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低频 仿真 建模

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低频减载仿真建模,低频,仿真,建模

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华 北 电 力 大 学毕业设计(论文)任务书所在院系 电力工程系 专业班号 电自07k7 学生姓名 郝勃屹 指导教师签名 审批人签字 毕业设计(论文)题目 基于Matlab的电力系统低频减载装置仿真建模与分析 2011年 2 月27日一、毕业设计(论文)主要内容1. 根据毕业设计（论文）题目查阅文献资料，总结该课题要解决的问题及使用的研究手段，完成开题报告（含文献综述）的撰写。2. 学习电力系统低频减载的基本原理，了解低频减载装置接入对电力系统的影响。3. 对电力系统频率的动态变化情况以及低频减载装置的设计方法进行深入研究，结合某实际系统提出合适的低频减载控制策略。4. 在MATLAB仿真平台下搭建简化的电力系统模型和低频减载装置模型，并针对提出的低频减载控制策略进行仿真建模分析。5. 依照“本科毕业设计（论文）规定、规范以及工作程序、要求”，完成毕业设计其他各环节。6. 总结工作，撰写毕业设计（论文）。二、基本要求1. 综合运用所学专业知识、理论联系实际、能够独立分析问题和解决问题，按照要求完成毕业设计（论文）。2. 查阅大量文献资料，要求参考文献反映课题的主流方向，明确课题要解决的问题及使用的研究手段，正确整理开题报告及文献综述。3. 掌握电力系统低频减负荷的基本原理，了解低频减载装置接入对电力系统的影响。4. 掌握低频减载装置的设计方法，包括基本构成和整定原则等。5. 能够比较熟练地应用MATLAB仿真工具。6. 外文摘要翻译准确，毕业设计（论文）观点正确，结构清晰，保证论文的质量。7. 要有刻苦钻研勇于攻坚的精神，认真负责和实事求是的科学态度，积极与指导教师联系，保证指导的次数与时间。8. 开题报告(含文献综述)、外文文献翻译及论文撰写符合华北电力大学“毕业论文的撰写规范及要求”，层次清楚。三、设计(论文)进度序号设计项目名称完成时间备注1查阅相关文献和资料，完成文献综述和开题报告2011.3.42掌握低频减载基本原理、装置设计方法，学习MATLAB仿真工具2011.4.8含两周金工实习3搭建简化的电力系统模型和低频减载装置模型，模拟故障，进行仿真和分析2011.5.13含两周综合实验4完善所建模型2011.5.275对毕业设计（论文）工作进行总结，完成外文文献翻译2011.6.36撰写论文，准备答辩2011.6.17设计(论文)预计完成时间：2011 年 6 月 17 日四、参考资料及文献1 商国才. 电力系统自动化M. 华北电力大学，1996. 2 杨冠成. 电力系统自动装置原理M. 第4版. 北京：中国电力出版社，20073 王正林. MATLAB/Simulink与控制系统仿真M. 王胜开，陈国顺，王琪.第2版.北京：电子工业出版社，2008.华北电力大学科技学院毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告学生姓名： 郝勃屹 班级： 电自07K7 所在系别： 电力工程系 所在专业： 电自 设计（论文）题目： 低频减载仿真建模 指导教师： 刘兴杰 2011年 3 月 15 日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告一、结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写不低于2000字的文献综述。（另附）二、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：熟悉 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。目前，低频减载的控制方式大体有两种8。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置，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。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。在熟悉MATLAB语音及SIMULINK动态仿真方法的基础上，利用电力系统知识进行解决三、指导教师意见：1 对“文献综述”的评语： 2对学生前期工作情况的评价（包括确定的研究方法、手段是否合理等方面）：指导教师： 年 月 日毕毕 业业 设设 计计(论文论文)系 别电力工程系专业班级电气 07K7学生姓名郝勃屹指导教师刘兴杰二二一一年六月一一年六月题 目 基于 MATLAB 电力系统低频减载装置仿真建模与分析华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）基于 MATLAB 的电力系统低频减载装置仿真建模与分析摘要 随着电力系统规模的不断扩大，电力系统经济性得到了显著提高，但同时也削弱了系统抗大扰动的能力。本文首先介绍了现代电力系统的主要特征，阐述了电力系统频率的重要概念，举出了频率偏差对电力系统各方面的影响，从中说明电力系统频率是现代电力系统运行的一个重要指标，以及频率控制的重要性。然后介绍低频减载的意义和发展现状，并对传统法、半适应法、自适应法进行了介绍和比较。低频减载作为电力系统的第三道防线，是一种有效地防止频率崩溃的手段。基于 MATLAB 语言 SIMULINK 动态仿真方法进行仿真与分析。关键字关键字：电力系统；低频减载；MATLAB;SIMULINK。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）IMATLAB-BASED LOW-FREQUENCY LOAD SHEDDING POWER SYSTEM SIMULATION MODELING AND ANALYSIS DEVICEAbstractWith the enlargement of power system scale, power system economy has gained remarkable improvement. At the same time, the ability of resisting disturbance is weakened. This paper introduces primary characteristic of modern power system, expounds the concept of frequency and enumerates the influence of frequency deviation on every aspect in power system. Accordingly, it is indicated that frequency is an important index of modern power system, and frequency control is necessary to power system operation. Then, this paper explains the meaning of Under Frequency Load Shedding (UFLS) and development actualities. Besides, traditional method, semi-adaptive method, self-adaptive method are compared. Under-frequency load shedding, as the third defensive line of power system, is one of the most effective methods to mitigate the frequency collapses. SIMULINK dynamic simulation based on MATLAB language simulation and analysis methods.Keywords: Power system, frequency load shedding MATLAB .SIMULINK.