电力系统自动装置原理-第06章-电力系统自动装置原理

第六章电力系统自动低频减载及其它安全自动控制装置第1节 概 述B系统A电厂装置的主要任务—当系统发生某些故障时，按照预定的控制准则迅速作出反应，采取必要措施避免事故扩大。12事故情况

当电厂A发生故障

一回线发生三相短路

迅速切除系统B的部分负荷

迅速减少输送功率措施调度人员2系统规模扩大事故严重性扩大a、故障则系统减少PA。若备用不足必须切负荷。b、若故障切除，则还有暂稳极限问题。第1节概

述3第1节

概述• 电力系统事故通常具有的特点：–

局部性–

扩散性–

灾难性–

快速性•

安全自动装置的主要任务

：

当系统发生某些故障时，能够按照预定的控制准则迅速作出反应，并采取必要的措施避免事故扩大。4第1节

概述水轮机低频自启自动解列装置自动低安全装置自动化安全性保证自动切机电气制动频减载5二、电力系统安全装置的种类第2节

自动低频减载6一、概述二、事故工况下电力系统频率静特性

三、事故工况下电力系统频率动态特性四、自动低频减载的工作原理

五、自动低频减载的接线与运行2.1事故情况下的频率调节7•在正常情况下，计划外负荷引起的频率波动由一、二次调

节动用系统的热备用后可以恢复到正常值；在事故情况下，功率缺额可能很大，这时光靠一、二次调节动用系统的热备用还远不足以弥补功率缺额，因此有必要采取适当措施使功率缺额减少，从而使系统的频率波动不致于超出允许值。这其中，自动低频减载装置就是主要措施之一。•自动低频减载装置在系统频率下降到一定值时迅速作出反

应，切除一部分不重要负荷，抑制系统频率的进一步下

降。电压崩溃汽轮机长时期低于频率49～49.5Hz以下运行时，叶片容

易产生裂纹，当频

率低到

45Hz

附近

时，个别级的叶片

可能发生共振而引

起断裂事故。当频率下降到

47

～

48Hz

时，火电厂的厂用机械的出力将

显著降低，使锅炉

出力减少，导致发

电厂输出功率进一

步减少，致使功率

缺额更为严重。从

而造成所谓“频率崩

溃”现象

。当频率降低时，励

磁机、发电机等的

转速相应降低，加

剧了系统无功不足

情况，使系统电压

水平下降，系统电

压水平受到严重影

响，

当某些中枢点

电压低于某一临界

值时，将出现所谓

“电压崩溃”现象，8• 一、低频运行的后果对汽机的影响 频率崩溃频率过低可能造成的不良后果2.2事故工况下电力系统频率静特性9在事故造成较大功率缺额时，当一、二次调节动用完系统所有的热备用后，剩余的功率缺额将由负荷的功率/频率特性进行调节。此时，这部分功率缺额应该等于负荷因其特性调节所降低的量，因此有关系：Δf=ΔPh/KL=fNΔPh/(KL*

PLN)其中，ΔPh为功率缺额。2.3事故工况下电力系统频率动特性10• 在动态过程中，各节点的频率变化不完全一致。若忽略这种不一致，并不计负荷中机械转动部分的惯性，则可将系统等效成一台等值发电机组，其运动方程为：Txd

*/dt=PT*

PL*• 由上述关系并将基准值转换为额定频率时的总负荷PLN后可得：Tx(PGN/PLN)dΔf*/dt+KL*Δf*=

ΔPh*• 其中，Tf

=

(Tx/KL*)(PGN

/

PLN)为频率下降的时间常

数，约为4~10秒。2.4自动低频减载的工作原理11⒈最大功率缺额的确定‘⒉自动低频减载装置的动作顺序‘⒊每级切除负荷的限值ΔPLi

‘⒋后备段‘⒌自动低频减载装置的动作时延‘12最大功率缺额的确定•

设系统发生最严重事故时造成的最大可能功率缺额

为ΔPhmax（由预想事故分析所得），接至自动低频减载装置的最大可能的断开功率为ΔPLmax

。在事故情况下，为了尽可能地少切负荷（减少用户停电范围），因此没有必要全部消除功率缺额，即频率的恢复值fh可以适当低于fN（等事故完全消除后再

行恢复至fN），从而ΔPLmax<ΔPhmax

。由此可知L* *PLN

ΔPL

maxL

max13

K Δf

ΔP如下关系：

ΔPh

max

ΔPL

max

ΔPh

max

KL*

PLN

Δf*1

KL*Δf*14自动低频减载装置的动作顺序15•

为防止非最严重事故下切除过多的负荷，自动低

频减载装置可采取分批断开负荷并逐步修正负荷切除量的方法进行。自动低频减载装置在系统频率下降过程中，按照频率的不同数值将负荷切除分成多级，每级的动作频率由整定值确定。• ①第一级起动频率f1的确定‘• ②末级起动频率fn的确定‘• ③频率级差n=(f1

