電力系統(tǒng)自動低頻減負荷裝置設計（2）基本參數：某電廠采用雙回線輸送電能，滿負荷運行。當其中一條線路故障后，加重另一條線路負擔，為盡可能保持系統(tǒng)供電經濟性與可靠性，切除部分發(fā)電機組，并投入自動低頻減負荷裝置。1發(fā)電廠共6臺機組，每臺50萬千瓦；2切除一條線路后，線路傳輸功率為原來的80%。3負荷調節(jié)效應系數為24切除部分機組并投入低頻減載裝置后，要求系統(tǒng)頻率恢復到48.5Hz設計要求闡述自動減負荷裝置作用。闡述自動減負荷裝置原理及構成。整定計算。確定切除幾臺發(fā)電機組不投自動減負荷裝置，發(fā)電機組切除后系統(tǒng)頻率是多少？投入自動減負荷裝置的負荷總功率。確定自動減負荷級數，及各級動作頻率。確定每級最佳切除負荷大小。利用單片機（或PLC等）實現對接入低頻減負荷裝置負荷的控制。對結果進行分析總結。1、布置任務，查閱資料，理解掌握自動低頻減負荷原理及要求。（1天）2、設計自動低頻減負荷裝置。（1天）3、確定切除發(fā)電機組，確定投入自動減負荷裝置的負荷總功率。（1天）4、確定自動減負荷級數，及各級動作頻率。（1天）5、確定每級最佳切除負荷大小，驗證結果的正確性。（1天）6、利用單片機（或PLC等）實現對接入低頻減負荷裝置負荷的實時控制。（3天）7、對結果進行分析總結。（1天）8、撰寫、打印設計說明書（1天）摘要隨著電力系統(tǒng)快速發(fā)展，以往的模擬式的低頻減載裝置由于測量精度差，特別是當系統(tǒng)正常運行中電壓下降或者頻率瞬時變化較大時可能會誤動作，并且整定不方便，更不能組網，已不能滿足新的要求。電力系統(tǒng)自動低頻減載是一種反事故措施，在電力系統(tǒng)發(fā)生嚴重事故時，系統(tǒng)的有功將嚴重缺額，電力系統(tǒng)的頻率會很快下降，為保證電力系統(tǒng)不至于頻率崩潰，必須采取快速明確的措施，必要時按頻率下降進行負荷的切除。本文通過對低頻減負荷裝置的原理與技術要求的闡述，確定整定方案和控制方式，并進行了運行分析與整定計算。通過電力系統(tǒng)的靜態(tài)頻率特性與動態(tài)頻率特性的分析計算，確定了符合要求的實驗裝置。關鍵詞：低頻減載；整定計算；頻率特性；目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 11.1電力系統(tǒng)自動低頻減負荷裝置概況 11.2本文主要內容 2第2章自動低頻減負荷裝置原理與構成 32.1自動低頻減負荷裝置工作原理 32.2低頻減載方案整定的內容和要求 42.3低頻減載方案整定的主要原則 42.4低頻減載裝置的控制方式及其要求 5第3章自動低頻減負荷裝置的整定計算 63.1整定計算的基本內容和目的 63.2自動低頻減負荷裝置的整定原則 73.3自動減負荷運行分析 73.4自動減負荷整定計算 9第4章電力系統(tǒng)的頻率特性分析 114.1電力系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性 114.2電力系統(tǒng)動態(tài)頻率特性 12第5章課程設計總結 15參考文獻 16緒論電力系統(tǒng)自動低頻減負荷裝置概況電力系統(tǒng)的頻率反映了發(fā)電機組所發(fā)出的有功功率與負荷所需有功功率之間的平衡情況。正常情況下，對于計劃外負荷所引起的頻率波動，系統(tǒng)動用發(fā)電廠的熱備用容量，即系統(tǒng)運行中的發(fā)電機容量就足以滿足用戶要求。當電廠發(fā)出的有功功率不滿足用戶要求而出現差額時，系統(tǒng)頻率就會下降；但當電力系統(tǒng)發(fā)生較大事故時，系統(tǒng)出現嚴重的功率缺額，其缺額值超出了正常熱備用可以調節(jié)的能力，即使系統(tǒng)中所有發(fā)電機組都發(fā)出其設備可能勝任的最大功率，仍不能滿足負荷功率的需要。這時由于功率缺額所引起的系統(tǒng)頻率的下降，將遠遠超過安全運行所允許的范圍，在這種情況下從保證系統(tǒng)安全運行的角度出發(fā)，切除部份負荷，以使系統(tǒng)頻率恢復到可以安全運行的水平以內。