华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）1目录摘要.IAbstract.II1 绪论 .11 .1 基于电力系统长期稳定的低频减载研究的必要性.11.1.1 电力系统长期稳定的研究概述 .11.1.2 电力系统频率稳定问题的提出 .11.1.3 低频运行对电力系统的影响 .21.1.4 频率控制措施 .31.2 低频减载的研究综述.31.2.1 低频减载方案整定的内容和要求 .31.2.2 低频减载方案整定的主要原则.41.2.3 低频减载装置的控制方式及其要求 .71.2.4 低频减载的研究现状 .91.3 低频减载的意义.111.4 低频减载方案的设计要求.122 电力系统的频率特性分析.142.1 电力系统静态频率特性.142.2 电力系统动态频率特性.153 防误措施.183.1 自动低频减载装置的动作时延及防止误操作措施 .184 仿真工具介绍.194.1 MATLAB 简介 .194.2 SIMULINK 简介 .195 仿真建模.205.1 搭建仿真.20总结.22参考文献.23致谢.24华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）01 绪论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来说，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。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。近几十年以来，世界各地的多次大停电都是由于长过程功率不平衡恶性发展的结果。因此，分析电力系统的长期过程动态稳定性问题，避免发生大面积停电事故(如1996年美国西部联合电网发生的两次大面积停电事故，2003年8月14日美国大停电事故)，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，也带来了发生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施情况和策略进行评估。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。 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 M 减小。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）1 (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少。 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。电力系统频率稳定一般划归为电力系统的长期动态分析，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施。1.1.3 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: (1)发电机和系统安全运行的影响 频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。1对于额定频率为50 Hz 的电力系统，当频率降低到45Hz 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。 频率下降到4748Hz 时，由异步电动机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环2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。 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，3冷却介质泵会自动跳开，使反应堆停止运行。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）2 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4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。 (2)低频运行对电力用户的影响 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1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。 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2低时有些设备甚至无法工作。 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3出力降低，影响用户设备的正常运行。1.1.4 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(AFC)，或称为自动发电控制(AGC )。 (2)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(EDC)。紧急状态下采取低频减载措施。 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。 UFLS 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. 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）320. 5s 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49. 550Hz。特殊轮通常按时间分级。 一个好的 UFLS 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 UFLS 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. 2Hz，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。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）4 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0. 20. 3s。如果电网联系紧密，频率继电器动作快，断路器动作快，延时适当缩短也未为不可。