第六章電力系統(tǒng)自動低頻減載及其它安全自動控制裝置第1節(jié) 概 述B系統(tǒng)A電廠裝置的主要任務(wù)—當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些故障時，按照預(yù)定的控制準(zhǔn)則迅速作出反應(yīng)，采取必要措施避免事故擴大。12事故情況

當(dāng)電廠A發(fā)生故障

一回線發(fā)生三相短路

迅速切除系統(tǒng)B的部分負(fù)荷

迅速減少輸送功率措施調(diào)度人員2系統(tǒng)規(guī)模擴大事故嚴(yán)重性擴大a、故障則系統(tǒng)減少PA。若備用不足必須切負(fù)荷。b、若故障切除，則還有暫穩(wěn)極限問題。第1節(jié)概

述3第1節(jié)

概述? 電力系統(tǒng)事故通常具有的特點：–

局部性–

擴散性–

災(zāi)難性–

快速性?

安全自動裝置的主要任務(wù)

：

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些故障時，能夠按照預(yù)定的控制準(zhǔn)則迅速作出反應(yīng)，并采取必要的措施避免事故擴大。4第1節(jié)

概述水輪機低頻自啟自動解列裝置自動低安全裝置自動化安全性保證自動切機電氣制動頻減載5二、電力系統(tǒng)安全裝置的種類第2節(jié)

自動低頻減載6一、概述二、事故工況下電力系統(tǒng)頻率靜特性

三、事故工況下電力系統(tǒng)頻率動態(tài)特性四、自動低頻減載的工作原理

五、自動低頻減載的接線與運行2.1事故情況下的頻率調(diào)節(jié)7?在正常情況下，計劃外負(fù)荷引起的頻率波動由一、二次調(diào)

節(jié)動用系統(tǒng)的熱備用后可以恢復(fù)到正常值；在事故情況下，功率缺額可能很大，這時光靠一、二次調(diào)節(jié)動用系統(tǒng)的熱備用還遠(yuǎn)不足以彌補功率缺額，因此有必要采取適當(dāng)措施使功率缺額減少，從而使系統(tǒng)的頻率波動不致于超出允許值。這其中，自動低頻減載裝置就是主要措施之一。?自動低頻減載裝置在系統(tǒng)頻率下降到一定值時迅速作出反

應(yīng)，切除一部分不重要負(fù)荷，抑制系統(tǒng)頻率的進(jìn)一步下

降。電壓崩潰汽輪機長時期低于頻率49～49.5Hz以下運行時，葉片容

易產(chǎn)生裂紋，當(dāng)頻

率低到

45Hz

附近

時，個別級的葉片

可能發(fā)生共振而引

起斷裂事故。當(dāng)頻率下降到

47

～

48Hz

時，火電廠的廠用機械的出力將

顯著降低，使鍋爐

出力減少，導(dǎo)致發(fā)

電廠輸出功率進(jìn)一

步減少，致使功率

缺額更為嚴(yán)重。從

而造成所謂“頻率崩

潰”現(xiàn)象

。當(dāng)頻率降低時，勵

磁機、發(fā)電機等的

轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，加

劇了系統(tǒng)無功不足

情況，使系統(tǒng)電壓

水平下降，系統(tǒng)電

壓水平受到嚴(yán)重影

響，

當(dāng)某些中樞點

電壓低于某一臨界

值時，將出現(xiàn)所謂

“電壓崩潰”現(xiàn)象，8? 一、低頻運行的后果對汽機的影響 頻率崩潰頻率過低可能造成的不良后果2.2事故工況下電力系統(tǒng)頻率靜特性9在事故造成較大功率缺額時，當(dāng)一、二次調(diào)節(jié)動用完系統(tǒng)所有的熱備用后，剩余的功率缺額將由負(fù)荷的功率/頻率特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時，這部分功率缺額應(yīng)該等于負(fù)荷因其特性調(diào)節(jié)所降低的量，因此有關(guān)系：Δf=ΔPh/KL=fNΔPh/(KL*

PLN)其中，ΔPh為功率缺額。2.3事故工況下電力系統(tǒng)頻率動特性10? 在動態(tài)過程中，各節(jié)點的頻率變化不完全一致。若忽略這種不一致，并不計負(fù)荷中機械轉(zhuǎn)動部分的慣性，則可將系統(tǒng)等效成一臺等值發(fā)電機組，其運動方程為：Txd

*/dt=PT*

PL*? 由上述關(guān)系并將基準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換為額定頻率時的總負(fù)荷PLN后可得：Tx(PGN/PLN)dΔf*/dt+KL*Δf*=

ΔPh*? 其中，Tf

=

(Tx/KL*)(PGN

/

PLN)為頻率下降的時間常

數(shù)，約為4~10秒。2.4自動低頻減載的工作原理11⒈最大功率缺額的確定‘⒉自動低頻減載裝置的動作順序‘⒊每級切除負(fù)荷的限值ΔPLi

‘⒋后備段‘⒌自動低頻減載裝置的動作時延‘12最大功率缺額的確定?