為了保證對重要用戶的正常供電，不得不采取應急措施，電力系統(tǒng)在出現功率缺額事故時(例如聯絡線跳開).電網的頻率將要下降。如不及時制止這種下降的趨勢,并使其逐步回升,那么電網將發(fā)生崩潰,大面積停電。低頻自動減負荷裝置就是為了確保電力系統(tǒng)安全、有效防止大面積停電事故的一項安全措施，是防止電力系統(tǒng)發(fā)生頻率崩潰的系統(tǒng)保護。對于電力系統(tǒng)來說，安全和穩(wěn)定是電力系統(tǒng)正常運行所不可缺少的最基本條件。所謂安全，是指運行中的所有電力設備必須在不超過它們允許的電流、電壓和頻率的幅值和時間限額內運行。所謂穩(wěn)定，是指電力系統(tǒng)可以連續(xù)向負荷正常供電的狀態(tài)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定是電網安全運行的關鍵，一旦遭到破壞，必將造成巨大的經濟損失和災難性的后果。在電力系統(tǒng)遠距離輸電容量不斷增加、輸電網絡重載問題日益突出的情況下，電力系統(tǒng)在暫態(tài)穩(wěn)定之后的長過程動態(tài)穩(wěn)定性將逐步成為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的主要問題，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。近幾十年以來，世界各地的多次大停電都是由于長過程功率不平衡惡性發(fā)展的結果。因此，分析電力系統(tǒng)的長期過程動態(tài)穩(wěn)定性問題，避免發(fā)生大面積停電事故(如1996年美國西部聯合電網發(fā)生的兩次大面積停電事故，2003年8月14日美國大停電事故)，以及研究防止事故擴大的有效措施(即第3道防線)，必將成為電力系統(tǒng)計算分析的一項重要內容。在我國電網迅速發(fā)展和電力系統(tǒng)廠網分開體制改革的進一步深化的同時，也帶來了發(fā)生大面積停電的可能性。長期穩(wěn)定分析假定發(fā)電機之間的同步功率振蕩已經被阻尼，并具有統(tǒng)一的系統(tǒng)頻率，集中研究的是伴隨大規(guī)模的系統(tǒng)擾動而產生的較慢和長期的現象，以及所造成的大的持續(xù)的發(fā)電和用電消耗有功功率和無功功率的不平衡問題。長期穩(wěn)定分析有利于對低頻減載實施情況和策略進行評估。本文主要內容微機低頻減載裝置代替常規(guī)的低頻減載裝置是必然的趨勢。近年來，不少研究單位和廠家研究開發(fā)了不同類型的微機低頻減載裝置，有些采用專用的低頻減載裝置，有些是作為綜合自動化系統(tǒng)的一個獨立模塊，但是，他們存在如下幾點不足：(1)閉鎖條件不盡完善；(2)存在多切負荷的現象：(3)尚不能完全滿足變電站綜合自動化建設的需要。針對上述現象，本文以某電廠采用雙回線輸送電能，滿負荷運行。當其中一條線路故障后，加重另一條線路負擔，為盡可能保持系統(tǒng)供電經濟性與可靠性，切除部分發(fā)電機組，并投入自動低頻減負荷裝置為例，設計了一種新型的微機自動，低頻減負荷裝置，該裝置具有以下特點：(1)采用新的測頻方法，提高了測頻精確度，可防止超調和懸?，F象；(2)改善了閉鎖條件，在變電站的饋電線路故障或變壓器跳閘造成失壓時，裝置不誤動，電力系統(tǒng)低頻振蕩或受諧波干擾時，不誤動；(3)增加了遠方控制和當地整定的功能：(4)為了配合無人值班變電站，增加了重合閘功能：(5)提高了微機裝置的故障自診斷能力，從而提高了裝置的可靠性。自動低頻減負荷裝置原理與構成自動低頻減負荷裝置工作原理自動低頻減負荷(ZDPJ)的基本原理可以用圖來說明。設系統(tǒng)故障前頻率為fe當系統(tǒng)因障圖2-1自動低頻減負荷基本原理圖出現有功缺額時，如果缺額較小，且系統(tǒng)內有足夠的旋轉備用容量，在系統(tǒng)頻率經過一個短時間下降之后，隨著旋轉備用容量作用的發(fā)揮，會重新恢復到故障后，隨著旋轉備用容量作用的發(fā)揮，會重新恢復到故障前的的水平，頻率f隨時間T變化如圖曲線1所示。