电力系统自动低频减负荷装置设计课程设计论文.docx

电力系统自动低频减负荷装置设计（2）

基本参数：
某电厂采用双回线输送电能，满负荷运行。当其中一条线路故障后，加重另一条线路负担，为尽可能保持系统供电经济性与可靠性，切除部分发电机组，并投入自动低频减负荷装置。
1 发电厂共6台机组，每台50万千瓦；
2 切除一条线路后，线路传输功率为原来的80%。
3 负荷调节效应系数为2
4 切除部分机组并投入低频减载装置后，要求系统频率恢复到48.5Hz
设计要求
1. 阐述自动减负荷装置作用。
2. 阐述自动减负荷装置原理及构成。
3. 整定计算。
n 确定切除几台发电机组
n 不投自动减负荷装置，发电机组切除后系统频率是多少？
n 投入自动减负荷装置的负荷总功率。
n 确定自动减负荷级数，及各级动作频率。
4. 确定每级最佳切除负荷大小。利用单片机（或PLC等）实现对接入低频减负荷装置负荷的控制。对结果进行分析总结。

1、布置任务，查阅资料，理解掌握自动低频减负荷原理及要求。（1天）
2、设计自动低频减负荷装置。（1天）
3、确定切除发电机组，确定投入自动减负荷装置的负荷总功率。（1天）
4、确定自动减负荷级数，及各级动作频率。（1天）
5、确定每级最佳切除负荷大小，验证结果的正确性。（1天）
6、利用单片机（或PLC等）实现对接入低频减负荷装置负荷的实时控制。（3天）
7、对结果进行分析总结。（1天）
8、撰写、打印设计说明书（1天）

摘 要
随着电力系统快速发展，以往的模拟式的低频减载装置由于测量精度差，特别是当系统正常运行中电压下降或者频率瞬时变化较大时可能会误动作，并且整定不方便，更不能组网，已不能满足新的要求。电力系统自动低频减载是一种反事故措施，在电力系统发生严重事故时，系统的有功将严重缺额，电力系统的频率会很快下降，为保证电力系统不至于频率崩溃，必须采取快速明确的措施，必要时按频率下降进行负荷的切除。本文通过对低频减负荷装置的原理与技术要求的阐述，确定整定方案和控制方式，并进行了运行分析与整定计算。通过电力系统的静态频率特性与动态频率特性的分析计算，确定了符合要求的实验装置。

关键词：低频减载；整定计算；频率特性；

目 录
第1章 绪论 1
1.1 电力系统自动低频减负荷装置概况 1
1.2 本文主要内容 2
第2章 自动低频减负荷装置原理与构成 3
2.1 自动低频减负荷装置工作原理 3
2.2 低频减载方案整定的内容和要求 4
2.3 低频减载方案整定的主要原则 4
2.4 低频减载装置的控制方式及其要求 5
第3章 自动低频减负荷装置的整定计算 6
3.1 整定计算的基本内容和目的 6
3.2自动低频减负荷装置的整定原则 7
3.3自动减负荷运行分析 7
3.4自动减负荷整定计算 9
第4章 电力系统的频率特性分析 11
4.1 电力系统静态频率特性 11
4.2 电力系统动态频率特性 12
第5章 课程设计总结 15
参考文献 16

1.1 绪论电力系统自动低频减负荷装置概况
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情况。正常情况下，对于计划外负荷所引起的频率波动，系统动用发电厂的热备用容量，即系统运行中的发电机容量就足以满足用户要求。当电厂发出的有功功率不满足用户要求而出现差额时，系统频率就会下降；但当电力系统发生较大事故时，系统出现严重的功率缺额，其缺额值超出了正常热备用可以调节的能力，即使系统中所有发电机组都发出其设备可能胜任的最大功率，仍不能满足负荷功率的需要。这时由于功率缺额所引起的系统频率的下降，将远远超过安全运行所允许的范围，在这种情况下从保证系统安全运行的角度出发，切除部份负荷，以使系统频率恢复到可以安全运行的水平以内。