設(shè)系統(tǒng)發(fā)生最嚴(yán)重事故時造成的最大可能功率缺額

為ΔPhmax（由預(yù)想事故分析所得），接至自動低頻減載裝置的最大可能的斷開功率為ΔPLmax

。在事故情況下，為了盡可能地少切負(fù)荷（減少用戶停電范圍），因此沒有必要全部消除功率缺額，即頻率的恢復(fù)值fh可以適當(dāng)?shù)陀趂N（等事故完全消除后再

行恢復(fù)至fN），從而ΔPLmax<ΔPhmax

。由此可知L* *PLN

ΔPL

maxL

max13

K Δf

ΔP如下關(guān)系：

ΔPh

max

ΔPL

max

ΔPh

max

KL*

PLN

Δf*1

KL*Δf*14自動低頻減載裝置的動作順序15?

為防止非最嚴(yán)重事故下切除過多的負(fù)荷，自動低

頻減載裝置可采取分批斷開負(fù)荷并逐步修正負(fù)荷切除量的方法進(jìn)行。自動低頻減載裝置在系統(tǒng)頻率下降過程中，按照頻率的不同數(shù)值將負(fù)荷切除分成多級，每級的動作頻率由整定值確定。? ①第一級起動頻率f1的確定‘? ②末級起動頻率fn的確定‘? ③頻率級差n=(f1

fn)/Δf+1

‘? 考慮的因素：事故初期及早切除一部門負(fù)荷可以

延緩頻率下降（“不可太遲”）；必須充分利用旋轉(zhuǎn)備用，而動用旋轉(zhuǎn)備用需要一定時間（“不可太早”）。? f1=

48.5~49Hz 。16第一級起動頻率f1的確定末級起動頻率fN的確定? 考慮的因素：頻率崩潰；電壓崩潰；高溫

高壓火電廠，f<

46~46.5Hz時廠用電將不

能正常工作。（“不可太低”）? fn

46~46.5Hz17? n越大，每級斷開的負(fù)荷量越小，這時裝置切除的負(fù)荷量有可能接近實際功率缺額，因而具有較好的適應(yīng)性。但也不是讓n很大。一般地，級差的選擇有兩種原則。? 原則1：按選擇性確定級差‘? 原則2：級差不強調(diào)選擇性‘?前后兩級動作的頻率間隔：前后兩級動作的時間

間隔是受頻率測量元件的動作誤差和開關(guān)固有跳閘時間限制的。18頻率級差N的確定原則1：按選擇性確定級差19?

該原則強調(diào)動作的順序，后一級只有在前一

級動作以后還不能制止頻率下降的情況下才允許動作。?

在留有適當(dāng)?shù)念l差裕度Δfy后，頻差應(yīng)該滿足

如下關(guān)系：Δf

=2Δf

+Δft+ΔfyΔf

2Δf

Δft

Δfy頻率測量元件的最大誤差頻率對應(yīng)于Δt時間內(nèi)的頻率變化，一般可取0.15Hz頻率裕度，一般可取0.05Hz20由于電力系統(tǒng)運行方式和負(fù)荷水平是不固定的，針對電

力系統(tǒng)發(fā)生事故時功率缺額有很大分散性的特點，低頻減載裝

置遵循逐步試探求解的原則分級切除少量負(fù)荷，以求達(dá)到較佳

的控制效果。這就要求減小級差Δf，增加總的頻率動作級數(shù)N，

同時相應(yīng)地減少每級的切除功率，這樣即使兩輪無選擇性起動，系統(tǒng)恢復(fù)頻率也不會過高。在電力系統(tǒng)中，自動低頻減載裝置總是分設(shè)在各個地區(qū)變電所中，在系統(tǒng)頻率下降的動態(tài)過程中，各母線電壓的頻率

并不一致，所以分散在各地的同一級低頻減載裝置，事實上也

有可能不同時起動。但是如果增加級數(shù)N，減小各級的切除負(fù)

荷功率，則兩級間的選擇性問題并不突出，所以近來的趨勢是

采用增加級數(shù)N的方法。21原則2：級差不強調(diào)選擇性22?

