受端电网低频低压自动减负荷控制新判据的研究

1、国网电力科学研究院硕士学位论文受端电网低频低压自动减负荷控制新判据的研究姓名：侯玉强申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：方勇杰20090316摘要低频低压减负荷控制（）是第三道防线的重要组成部分，是保证电力系统尤其是受端系统在遭受极端严重故障后安全稳定运行的重要措施。在对传统低频低压减负荷判据的研究现状进行总结和合理评价的基础上，本文分析了受端电网在遭受严重故障导致孤网运行时的暂态电压、频率以及功率响应，研究了减负荷控制中的新判据问题。本文提出了开展传统低频低压减负荷判据在实际电网中的适应性研究的必要性。在简要阐述其动作原理的基础上，对传统减负荷判据在负荷模型和故障类型变化时的

2、动作情况进行仿真研究，并对结果进行了深入分析。本文阐述了受端系统孤网运行时的暂态稳定性内在机理；给出了基于功率变化量的减负荷新判据的公式推导并分析了其理论优越性；研究了利用新判据来反映受端系统负荷节点稳定情况的可行性。本文提出利用频率电压相关系数来反映系统运行工况的变化，并通过时域仿真分析了频率电压相关系数与运行工况、切负荷量的关系。本文进一步给出了新判据的动作逻辑、整定原则和程序流程，并通过编程在软件中得以实现。为了提高该判据的动作可靠性，本文还对传统减负荷判据中的短路故障闭锁、频率及其变化率越限闭锁及过切闭锁判据进行了改进。以实际受端电网为例，本文对新判据的适应性进行了研究。最后，总结了研

3、究工作中存在的问题，并对未来的研究工作进行了展望。关键词：受端电网；安全稳定；低频低压减负荷；动作判据；功率缺额（），匆，：；国网电力科学研究院学位论文独创性声明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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得国网电力科学研究院或其它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。研究生签名：日期：国网电力科学研究院学位论文使用授权声明国网电力科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保

4、留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权国网电力科学研究院办理。研究生签名：导师签名：日期：第一章引言受端电力系统的稳定性研究现代电力系统已逐步发展成为以高电压、大电网、远距离和交直流混合输电为主要特征的互联大电网。然而，由于能源地理分布不平衡，我国电网呈现出“西电东送，南北互供的联网格局，由四大能源基地（西南水电，“三西”火电，内蒙古中东火电和黔桂水火电）向五大受端电网（华东、东北、华中、粤闽琼

5、和京津冀鲁）送电。跨大区电网互联一方面有利于系统整体运行经济性的提高和资源在更大范围内的优化利用，但另一方面也使得系统的动态行为更加复杂，如何在极端严重故障下维持其频率和电压稳定性的问题显得十分突出。随着电力工业改革的深入实施，电力系统必将运行在更为苛刻、更难预测的条件下。电力市场的开放和发展进一步突出对优化和协调的要求，不但促使设备的运行越来越接近其热容量，也增加了运行条件的不可知性；同时对稳定分析和控制提出了更高的要求【卜。我国电网覆盖面积大，网架结构相对薄弱，而受端系统大都处于经济发达地区，系统内部主力电厂建设远远滞后于负荷增长，越来越多的电能需要通过超高压和特高压线路进行远距离传送。环

6、保方面的制约使得建设新的发电、输电项目日益困难，现有联络线输送功率已接近其热稳定极限，导致受端电网存在原则下可靠性较低、电压支撑较弱和短路电流过大等一系列问题，严重威胁着受端电网的稳定运行【】。深入分析可以发现，当前受端电力系统潜在的安全稳定问题主要体现在如下几个方面：大容量机组的广泛使用和联络线传输功率的日益增大使得受端系统在故障后遭受的有功缺额冲击加大；发电机单机容量的增大还使得其同步电抗增大和机组惯性时间常数减小，导致发生相同功率缺额故障时频率下降幅值更大；同时民用负荷的增长使得负荷的频率调节能力减弱；大机组对频率的要求更加严格，过高或过低的运行频率都可能引起大机组的自身保护动作，从而进

7、一步加剧系统的瓦解；与此同时，由于以下几个方面的原因，受端系统的电压维持能力变差：国网电力科学研究院硕士论文受端系统内动态无功储备不足，而大量无功功率又不可能通过联络线传输；电容性无功补偿装置在电压紧急情况下，无功出力反而以电压平方级下降；近年来受端系统广泛采用高压直流线路与外部主网相连，其换流器需要消耗大量的无功功率（约占直流传输功率的），而且直流落点相对集中，一旦交流系统故障将对受端电压稳定产生非常不利的影响；随着国民经济的发展，具有动态特性的感应电动机和空调类民用负荷所占比重逐渐增大，而这类负荷在电压下降时会吸收更多的无功功率而促使电压崩溃。国内外多次的电力事故表明，受端系统承受多重故障