在這種情況下，ZDPJ不動作。如果有功缺額較大，而且系統(tǒng)中備用容量又比較少或沒有時，系統(tǒng)頻率就會比較快地下降，如圖曲線2所示。在這種情況下．當系統(tǒng)頻率f下降到ZDPJ的第一級(輪)動作頻率f1時，ZDPJ裝置動．作，自動地切除一部分不重要的負荷，以使f回開到允許較長時間運行的頻率值(以下簡稱允許頻率值)。如果ZDPJ裝置切除的負荷功率正好等于故障失去的電源功率，f就會恢復到額定值，如圖曲線3所示。如果ZDPJ裝置切除的負荷功率比較少，系統(tǒng)頻率就有可能繼續(xù)下降，如圖曲線4所示。當f降低到ZDPJ的第二級動作頻率f2時，則ZDPJ裝置動作，再切除一部分重要的負荷。如果ZDPJ的第二級切除的負荷比較大，f可能上升，如圖曲線5所示。如果第二級切除的負荷功率比較小．系統(tǒng)頻率f則有可能繼續(xù)下降。當f下降到ZDPJ的第三級動作頻率時，ZDPJ裝置就再切除’—部分更比較重要的負荷。如果頻率一直下降，ZDPJ就一直切負荷，直到使系統(tǒng)頻率恢復到允許頻率值為止。自動低頗減負荷必須經過嚴格的整定計算，一般經過ZDPJ動作五級(輪)之后，就合使系統(tǒng)頻率恢復到允許頻率值。電力系統(tǒng)自動低頻減負荷裝置切除負荷時，系統(tǒng)頻率變化情況是比較復雜的，常出現這樣的情況：在某一級切除負荷之后，領率不再下降了，不能使ZDPJ繼續(xù)切除負荷，而頻率又恢復不到允許值。出現這樣情況是系統(tǒng)運行歷不能允許的。為此ZDPJ裝置中設有特殊級，在出現上述情況時特殊級動作，使系統(tǒng)頻率恢復到允許值。與特殊級相對應，將前面所介紹的各級稱為基本級。特殊級也稱為后備級。低頻減載方案整定的內容和要求當系統(tǒng)發(fā)生嚴重功率缺額時，低頻減載裝置中的低頻繼電器向斷路器發(fā)送斷開信號，通過斷路器迅速斷開相應數量的負荷，使系統(tǒng)頻率在不低于某一允許值的情況下，達到有功功率的平衡，防止事故的進一步擴大。UFLS方案的整定包括對基本輪和特殊輪各輪頻率定值、延時、功率切除量的確定?；据喌娜蝿站褪窃诓贿^切的情況下盡快制止頻率下降，盡可能的使頻率恢復到接近正常頻率?；据啈焖賱幼鳎瑸榱朔乐乖谙到y(tǒng)振蕩或電壓急劇下降時誤動作，一般可帶0.2～0.5s的時限?；据喴话惆搭l率等距分級，每級切負荷量分別確定；特殊輪的任務是在防止基本輪動作后，避免頻率長時間懸停在某一不允許的較低值或防止頻率緩慢降低，特殊輪經一定時延動作，使頻率值盡快恢復至49.5～50Hz。特殊輪通常按時間分級。一個好的UFLS方案應能滿足下列要求:（1）在各種運行條件和過負荷條件下均能有效防止系統(tǒng)頻率下降到危險點以下；（2）在較短時間內使頻率恢復到正常值，不出現超調或懸停；（3）切除的總負荷盡可能??；（4）整個UFLS方案的投資費用盡可能低。低頻減載方案整定的主要原則低頻減載的方案應該根據電源的建設和負荷的快速增長適時重新進行整定。為了積累經驗，需要做好每次重大有功功率缺額事件或事故后的總結分析。整定時需要按照以下原則:（1)總體要求是使系統(tǒng)能在各種運行方式和可能發(fā)生的最大功率缺額的情況下通過切除一定量的負荷有效地防止系統(tǒng)頻率下降至危險點，使故障后的系統(tǒng)能夠快速恢復至額定頻率，也不使事故后的系統(tǒng)頻率長期懸浮于某一過高/過低值，不致釀成大型發(fā)電機組解列的惡性循環(huán)事故，嚴防保留后的系統(tǒng)發(fā)生頻率崩潰。同時，盡量使所切除的負荷數量應盡可能最少。(2)合理選擇頻率級差、輪數和延時，保證低頻減載裝置動作的選擇性從盡量減少過切和抑制頻率恢復時的頻率超調著眼，低頻減載裝置的各輪間頻率起動值(級差)以略大為好，同時增加輪數，減少每輪所切負荷數量，特別是對前幾輪，最好采用動作值穩(wěn)定，返回值高，動作與返回快速的數字式頻率繼電器作起動元件，并盡可能動作于切除高壓斷路器。