由于實際系統(tǒng)中運行方式和事故的不同，造成

功率缺額具有很大的分散性。若低頻減載裝置

采用試探法逐級求解，分級切除少量負(fù)荷，以達(dá)到比較好的效果。這時要求n較大，這就使得每級切除的負(fù)荷較少，即使兩級間無選擇性起動，也不會造成負(fù)荷切除量過大，因而頻率恢復(fù)值不致于太高

。每級切除負(fù)荷的限值ΔPLi? 設(shè)額定條件（fN）下系統(tǒng)總負(fù)荷為PLN，第i級未動作前系統(tǒng)對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)頻率值為fi，相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)頻差為Δfi=

fN

fi，由

Δfi引起的因負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)而產(chǎn)生的功率為ΔPi-1，則：L*23Nfk

1ΔPi

1Δfi

KP

ΔPi

1LN

Lki

1其中，

ΔPLK

為裝置前i-1級切除的負(fù)荷總量。將上式換算至以k

1PLN為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺形式：i

1ΔPi

1

(1

ΔPLK

)KL

Δfi

k

1（1）每級切除負(fù)荷的限值ΔPLi（續(xù)）? 另外，設(shè)第i級動作切除ΔPLi的負(fù)荷后，系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)值

將為fhi，那么，與此對應(yīng)的因負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)而產(chǎn)生的功率ΔPhi*為：得：Li*ΔP

k

1 1

KL*Δfhi*i

1KL*

(1

ΔPLk*

)(Δfi*

Δfhi*

)? 一般地，希望各級切除的負(fù)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

級切除負(fù)荷后頻率穩(wěn)定在fi

上，

且fi

低于恢復(fù)頻率的最低值，同時它又不足以使下一級動作。于是需要裝有后備段，以使后備段動作切除相應(yīng)負(fù)荷，從而使頻率恢復(fù)到允許值范圍內(nèi)。25后備段后備段? 后備段的動作頻率應(yīng)不低于主段的第一級

起動頻率，它在系統(tǒng)頻率比較穩(wěn)定時才動

作，因此其動作時限為系統(tǒng)時間常數(shù)Tf的2~3倍（一般為10~15秒）。后備段也分為若干級，各級之間以時限劃分（各級間的時間差可不小于5秒），按照時間先后順序分批切除負(fù)荷，一旦頻率恢復(fù)到高于后備

段的返回頻率，裝置就停止切負(fù)荷。26自動低頻減載裝置的動作時延27?

原則上，動作應(yīng)盡可能地快，以便延緩f

的下

降。然而，在事故期間可能的電壓下降（f

不一定不滿足要求）可能會引起裝置誤動作，這時人為設(shè)定一0.3~0.5秒的時間延遲以躲過可能的誤

動作。第2節(jié)

自動低頻減載28一、概述

二、電力系統(tǒng)頻率靜特性€

三、電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性€

四、自動低頻減載的工作原理€五、自動低頻減載的接線與運行⒈接線原理‘⒉運行中存在的問題‘f2EX2Δt2f1EX1Δt1fNEXNΔtNfD1EXD1ΔtD1fD2EXD2ΔtD2fDNEXDNΔtDNΔP1ΔP2ΔPNΔPD1ΔPD2ΔPDN接線原理

+

+ -++++-29裝置誤動作? 情形1：當(dāng)?shù)貐^(qū)變電所的某些操作造成短時間的供電中斷時，該地區(qū)的旋轉(zhuǎn)機組（如

同步電動機、同步調(diào)相機、異步電動機）

仍短時反饋輸送功率，且維持一個不低地

電壓水平，而頻率急劇下降，引起低頻減

載裝置誤動作。當(dāng)該地區(qū)變電所很快恢復(fù)

供電時，用戶已被錯誤地停電了。? 情形2：容量不大的系統(tǒng)中出現(xiàn)很大沖擊負(fù)荷時，頻率將瞬時下降，可能引起裝置誤

動作。30運行中存在的問題解決辦法? 方法1：引入其它信號進(jìn)行閉鎖，但使裝置復(fù)雜化。? 方法2：采用自動重合閘進(jìn)行補救。當(dāng)f 恢

復(fù)時（?；謴?fù)至fN），將被自動低頻減載裝置斷開的用戶按f

分批地進(jìn)行自動重合閘。

若重合后頻率又重新下降，則停止自動重

合閘。31運行中存在的問題? 自動低頻減載的工作原理自動低頻減載ED最大功率缺額

A的確定裝置的動作順序BC 頻率級差的選擇后備級的考慮每級切除負(fù)荷量限制32第3節(jié)

其它安全自動裝置一、自動解列裝置廠用電系統(tǒng)的解列‘系統(tǒng)的解列‘二、水輪機組低頻自起動裝置三、其它裝置33廠用電系統(tǒng)的解列?對具有獨立供電條件的廠用

電系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重功率缺額并引起頻率大幅下降時，可以考慮廠用電系統(tǒng)與主系統(tǒng)解列，解列后的廠用電系統(tǒng)由自身的供電設(shè)備供電，從而保證了電廠運行的可靠性。

34

B1DLJG G1# 2#G G3# 4#系統(tǒng)的解列35?