为了保证对重要用户的正常供电，不得不采取应急措施，电力系统在出现功率缺额事故时(例如联络线跳开).电网的频率将要下降。如不及时制止这种下降的趋势,并使其逐步回升,那么电网将发生崩溃,大面积停电。低频自动减负荷装置就是为了确保电力系统安全、有效防止大面积停电事故的一项安全措施，是防止电力系统发生频率崩溃的系统保护。
对于电力系统来说，安全和稳定是电力系统正常运行所不可缺少的最基本条件。所谓安全，是指运行中的所有电力设备必须在不超过它们允许的电流、电压和频率的幅值和时间限额内运行。所谓稳定，是指电力系统可以连续向负荷正常供电的状态。电力系统稳定是电网安全运行的关键，一旦遭到破坏，必将造成巨大的经济损失和灾难性的后果。
在电力系统远距离输电容量不断增加、输电网络重载问题日益突出的情况下，电力系统在暂态稳定之后的长过程动态稳定性将逐步成为电力系统安全稳定运行的主要问题，威胁电力系统的安全稳定运行。
近几十年以来，世界各地的多次大停电都是由于长过程功率不平衡恶性发展的结果。因此，分析电力系统的长期过程动态稳定性问题，避免发生大面积停电事故(如1996年美国西部联合电网发生的两次大面积停电事故，2003年8月14日美国大停电事故)，以及研究防止事故扩大的有效措施(即第3道防线)，必将成为电力系统计算分析的一项重要内容。在我国电网迅速发展和电力系统厂网分开体制改革的进一步深化的同时，也带来了发生大面积停电的可能性。
长期稳定分析假定发电机之间的同步功率振荡已经被阻尼，并具有统一的系统频率，集中研究的是伴随大规模的系统扰动而产生的较慢和长期的现象，以及所造成的大的持续的发电和用电消耗有功功率和无功功率的不平衡问题。长期稳定分析有利于对低频减载实施情况和策略进行评估。
1.2 本文主要内容
微机低频减载装置代替常规的低频减载装置是必然的趋势。近年来，不少研究单位和厂家研究开发了不同类型的微机低频减载装置，有些采用专用的低频减载装置，有些是作为综合自动化系统的一个独立模块，但是，他们存在如下几点不足：(1)闭锁条件不尽完善；(2)存在多切负荷的现象：(3)尚不能完全满足变电站综合自动化建设的需要。
针对上述现象，本文以某电厂采用双回线输送电能，满负荷运行。当其中一条线路故障后，加重另一条线路负担，为尽可能保持系统供电经济性与可靠性，切除部分发电机组，并投入自动低频减负荷装置为例，设计了一种新型的微机自动，低频减负荷装置，该装置具有以下特点：(1)采用新的测频方法，提高了测频精确度，可防止超调和悬停现象；(2)改善了闭锁条件，在变电站的馈电线路故障或变压器跳闸造成失压时，装置不误动，电力系统低频振荡或受谐波干扰时，不误动；(3)增加了远方控制和当地整定的功能：(4)为了配合无人值班变电站，增加了重合闸功能：(5)提高了微机装置的故障自诊断能力，从而提高了装置的可靠性。
第2章 自动低频减负荷装置原理与构成
自动低频减负荷装置工作原理自动低频减负荷(ZDPJ)的基本原理可以用图来说明。设系统故障前频率为fe当系统因障