8、的能力与全网性大停电密切相关。倘若受端系统外送通道上电源过分集中，一旦重要的联络线发生故障而失去较大的传输能力时，将会造成巨大的潮流转移，极易导致其余通道的输电线路严重过载而相继断开，负荷中心因丧失大量外供电源而引发系统崩溃，发生大面积停电事故。因此，深入研究受端系统的具体特性，特别是针对其受电比例、负荷特性变化及联络线分布等特点，分析极端严重故障下该系统的稳定性，提出相应的控制对策，对于改善系统抵御大停电事故的能力，确保受端系统安全供电及整个互联电网稳定具有重大经济意义与社会影响。研究受端电网低频低压减负荷控制新判据的必要性为保证受端系统的安全稳定运行，在确保一次系统建立合理的电网结构、配备

9、完善的电力设施以及安排合理的运行方式的基础上，二次系统应配备性能完善的继电保护和适当的安全稳定控制措施，组成一个完备的防御系统，也就是通常所谓的“三道防线”。三道防线是我国老一辈电力工作者对电力技术的重大贡献。图解析了其概念，其中虚线框内表示参数空间；实线框表示与故障集对应的稳定域。根据电力系统遭受不同程度的扰动后的动态行为，将控制手段分为三个不同等级来防御大停电事故：第一道防线是在下一个潜在故障发生前采取预防性措施将工作点移向稳定域或在故障发生后有选择的快速切除故障支路；第二道防线是通过相应判据识别出故障地点和故障类型后，根据实际工况选择广域的紧急控制措施来改变稳定域，增加系统的稳定性；一旦

10、监测到系统失步或母线长期低第一章引言频或低压等违反安全规程的动态行为则通过第三道防线的失步解列，低频减负荷（）和低压减负荷（、，）控制措施来阻止停电范围的扩大。正是由于重视了三道防线，特别是应用紧急控制和校正控制，在必要时用牺牲局部来保全整体，相当薄弱的我国电网却没有发生过北美“那样的大停电。校芘控，【一一。宣朔严澈瘁，严重磺段哮一。！一。一般耐紧急垂倒一敝摩后的稳定域图三道防线诠释图低频低压减负荷（刖）控制作为保障系统安全的第三道防线，是防止系统在极端严重故障情况下发生频率或电压崩溃最有效的措施。在电力市场环境下，电网运行不可能留有很大的旋转备用，一旦发生严重事故，这种措施的作用就显得更加重

11、要。尤其是，作为最普遍的反功率缺额事故的有效措施，在世界各国电网得到了广泛应用。但是，目前的装置在配置和整定时均采用简单的低阶系统频率响应模型，难以反映实际系统的频率动态特性和不同节点对频率偏差极限要求的差异；而且，各轮动作启动值和减负荷比例一旦整定好，就不能随运行方式或故障类型的变化而调整，亦难以考虑运行工况、负荷特性以及故障类型的多样性以及暂态过程中电压变化对频率的动态影响。然而，实际电网中运行方式、负荷特性随时问的变化而变化，暂态过程中电压幅值也不可能维持在额定值不变，这些因素会对每一级的控制效果产生较大影响。因此，减负荷控制算法有必要考虑运行方式、负荷特性的变化以及频率和电压动态的交互

12、影响。文献【】通过对孤立小受端系统的仿真表明在大的有功缺额下此类系统极易出现低电压稳定问题，从而一定程度上改变了频率行为并影响了低频减负荷装置的动作。国网电力科学研究院硕士论文另外，为提高受端系统的电压稳定性，许多电网都在原来装置基础上增设了装置，两类装置的动作逻辑相互独立。装置的动作使系统的电压动态行为变得更加复杂，对频率动态过程也有极大影响，使得实际频率动态过程有可能偏离理论分析结果，从而导致基于频率状态量动作的的控制效果难以令人满意。因此，深入分析受扰后受端系统的频率和电压动态特性，设计一种可综合考虑上述冈素的快速、可靠、简单、有效的减负荷判据，提高受端系统在发生严重故障后运行的安全稳定