fn)/Δf+1

‘• 考虑的因素：事故初期及早切除一部门负荷可以

延缓频率下降（“不可太迟”）；必须充分利用旋转备用，而动用旋转备用需要一定时间（“不可太早”）。• f1=

48.5~49Hz 。16第一级起动频率f1的确定末级起动频率fN的确定• 考虑的因素：频率崩溃；电压崩溃；高温

高压火电厂，f<

46~46.5Hz时厂用电将不

能正常工作。（“不可太低”）• fn

46~46.5Hz17• n越大，每级断开的负荷量越小，这时装置切除的负荷量有可能接近实际功率缺额，因而具有较好的适应性。但也不是让n很大。一般地，级差的选择有两种原则。• 原则1：按选择性确定级差‘• 原则2：级差不强调选择性‘•前后两级动作的频率间隔：前后两级动作的时间

间隔是受频率测量元件的动作误差和开关固有跳闸时间限制的。18频率级差N的确定原则1：按选择性确定级差19•

该原则强调动作的顺序，后一级只有在前一

级动作以后还不能制止频率下降的情况下才允许动作。•

在留有适当的频差裕度Δfy后，频差应该满足

如下关系：Δf

=2Δf

+Δft+ΔfyΔf

2Δf

Δft

Δfy频率测量元件的最大误差频率对应于Δt时间内的频率变化，一般可取0.15Hz频率裕度，一般可取0.05Hz20由于电力系统运行方式和负荷水平是不固定的，针对电

力系统发生事故时功率缺额有很大分散性的特点，低频减载装

置遵循逐步试探求解的原则分级切除少量负荷，以求达到较佳

的控制效果。这就要求减小级差Δf，增加总的频率动作级数N，

同时相应地减少每级的切除功率，这样即使两轮无选择性起动，系统恢复频率也不会过高。在电力系统中，自动低频减载装置总是分设在各个地区变电所中，在系统频率下降的动态过程中，各母线电压的频率

并不一致，所以分散在各地的同一级低频减载装置，事实上也

有可能不同时起动。但是如果增加级数N，减小各级的切除负

荷功率，则两级间的选择性问题并不突出，所以近来的趋势是

采用增加级数N的方法。21原则2：级差不强调选择性22•

由于实际系统中运行方式和事故的不同，造成

功率缺额具有很大的分散性。若低频减载装置

采用试探法逐级求解，分级切除少量负荷，以达到比较好的效果。这时要求n较大，这就使得每级切除的负荷较少，即使两级间无选择性起动，也不会造成负荷切除量过大，因而频率恢复值不致于太高

。每级切除负荷的限值ΔPLi• 设额定条件（fN）下系统总负荷为PLN，第i级未动作前系统对应的稳态频率值为fi，相应的稳态频差为Δfi=

fN

fi，由

Δfi引起的因负荷调节效应而产生的功率为ΔPi-1，则：L*23Nfk

1ΔPi

1Δfi

KP

ΔPi

1LN

Lki

1其中，

ΔPLK

为装置前i-1级切除的负荷总量。将上式换算至以k

1PLN为基准值的标幺形式：i

1ΔPi

1

(1

ΔPLK

)KL

Δfi

k

1（1）每级切除负荷的限值ΔPLi（续）• 另外，设第i级动作切除ΔPLi的负荷后，系统频率的稳态值

将为fhi，那么，与此对应的因负荷调节效应而产生的功率ΔPhi*为：得：Li*ΔP

k

1 1

KL*Δfhi*i

1KL*

(1

ΔPLk*

)(Δfi*

Δfhi*

)• 一般地，希望各级切除的负荷功率小于按上式求出的值。k

1由于ΔPi-1*=ΔPLi*+ΔP

hi*，所以由（1）

（2）可i

1ΔPi

1

(1

ΔPLK

)KL

Δfi

ik

1ΔPhi

(1

ΔPLK

)KL

Δfhi

（1）（2）24• 若主段第i

级切除负荷后频率稳定在fi

上，

且fi

低于恢复频率的最低值，同时它又不足以使下一级动作。于是需要装有后备段，以使后备段动作切除相应负荷，从而使频率恢复到允许值范围内。25后备段后备段• 后备段的动作频率应不低于主段的第一级

起动频率，它在系统频率比较稳定时才动

作，因此其动作时限为系统时间常数Tf的2~3倍（一般为10~15秒）。后备段也分为若干级，各级之间以时限划分（各级间的时间差可不小于5秒），按照时间先后顺序分批切除负荷，一旦频率恢复到高于后备

