（电力系统及其自动化专业论文）基于电力系统长期稳定的低频减载研究.pdf

华北电力大学（北京） 硕士学位论文 基于电力系统长期稳定的低频减载研究 姓名：杜奇壮 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：张东英 20060614 华北电力硕士学位论文 摘要 本文分析了基于电力系统长期稳定的低频减载研究的必要性。指出了目前广泛应用 的低频减载方案存在的局限性。研究了考虑负荷频率特性的低频减载方案。通过详细 的理论推导和实例仿真表明：通过优先切除与频率的低次方成比例的负荷，或者是 优先切除负荷频率调节效应系数小的线路，有利于抑制频率的下降和促使频率更快 地恢复。研究了同时依据频率和频率变化率两个变量，在每个频率定值处设置加速减载 功能的低频减载方案。文中详细分析了低频减载过程中频率的动态特性，推导了作 为加速减载判据的频率变化率整定值的计算公式。设计了低频减载装置动作过程的逻 辑框图。通过算例验证了该方法与半适应法相比，具有明显的优越性。 关键词：电力系统，频率稳定，低频减载，负荷频率特性 a b s i r a c r t h i sp a p e ra n a l y z e st h en e c e s s i t yo ft h er e s e a r c ho nu n d e rf r e q u e n c yl o a d s h e d d i n g ( u f l s ) b a s e do nl o n g - t e r ms t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，i n d i c a t e st h e 1 i m i t a t i o no ft h et r a d it i o n a lu f l s ，a n ds t u d i e su f l sb a s e do nl o a df r e q u e n c y r e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s d e t a i l e dt h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n da c t u a le x a m p l e i n d i c a t et h a ti tw i l la d v a n t a g ef r e q u e n c ys t a b i l i t yi fl o a dw h o s ea c t i v ep o w e r i sp r o p o r t i o n a lt ol o w e rp o w e ro ff r e q u e n c yw o u l db ec u to f fe a r l i e rt h a nt h o s e p r o p o r t i o n a lt oh i g h e rp o w e ro ff r e q u e n c y ，o rl o a dw it hs m a l l e rl o a df r e q u e n c y r e g u l a t i o nf a c t o rw o u l db ec u to f fe a r l i e r t h ep a p e rs t u d i e su f l sw i t hs e v e r a l t i m e sa c c e l e r a t i n gs h e d d i n gl o a d f u n c t i o n ，a n a l y z e sd y n a m i cf r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co fp o w e rs y s t e md u r i n gu f l s ，d e r i v e s t h ef o r m u l aw h i c hi ss e r v e da ss e t t i n gr a t eo ff r e q u e n c yc h a n g ef o rc r i t e r i o n o fa c c e e r a t i n gs h e d d i n gl o a d ，a n dd e s i g n st h el o g i c a ld i a g r a me x p r e s s i n gu f l s o p e r a t i o n a tl a s t ，w i t ha c t u a le x a m p l e ，t h es u p e r i o r i t yo ft h eu f l st ot h e t r a d i t i o n a lu f l sa n dt h es e m i a d a p t i v eu f l si si n d i c a t e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e r s 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 ，l o a df r e q u e n c yr e g u l a t i o nf a c t o r 1 1 华北电力硕士学位论文 摘要 本文分析了基于电力系统长期稳定的低频减载研究的必要性。