第六章电力系统自动低频减载及其他安全控制装置

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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
•在电力系统中，自动低频减载装置是分散设置在各个地区变电 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置实际上也不会 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。
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（4）每段切功率的限制
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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
自动控制系统装置来完成。
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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
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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
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加剧无功不足
电动势下降
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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。
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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。
事故处理：
1、对于事故1，B系统迅速切除负荷 2、对于事故2，A电厂迅速减少输送功率
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。
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i Phi* 1 PLk * K L* f h* k 1
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
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（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。
•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。
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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
•在同一事故情况下，切除负荷越多，系统恢复频率就越高，因 此，每级切除负荷的功率受到恢复频率的限制。
•切除功率的限值计算——按照“第i-1级动作切除负荷后，系统 的稳定频率正好在第i级的启动频率上”来考虑。 （1）系统缺额功率 Pi 1
Pi 1 PLN PLk
k 1 i 1
f i f N f i
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
Sec.
继电保护范围Biblioteka Baidu
自动装置范围
自动化系统范围
人员操作范围 page4
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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。
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*
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。
考虑到机械角速 度变化不太快
2WKN d* d* TG PT * PL* PGN dt dt
* * M * P*
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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。
6、特殊轮
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（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置的用户功率量（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 载装置的功率值，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 •自动低频减载装置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
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。
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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，低频减载装置的任务就是迅 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 装置。 1、最大功率缺额的确定 2、自动低频减载装置的动作顺序 3、频率级差的选择 4、每段切除功率的限制 5、自动减载装置的延时与防止误动作
f1 f n n 1 f
•n级数越大，每级开断的 功率越少，适应性越好。
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（3）频率级差的选择
对于频率级差的选择有两种原则，原则之一如下：
（1）按照选择性确定频率级差
•强调各级元件动作次序，要求在前一级动作后还不能制止频率 下降的情况下，后一级才能动作。
f 2f f t f y
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
•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。 •自动低频减载装置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置的级数，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。
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（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
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
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
•电力系统自动装置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。
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f1
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（2）自动低频减载装置的动作顺序
1、第一级启动频率 •在事故初期及早切除负荷功率，对于延缓频率下降过程是有利的。
•第一级启动频率选择高值，在48.5Hz-49Hz之间。
2、最末一级启动频率 •在电力系统中允许最低频率受到“频率崩溃”和“电压崩溃” 的限制，一般取46Hz-46.5Hz之间。 3、频率级差
fi fN
K L*
系统缺额由负荷调节 效应来补偿
Pi 1*
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i 1 1 PLk * K L* f i* k 1
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（4）每段切功率的限制
（2）当第i级切除负荷 PLi * 后，系统 f f h 功率缺额由负荷调节效应来补偿。
•根据系统负荷、系统恢复频率以及最大功率缺额 Ph. max ，可以 计算出接到自动低频减载装置的功率总数。
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（2）自动低频减载装置的动作顺序
•系统运行方式有很多种，事故的严重程度也很大差别，而对于自 动低频减载装置都必须做出恰当的反应，切除相应数量的负荷。 •解决的办法——只有分批断开负荷功率，采用逐步修正的办法， 才能取得较为满意的结果。
1 f Ph KL
系统功率缺额 负荷的频率调节特性
50 Ph f K L* PLN
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系统功率缺额
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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