13、性，就显得十分必要。低频低压减负荷控制研究的现状低频减负荷研究现状半个世纪以来，低频减负荷的研究主要集中在低频减负荷方案的整定上，主要可分为静态的方案和动态的方梨引。前者又称传统法或逐步逼近法，是基于频率整定值和既定延时的设计方法。根据各种运行方式和各种可能发生的事故情况，确定系统在发生最严重事故的情况下可能出现的最大功率缺额，以此整定装置可支配的总功率，然后将其分配在不同启动频率轮次上分批切除，以适应不同功率缺额的需要。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。在大多数系统中取系统额定容量的为切负荷总量【。这种方法设定简单，不需要采用复杂的继电

14、器来实现，因而应用最为广泛。但是这种方法是离线的，基于操作人员的运行经验和系统等值。依据系统最严重故障下的频率绝对值情况来确定减负荷方案，虽然可以有效地阻止频率下降，却难以计及运行工况的变化和事故等级的不同，很可能造成切负荷过量或不足。另外，装置必须等到频率降低到整定值以下才能动作，可能会错过最佳切除时间。动作效果依赖于继电器的正确动作，在伴随低电压等其它故障时，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。而且，该方法本质上是对简化系统模型的静态分析，无法计及扰动后系统内机组间振荡、节点电压变化、旋转备用容量限制和负荷模型变化以及相关设备的动态响应特性等因素的影响。为加快严重过载

15、时的负荷切除速度，提高频率控制水平，动态方案第一章引言将频率变化率（）作为系统功率缺额的一个快速指示，以此确定相应轮级切负荷量。仅在首轮考虑的动态称为半适应法；在所有轮次都考虑的则称为自适应法。根据简化的系统频率响应模型，可以得到的初值与导致系统频率下降的功率缺额的正比例关系。通过测量动作时刻的就可以算出应切除的负荷值【。与传统法相比，自适应法利用频率变化率作为低频减负荷的启动信号，可以相对准确地根据系统频率实时变化情况决定切负荷量，对系统的低频减负荷性能有了较大的改善【。但是也存在一些问题：难以计及频率响应模型的简化对切负荷的影响以及系统中有发电机退出时，惯性常数变化导致的计算偏差。的整定范

16、围难以选定，需要以丰富的系统运行经验作为前提。整定值偏小，可能造成负荷的过切；整定值偏大，又难以体现加速作用。整定值的选择还关系到低频减负荷装置闭锁功能的实现。再者，当系统频率振荡时，初始频率的变化率可能难以准确地反映系统功率缺额情况。随着相量测量单元和广域监测系统的发展以及现代卫星通讯、光纤传输、远程控制等技术的日益成熟，出现了一种在线低频减负荷控制。该方法针对常规低频减负荷在参数整定等方面存在的困难，将保证频率稳定的减负荷控制归结成一个线性规划问题【，通过一定的优化算法确定最佳的减负荷地点和减负荷量。该方法原则上适应于任何故障造成的系统频率下降，能够在系统出现功率缺额时快速有效地切除负荷，

17、并且保证切负荷地点最优和切负荷量最小，解决了运行中常出现过切、欠切或根本来不及动作等多方面的问题。然而，在线方法在很大程度上依赖于数据的传输速度和可靠性以及在线优化分析的处理速度。作为电力系统的第三道防线，减负荷装置必须能够迅速地、可靠地动作，以防止系统崩溃，而目前各方面尚未达到上述要求，因此在线低频减负荷控制仍处于理论研究阶段，并无实际应用。在计算机技术飞速发展的今天，许多先进理论如遗传算法【】、神经网络、模糊理论等被引用到电力系统研究和应用领域，出现了基于专家系统的智能型切负荷方案，但都尚未大规模的投入到实际应用中。随着微机保护的发展，出现了智能型继电器。低频减负荷控制正向着自动化、智能化

18、的方向发展。国网电力科学研究院硕士论文低压减负荷研究现状自上世纪年代以来，世界上一些大电网相继发生了多起以电压崩溃为特征的电网瓦解事故，为此也引起电力行业对电力系统电压稳定问题的普遍关注。近期的大停电事故调查报告【】指出：与上世纪年代主要发生频率安全稳定事故相比，现阶段的电力系统故障大都缘自于电压崩溃事故。报告同时指出，由于电压属于局部状态量，因此它对系统稳定问题的灵敏度比频率要高，是系统发生稳定问题“最先进的指示拶”，。年，首次提出类似于低频减负荷的低压减负荷（，）的概念【，是一种“基于反应检测的电压稳定控制（）措施”：通过预先规划好切负荷的方案，包括电压动作水平、切负荷地点、切负荷量的确定