指出了目前广泛应用 的低频减载方案存在的局限性。研究了考虑负荷频率特性的低频减载方案。通过详细 的理论推导和实例仿真表明：通过优先切除与频率的低次方成比例的负荷，或者是 优先切除负荷频率调节效应系数小的线路，有利于抑制频率的下降和促使频率更快 地恢复。研究了同时依据频率和频率变化率两个变量，在每个频率定值处设置加速减载 功能的低频减载方案。文中详细分析了低频减载过程中频率的动态特性，推导了作 为加速减载判据的频率变化率整定值的计算公式。设计了低频减载装置动作过程的逻 辑框图。通过算例验证了该方法与半适应法相比，具有明显的优越性。 关键词：电力系统，频率稳定，低频减载，负荷频率特性 a b s i r a c r t h i sp a p e ra n a l y z e st h en e c e s s i t yo ft h er e s e a r c ho nu n d e rf r e q u e n c yl o a d s h e d d i n g ( u f l s ) b a s e do nl o n g - t e r ms t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m ，i n d i c a t e st h e 1 i m i t a t i o no ft h et r a d it i o n a lu f l s ，a n ds t u d i e su f l sb a s e do nl o a df r e q u e n c y r e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s d e t a i l e dt h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n da c t u a le x a m p l e i n d i c a t et h a ti tw i l la d v a n t a g ef r e q u e n c ys t a b i l i t yi fl o a dw h o s ea c t i v ep o w e r i sp r o p o r t i o n a lt ol o w e rp o w e ro ff r e q u e n c yw o u l db ec u to f fe a r l i e rt h a nt h o s e p r o p o r t i o n a lt oh i g h e rp o w e ro ff r e q u e n c y ，o rl o a dw it hs m a l l e rl o a df r e q u e n c y r e g u l a t i o nf a c t o rw o u l db ec u to f fe a r l i e r t h ep a p e rs t u d i e su f l sw i t hs e v e r a l t i m e sa c c e l e r a t i n gs h e d d i n gl o a d f u n c t i o n ，a n a l y z e sd y n a m i cf r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co fp o w e rs y s t e md u r i n gu f l s ，d e r i v e s t h ef o r m u l aw h i c hi ss e r v e da ss e t t i n gr a t eo ff r e q u e n c yc h a n g ef o rc r i t e r i o n o fa c c e e r a t i n gs h e d d i n gl o a d ，a n dd e s i g n st h el o g i c a ld i a g r a me x p r e s s i n gu f l s o p e r a t i o n a tl a s t ，w i t ha c t u a le x a m p l e ，t h es u p e r i o r i t yo ft h eu f l st ot h e t r a d i t i o n