图2-1 自动低频减负荷基本原理图
出现有功缺额时，如果缺额较小，且系统内有足够的旋转备用容量，在系统频率经过一个短时间下降之后，随着旋转备用容量作用的发挥，会重新恢复到故障后，随着旋转备用容量作用的发挥，会重新恢复到故障前的的水平，频率f随时间T变化如图曲线1所示。在这种情况下，ZDPJ不动作。如果有功缺额较大，而且系统中备用容量又比较少或没有时，系统频率就会比较快地下降，如图曲线2所示。在这种情况下．当系统频率f下降到ZDPJ的第一级(轮)动作频率f1时，ZDPJ装置动．作，自动地切除一部分不重要的负荷，以使f回开到允许较长时间运行的频率值(以下简称允许频率值)。如果ZDPJ装置切除的负荷功率正好等于故障失去的电源功率，f就会恢复到额定值，如图曲线3所示。如果ZDPJ装置切除的负荷功率比较少，系统频率就有可能继续下降，如图曲线4所示。当f降低到ZDPJ的第二级动作频率f2时，则ZDPJ装置动作，再切除一部分重要的负荷。如果ZDPJ的第二级切除的负荷比较大，f可能上升，如图曲线5所示。如果第二级切除的负荷功率比较小．系统频率f则有可能继续下降。当f下降到ZDPJ的第三级动作频率时，ZDPJ装置就再切除’—部分更比较重要的负荷。如果频率一直下降，ZDPJ就一直切负荷，直到使系统频率恢复到允许频率值为止。自动低颇减负荷必须经过严格的整定计算，一般经过ZDPJ动作五级(轮)之后，就合使系统频率恢复到允许频率值。电力系统自动低频减负荷装置切除负荷时，系统频率变化情况是比较复杂的，常出现这样的情况：在某一级切除负荷之后，领率不再下降了，不能使ZDPJ继续切除负荷，而频率又恢复不到允许值。出现这样情况是系统运行历不能允许的。为此ZDPJ装置中设有特殊级，在出现上述情况时特殊级动作，使系统频率恢复到允许值。与特殊级相对应，将前面所介绍的各级称为基本级。特殊级也称为后备级。
2.1 低频减载方案整定的内容和要求
当系统发生严重功率缺额时，低频减载装置中的低频继电器向断路器发送断开信号，通过断路器迅速断开相应数量的负荷，使系统频率在不低于某一允许值的情况下，达到有功功率的平衡，防止事故的进一步扩大。
UFLS方案的整定包括对基本轮和特殊轮各轮频率定值、延时、功率切除量的确定。基本轮的任务就是在不过切的情况下尽快制止频率下降，尽可能的使频率恢复到接近正常频率。基本轮应快速动作，为了防止在系统振荡或电压急剧下降时误动作，一般可带0. 2～0. 5s的时限。基本轮一般按频率等距分级，每级切负荷量分别确定；特殊轮的任务是在防止基本轮动作后，避免频率长时间悬停在某一不允许的较低值或防止频率缓慢降低，特殊轮经一定时延动作，使频率值尽快恢复至49. 5～50Hz。特殊轮通常按时间分级。
一个好的UFLS方案应能满足下列要求:
（1）在各种运行条件和过负荷条件下均能有效防止系统频率下降到危险点以下；
（2）在较短时间内使频率恢复到正常值，不出现超调或悬停；
（3）切除的总负荷尽可能小；
（4）整个UFLS方案的投资费用尽可能低。
2.2 低频减载方案整定的主要原则
低频减载的方案应该根据电源的建设和负荷的快速增长适时重新进行整定。为了积累经验，需要做好每次重大有功功率缺额事件或事故后的总结分析。整定时需要按照以下原则:
（1)总体要求是使系统能在各种运行方式和可能发生的最大功率缺额的情况下通过切除一定量的负荷有效地防止系统频率下降至危险点，使故障后的系统能够快速恢复至额定频率，也不使事故后的系统频率长期悬浮于某一过高/过低值，不致酿成大型发电机组解列的恶性循环事故，严防保留后的系统发生频率崩溃。同时，尽量使所切除的负荷数量应尽可能最少。
(2)合理选择频率级差、轮数和延时，保证低频减载装置动作的选择性从尽量减少过切和抑制频率恢复时的频率超调着眼，低频减载装置的各轮间频率起动值(级差)以略大为好，同时增加轮数，减少每轮所切负荷数量，特别是对前几轮，最好采用动作值稳定，返回值高，动作与返回快速的数字式频率继电器作起动元件，并尽可能动作于切除高压断路器。
(3)基本轮中首、末级动作频率的选择
当发生严重有功功率缺额时。为了使系统频率不致降低到过低的数值，低频减载装置的最高一轮整定频率不宜过低。但是由于机组可以长时间运行于49. 5Hz以上，第一轮低频起动值应当低于49. 5Hz。同时希望，当发生一定有功功率缺额，而依靠系统的备用容量可以将频率恢复到49. 5Hz及以上时，则频率下降的全过程中，不应使低频减载装置动作。低频减载装置的首轮动作频率值的确定必须考虑两个因素:既要考虑有利于抑制严重功率缺额下频率的下降深度（从这个角度看首轮动作频率越高越好)，又要有利于充分利用系统的旋转备用容量（从这个角度分析首轮动作频率越低越好)，所以，首轮动作频率的整定值的确定需要协调好这两者之间的关系。一般第一轮低频整定值以49. 1 ～49. 2为宜。
2.3 低频减载装置的控制方式及其要求
(1)低频减载装置的控制方式
目前，低频减载的控制方式大体有两种
①把低频减载的控制分散设在每回馈电线路的保护装置中。现在的微机保护装置几乎都是面向对象设置的，每回线路配一套保护装置，在线路保护装置中，增加一个测频环节，就可以实现低频减载的控制功能了。
②采用专用的低频减载装置，将全部馈电线路分为基本轮和特殊轮，然后根据系统频率下降的情况去切除负荷。
(2)低频减载装置应满足的要求
①切负荷的动作要快，要在系统运行的危险情况出现前抑制频率的下降。
②应有防止低频减载装置误动的措施
低频减载装置应具有时限闭锁、低电压、低电流、双频率继电器串联闭锁和滑差闭锁功能。低频继电器应能调整闭锁级频率定值。
第3章 自动低频减负荷装置的整定计算
3.1 整定计算的基本内容和目的
自动低频减负荷装置配置整定的基本要求3.23.3