19、、合适的延时时间等，在系统发生严重故障时，若装置安装处的电压降低到预先给定的某个水平并经历预先确定的相应持续时间，则实施切负荷。现有的低压减负荷设计大多基于这种反应检测原理，是目前用于解决电压稳定性问题的主要措施。低压减负荷作为防止系统发生电压崩溃的控制措施之一，其有效性早已得到国内外专家和学者的一致认可。然而不同于低频减负荷，由于长期以来在选择低压减负荷的时间、地点和切负荷量方面缺乏切实可行的标准、配置原则和配置方法，因此该措施并没有在实际运行中得到广泛应用。我国大多数电网都是结合各自情况对此问题进行初步地探索尝试【。文献【】从电压稳定的基本概念出发，定性地分析了低压减负荷控制对电压稳定的作

20、用机理，得出了几点结论：）当系统节点负荷不断加重，使其运行状态接近临界状态时，采取低压减负荷措施能显著提高节点电压稳定裕度，起到防止电压失稳的作用；）当系统在小扰动或大扰动作用下，负荷的功率平衡遭到破坏时，依靠低压减负荷可以使功率平衡得到恢复，有效地阻止电压崩溃的发生；）低压减负荷的作用决定于切负荷量大小和动作时限，其实质是切负荷后要保证剩余的动态负荷存在新的有功功率平衡点。文献【】分析了低压减负荷的机理，阐述了切负荷量、切除时间和动态负荷参数的关系。文献】以发电机最大相对摇摆角小于某一给定值为暂态稳定约束函数，然后基于数值积分给出了暂态稳定约束函数相对于切负荷量的灵敏第一章引言度计算公式，并

21、以此提出了一种新的切负荷算法。但该算法需要全网的信息量，对数据的传送要求严格。文献将外部主网和研究电网分别等值为一个戴维南电抗，通过比较两等值电抗比值来启动低压减负荷，但该方法是针对中长期过程的静态电压稳定问题，不仅无法计及电压变化的暂态过程，在联络线全部断开的情况下也难以适用。减负荷判据的评价标准一个好的减负荷判据，除了计及系统运行中的各种不确定性因素外，同时需要满足下列要求】：电力系统在实际可能的各种运行情况下，因故障发生突然的有功功率缺额后，判据能及时触发装置动作，及时切除相应容量的部分负荷，使留网运行的系统能迅速恢复到额定频率（或电压）附近继续运行，不发生频率崩溃和电压崩溃，也不使事故

22、后的系统频率（或电压）长期悬浮于某一过高或过低水平；在保证系统恢复安全稳定的前提下，尽量减少各安装节点的减负荷装置动作所切除的负荷总量；减负荷判据容易在硬件上实现，且投资费用尽可能低；应能可靠地防止在负荷反馈、高次谐波、电压回路接触不良等异常情况下误动。本文采用的仿真工具和分析方法介绍（）理论在多机系统的实际受扰轨迹基础上，通过互补群惯量中心相对运动（）变换将得到的角度轨迹逐点映射到一系列聚合单机平面上，形成时变的单机无穷大系统的轨迹并利用等面积法进行定量分析。由于映射具有稳定程度不变性，取各映象的最小稳定裕度作为原多机系统稳定裕度，可完整地反映该系统的稳定程度。算法是目前国际上惟一得到严格证

23、明并达到工程实用化的暂态稳定量化分析法【。（，）是国网电力科学研究院在理论国网电力科学研究院硕士论文基础上，针对电力市场开放环境中日益增长的挑战和现代社会对动态电能质量提出的新要求，结合新的电力系统安全稳定导则开发的新一代电力系统计算分析软件包。的主要功能涵盖潮流计算、静态安全稳定性分析、暂态安全稳定性分析、和动态安全稳定性分析，可应用于安全稳定定量评估、控制策略分析计算和第三道防线的优化配置与整定等方面；利用该软件包能够全面、系统、快速定量评估电网的暂态功角、电压和频率安全性，满足在线动态安全分析的要求。本文采用时域动态仿真分析法对实际电网中的发电机、励磁调节系统、原动机及其调速器和负荷等元

24、件进行建模并设置可能的预想故障，利用软件进行动态仿真，并充分考虑各元件参数的变化对频率、电压和功率动态过程的影响。在各元件模型和参数均采用实际电网参数时，时域动态仿真分析法能够如实再现系统在故障后的动态特性。本文完成的主要工作低频低压减负荷控制是第三道防线的重要组成部分，是确保电力系统，尤其是受端系统在遭受极端严重故障后安全稳定运行的重要措施。本文结合目前低频低压减负荷的研究现状，主要完成了以下几个方面的工作：以国网电力科学研究院稳定技术研究所生产的为例，简要介绍了传统的基于单一状态量动作的低频低压减负荷（舢）判据的动作原理；分单纯配置和配置两种情况对传统减负荷判据在现代复杂电网中的适应性进行