a lu f l sa n dt h es e m i a d a p t i v eu f l si si n d i c a t e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e r s 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 ，l o a df r e q u e n c yr e g u l a t i o nf a c t o r 1 1 华北电力硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于电力系统长期稳定的低频减载研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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：葺垒聋 日期： 如6 16 。l s 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期：2 型：! 导师签名：主垫鱼：望 日 期：a 塑 ：i ：f 扩 i i 华北电力硕士学位论文 第一章引言 1 1 基于电力系统长期稳定的低频减载研究的必要性 1 1 1 电力系统长期稳定的研究概述 对于电力系统说来，安全和稳定是电力系统正常运行所不可缺少的最基本条件 “3 。所谓安全，是指运行中的所有电力设备必须在不超过它们允许的电流、电压和 频率的幅值和时间限额内运行。所谓稳定，是指电力系统可以连续向负荷正常供电 的状态。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。 在电力系统远距离输电容量不断增加、输电网络重载问题日益突出的情况下， 电力系统在暂态稳定之后的长过程动态稳定性将逐步成为电力系统安全稳定运行 的主要问题，威胁电力系统的安全稳定运行1 2j 。 近几十年以来，世界各地的多次大停电是由于长过程功率不平衡恶性发展的结 果。因此，分析电力系统的长过程动态稳定性问题，避免发生大面积停电事故( 如 1 9 9 6 年美国西部联合电网发生的两次大面积停电事故，2 0 0 3 年8 月1 4 臼美国大停 电事故) ，以及研究防止事故扩大的有效措施( 即第3 道防线) ，必将成为电力系统计 算分析的一项重要内容。在我国电网迅速发展和电力系统厂网分开体制改革的进一 步深化的同时，也带来了大面积停电的可能性。 长期稳定分析假定发电机之间的同步功率振荡已经被阻尼，并具有统一的系统 频率，集中研究的是伴随大规模的系统扰动而产生的较慢和长期的现象，以及所造 成的大的持续的发电和用电消耗有功功率和无功功率的不平衡问题。长期稳定分析 有利于对低频减载实旖情况和策略进行评估【3 j 。 1 1 2 电力系统频率稳定问题的提出 现代电力系统有以下特征： ( 1 ) 发电厂容量很大，大型发电厂在系统中所占容量比例很高； ( 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，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。 1 华北电力硕士学位论文 同时，现代电力系统调节频率的能力在下降，其原因为： ( 1 ) 大容量机组惯性时间常数吖减小。 ( 2 ) 为安全起见，核电机组不参加调节，因此随核电机组所占比例的增加，将 导致电力系统调节频率的能力下降。 ( 3 ) 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，从而导致破坏系 统频率稳定事故的连锁发生。 ( 4 ) 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。 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。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【4 1 。 电力系统频率稳定一般划归为电力系统的长期动态分析1 5 ，6 1 ，主要研究系统受到 大扰动之后，同步稳定过程已经基本结束时电力系统的频率动态行为。 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、相互关联并相互激发的。 显然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旌。 1 1 3 低频运行对电力系统的影响及频率控制措施” l 、低频运行对电力系统的影响 电力系统频率反映了系统中有功功率的供需平衡情况，它不仅是电力系统运行 的重要质量指标，也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。