第六章 电力系统自动低频减载及其他安全控制装置

结论：如果能够及时切除负荷功率，就可以延缓系统频 率下降过程。
2015-4-25 page13
3、自动低频减载的工作原理
•当电力系统发生严重的功率缺额时，低频减载装臵的任务就是迅 速断开相应数量的用户负荷，使系统频率在不低于某一允许值的 情况下，达到有功功率平衡，以确保电力系统安全运行，防止事 故进一步扩大。这是防止电力系统发生频率崩溃的系统性的保护 装臵。 1、最大功率缺额的确定 2、自动低频减载装臵的动作顺序 3、频率级差的选择 4、每段切除功率的限制 5、自动减载装臵的延时与防止误动作
•在电力系统中，自动低频减载装臵是分散设臵在各个地区变电 站内。系统频率在下降动态过程中，各个母线上的频率并不一 致。因此，分散在各地的同一级的低频减载装臵实际上也不会 同时启动。如果增加级数，减少各级切除的功率，级差的选择 性问题也就不会很突出。
2015-4-25 page20
（4）每段切功率的限制
2015-4-25 page3
电力系统典型事故
存在问题：如果由调度人员在很短的时间内正确判断事故并
且完成相应的上述操作，显然是不可能的。原因是远动信息传 输和操作命令的传达都需要一定的时间，如此长的时间势必会 失去及时处理事故的良机。
解决办法：针对引发系统性事故的紧急操作任务必须依靠
自动控制系统装臵来完成。
2、电力系统频率的动态特性
•电力系统由于有功功率的平衡遭到破坏，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— —电力系统频率的动态过程。 •用 f X t 来表示电力系统频率动态特性。
•当系统出现功率缺额时，系统中旋转的动能都为支持电网的 能耗而做出贡献。 •频率随时间变化的过程主要取决于有功功率缺额大小和系统 中所有转动部分的机械惯性，包括：汽轮机、同步发电机、同 步调相机、电动机及其拖动的机械设备。
page11
2015-4-25
2、电力系统频率的动态特性
PGN df * Ph* TX f * PLN dt K L*
•当系统出现功率缺额或者功率过剩时，系统频率 f X t 的动态特性可用指数曲线来描述。
•在事故初期，频率下 降的速度与功率缺额 成正比
2015-4-25
page12
电磁暂态 Electromagnetic Switching Transient 暂态稳定 Transient stability（angle and voltage） 小扰动稳定 Small signal stability 系统运行 Power system operation
长期电压稳定
Long term voltage stability
•尽管频率动态方程表明频率下降速率载有有功缺额的信息，但是， 在实际应用中，按频率降低值来切除负荷，即按频率自动减载。 •自动低频减载装臵是在电力系统发生事故后系统频率下降时，按 照频率的不同数值按顺序依次切除负荷，也就是将最大开断功率 分配在不同启动频率值的区段内分批切除负荷。 •为了确定自动低频减载装臵的级数，应该确定第一级启动频率 和最末一级启动频率 f n 的数值。
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
Sec.
继电保护范围
自动装置范围
自动化系统范围
人员操作范围 page4
2015-4-25
第二节 自动低频减载
•电力系统的频率反映了发电机组所发出的有功功率与负荷所需有 功功率之间的平衡状况。 •当电力系统发生了较大的事故时，系统出现了严重的功率缺额， 其缺额值超出了正常热备用可以调节的能力，这时即使令全系 统中运行的所有发电机都发出其设备可能提供的最大功率，仍 然不能满足负荷功率的需要，所引发的系统频率下降值远远超 出了系统安全运行所允许的范围。
频率测量元件的 最大误差频率 对应于 t 时间 内频率的变化
频率裕度
频率级差的主要决定因素
2015-4-25 page19
（3）频率级差的选择
对于频率级差的选择有两种原则，原则之二如下：
（2）级差不强调选择性
•自动低频减载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。
•为达到以上目标，要求减少级差，增加总的频率动作级数n， 同时，相应地减少每段的切除功率，这样，即使两轮无选择性 启动，系统恢复频率也不会过高。
2、电力系统频率的动态特性
•当频率下降至 f1 ，切除负荷 PL ， 若 PL Ph 则有曲线C •当频率下降至 f1 ，切除负荷 PL ， 若 PL Ph ，且使 f X f1 则有曲线d
•当频率下降至 f1 ，切除负荷 PL ， 若 PL Ph ，且使f X f b 则有曲线e
•为了保证电网安全和对重要用户的供电，必须采取措施，切 除部分负荷，以使系统频率恢复到可以安全运行的水平内。