25、了研究。结果表明，由于动作逻辑相互独立，且无法计及暂态电压与频率之间的交互影响，在负荷特性或故障类型变化时传统减负荷判据可能存在适应性问题，难以满足当前复杂系统安全稳定性的更高要求。改进当前的减负荷判据及其闭锁判据，对提高受端电网在遭受严重故障后的频率电压安全稳定性十分必要。在对受端电力系统稳定性本质进行分析的基础上，提出受端系统因故障发生大功率缺额后，负荷节点的暂态稳定问题可归结为电力网络向该节点提供有功功率的能力与负荷节点处的负荷需求之间的平衡关系；由经典的转子运动方程详细推导了基于功率变化量的减负荷新判第一章引言据公式；提出利用频率电压相关系数来计及不同运行工况、负荷模型以及故障形态等影

26、响频率和电压交互作用的诸多冈素。为简化研究起见，假定电网某分区内的频率电压相关系数为一个负常数，并给出了一个近似的计算方法；通过时域仿真的方法分析了该系数与运行工况变化，减负荷量之间的灵敏度关系；分情况研究了基于功率变化量的减负荷新判据的理论优越性。详细介绍了新判据的动作原理，给出了判据的动作逻辑图，并对其各轮次的整定原则进行了阐述；对传统减负荷判据中的短路故障闭锁，频率及其变化率越限闭锁，过切闭锁判据加以改进，并编写程序在中得以实现。为降低切负荷带来的经济损失，应尽量少切重要性负荷，并考虑负荷本身的频率调节特性。新判据通过调整负荷节点的频率电压相关系数来近似计及负荷的频率特性和重要性，一定程

27、度上降低经济损失。以实际电网为例，对新判据的适应性进行了仿真分析。结果表明，基于功率变化量的减负荷新判据能够较好地适应系统功率缺额的不同程度以及负荷模型、故障类型等运行工况的变化。如果能合理地选择相应的频率电压相关系数，可以在确保频率和电压快速恢复的基础上，将全网切负荷量降至与受入量相当的水平。第二章传统低频低压减负荷判据及其适应性研究研究传统低频低压减负荷判据适应性的重要意义频率安全和电压安全是维持电力系统正常运行的两个重要指标。在正常运行状态下，依靠电网内各台发电机的调速器、调压器（励磁系统）及其它自动调节手段，系统可以维持运行频率和各节点电压始终在规定的范围之内，以确保用户得到质量合格的

28、电能。在电网事故状态下，由于系统内电源与负荷功率之间失去平衡，系统频率与电压将发生较大幅度的变化，尤其在发生较大有功或无功缺额的情况下，频率或电压的下降可能导致系统发生崩溃事故，一切正常的自动调节手段已起不到多大作用，必须通过减负荷装置快速切除足够数量的用户负荷或将系统解列为若干部分，才能保证主系统的安全运行以及对重要用户的不间断供电。基于单一状态量的低频减负荷和低压减负荷是分别解决电力系统中频率稳定问题和电压稳定问题的最常用手段【。在我国每一个地区电网或省网电力系统中，都存在一个规模较大的，地位非常重要的受端电网，如华东地区的苏南、上海电网，华北的京津唐电网，东北的辽宁中部电网等。在这些重要

29、的受端电网中，不但集中了全系统总负荷极大份额的功率需求，而且随着社会经济的发展这些受端系统还会不断的加强、发展和扩大，导致联络上传递的功率越来越大，线路热稳定的输送能力不足和短路电流超标问题已经成为电网安全稳定运行的主要矛盾【。同时，电嗍内大容量发电机组的比例越来越高，有的还装有核电机组，对故障后的频率电压紧急控制提出了更高的要求。一旦发生严重故障导致联络线相继跳开，将形成巨大的功率缺额，严重威胁受端系统的稳定运行。因此，在受端系统内必须装设减负荷装置并配置充足的可切负荷，在发生故障后能够及时减掉相应负荷，恢复系统内部功率平衡，确保重要负荷的用电安全。随着电力系统的发展，各大区电网实现互联，特