低频运行对电力系 统的有以下影响： ( 一) 、对发电机和系统安全运行的影响 ( 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，熏则可能 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 华北电力硕士学位论文 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，反应堆冷却介质对供电频率有严格要求。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 ) 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。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。 ( 二) 、低频运行对电力用户的影响 ( 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 ) 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e 常运行。 2 、频率控制措施 为保证频率运行于额定值，通常在电力系统中采用了两类控制措施。 ( 1 ) 正常运行时采用自动频率控制( a f c ) ，或称为自动发电控制( a g c ) 。 其任务是在负荷缓慢变化时，调节发电机的输出功率，以保持系统中联络线的 功率于规定值或不超过允许值，同时在调节发电功率时，还要考虑按最优经济原则 分配机组出力( e d c ) 。 ( 2 ) 紧急状态下采取低频减载措旌。 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。 低频减载对任何原因引起的频率降低均起作用。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，是一种防止电力系统发生 频率崩溃的低成本的紧急措施。 1 2 低频减载的研究综述 1 2 1 低频减载方案整定的内容和要求 当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 华北电力硕士学位论文 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。 u f l s 方案的整定包括对基本轮和特殊轮各轮频率定值、延时、功率切除量的确 定。基本轮的任务就是在不过切的情况下尽快制止频率下降，尽可能的使频率恢复 到接近正常频率。基本轮应快速动作，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 2 o 5 s 的时限。基本轮一般按频率等距分级，每级切负荷量分别 确定；特殊轮的任务是在防止基本轮动作后，避免频率长时间悬停在某一不允许的 较低值或防止频率缓慢降低，特殊轮经一定时延动作，使频率值尽快恢复至4 9 5 5 0 h z 。特殊轮通常按时间分级。 一个好的u f l s 方案应能满足下列要求： 1 在各种运行条件和过负荷条件下均能有效防止系统频率下降到危险点以下； 2 在较短时间内使频率恢复到正常值，不出现超调或悬停； 3 切除的总负荷尽可能小； 4 整个u f l s 方案的投资费用尽可能低。 1 2 2 低频减载方案整定的主要原则 低频减载的方案应该根据电源的建设和负荷的快速增长适时重新进行整定。为 了积累经验，需要做好每次重大有功功率缺额事件或事故后的总结分析”“。整定 时需要按照以下原则： ( 1 ) 总体要求是使系统能在各种运行方式和可能发生的最大功率缺额的情况下 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，使故障后的系统能够快 速恢复至额定频率，也不使事故后的系统频率长期悬浮于某一过高过低值，不致 酿成大型发电机组解列的恶性循环事故，严防保留后的系统发生频率崩溃。同时， 尽量使所切除的负荷数量应尽可能最少。 ( 2 ) 合理选择频率级差、轮数和延时，保证低频减载装置动作的选择性n 叫 从尽量减少过切和抑制频率恢复时的频率超调着眼，低频减载装置的各轮间频 率起动值( 级差) 以略大为好，同时增加轮数，减少每轮所切负荷数量，特别是对 前几轮，最好采用动作值稳定，返回值高，动作与返回快速的数字式频率继电器作 起动元件，并尽可能动作于切除高压断路器。 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 4 华北电力硕士学位论文 数多，每轮切的负荷少，即使不保证完全的选择也没有什么严重的后果) 。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，而系统按频率降低自动切负荷装置的动作，照理应该反映全系统的频率平均值。 为了使低频减载装置的动作反映全系统的平均频率而非所接母线的瞬时值，它的动 作需要有给定的时延。