总之，要与频率级差的选定相互协调才行。 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37轮。如用数字式频率继电器，频率级差可取为0. 20. 3Hz。也可考虑高频率轮间取0. 2Hz，以抑制频率下降，低频率轮间取0. 3Hz，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49.5Hz 以上，第一轮低频起动值应当低于49. 5Hz。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到49. 5Hz 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，首轮动作频率的整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49. 149. 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. 30. 5Hz 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47. 5Hz，以水电为主的系统末级动作频率一般为46. 5Hz 。 (4)在选择所切负荷时应该考虑 所切负荷顺序的确定1 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华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）5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。 确定每轮所切负荷的具体分布2 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间的振荡，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 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。1996年7月及8月美国西部电力系统(WSCC)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。1998年7月29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。 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已经分离，愈来愈多的独立电厂出现在系统中，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35 %40%以上，则还应该采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置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华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）6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40%一50%。 较多的系统考虑切负荷总容量为最大负荷量的30%50%，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 (1)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 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1乎都是面向对象设置的，每回线路配一套保护装置，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。 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2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。1 应有防止低频减载装置误动的措施。2 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0.5s 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0.5s 延时，也可能引起低频减载装置的误动;同时华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）7当基本轮带有0.5s 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:,=0.10.6时，不进行低频判断，闭锁出口。NUKU11K 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:,=1.21.3, 其中为该装置投入时的最小负荷电流。当满足该判别式2min/ KIIfh2KminfhI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。其判别式为:，为滑差闭锁定值。当满足该判别式时，bsdtdfdtdf/bsdtdf /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3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4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减载装置。因此，在存在大功率缺额的情况下，低频减载(UFLS)应与低压减载(UVLS)应该相配合。 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。(1)传统法传统法设定简单，不需要复杂的继电器，因而应用最为广泛。当系统频率低于整定值时，传统法设定的继电器切除一部分负荷。如果频率继续下降，说明切负荷量不足，华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）8当频率又低于第二步整定值时，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。 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。各地区切负荷值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。在大多数系统中取系统额定容量的30%为切负荷总量。 电网中应分别装设基本段和后备段低频减载装置。基本段应快速动作，为了防止在系统振荡或电压急剧下降时误动作，一般可带0.3 0.5s 的时限; ;基本段按频率等距分级，每级切负荷量分别确定。后备段是为了防止基本段动作后频率滞留在某一不允许的水平上或防止频率缓慢降低:后备段经一定时延动作。一般采用1525s，后备段通常按时间分级。 基本级中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。确定基本级首级动作频率时，要考虑发挥旋转备用的作用，设nf为低频减载的级差取得越小，则恢复效果越好，但级差增多也会使低频减载装置的成1f本增高。级差取，则基本级数为。