30、高压输电网架建设使电网输送能力不断加强，大容量发电机及其辅助系统的投入，交直流混合输电、柔性交流输电等技术都大大提高了电力系统暂态稳定性；同时也使系统在发生大扰动后的动态行为变得复杂，加之复杂电网运行工况和相继故障形态的组合爆炸，系统在故障后的电压和频率动态过程与基于单机等值模型的理论分析结果国网电力科学研究院硕士论文严重不符，出现了一些新的特点，电压和频率之间的交互影响作用亦不可忽略。基于单一状态量的传统和判据能否满足当前复杂互联电网安全稳定运行的需要，确保电网在遭受大扰动后的安全稳定成为一个值得商榷的问题，研究其适应性具有重要的理论和现实意义。传统低频低压减负荷判据动作原理为防止系统在严重

31、故障下发生大停电事故，确保在第二道防线控制策略表失配或欠控制的情况下仍能将系统恢复稳定运行，第三道防线通常根据就地的频率和电压量测分别启动低频减负荷和低压减负荷控制。两者动作原理基本相同，前者主要用于因有功功率缺额引起的频率下降；后者主要用于因无功不足引起的电压下降。目前实际电网中广泛使用的频率电压紧急控制装置主要有国网电力科学研究院稳定技术研究所生产的，南瑞继电保护研究所生产的、，北京四方生产的以及国电南自生产的等。上述装置基本上都采用了“基本轮特殊轮的配置模式，除闭锁判据略有差异之外，动作判据大致相同。以装置【的低频减负荷模块为例，其动作逻辑过程如下图所示：第二章传统低频低压减负荷判据及其

32、适应性研究图频率电压紧急控制装置中动作逻辑图其中，为低频减负荷启动频率值，为充分利用系统中的旋转备用容量，此值设置不能过高，一般为；（，）为基本轮启动频率，（，）为特殊轮启动频率，分别为各轮次相应的延时。基本轮之间保持选择性，按轮级依次动作，其任务是在不出现过切的情况下尽快制止各种功率缺额造成的频率下降。因此，在基本轮安排的切负荷量通常略大于系统可能发生的最大功率缺额。特殊轮之间理论上没有选择性，任务是在基本级动作并已制止频率下降的情况下将频率恢复到可接受的范围内，避免系统频率长时间悬停在某个不可接受的水平。目前的低频低压减负荷装置根据安装或者控制节点的频率和电压的下降情况分轮次有选择性动作，

33、逐级减负荷，以此适应各种故障造成的不同功率缺额。以为例，当节点监测到频率下降到低于首轮整定值且持续时间超过设定国网电力科学研究院硕士论文延时，则向断路器发送切负荷命令，切掉一定量的负荷。如果此后频率继续下降，说明切负荷量不足；在频率低于第二轮整定值且持续时间超过设定延时时，继电器再次动作，并重复以上步骤，直到频率恢复。鉴于在系统频率下降过程中，系统中各节点的电压有的升高，有的降低，在进行自动低频减负荷装置的整定计算时，通常忽略暂态电压变化对系统综合负荷特性的影响，认为各母线的电压保持额定值基本不变；并假定频率的下降速率与功率缺额大小成正比，功率缺额越大，频率下降速率越快口。传统减负荷判据的适应

34、性研究由以上论述可知，在传统的和减负荷判据中频率、电压是相互独立判断的，分别用于处理严重故障后出现的有功缺额和无功不足，实际上是假设有功功率的变化仅与频率有关，无功功率的变化仅与电压有关，有功相角、无功电压之间是解耦的。然而，这种解耦是有条件的，当系统运行在重载条件甚至极限方式下或故障后暂态过程时，传输功率比较大，等值电源和负荷之间的相角也比较大，这种解耦并不成立【引。到目前为止还没有能计及暂态频率和暂态电压安全性的实用方法，一般是在忽略它们之间相互影响的基础上利用详细的时域仿真结果分别独立整定和的参数，其根本原因是缺乏评估暂态频率和暂态电压安全性的量化方法，无法定量评估这些减负荷量的影响【。

35、电力系统在实际的运行过程中，低压和低频现象通常是相互影响、共同存在的。当低频和低压现象同时发生时，仅采取单一的控制策略很难同时实现对电压和频率的有效控制。孤立地将装置与配合在某些情况下可能出现有功功率盈余，导致暂态电压、频率迅速上升，甚至超过额定值而引发其它保护装置动作：也可能出现有功功率缺额仍然较多，而系统频率却悬停在某一不可接受水平上【。目前，传统的和本质上仍属于“离线整定，离线校核，在线匹配”的控制方式，减负荷装置的各参数一旦整定好，就不再随运行方式和故障的变化而调整。事实上，复杂电力系统动态过程中的频率特性和电压特性与电网的运行方式、负荷特性组成及发生的故障类型密切相关。不同的运行方式