这个时延，对于旧型频率继电器，还要计及频率继电器本身 动作延时的问题。当装设在发电厂配出线母线附近时，一定的动作时延还可以躲开 在配出线短路与切负荷的系统暂态过程中，产生短时频率波动引起高起动值的第一 轮误动作。 如果给定的时延过长，显然又不利于轮间的选择性和抑制最低频率。一般考虑 可以取为o 2 o 3 s 。如果电网联系紧密，频率继电器动作快，断路器动作快，时 延适当缩短也未为不可。总之，要与频率级差得选定相互协调才行。 值得指出的是，在可以与机组低频保护配合的前提下，不能认为频率级差和动 作时延越小越好。需要同时考虑的是防止切负荷后的频率过调，在水电比重较大的 系统中，特别值得注意。原因在于水轮机组调速系统的反应慢。 总的说来，所选级差过大，容易导致过切或者少切，以致使频率超调或悬浮于 额定值以下。如果级差过小，将使动作失去选择性，同时将增加减载装置的数量。 研究表明：继电器的时延越小越好，但是时延不能无限地减小，因为低频继电器在 动作瞬间可能误动“。 因此，轮数、轮间频率级差，每轮所切负荷等应按适应各种运行结构( 大系统、 解列后的部分系统或孤立网) 和各种运行方式( 包括低谷负荷期情况，此时系统惯 性小，失去一台大机组或主要的电源联络线时，占剩余系统容量的份额大) 进行优 选组合。实际一般选3 7 轮。如用数字式频率继电器，频率级差可取为0 2 0 3 h z 。 也可考虑高频率轮间取0 2 h z ，以抑制频率下降，低频率轮间取0 3 h z ，以减少过切。 ( 3 ) 基本轮中首、末级动作频率的选择 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 载装置的最高一轮整定频率不宜过低。但是由于机组可以长时间运行于4 9 5 h z 以 上，第一轮低频起动值应当低于4 9 5 h z 。同时希望，当发生一定有功功率缺额，而 依靠系统的备用容量可以将频率恢复n 4 9 5 h z 及以上时，则频率下降的全过程中， 不应使低频减载装置动作。低频减载装置的首轮动作频率值的确定必须考虑两个因 素：既要考虑有利于抑制严重功率缺额下频率的下降深度( 从这个角度看首轮动作 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 动作频率越低越好) ，所以，首轮动作频率的接定值的确定需要协调好这两者之间 的关系。一般第一轮低频整定值以不超过4 9 1 4 9 2 为宜。 末轮频率定值的选择不能低于机组的低频保护值，同时还要考虑留有0 3 0 5 h z 左右的余度。以火电机组为主的电力系统末级动作频率一般为4 7 5 h z ，以水 5 华北电力硕士学位论文 电为主的系统末级动作频率一般为4 6 5 h z 。 ( 4 ) 在选择所切负荷时应该考虑 a 所切负荷顺序的确定 调度部门应该按系统切除负荷的重要性排队，先切除相对容易恢复到正常运行 状况的次要的负荷，后切除那些难以重新启动的或者相对重要的负荷“，不能切除 那些对维持系统安全所必须的或停电后会引起人身伤亡、设备破坏等事故的负荷。 如果系统中有抽水蓄能电站，应该首先切除处于抽水状态的蓄能机组，但计算切除 负荷总容量时应不计入蓄能机组，因为它不一定处于抽水状态。为了避免有时在实 施低频减载的实际系统中，不容易按负荷重要性分开供电而导致个别极重要的小容 量负荷被切，应该对这样的负荷设置自己的紧急备用电源。 b 确定每轮所切负荷的具体分布 如果减载量正确，而减载的地点分配不当时，可能造成大幅度的长时问的振荡， 也可能导致系统瓦解。因此，在尽量节省减载装置的前提下，要使轮次分布合理， 使每个可能解列区域内包括全部轮次，避免在某些特殊方式下低频减载装置失去个 别轮次，使整体低频切负荷装置动作行为不合理。低频减载装置分散布置，能避免 因减载的不均衡而引起的线路过载的可能性，也能减少因单个低频继电器的误动或 拒动所造成的影响 所切负荷尽量分布在可能出现故障的联络线附近和可能退出运行的发电机附 近。 ( 5 ) 低频减载的整定应与发电机组频率特性相协调“”3 随着电力系统发展扩大和大容量机组投入运行，系统和机组间的某些性能需要 协调。随着汽轮发电机容量增大，某些机组允许频率异常运行的能力下降。系统故 障频率降低时，如大机组不能适应而跳闸，则将使系统频率更严重的下降而形成连 锁反应，直至导致系统频率崩溃。1 9 9 6 年7 月及8 月美国西部电力系统( w s c c ) 的 大停电事故反映了机一网频率特性不协调的情况。在此次事故中，暴露出了低频切 机和低频减载整定值协调不好，整个区域低频减载协调不好。1 9 9 8 年7 月2 9 日中 国台湾大停电事故更是机一网严重不协调的典型例子。该事故暴露出的问题之一 是：低频减载方案同机组低频跳闸定值不协调，大量机组跳闸使事故迅速恶化，导 致频率崩溃n ”。 系统和发电厂的工作人员难免认识有分歧而影响事故处理。特别是当今发电厂 和系统所有制将分离，愈来愈多的独立电厂将出现在系统中，就更需要规范和协调 好系统和大机组在频率异常时的性能，以保证电力系统的安全运行。 