传统法的整定没有固定的公式，f1/1fffnn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。后备段通常是由运行人员手动拉闸，各电业局有本地区一次拉闸顺序表，其动作时间与切负荷量通常因地区而异，不能一概而论。 传统法是根据系统运行数据预测可能会出现事故点，再提出时延和切负荷的方案。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，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，虽然可以有效地阻止频率下降，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，或者无选择的切负荷，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 半适应法当频率下降到设定的频率点时，测量当前的频率变化率。根据频率变dtdf /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，切除的负荷就越多。 通常，频率变化率(ROCOF)的测量点选择频率下降、继电器动作的第一点，其后继电器动作的整定与传统法相同。 通过频率变化率可以得知系统功率缺额，从而决定减载量，所以频率变化率的测量尤为重要。由于系统紧急情况时频率的波动使得传统继电器很难快速、准确的测量华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）9ROCOF。近年来，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过频、低频的情况下有选择地切负荷。实践证明比传统继电器有更好的特性。 半适应法在切负荷的第一步监测了 ROCOF，那么第一步的切负荷量在理论上说比传统法有选择性。但实践表明，这还远远不够。比较发现，半适应法虽然切负荷量比传统法有改善，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，严重故障功率缺额较大，通常需要动作一步以上，半适应法只是在第一步监测了 ROCOF，对后续动作没有性能改善。 (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 ROCOF 的初值与导致系统频率下降的扰动负荷值的关系:t=0=其中 f 与均为基于系统基准值的标么值。H 为系统stepPdtdfHPstep2stepP惯性常数。可见 ROCOF 与系统功率缺额成比例，通过测量动作时刻的 ROCOF 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。实践表明，自适应法在严重事故时，切负荷量明显低于以上的方法。 自适应法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:简化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，可能会低于最低频率点。 (4)半适应法和自适应法与传统法的主要的区别及 ROCOF 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(ROCOF)。利用频率变化率(ROCOF)整定减载方案有几个优点：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1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;能实现多轮同时切负荷而不必按轮次顺序依次切负荷;2 能缩短系统对频率的反应时间;3 能灵活适应不同的输入;4 减少频率的振荡;5 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6的装置误动作。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）10 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1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，可能会低于最低频率点。 频率变化率的整定范围难以选定。理论表明，选择系统最适合的继电器需2dtdf /要以丰富的系统运行经验作为前提。一旦加速的整定值偏小，可能造成负荷的dtdf /“过切”;如果加速的整定值偏大，就可能存在加速“切不够”的情况，dtdf /整定值的选择还关系到低频减载装置的闭锁功能的实现。dtdf / 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3所测量的数据不够准确。1.3 低频减载的意义 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。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。其中第三道防线就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，以免造成巨大经济损失和社会影响。这也是设置第三道防线的意义。 调节系统功率不平衡主要有两种措施:增加功率输入或裁切负荷。如果事故发生出现功率缺额时，系统旋转备用容量将积极、尽可能快的阻止系统崩溃，这一方案称为低频调速控制(UFGC)。UFGC 必须在系统频率刚开始下降时动作，并且是一种独立于能量管理系统(EMS)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功率缺额时，就应该有选择地切掉一部分负荷，从而阻止频率下降，这一方案称为低频减载控制(UFLS)。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，防止系统崩溃的主要手段。 电网事故暴露的问题包括:低频减载切除容量严重不足;低频减载方案同机组低频跳闸定值不协调;电网结构不合理等。 根据故障严重程度的不同，有必要加强电网防止稳定破坏和大面积停电的三道防线：第一道防线，电网快速保护及预防控制;第二道防线，稳定控制;第三道防线，就是在主系统发生稳定破坏时的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华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）11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，以维持整个电网的稳定运行。1.4 低频减载方案的设计要求 考虑低频减载方案时，应从以下几点出发: (1)系统安全运行的最低频率值，即频率危险点; (2)切负荷量，在系统严重故障时，防止系统崩溃的最大切荷量; (3)不同的频率点，即在什么频率时开始切负荷; (4)切负荷动作频率的步长的数量和大小。 系统安全运行的最低频率值由系统设备的运行要求来决定。发电机可以低于稳定转速运行，当然此时输出也会相应降低。电厂辅助设备对频率的要求比发电机更为严格，它们在47.8Hz 时就会出故障，在大约4446Hz 时处于临界状态，频率再下降时，保护装置就会将辅助设备的异步电机切除。汽轮机则对频率下降更为敏感。综上所述，系统最低频率为47.8Hz 时，将会保证系统电机的安全运行。 