36、、负荷组成或发生不同类型的故障时各负荷母线的电压、频率、电压变化率第二章传统低频低压减负荷判据及其适应性研究及频率变化率动态过程可能有显著差异。随着互联电网规模不断增大，复杂程度越来越高，运行方式和故障类型千变万化，通过离线整定和校核难以覆盖所有的情况，在一种运行方式下的整定结果很有可能在负荷模型或故障类型发生变化时出现严重的欠控制或过控制，造成欠切或过切。考虑到在现代复杂电力系统中，负荷具有强烈的时变性、随机性、分布性、多样性和非连续性，节点的频率、电压响应曲线因负荷的不同而有较大差异。即使运行方式、负荷模型完全相同，不同的故障类型或者不同的故障地点也可能导致系统内各节点的频率、电压动态过程

37、有较大差异。因此有必要考察负荷模型和故障类型对基于传统切负荷判据动作的稳控装置的影响。暂态频率和电压安全的量化认为电力系统暂态安全性包括暂态功角稳定（）、暂态电压安全（）和暂态频率安全（）三个方面，其中电力系统暂态电压安全又包括暂态电压稳定性和暂态电压偏移可接受性两个方面。暂态功角稳定是系统保持暂态安全的前提，如果系统不能保持暂态功角稳定性，必然也不能满足暂态电压安全性和暂态频率安全性。本文研究重点是扰动发生后受端电网内负荷节点的频率和电压稳定性。因此，下述的研究均是建立在系统满足暂态功角稳定（即暂态功角稳定裕度大于）的基础上的，只需考察其暂态电压和暂态频率的安全性。暂态频率安全性量化评估为计

38、及不同负荷母线对可允许的频率偏移及其最大持续时间的不同要求，可在故障发生后的暂态过程中，通过一组二元表阮，乙眩，、，乙）】来描述各母线的频率偏移可接受性，即母线的频率偏移超过的持续时间不大于汀。通过曲线拟合技术给出基于实际受扰轨迹的暂态频率偏移可接受性裕度，如式（）所示。为简化计算，本文设定在各算例中所有负荷节点的频率二元约束均为（，）。厶。厂（厶厂巧，）（）其中：。指动态过程中母线频率的极小值；是将临界低频率持续时间折算为频率的因子，相当于将临界条件（，矗）转化为（。“），）。暂态电压安全性量化评估国网电力科学研究院硕士论文暂态电压安全性包括暂态电压跌落可接受性和暂态电压稳定性两部分。类似式

39、（一），式（）定义了暂态电压跌落可接受性裕度。同理，本文仿真算例中各节点的电压二元约束均为（，）。，纠，一（吃。一瓦。）（）只有动态负荷才存在暂态电压稳定问题，感应电动机是电力系统动态负荷中的主要组成部分，暂态电压稳定性主要考虑了感应电动机的稳定性。暂态过程中，节点电压越高，感应电动机的加速度就越大。因此，可以通过观察感应电动机节点电压到达极值时感应电动机的运动特性来快速精确地判断它的稳定性。感应电动机的电磁转矩和机械转矩的差值不仅决定了它是否加速，而且给出了滑差导数的负值（一），以此定义暂态电压稳定裕度：。（）暂态电压安全裕度为两者裕度最小值：，（，）（）暂态安全裕度即暂态功角稳定裕度、暂态

40、频率安全裕度以及暂态电压安全裕度三者的最小值。如果裕度大于，表明系统安全；否则，表明系统失去安全，必要时需要采取一定的控制措施来改善当前的运行状况。本文采用实际电力系统详细模型并考虑各元件投入情况，利用分几种情况对实际复杂电网进行时域仿真，得到目标节点在大扰动后的暂态电压、频率和功率实时响应曲线以及在仿真结束时给出的功角、电压、频率安全裕度，分析传统低频低压减负荷判据在现代互联大电网中的适应性。单纯配置的情况由于无功功率难以实现大容量，远距离的传输，而且无功功率的输送会大大增加联络线上的有功损耗和无功损耗，降低经济性。因此，对于无功功率需求通常采用“分层分区，就地平衡”的策略，通过地区电网内部