电力系统中低频减载的设置和整定必须与发电机频率异常运行能力相协调，以 确保系统故障时不致导致频率崩溃。通常系统故障引起的功率缺额时，可由低频减 载限制频率下降并恢复到一定水平。如果功率短缺达3 5 4 0 以上，则还应该采 6 华北电力硕士学位论文 用快速连锁切负荷措施。低频减载动作频率和时间的整定，应保证系统频率的动态 降低幅值和时间在系统中发电机的频率异常运行能力允许范围之内。 因此，低频减载的频率整定值不能低于发电机组的低频保护值，也不能高于发 电机的高频切机值，并留有一定的裕度。 ( 6 ) 最大有功功率缺额及每轮减载量的确定 估计可能最大的有功功率缺额值，往往需要结合具体系统条件进行分析，也和 继电保护与自动解列装罱等的配置与要求有关。占系统总容量比重很大的某一台大 机组或一个大电厂或一条输电通道方向的全部输电线路断开可以认为是引起系统 频率严重下降所必须考虑的一些基本情况。但对某一具体地区来说，更为严重的频 率下降情况也可能出现。例如，当系统失去同步运行稳定性而发生振荡的过程中， 如果允许线路继电保护动作将线路无计划的断开，或者允许操作将发电机组自系统 中断开，往往会使某些地区的低频现象与过频率现象特别严重。因此，各地区减负 荷数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。所以地区电网的低频减载量要稍大于主网所分配的容量。对于大机组小 系统或与主网联系薄弱的受端系统，其控制负荷量应适当增加对于实行分层分区 控制的电网，由于各分区的运行方式不同，安排减载容量须以分区为基础分别进行 计算“。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 一5 0 2 0 1 较多的系统考虑切负荷总容量为最大负荷量的3 0 5 0 ，每轮切负荷量，可 考虑均匀分配，也可考虑适当增大最高一两轮的切负荷比例，以快速抑制严重有功 功率缺额时的频率下降率。 具体安排每一轮所切负荷量时，一般认为略大于设计方案规定的较好，实际运 行情况说明，频率下降时实际切负荷量往往小于规定要求所切除的容量，原因可能 由于实际运行的某些欲切的负荷容量较预计值小，也可能由于某个频率继电器拒绝 动作等等。 1 2 3 低频减载装置的控制方式及其要求 l 、低频减载装置的控制方式 目前，低频减载的控制方式大体有两种n ，： 把低频减载的控制分散设在每回馈电线路的保护装置中。现在的微机保护装 置几乎都是面向对象设置的，每回线路配一套保护装曼，在线路保护装置中，增加 一个测频环节，就可以实现低频减载的控制功能了。 分散控制不仅能避免减载的不均衡而引起的线路过载的可能性，而且能减小因 当频率继电器的误动或拒动所造成的影响“”。 7 华北电力硕士学位论文 采用专用的低频减载装置，将全部馈电线路分为基本轮和特殊轮，然后根据 系统频率下降的情况去切除负荷。 2 、低频减载装置应满足的要求 切负荷的动作要快，要在系统运行的危险情况出现前抑制频率的下降。 应有防止低频减载装置误动的措施“”口“”1 低频减载装置应具有时限闭锁、低电压、低电流、双频率继电器串联闭锁和滑 差闭锁功能。低频继电器应能调整闭锁级频率定值。 时限闭锁：该闭锁方式是由装置带o 5 s 延时出口的方式实现，曾主要用于由电 磁式频率继电器或晶体管频率继电器构成的低频减载装置中。但当电源短时消失或 重合闸过程中，如果负荷中电动机比例比较大，则由于电动机的反馈作用，母线电 源衰减较慢，而电动机转速却降低较快，此时即使装置带有o 5 s 延时，也可能引起 低频减载装置的误动；同时当基本轮带有o 5 s 延时后，对抑制频率下降很不利。目 前这种闭锁方式一般不用于基本轮，而用于整定时间较长的特殊轮。 低电压闭锁：可以防止母线附近发生短路故障时或输入信号为零时出现的误动 作。当满足其判别式为：u k l u 。，k l = o 1 o 6 时，不进行低频判断，闭锁出口。 低电流闭锁：该闭锁方式是利用电源断开后电流减小的规律来闭锁低频减载装 置。主要是为了防止负荷反馈引起的误动作。其判别式为： i i m 。k 2 ，七：2 l - 2 1 3 ，其中，m 。l 。为该装置投入时的最小负荷电流。当 满足该判别式时，不进行低频判断，闭锁出口。该方式的缺点是电流不易整定，某 些情况下易出现装置拒动的情况，同时，当系统发生振荡时，装置也容易发生误动。 目前这种方式一般只限于电源进线单一、负荷变动不大的变电所。 双频率继电器串联闭锁方式：该方式主要用于防止一个频率继电器发生损坏时 可能出现的误动，不能用于防止失电后电压反馈以及系统振荡过程中的误动。 滑差闭锁：当电力系统容量不大，系统中有很大的冲击性负荷时，系统频率将 瞬时下降，可能引起低频减载装置误动作，错误地断开负荷。频率滑差闭锁可以有 效地防止装置误动。其判别时为：ld f d ti ( d f l d t ) 。，( d z l d & , 为滑差闭锁定值。 当满足该判别式时，不进行低频判断，闭锁出口。