图3.1 负荷功率与频率的关系

图3.2 频率选择性级差示意图
1、确定第一级动作频率f
第一级超级动频率取行高一些，自动低频率负荷的效果会好一些，但是这样有可能在系统频率暂时下降而备用容量尚未来得及发挥作用之前就把一部分切掉。一般第一级动作频率整定在48.5HZ～49.0HZ。在以水电厂为主的电力系统中。由于水轮发电机组的调速控制系统动较慢，第一级动作频率应取低些。因此 f取48.5HZ.
2、确定频率级差fn
对于高温高压火电厂，在频率低于46HZ~46.5HZ时，电厂已不能正常工作。当频率低于45HZ时就有出现“电压雪崩”的危险，因此末级动作频率以不低于46HZ~46.5HZ为宜。因此，取0.5。
确定切除负荷的级数

图3.3 统故障前负荷的频率特性为曲线
确定PJH可用图3.3说明。设系统故障前负荷的频率特性为曲线PLI，f=fe，负荷功率PL等于PLE。当系统出现Pqe时，如果ZDPJ不动作，系统的频率会稳定在f无穷；如果切除的负荷功率等于Pqe则系统的频率要求ZDPJ装置动作使系统频率恢复到fe，只要恢复到允许频率fy即可。

3.4自动减负荷整定计算
首先确定动作级数N

当确定延时t为了尽快制止频率下降，在系统频率下降到ZDPJ装置的动作值时应尽快切除负荷。但是考虑到电力系统电压急剧下降期间有可能引起频率电器误动作，造成误切负荷，所以在ADPJ装置的基本级中增加了一个延时t以躲过暂态过程可能出现的误动作。t-般取0.5s以下。
引起频率继电器误动作的原因有多种。如地区变电站中的某些操作可能造成供电电源短时中断，但是一些重要负荷（如某些同步发电机、电步电动机和异步电动机）并不立即跳开，它们仍然接在变电站的母线上当电压恢复之后这些旋转机械又随之升速在这馈到变电站的母线上，使得母线电压具有一定的水平，而频率却很低。又如当电力系统容量不大，系统中又有很大的冲击负荷时，系统频率也会出现瞬时下跌现象。出现上述情况时如不加延时就会引起ZDPJ装置误动作，也可能采用一些闭锁措施防止误动作。