(3)基本輪中首、末級動作頻率的選擇當發(fā)生嚴重有功功率缺額時。為了使系統(tǒng)頻率不致降低到過低的數值，低頻減載裝置的最高一輪整定頻率不宜過低。但是由于機組可以長時間運行于49.5Hz以上，第一輪低頻起動值應當低于49.5Hz。同時希望，當發(fā)生一定有功功率缺額，而依靠系統(tǒng)的備用容量可以將頻率恢復到49.5Hz及以上時，則頻率下降的全過程中，不應使低頻減載裝置動作。低頻減載裝置的首輪動作頻率值的確定必須考慮兩個因素:既要考慮有利于抑制嚴重功率缺額下頻率的下降深度（從這個角度看首輪動作頻率越高越好)，又要有利于充分利用系統(tǒng)的旋轉備用容量（從這個角度分析首輪動作頻率越低越好)，所以，首輪動作頻率的整定值的確定需要協(xié)調好這兩者之間的關系。一般第一輪低頻整定值以49.1～49.2為宜。低頻減載裝置的控制方式及其要求(1)低頻減載裝置的控制方式目前，低頻減載的控制方式大體有兩種①把低頻減載的控制分散設在每回饋電線路的保護裝置中?，F在的微機保護裝置幾乎都是面向對象設置的，每回線路配一套保護裝置，在線路保護裝置中，增加一個測頻環(huán)節(jié)，就可以實現低頻減載的控制功能了。②采用專用的低頻減載裝置，將全部饋電線路分為基本輪和特殊輪，然后根據系統(tǒng)頻率下降的情況去切除負荷。(2)低頻減載裝置應滿足的要求①切負荷的動作要快，要在系統(tǒng)運行的危險情況出現前抑制頻率的下降。②應有防止低頻減載裝置誤動的措施低頻減載裝置應具有時限閉鎖、低電壓、低電流、雙頻率繼電器串聯閉鎖和滑差閉鎖功能。低頻繼電器應能調整閉鎖級頻率定值。自動低頻減負荷裝置的整定計算整定計算的基本內容和目的自動低頻減負荷裝置配置整定的基本要求3.23.3圖3.1負荷功率與頻率的關系圖3.2頻率選擇性級差示意圖1、確定第一級動作頻率f第一級超級動頻率取行高一些，自動低頻率負荷的效果會好一些，但是這樣有可能在系統(tǒng)頻率暫時下降而備用容量尚未來得及發(fā)揮作用之前就把一部分切掉。一般第一級動作頻率整定在48.5HZ～49.0HZ。在以水電廠為主的電力系統(tǒng)中。由于水輪發(fā)電機組的調速控制系統(tǒng)動較慢，第一級動作頻率應取低些。因此f取48.5HZ.2、確定頻率級差fn對于高溫高壓火電廠，在頻率低于46HZ~46.5HZ時，電廠已不能正常工作。當頻率低于45HZ時就有出現“電壓雪崩”的危險，因此末級動作頻率以不低于46HZ~46.5HZ為宜。因此，取0.5。確定切除負荷的級數圖3.3統(tǒng)故障前負荷的頻率特性為曲線確定PJH可用圖3.3說明。設系統(tǒng)故障前負荷的頻率特性為曲線PLI，f=fe，負荷功率PL等于PLE。當系統(tǒng)出現Pqe時，如果ZDPJ不動作，系統(tǒng)的頻率會穩(wěn)定在f無窮；如果切除的負荷功率等于Pqe則系統(tǒng)的頻率要求ZDPJ裝置動作使系統(tǒng)頻率恢復到fe，只要恢復到允許頻率fy即可。3.4自動減負荷整定計算首先確定動作級數N當確定延時t為了盡快制止頻率下降，在系統(tǒng)頻率下降到ZDPJ裝置的動作值時應盡快切除負荷。但是考慮到電力系統(tǒng)電壓急劇下降期間有可能引起頻率電器誤動作，造成誤切負荷，所以在ADPJ裝置的基本級中增加了一個延時t以躲過暫態(tài)過程可能出現的誤動作。t-般取0.5s以下。引起頻率繼電器誤動作的原因有多種。如地區(qū)變電站中的某些操作可能造成供電電源短時中斷，但是一些重要負荷（如某些同步發(fā)電機、電步電動機和異步電動機）并不立即跳開，它們仍然接在變電站的母線上當電壓恢復之后這些旋轉機械又隨之升速在這饋到變電站的母線上，使得母線電壓具有一定的水平，而頻率卻很低。又如當電力系統(tǒng)容量不大，系統(tǒng)中又有很大的沖擊負荷時，系統(tǒng)頻率也會出現瞬時下跌現象。出現上述情況時如不加延時就會引起ZDPJ裝置誤動作，也可能采用一些閉鎖措施防止誤動作。