同时，电力系统受低频振荡和谐 波干扰时，低频减载装置不应误动。 自动按频率减负荷装置所切除的负荷不应被自动重合闸再次投入，只有在系 统频率恢复以后，通过发送重合闸信号，使被切负荷恢复运行“。用户连接减载后 自动重合闸装置的顺序与低频减载装置的顺序相反，即应将连接于低频减载装置的 最后轮连接于减载后自动重合闸装置的起始轮“。 应与低压减载和连锁切负荷相配合 当具有较大有功功率缺额的地区电网发生严重故障或解列后，电压可能严重下 降不能恢复，低频减载装置可能拒动，在此情况下还应该补充采用低压解列或低压 r 华北电力硕士学位论文 减载装置。因此，在存在大功率缺额的情况下，低频减载( u f l s ) 应与低压减载( u v l s ) 应该相配合。文献”针对孤立小受端系统，通过比较不同的并联电容投切模式对频 率过程的影响，提出了合理抑制电压升高基础上的更为合理的减载方案。文献”6 1 论 述了利用低频低压减载装置能实现全局优化。 在出现最大功率缺额时，应首先联锁切除相应的集中负荷，然后依靠低频减载 装置切除部分负荷，以促使电网频率的恢复”“。 1 2 4 低频减载的研究现状 低频减载的研究主要集中在低频减载方案的整定上。低频减载的主要方法大致 分为传统法、半适应法、自适应法o ”。 l 、传统法、半适应法和自适应法 ( 1 ) 传统法 低频减载传统法又叫“逐次逼近”法，它是以系统频率整定值为基础进行整定 的，按照系统在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 频减载装置的总功率，然后将其分配在不同起动频率值来分批切除，以适应不同功 率缺额的需要。当系统频率下降到低于整定值时，通过设定的继电器切掉一定量的 负荷。如果频率继续下降，说明所切负荷量不足，当频率又低于第二轮整定值时， 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。 传统法设定简单，不需要复杂的继电器，因而应用最为常用。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。 实践证明大多数情况下，传统法整定的低频减载装置运行良好。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，往往会过 量切除负荷，引起不必要的经济损失；或者导致无选择的切负荷；或者导致欠切。 例如，被切除的线路可能实际传输的功率比预计的少：或是部分被切除的线路中有 一定数量的负荷本来就没有运行“”。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，无法动作。 2 ) 半适应法 半适应法是当频率下降到设定的频率燕定值时，测量当前的频率变化率，通过 频率变化率可以得知系统功率缺额，从而决定减载量。也就是说，半适应法测量频 9 华北电力硕士学位论文 率通过某一频率点的下降速度，这一速度越高，切除的负荷就越多。 但是，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。近些年来，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 在低频的情况下有选择的切负荷。实践表明比传统继电器有更好的性能。 通常，频率变化率( r o c o f ) 的测量点选择频率下降、继电器动作的第一点。虽 然切负荷比传统法有改善，但在严重故障时，动作曲线与传统法基本相同，没有明 显改善。 3 ) 自适应法 自适应法是基于频率微分和由发电机转子运动方程转换而来的系统频率响应 模型建立的。根据简化的系统频率响应模型，可以得到似神，：。= m ，。r o c o f 的初值与导致系统频率下降的扰动负荷值的关系：其中f 与均为基于系统基 准值的标么值，m 。为系统惯性常数。可见r o c o f 与系统功率缺额成比例，通过测量动 作时刻的r o c o f 就可以算出应切除的负荷值。可以看出，理论上自适应法可以准确 地切除多余负荷。但实际切负荷量不应等于根据上式算出的值。考虑到自适应法是 基于简化的系统频率响应模型的，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。 4 ) 半适应法和自适应法与传统法的主要的区别及r o c o f 的特点 半适应法和自适应法与传统法的主要的区别是在传统法的基础上引入了频率 变化率( r o c o f ) 。 利用频率变化率( r o c o f ) 整定减载方案有几个优点。“： ( 1 ) 有加速切负荷的功能，即能在电力系统有功功率缺额较大时，不必等频率下 降到整定值就加速切负荷，尽早抑制频率的大幅度变化，防止出现频率稳定破坏事 故： ( 2 ) 能实现多轮同时切负荷而不必按轮次顺序依次切负荷； ( 3 ) 能缩短系统对频率的反应时间； ( 4 ) 能灵活适应不同的输入； ( 5 ) 减少频率的振荡； ( 6 ) 具有闭锁功能，主要是用以防止由于系统短路、负荷反馈等非正常情况可能 引起的装置误动作。 