 其数学表达式以步进方式可表示为： f ( t + a t ) - - f 【t ) + ( f c o m ) ) ( 1 e - a t r r ) 式中，f ( t ) 一系统t 时刻的频率；、 ( 2 5 ) f ( t + t ) 系统( t + a t ) 时刻的频率； t 一一系统频率下降的时间常数； 系统稳态频率。 在低频减载装置动作前，等时问间隔a t 测量三节点频率值分别为f l ，f 2 ，f 3 ， 由式( 2 5 ) 可知： 华中科技大学硕士学位论文 f 2 = f i + ( f 。o - f i ) o e - “1 f 3 = f 2 + ( f o o f 2 ) ( 1 一e a t t ) ( 2 6 ) 从理论上讲，测量电力系统频率的方法有周期法、解析法、误差最小化原理算 法、d f t ( f f t ) 类算法及改进算法等很多种。用这些方法都可以很好地测量出f i ，f 2 ， f 3 的值【帅l m 。 由式( 2 6 ) 推出：f o o = f 2 2 - f i r 3 ( 2 f 2 - fi - f 3 ) ( 27 ) 由负荷的频率调节效应系数可求得系统的稳态功率缺额p ： a p = k l ( f 0 - f o o ) ( 2 8 ) 式中：卜稳态功率缺额 k l 频率调节效应系数 岛稳态频率 2 4 2 复杂电力系统稳态功率缺额的预侧 复杂电力系统发生功率缺额时，系统频率在空间具有分布性，而且各节点频率 并不按指数规律单调下降，因此难于对系统稳态频率进行预测。 s 图2 45 节点系统接线示意图 基于以下两点对各节点的功率进行预测： 1 ) 点的功率易于测量； 2 ) 节点的功率的变化超前于频率变化，与节点稳态频率相比较，节点稳态功率 缺额能较快地获取。 图2 4 中各元件参数的取值为： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 节点功率 p l i = 0 2 5 ，p l 2 = 0 1 7 5 p i a = 0 1 5 ，p i = 0 2 6 p g l = 0 2 ，p g i = 0 1 ， p r o = 0 1 ，p g t - - 0 2 2 ) 输电线阻抗： x 0 2 = 0 0 1 5 ，x 1 2 卸0 7 5 8 x 1 4 = 00 6 0 6 ，x 2 3 = 00 6 0 6 x 2 4 = 0 1 2 1 2 ，) ( 3 4 = 0 0 9 0 9 0 一n 1 eo tm 1 一o 1 eo 甚m 。， 一o 啮 皇 0 a 0 5 ：n 1 e0 毫n ， 0o 511 522 ，533 544 5s t t s ) 图2 5 联络线功率动态变化过程 当联络线0 2 因事故断开，各联络线上功率变化的动态仿真图如图 2 5 所示 4 s l 4 6 】。 由2 5 图可见，虽各联络线功率不断振荡，但它有一个功率振荡中心，这个功率 中心就是稳态功率。对联络线功率进行滤波，其平均值曲线如图2 6 所示1 4 7 1 1 4 s 1 。 o 窖 o o 一，3乱一肆_厶 华中科技大学硕士学位论文 图2 , 6 联络线平均功率变化曲线 由图2 6 可见，联络线功率的平均功率能够很快地进入稳态值。因此，我们可以 通过实时计算联络线平均功率以近似求得联络线功率的稳态值，从而预测出系统实 时的功率缺额。 2 4 3 实时判断稳态频率或功率缺额减载方法 传统低频减载方案不能正确动作的根本原因是未能按当前系统参数对系统未来 的状况作实时的判断。在采用计算机减载装置的条件下，改进方向是充分发挥快速 计算能力作出这种实时的判断 4 9 1 。 对电力系统作两种稳态参数的在线预测： 1 ) 预测稳态频率。根据稳态频率确定哪些级应该动作，从而做到快速切除负荷， 使系统频率恢复正常水平。 ， 2 ) 预测系统实时功率缺额。根据实时功率缺额直接切除相应负荷，从而保证快 速性和准确性。 为便于测量和不依赖于远距离的通讯，应采用分区计算功率缺额的减载方案： 每个分区就地测量和计算各自的功率缺额以确定各自的减载方案。 例如图2 4 所示的系统，运行中接入变电站的发电机与负荷功率是易于测量和记 1 6 。翟。搿。墨郭弘。扪 ；垂li謦ln萼暑譬；导豇 r n n i 套 华中科技大学硕士学位论文 忆的己知量，系统故障( 若联络线0 2 断开) 后，将引起本变电站与其它变电站联络 线稳态功率的变化，预测出联络线稳态功率之后，即可算出变电站的功率缺