好的低频切负荷方案还应该满足如下要求: (1)动作快，要在危险情况出现前阻止频率下降; (2)避免误动作和多余的动作; (3)保护系统应该准确、按时动作，因为它的一个小故障将导致全系统的大故障甚至崩溃: (4)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重点，其中切负荷量和切负荷点以及动作时间的选择是衡量减载方案的关键。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）122 电力系统的频率特性分析 电力系统频率特性分为静态频率特性和动态频率特性。静态频率特性是指稳定状态下功率和频率之间的关系。电力系统动态频率特性是指有功功率平衡遭到破坏而引起的频率变化，频率从正常状态过渡到另一个稳定值所经历的时间过程2.1 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的静态频率特性和负荷的静态频率特性。发电机的静态频率特性是指随着频率的升和降，发电机组发出功率减少和增加的多少，也称之为发电机单位调节功率，与发电机组的调差系数有着固定的关系。表达式%为: （2-%100%1/NGNGffPPK1）式中:为额定频率;Nf 为额定频率时的机组出力;GNP 为频率偏移量;f 凡为时的机组出力变化量;GNPf表示发电机组的调差系数。%100/%GNGNPPff 电力系统的负荷静态频率特性是指随着频率的上升和下降，负荷消耗功率的增加或者减少的多少。表达式为: （2-NLNLLffPPK/*2）式中:为时的负荷功率变化量;LPf 为系统频率为时，整个系统的有功负荷。负荷频率调节系数LNPNf 与系统参数、运行方式、负荷分布以及负荷组成有密切的关系，一般根据经验*LK给出。电力系统静态频率特性的物理意义为电力系统发生功率缺额时与所发生的最大频P率偏差 (功率缺额引起的稳态频率与缺额前的频率之间的差值)的比值，是系统发电f机组和系统负荷共同作用的结果，其表达式为:华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）13 (2-3)*LGSKKK或者 (2-4)NONOSffPPK/*式中:为发生功率缺额前的总负荷;NOPP 为发生功率缺额前的系统频率。NOfP2.2 电力系统动态频率特性电力系统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。下面用分段法分析频率的动态变化过程。系统出现电源断开至低频减载装置第一轮动作切除负荷为止，称为第一段时间，之后将上一轮切负荷结束至下一轮切负荷结束的时间，分别称为第二段时间、第三段时间、。每段时间开始时刻记为，中止时间记为。下面分析某段开始时刻的频率变化率。0t1t发电机转子运动方程的频率变化值为 (2-5)fdtdffDTMTa501 (2-6)*LmaPPT (2-7)*1*LLmTPKPD (2-8)*LKNLNLffPP其中为每次事故(系统出现电源断开或低频减载装置动作切除负荷这两种情况皆*LNP称为事故)后剩余系统的负荷在频率为时的有功功率标么值(基准值为剩余系统的电源Nf有功功率)。设该段的初始频率为，根据相关公式能求得在该段的初始阶段。因此该段0bf0f开始时刻的频率变化率为: (2-9)0fbdtdf*)(*)(1501LKNbLNbmSffPPM华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）14其中为该段剩余系统的电源有功功率，为该段剩余系统在额定频率下的*)(bmP*)(bLNP负荷有功功率。(1)当切除的负荷为单一负荷时将分别带入式(2-9)中，并令，*3210,LLLLKKKKTfbVdtdf0其中下标 r=0，1，2，3。代表所对应的在该段初始频率点的TV*3*2*1*0,LLLLKKKK0f频率变化率。不难证得。3210VVVV 在任意一段的频率响应曲线，因频率变化不大，时间也很短，可以根据欧拉法，将第 b 段曲线用折线来代替，直线的斜率为该段开始的频率变化率。当时，该段的频0rV率响应曲线如图2-1。由图2-1可见，在频率下降阶段，频率变化率越大，抑制频率下降的效果越好。 图2-1 负荷的频率响应曲线 当时，该段的频率响应曲线如图2-2。由图2-2可见，在频率恢复阶段，频率变0rV化率越大，能使频率恢复的越快。 图2-2 负荷的频率变化曲线(2)当切除的负荷为综合负荷时华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）15将分别代入(2-7)式，同理可得:。其它分析过程跟所切负荷为单一负21,LLKK21rrVV荷时的分析过程相同。综合以上分析可知，在进行低频减载方案的整定时，应设法使剩余系统的负荷频率调节效应系数尽可能大些。而要使尽可能大，就需要尽可能依次切除负荷有功功*LK*LK率与频率的低次方成比例的负荷，也就是说应该先切除与频率的0次方成比例的负荷，在需切负荷不够的情况下再依次切除与频率的1, 2, 3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。这样有利于抑制系统在低频运行情况下的频率下降和尽快恢复系统频率。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）163 防误措施3.1 自动低频减载装置的动作时延及防止误操作措施自动低频减载装置动作时，原则上应尽可能快，这是延迟系统频率下降的最有效的措施，但考虑到系统发生事故，电压急剧下降期间有可能引发频率继电器的误动作，所以往往采用一个不大的时限（通常用0.10.2s）以躲过暂态过程可能出现的误动作。自动低频减载装置是通过测量系统频率来判断系统是否发生频率缺额事故的，在系统实际运行中往往会出现使装置误动作的例外情况，例如地区变电所某些操作，可能会造成短实际供电中断，该地区的旋转机组如同步电动机，同步调相机和异步电动机等的动能仍短时反馈输送功率，且维持一个不低的电压水平，而频率则急剧下降，因而引发低频减载装置的错误启动。该地区变电所很快恢复供电时，用户负荷已经被错误的切掉了。当电力系统容量不大，系统中有很大冲击负荷时，系统频率将瞬时下跌，同样也肯能引起低频减载装置启动，错误的断开负荷。在上述自动低频减载装置误动作的例子中，可引入其他信号量进行闭锁，防止其误动作，如频率急剧变化速率闭锁等。有时可以简单的采用自动重合闸来补救，即当系统频率恢复的时候，将被自动低频减载装置所断开的用户按频率分批的的进行自动重合，以恢复供电。按频率进行自动重合闸以恢复对用户的供电，一般都是在相同频率恢复至额定值后进行的，而且采用分组自动投入的方法（每组的用户功率不大）。如果重合闸后系统频率又下降，则自动重合就停止。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）174 仿真工具介绍4.1 MATLAB 简介MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点 ,使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。4.2 SIMULINK 简介SIMULINK 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 SIMULINK 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 SIMULINK。SIMULINK 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、