2015-4-25 page5
频率降低对电力系统的影响
•系统频率降低较大时，对系统运行极为不利，甚至会造成系统崩 溃的严重后果。 1、对汽轮机的影响：频率降低会导致汽轮机的叶片产生裂纹， 甚至叶片断裂。 2、发生频率崩溃现象 频率降低 发电厂出力降低 锅炉出力降低 火电厂厂用机械出力降低
2015-4-25
page9
2、电力系统频率的动态特性
研究电力系统频率的动态过程
（1）以单机单负荷为例： 系统出现有功缺额时，转子运动方程 转子动能 W KN
1 J 2 N 2
d J M dt
2WKN d 2WKN d* M * PGN N dt PGN dt
2WKN d M 2 N dt
2015-4-25 page15
（1）最大功率缺额的确定
1 f Ph KL
f f N f h
Ph. max PL. max K L* f * PLN PL. max
Ph. max K L* PLN f * 1 K L* f *
PL. max
6、特殊轮
2015-4-25 page14
（1）最大功率缺额的确定
•考虑即使在系统发生最严重的事故情况下，也就是出现最大可能 的功率缺额时，接至自动低频减载装臵的用户功率量（待切除的 负荷）也能使系统频率恢复至可以运行的水平，以避免事故扩大。 •确定系统事故情况下最大的可能功率缺额，以及接入自动低频减 载装臵的功率值，是系统安全运行的重要保证。 •一般应该根据最不利的运行方式下发生事故时，实际可能发生的 最大功率缺额来考虑。例如：按系统中断开最大机组，或者某一 电厂来考虑。 •一般希望系统切除负荷后的恢复频率要小于系统额定频率 f h f N •自动低频减载装臵的最大可能断开的功率PL. max要小于最大功率 缺额 Ph. max PL. max Ph. max
等值机的惯性 T d* P P X T* L* dt 时间常数
转换为以负荷 PGN df * T PT * PL* 在额定频率时 X P dt LN 的总功率为基 准功率
d* d* df * dt dt dt
PL PLN K L f
PGN df * Ph* TX f * PLN dt K L*
d i d i X t i X X i dt dt f i f X f i
•由于在扰动过程中，各母线电压的相角不可能具有相同的变化 率，因此，系统中各母线电压频率变化并一致。f i 取决于 i 的 变化情况。
2015-4-25 page8
考虑到机械角速 度变化不太快
2WKN d* d* TG PT * PL* PGN dt dt
* * M * P*
2015-4-25 page10
2、电力系统频率的动态特性
（2）全网多台机组并联运行： •考虑忽略各节点频率偏差 f i 的差异，把全系统的所有机组看作 一台等值机。 •电动机及其拖动机械负荷的转动惯量远小于发电机组的转动惯 量，可以忽略，这样并不会影响计算结果。
第六讲 电力系统自动低频减 载及其他安全控制装置
电力系统典型事故
•电力系统自动装臵就是针对危及系统安全运行的故障所采用
的自动化对策，他们的任务就是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，采取必要的措施以避免事故扩大。
事故1：A电厂发生故障而切机，B系统突然减少了功率 PA 。 如果运行机组备用容量远小于 PA ，则会造成电网功率的严重 缺额，频率会大幅度下降。此时如果不及时切负荷，则会危及 系统安全，甚至整个系统崩溃。
3、发生电压崩溃现象
励磁机、发电机转速下降 频率降低
电压水平下降
2015-4-25
加剧无功不足
电动势下降
page6
1、电力系统频率的静态特性
•在电力系统出现较大的功率缺额时，如能在较低的频率维持运 行，主要是依靠负荷频率特性的调节作用。 •当频率降低时，负荷按照自身的频率特性自动地减少了从系统 中所吸收的功率，使之与发电机发出的功率尽可能的保持平衡。 此时，系统所减少的功率就是系统的功率缺额。
i Phi* 1 PLk * K L* f h* k 1
，这时系统
1 f Ph KL
Hale Waihona Puke 系统功率缺额 负荷的频率调节特性
50 Ph f K L* PLN
2015-4-25
系统功率缺额
page7
2、电力系统频率的动态特性
在系统稳态运行情况下
ui U mi sini t i
全电网统一的角频率
PAi PBi 发 •当系统受到微小扰动时，系统频率仍然维持 f X ， 生变化， i 也发生变化。此时，母线电压的瞬时角频率为
page2
电力系统典型事故
事故2：在双回线路上输送的功率 PA 很大，当有一回线三相短 路而被切除， PA 超出了一回线路运行的暂态稳定极限。如果 不迅速减少输送功率，则可能由于系统稳定破坏而解列。造成 受端更为严重的功率缺额。