段的返回频率，装置就停止切负荷。26自动低频减载装置的动作时延27•

原则上，动作应尽可能地快，以便延缓f

的下

降。然而，在事故期间可能的电压下降（f

不一定不满足要求）可能会引起装置误动作，这时人为设定一0.3~0.5秒的时间延迟以躲过可能的误

动作。第2节

自动低频减载28一、概述

二、电力系统频率静特性€

三、电力系统频率的动态特性€

四、自动低频减载的工作原理€五、自动低频减载的接线与运行⒈接线原理‘⒉运行中存在的问题‘f2EX2Δt2f1EX1Δt1fNEXNΔtNfD1EXD1ΔtD1fD2EXD2ΔtD2fDNEXDNΔtDNΔP1ΔP2ΔPNΔPD1ΔPD2ΔPDN接线原理

+

+ -++++-29装置误动作• 情形1：当地区变电所的某些操作造成短时间的供电中断时，该地区的旋转机组（如

同步电动机、同步调相机、异步电动机）

仍短时反馈输送功率，且维持一个不低地

电压水平，而频率急剧下降，引起低频减

载装置误动作。当该地区变电所很快恢复

供电时，用户已被错误地停电了。• 情形2：容量不大的系统中出现很大冲击负荷时，频率将瞬时下降，可能引起装置误

动作。30运行中存在的问题解决办法• 方法1：引入其它信号进行闭锁，但使装置复杂化。• 方法2：采用自动重合闸进行补救。当f 恢

复时（常恢复至fN），将被自动低频减载装置断开的用户按f

分批地进行自动重合闸。

若重合后频率又重新下降，则停止自动重

合闸。31运行中存在的问题• 自动低频减载的工作原理自动低频减载ED最大功率缺额

A的确定装置的动作顺序BC 频率级差的选择后备级的考虑每级切除负荷量限制32第3节

其它安全自动装置一、自动解列装置厂用电系统的解列‘系统的解列‘二、水轮机组低频自起动装置三、其它装置33厂用电系统的解列•对具有独立供电条件的厂用

电系统，当系统出现严重功率缺额并引起频率大幅下降时，可以考虑厂用电系统与主系统解列，解列后的厂用电系统由自身的供电设备供电，从而保证了电厂运行的可靠性。

34

B1DLJG G1# 2#G G3# 4#系统的解列35•

当某一子系统内发生的事故将会严重影响相邻子

系统的正常运行时，可以将事故子系统与其它子系统间的联系解列。在解列时，要注意解列点的选择，选择原则为：①解列后的各系统内部功率应尽量平衡，以防频

率、电压急剧变化。因此，解列点应选在有功功率、无功功率分点上或交换功率最小处。②适当考虑操作的方便性，要易于恢复，具有较好的远动通信条件。水轮机组低频自起动装置36• 利用了水轮机组起动迅速的特点。该装置由频率继电器测得系统频率，当频率低于整定值时动作并接通水轮机组的控制回路，当机组转速接近系统转速时，由自同期并列装置将机组并入电网。其它装置37⒈自动切机:自动装置自动断开某发电机组的断路器，完成预定的切机动作。⒉电气制动：发电机端装足够容量的并联电阻⒊快关汽门目前低频减载的研究现状38UFLS

（

Under

Frequency

Load

Shedding)•传统的低频减载控制设计通常采用对单机带集中

负荷的简化系统模型进行静态分析的方法，忽略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。在设计过程中，往往以频率值和相应延时作为负荷切除的判断标准；并按照最大可预见的扰动量来确定各级频率切除点对应的负荷切除量。目前低频减载的研究现状39• 在实际系统运行中，系统的参数是实时变化的，且因系统中各种动态元件的多样化，这种依据等值静态模型进行离线设计的方案难以反映实际系统的动态响应和控制需求。另外，依据最大可预见的扰动量进行设计所得到的方案在实际的运行控制中往往造成负荷过切，增加了用户停电损失。因此，这种传统设计方式在使方案设计获得了相当简易性、方便性的同时，也在很大程度上降低了方案的经济性、甚至有效性。目前低频减载的研究现状•

半个世纪以来，低频减载方案研究主要可

分为静止的UFLS方案和动态的UFLS

方案。•

静止的UFLS

方案---传统的基于频率值和既

定延时的设计方案•

动态的UFLS

方案---动态地根据频率下降速

率大小确定相应级减载量的自适应UFLS

方

案。40目前低频减载的研究现状41•静止法是基于简化的系统模型、操作员经验以及

系统仿真整定而得，在不同扰动情况下均采用相同的减载方案进行紧急控制，其结果往往造成切负荷过量或不足，其缺点显而易见。• 动态法则自适应地根据系统频率下降速率大小确定切负荷量，大大提高了方案的精确性、灵活性和优化性。然而，动态法在紧急事故状态下的收敛性仍有待提高。并由于前期的动态整定法仍然

停留于半离线水平，限制了其方案有效性的提

高。低频减载的优化研究及其进展• 随着计算技术的发展和应用，越来越多的高级算法被引入电力系统研究和应用领域，如利用神经网络模型、遗传算法、模糊理论等算法具有计算速度快、自学能力