与传统法相比，自适应法利用频率变化率作为低频减载的启动信号，可以相对 准确地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： 频率响应模型的简化对切负荷的影响未可知；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 1 0 华北电力硕士学位论文 低于最低频率点。 频率变化率( a s a t ) 的整定范围难以选定。文献”指出，选择系统最适合 的继电器需要以丰富的系统运行经验作为前提。一旦a f a t ；o 速的整定值偏小，可能 造成负荷的“过切”；如果a s l a t d u 速的整定值偏大，就可能存在加速“切不够”的 情况，a t 接定值的选择还关系到低频减载装置的闭锁功能的实现。 自适应法受低频减载设备性能、数据采集、数据处理和通信等因素的影响， 使得所测量的数据不够准确。 1 3 现有低频减载的缺陷 综上所述，本文认为现有的低频减载存在以下缺陷： 忽略了负荷的频率特性对系统的影响 目前在进行低频减载方案的整定时，不考虑负荷的频率特性，设定负荷的频率 调节效应系数k 小恒定。其实在实际的低频减载的过程中，可以改变剩余系统负荷 组成的百分比，使剩余系统的k n 朝着有利于抑制频率快速下降和快速恢复系统频 率的方向动态地变化。 自适应差 目前所采用的反映频率绝对值原理的低频减载装置，为了防止在电动机负荷反 馈频率下误切负荷，传统上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 过一段延时才能减载。而当延时到达时，电网实际频率已下降到动作频率值以下， 下降的深度视频率变化率的大小而定。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 率的变化率来作为减载的判据，但是，目前也只是在第一个低频减载的整定值处通 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，确定是否实旋加速切除 第1 、2 轮，或是第1 、2 、3 轮的负荷。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1 、2 、3 轮负荷的方案，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，不能显示出加速的功能。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 华北电力硕士学位论文 率绝对变化量来切负荷的方案没有什么不同。 1 4 本文研究的内容 针对上述的缺陷，本文在目前的低频减载方案上，作了以下的研究工作： i 、研究了在低频减载过程中，采用分段法分析负荷频率调节效应系数对剩余 系统频率的动态响应过程的影响，为确定低频减载方案中所切负荷的顺序提供理论 指导。 2 、研究了在低频减载装置中设置多次加速减载功能的方案 在系统出现多次功率缺额或严重电源断开的故障的情况下，传统的依据频率变 化绝对值原理或在第一个频率定值处设置加速减载功能的半适应法不能快速地抑 制频率的下降。本文设计了能适应多重复杂故障的多次加速减载的低频减载方案。 1 2 华北电力硕士学位论文 第二章考虑负荷频率特性的低频减载方案的研究 低频减载是电力系统抑制频率下降，维持系统频率稳定的有效方法。但是目前 的低频减载方案中，设定负荷的频率调节效应系数如恒定。其实在实际的低频减 载的过程中，可以改变剩余系统负荷组成的百分比，使剩余系统的墨。随之动态地 变化。本文提出计及减载过程中剩余系统负荷频率调节效应系数如的变化，优先 切除与频率的低次方成比例的负荷，或者是优先切除负荷频率调节效应系数小的线 路。 2 1 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。它决定于系统负荷的组成。负荷 的频率特性能起到减轻系统能量不平衡的作用。 由于负荷类型不同，负荷的有功功率与系统频率的关系也不同。一般有下面几 种类型： 有功功率与频率变化无关的负荷，如照明、电炉、整流负荷等。 有功功率与频率一次方成正比的负荷，如球磨机、卷扬机等。 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等。 有功功率与频率三次方成正比的负荷，如通风机、循环水泵等。 有功功率与频率高次方成正比的负荷，如锅炉的给水泵等。 整个系统的负荷功率与频率关系可表示为。： b = 嘞怕( 丢 + 吒( 丢) 2 + 吼( 丢 3 + + 侈 ” c z 在式( 2 1 ) 式中 厂：额定频率； ： 系统频率为额定值时，系统的有功功率； 吃：系统频率为，时，系统的有功负荷； 口- ，口z ，醌，d 一： 与系统频率的0 ，l ，2 ，3 ，n 次方成正比的负荷占 额定负荷的百分比。 以额定频