電力系統(tǒng)的頻率特性分析電力系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性電力系統(tǒng)頻率特性分為靜態(tài)頻率特性和動態(tài)頻率特性。靜態(tài)頻率特性是指穩(wěn)定狀態(tài)下功率和頻率之間的關系。電力系統(tǒng)動態(tài)頻率特性是指有功功率平衡遭到破壞而引起的頻率變化，頻率從正常狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定值所經歷的時間過程。電力系統(tǒng)的靜態(tài)頻率特性取決于發(fā)電機的靜態(tài)頻率特性和負荷的靜態(tài)頻率特性。發(fā)電機的靜態(tài)頻率特性是指隨著頻率的升和降，發(fā)電機組發(fā)出功率減少和增加的多少，也稱之為發(fā)電機單位調節(jié)功率，與發(fā)電機組的調差系數有著固定的關系。表達式為:（4-1）式中:為額定頻率;為額定頻率時的機組出力;為頻率偏移量;凡為時的機組出力變化量;表示發(fā)電機組的調差系數。電力系統(tǒng)的負荷靜態(tài)頻率特性是指隨著頻率的上升和下降，負荷消耗功率的增加或者減少的多少。表達式為:（4-2）式中:為時的負荷功率變化量;為系統(tǒng)頻率為時，整個系統(tǒng)的有功負荷。負荷頻率調節(jié)系數與系統(tǒng)參數、運行方式、負荷分布以及負荷組成有密切的關系，一般根據經驗給出。電力系統(tǒng)靜態(tài)頻率特性的物理意義為電力系統(tǒng)發(fā)生功率缺額時與所發(fā)生的最大頻率偏差(功率缺額引起的穩(wěn)態(tài)頻率與缺額前的頻率之間的差值)的比值，是系統(tǒng)發(fā)電機組和系統(tǒng)負荷共同作用的結果，其表達式為:(4-3)或者(4-4)式中為發(fā)生功率缺額前的總負荷;為發(fā)生功率缺額前的系統(tǒng)頻率。電力系統(tǒng)動態(tài)頻率特性電力系統(tǒng)動態(tài)頻率特性是指系統(tǒng)由于有功功率平衡遭到破壞而引起系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，頻率從正常狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定值所經歷的時間過程。下面用分段法分析頻率的動態(tài)變化過程。系統(tǒng)出現電源斷開至低頻減載裝置第一輪動作切除負荷為止，稱為第一段時間，之后將上一輪切負荷結束至下一輪切負荷結束的時間，分別稱為第二段時間、第三段時間、…。每段時間開始時刻記為，中止時間記為。下面分析某段開始時刻的頻率變化率。發(fā)電機轉子運動方程的頻率變化值為(4-5)(4-6)(4-7)(4-8)其中為每次事故(系統(tǒng)出現電源斷開或低頻減載裝置動作切除負荷這兩種情況皆稱為事故)后剩余系統(tǒng)的負荷在頻率為時的有功功率標么值(基準值為剩余系統(tǒng)的電源有功功率)。設該段的初始頻率為，根據相關公式能求得在該段的初始階段。因此該段開始時刻的頻率變化率為:(4-9)其中為該段剩余系統(tǒng)的電源有功功率，為該段剩余系統(tǒng)在額定頻率下的負荷有功功率。當切除的負荷為單一負荷將,,,分別帶入式(4-9)中，并令，其中下標r=0，1，2，3。代表,,,所對應的在該段初始頻率點的頻率變化率。不難證得。在任意一段的頻率響應曲線，因頻率變化不大，時間也很短，可以根據歐拉法，將第b段曲線用折線來代替，直線的斜率為該段開始的頻率變化率。當時，該段的頻率響應曲線如圖4-1。由圖4-1可見，在頻率下降階段，頻率變化率越大，抑制頻率下降的效果越好。圖4-1負荷的頻率響應曲線當0時，該段的頻率響應曲線如圖4-2。由圖4-2可見，在頻率恢復階段，頻率變化率越大，能使頻率恢復的越快。圖4-2負荷的頻率變化曲線當切除的負荷為綜合負荷時將”,”分別代入(4-7)式，同理可得:”>”。其它