第4章 电力系统的频率特性分析
4.1 电力系统静态频率特性
电力系统频率特性分为静态频率特性和动态频率特性。静态频率特性是指稳定状态下功率和频率之间的关系。电力系统动态频率特性是指有功功率平衡遭到破坏而引起的频率变化，频率从正常状态过渡到另一个稳定值所经历的时间过程。
电力系统的静态频率特性取决于发电机的静态频率特性和负荷的静态频率特性。
发电机的静态频率特性是指随着频率的升和降，发电机组发出功率减少和增加的多少，也称之为发电机单位调节功率，与发电机组的调差系数有着固定的关系。表达式为:
（4-1）
式中: 为额定频率;
为额定频率时的机组出力;
为频率偏移量;
凡为时的机组出力变化量;
表示发电机组的调差系数。
电力系统的负荷静态频率特性是指随着频率的上升和下降，负荷消耗功率的增加或者减少的多少。表达式为:
（4-2）
式中: 为时的负荷功率变化量;
为系统频率为时，整个系统的有功负荷。负荷频率调节系数
与系统参数、运行方式、负荷分布以及负荷组成有密切的关系，一般根据经验给出。
电力系统静态频率特性的物理意义为电力系统发生功率缺额时与所发生的最大频率偏差 (功率缺额引起的稳态频率与缺额前的频率之间的差值)的比值，是系统发电机组和系统负荷共同作用的结果，其表达式为:
(4-3)
或者
(4-4)
式中
为发生功率缺额前的总负荷;
为发生功率缺额前的系统频率。
4.2 电力系统动态频率特性
电力系统动态频率特性是指系统由于有功功率平衡遭到破坏而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。下面用分段法分析频率的动态变化过程。
系统出现电源断开至低频减载装置第一轮动作切除负荷为止，称为第一段时间，之后将上一轮切负荷结束至下一轮切负荷结束的时间，分别称为第二段时间、第三段时间、…。每段时间开始时刻记为，中止时间记为。下面分析某段开始时刻的频率变化率。
发电机转子运动方程的频率变化值为
(4-5)
(4-6)
(4-7)
(4-8)
其中为每次事故(系统出现电源断开或低频减载装置动作切除负荷这两种情况皆称为事故)后剩余系统的负荷在频率为时的有功功率标么值(基准值为剩余系统的电源有功功率)。
设该段的初始频率为，根据相关公式能求得在该段的初始阶段。因此该段开始时刻的频率变化率为:
(4-9)
其中为该段剩余系统的电源有功功率，为该段剩余系统在额定频率下的负荷有功功率。
当切除的负荷为单一负荷将 , , ,分别带入式(4-9)中，并令，其中下标r=0，1，2，3。代表 , , , 所对应的在该段初始频率点的频率变化率。不难证得。
在任意一段的频率响应曲线，因频率变化不大，时间也很短，可以根据欧拉法，将第b段曲线用折线来代替，直线的斜率为该段开始的频率变化率。当时，该段的频率响应曲线如图4-1。由图4-1可见，在频率下降阶段，频率变化率越大，抑制频率下降的效果越好。

图4-1 负荷的频率响应曲线
当0时，该段的频率响应曲线如图4-2。由图4-2可见，在频率恢复阶段，频率变化率越大，能使频率恢复的越快。

图4-2 负荷的频率变化曲线
当切除的负荷为综合负荷时
将” ,”分别代入(4-7)式，同理可得:”>”。其它分析过程跟所切负荷为单一负荷时的分析过程相同。
综合以上分析可知，在进行低频减载方案的整定时，应设法使剩余系统的负荷频率调节效应系数尽可能大些。而要使尽可能大，就需要尽可能依次切除负荷有功功率与频率的低次方成比例的负荷，也就是说应该先切除与频率的0次方成比例的负荷，在需切负荷不够的情况下再依次切除与频率的1,2,3次方成比例的负荷;或者是优先切除负荷频率调节效应系数小的线路。这样有利于抑制系统在低频运行情况下的频率下降和尽快恢复系统频率。

第5章 课程设计总结
经过半个月的课程设计，课社题目已完成.其基本功能符合实验设计要求。在设计刚刚开始的时候,有些无从下手，不知道该从何做起,在老师的指导下大量的收集资料研究题目。我对自动减负荷装置掌握和运用有了很大的提高。尤其是设计框图分析原理方面等，为以后的工作打下了良好基础。所以，本次设计让我受益非浅。但是，由于设计时间较短，所以该系统还有许多不尽如意的地方图画的不精确，各部分叙述的不详细等都有待进一步改善，这次设计得到了老师及同学的支持和帮助, 在此深表感谢。通过此次设计，我学到了很多实践经验，进一步了解自动减负荷自动减载装置如何工作，增强了独立分析能力和解决实际问题的经验通过这次电力系统自动化课程设计,

参考文献
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