當(dāng)某一子系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的事故將會嚴(yán)重影響相鄰子

系統(tǒng)的正常運行時，可以將事故子系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)間的聯(lián)系解列。在解列時，要注意解列點的選擇，選擇原則為：①解列后的各系統(tǒng)內(nèi)部功率應(yīng)盡量平衡，以防頻

率、電壓急劇變化。因此，解列點應(yīng)選在有功功率、無功功率分點上或交換功率最小處。②適當(dāng)考慮操作的方便性，要易于恢復(fù)，具有較好的遠(yuǎn)動通信條件。水輪機組低頻自起動裝置36? 利用了水輪機組起動迅速的特點。該裝置由頻率繼電器測得系統(tǒng)頻率，當(dāng)頻率低于整定值時動作并接通水輪機組的控制回路，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速接近系統(tǒng)轉(zhuǎn)速時，由自同期并列裝置將機組并入電網(wǎng)。其它裝置37⒈自動切機:自動裝置自動斷開某發(fā)電機組的斷路器，完成預(yù)定的切機動作。⒉電氣制動：發(fā)電機端裝足夠容量的并聯(lián)電阻⒊快關(guān)汽門目前低頻減載的研究現(xiàn)狀38UFLS

（

Under

Frequency

Load

Shedding)?傳統(tǒng)的低頻減載控制設(shè)計通常采用對單機帶集中

負(fù)荷的簡化系統(tǒng)模型進(jìn)行靜態(tài)分析的方法，忽略擾動后系統(tǒng)內(nèi)機組間振蕩、節(jié)點電壓變化、旋轉(zhuǎn)備用容量限制和負(fù)荷模型變化以及相關(guān)設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)特性等因素的影響。在設(shè)計過程中，往往以頻率值和相應(yīng)延時作為負(fù)荷切除的判斷標(biāo)準(zhǔn)；并按照最大可預(yù)見的擾動量來確定各級頻率切除點對應(yīng)的負(fù)荷切除量。目前低頻減載的研究現(xiàn)狀39? 在實際系統(tǒng)運行中，系統(tǒng)的參數(shù)是實時變化的，且因系統(tǒng)中各種動態(tài)元件的多樣化，這種依據(jù)等值靜態(tài)模型進(jìn)行離線設(shè)計的方案難以反映實際系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和控制需求。另外，依據(jù)最大可預(yù)見的擾動量進(jìn)行設(shè)計所得到的方案在實際的運行控制中往往造成負(fù)荷過切，增加了用戶停電損失。因此，這種傳統(tǒng)設(shè)計方式在使方案設(shè)計獲得了相當(dāng)簡易性、方便性的同時，也在很大程度上降低了方案的經(jīng)濟(jì)性、甚至有效性。目前低頻減載的研究現(xiàn)狀?

半個世紀(jì)以來，低頻減載方案研究主要可

分為靜止的UFLS方案和動態(tài)的UFLS

方案。?

靜止的UFLS

方案---傳統(tǒng)的基于頻率值和既

定延時的設(shè)計方案?

動態(tài)的UFLS

方案---動態(tài)地根據(jù)頻率下降速

率大小確定相應(yīng)級減載量的自適應(yīng)UFLS

方

案。40目前低頻減載的研究現(xiàn)狀41?靜止法是基于簡化的系統(tǒng)模型、操作員經(jīng)驗以及

系統(tǒng)仿真整定而得，在不同擾動情況下均采用相同的減載方案進(jìn)行緊急控制，其結(jié)果往往造成切負(fù)荷過量或不足，其缺點顯而易見。? 動態(tài)法則自適應(yīng)地根據(jù)系統(tǒng)頻率下降速率大小確定切負(fù)荷量，大大提高了方案的精確性、靈活性和優(yōu)化性。然而，動態(tài)法在緊急事故狀態(tài)下的收斂性仍有待提高。并由于前期的動態(tài)整定法仍然

停留于半離線水平，限制了其方案有效性的提

高。低頻減載的優(yōu)化研究及其進(jìn)展? 隨著計算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的高級算法被引入電力系統(tǒng)研究和應(yīng)用領(lǐng)域，如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、遺傳算法、模糊理論等算法具有計算速度快、自學(xué)能力