41、的发电机励磁调节系统和配置的并联电容器、调相机等无功补偿设备支撑系统内各节点的电压水平。互联电网之间的联络线传输的无功功率一般不大。当受入功率占系统内负荷总量的比例不大时，联络线的跳开不会引发系统内的暂态电压安第二章传统低频低压减负荷判据及其适应性研究全问题。再者，国内外许多电网，如加拿大安大略水电局，日本电网，我国的华东、南方电网的调度部门和规划部门在分析本系统的安全稳定性时通常只考虑静态负荷模型，在进行电力系统安全稳定校核时一般不会出现短期电压稳定问题，因此通常认为仅配置即可保证当前运行方式下的系统安全。负荷特性对的影响以华东电网张家港受端地区电网为例，地理接线图如附录所示。考察在相同的电

42、网拓扑结构和线路潮流下，对不同负荷特性的适应性。分别考虑两种负荷模型：静态负荷模型（模型：恒阻抗恒功率）和综合负荷模型（模型：在前者基础上考虑的感应电动机负荷）。取华东电网年某典型运行方式。计及厂用电，该方式下电网内负荷总计，四个电厂的总出力为，受入功率，占全部负荷功率总量的。在仿真过程中，未考虑发电机调速器的调节能力。设想故障如下：时张家港捍主变发生三相短路，时变压器保护动作将主变跳开，拌主变保护误动，结果导致张家港地区受端系统孤网运行。分别对上述两种负荷模型进行仿真，某监视负荷节点的暂态电压和频率时间响应曲线如图所示：垂，懒悯图两种负荷模型下的电压和频率时间响应曲线从图看出为保证受端系统在

43、极端严重故障后的频率安全，必须配置低频减负荷装置。表列出了根据模型的仿真结果整定的基本轮方案。表按模型配置基本轮动作值延时减负荷比例慌图给出了计及依上表整定的作用后，两种情况下的暂态电压和频率的时间响应曲线。模型情况下动作轮，切除负荷，至国网电力科学研究院硕士论文仿真结束时稳态电压为，稳态频率。对全网所有负荷节点而言，裕度为三个裕度最小者，监视节点的为，全网最小为。模型在仅仅配置时动作不理想，全网只有少数节点首轮动作，监视节点的频率在故障发生的初始阶段下降缓慢，未能下降到而导致无法动作。至仿真结束时母线电压未能恢复到，母线频率却上升超过。由于频率是全局量，各个节点之间频率差异很小，频率的上升虽

44、然对负荷母线影响不大，但却有可能严重威胁到孤网内发电机的稳定运行。一旦频率超过发电机高周保护门槛值，很有可能导致高周保护动作切机，进一步加剧孤网内的功率缺额程度，形成连锁反应，引发大面积停电事故。堇蒸时时问图计及作用后的暂态电压和频率时间响应曲线可见，负荷模型的变化对基于单一频率量测动作的有较大影响。下式给出了在国内外暂态稳定分析中常用的多项式形式的静态负荷模型。式中：，分别为额定有功和无功功率；和（，）分别为恒阻抗、恒电流、恒功率负荷所占比例；，；和为有功和无功的频率调节系数。（见岛）（矽凹）（）（蚝）（）由式（），式（）可知，当负荷母线电压下降时，留网运行的负荷消耗的有功功率、无功功率均随

45、之下降。在不计线路有功损耗时，负荷的有功功率与发电机输出的电磁功率基本相同，而发电机有功备用极其有限，通常忽略其有功调节能力，即认为发电机输入的机械功率为一常数值。负荷有功功率的减少直接导致网内功率缺额下降。由发电机转子运动方程可知，频率下降速率亦随之减小。当电压下降幅度足够大时，有可能使得功率缺额为，甚至功率缺额为负。也就是说，孤网内部的发电机出力大于因电压水平下降而不断降低的负第二章传统低频低压减负荷判据及其适应性研究荷有功需求，此时频率不但不降低，还有可能超过额定值而逐步上升；再者，电压持续较低还直接导致电网内以感应电动机为主的动态负荷转差上升（转速下降），无功需求大大增加（约为静态负荷模型的倍），进一步抑制了电压的恢复能力。如果电压降低超过临界值，感应电动机将不稳定并堵转，并继续吸收大量无功功率，有可能促成电压崩溃。在电压和频率的交互作用下，出现图中采用模型时的低电压、高频率的情况。因此，当电网中存在一定数量对电压变化灵敏度较高的负荷成分时，暂态电压和频率之间的交互作用不可忽略。仅仅依靠频率下降情况而触发切负荷命令的低频减负荷判据因无法计及频率和电压的交互影响，某些情况下难以适应负荷模型变化，不能保证系统在任何时候发生严重故障