电力系统自动低频减负荷装置设计.docx
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电力系统自动低频减负荷装置设计
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洛阳理工学院
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电力系统自动化课程设计（论文）
题目：
电力系统自动低频减负荷装置设计（4）
】
系别：
电气工程与自动化系
班级：
B140432
学号：
B
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~
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。
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关键词：
低频减载；整定计算；频率特性；
第1章绪论
电力系统自动低频减负荷装置概况
a）事故情况下，系统可能产生严重的有功缺额，因而导致系统频率大幅度下降。
b）所缺功率已经大大超过系统热备用容量，只能在系统频率降到某值以下，采取切除相应用户的办法来减少系统的有功缺额，使系统频率保持在事故允许的限额之内。
c）这种办法称为按频率自动减负荷。
中文简拼为“ZPJH”，英文为UFLS（UnderFrequencyLoadShedding）。
一、系统频率的事故限额
（1）系统频率降低使厂用机械的出力大为下降，有时可能形成恶性循环，直至频率雪崩。
（2）系统频率降低使励磁机等的转速也相应降低，当励磁电流一定时，发送的无功功率会随着频率的降低而减少，可能造成系统稳定的破坏。
（3）电力系统频率变化对用户的不利影响：
频率变化将引起异步电动机转速的变化。
系统频率降低将使电动机的转速和功率降低。
（4）汽轮机对频率的限制。
（5）频率升高对大机组的影响。
（6）频率对核能电厂的影响。
二、低频运行对电力系统的影响
电力系统频率反映了系统中有功功率的供需平衡情况，它不仅是电力系统运行的重要质量指标，也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。
低频运行对电力系统的有以下影响:
1、对发电机和系统安全运行的影响
1）频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。
对于额定频率为50Hz的电力系统，当频率降低到45Hz附近时，某些汽轮机的叶片可能因产生共振而断裂，造成重大事故。
2）频率下降到47～48Hz时，由异步电动机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵和磨煤机等火电厂厂用机械的出力随之下降，火电厂锅炉和汽轮机的出力也随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。
这种趋势如果不能及时制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度，这种现象称为频率雪崩。
出现频率雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。
3）在核电厂中，反应堆冷却介质对供电频率有严格要求。
当频率降到一定数值时，冷却介质泵会自动跳开，使反应堆停止运行。
4）电力系统频率下降使异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器的无功消耗增加，从而使系统电压下降。
频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电动势下降，导致全系统电压水平降低。
如果电力系统原来的电压水平偏低，在频率下降到一定值时，可能出现电压快速且不断下降，即所谓的电压雪崩现象。
出现电压雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。
2、低频运行对电力用户的影响
（1）电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械转速发生变化。
有些产品对加工机械的转速要求很高，转速不稳定会影响产品质量，甚至会出现次品和废品。
（2）电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能，频率过低时有些设备甚至无法工作。
（3）电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致所带动机械的转速和出力降低，影响用户设备的正常运行。
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
低频减载的整定内容及要求
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。
低频减载的主要原则
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。
如果给定的时延过长，显然又不利于轮间的选择性和抑制最低频率。
一般考虑可以取为0.2～0.3s。
如果电网联系紧密，频率继电器动作快，断路器动作快，延时适当缩短也未为不可。
总之，要与频率级差的选定相互协调才行。
因此，轮数、轮间频率级差，每轮所切负荷等应按适应各种运行结构（大系统解列后的部分系统或孤立网）和各种运行方式（包括低谷负荷期情况，此时系统惯性小，失去一台大机组或主要的电源联络线时，占剩余系统容量的份额大）进行优选组合。
实际一般选3～7轮。
如用数字式频率继电器，频率级差可取为0.2～0.3Hz。
也可考虑高频率轮间取0.2Hz，以抑制频率下降，低频率轮间取0.3Hz，以减少过切。
（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。
末轮频率定值的选择不能低于机组的低频保护值，同时还要考虑留有0.3～0.5Hz左右的余度。
以火电机组为主的电力系统末级动作频率一般为47.5Hz，以水电为主的系统末级动作频率一般为46.5Hz。
（4）在选择所切负荷时应该考虑
a所切负荷顺序的确定
调度部门应该按系统切除负荷的重要性排队，先切除相对容易恢复到正常运行状况的次要的负荷，后切除那些难以重新启动的或者相对重要的负荷。
不能切除那些对维持系统安全所必须的或停电后会引起人身伤亡、设备破坏等事故的负荷。
如果系统中有抽水蓄能电站，应该首先切除处于抽水状态的蓄能机组，但计算切除负荷总容量时应不计入蓄能机组，因为它不一定处于抽水状态。
为了避免有时在实施低频减载的实际系统中，不容易按负荷重要性分开供电而导致个别极重要的小容量负荷被切，应该对这样的负荷设置自己的紧急备用电源。
b.确定每轮所切负荷的具体分布
如果减载量正确，而减载的地点分配不当时，可能造成大幅度的长时间的振荡，也可能导致系统瓦解。
因此，在尽量节省减载装置的前提下，要使轮次分布合理，使每个可能解列区域内包括全部轮次，避免在某些特殊方式下低频减载装置失去个别轮次，使整体低频切负荷装置动作行为不合理。
低频减载装置分散布置，能避免因减载的不均衡而引起的线路过载的可能性，也能减少因单个低频继电器的误动或拒动所造成的影响.
所切负荷尽量分布在可能出现故障的联络线附近和可能退出运行的发电机附近。
（5）最大有功功率缺额及每轮减载量的确定
估计可能最大的有功功率缺额值，往往需要结合具体系统条件进行分析，也和继电保护与自动解列装置等的配置与要求有关。
占系统总容量比重很大的某一台大机组或一个大电厂或一条输电通道方向的全部输电线路断开可以认为是引起系统频率严重下降所必须考虑的一些基本情况.对于实行分层分区控制的电网，由于各分区的运行方式不同，安排减载容量须以分区为基础分别进行计算。
中、小型电力系统中低频减载装置上的总负荷大约应该为全系统总负荷的40%一50%。
具体安排每一轮所切负荷量时，一般认为略大于设计方案规定的较好，实际运行情况说明，频率下降时实际切负荷量往往小于规定要求所切除的容量，原因可能由于实际运行的某些欲切的负荷容量较预计值小，也可能由于某个频率继电器拒绝动作等等。
低频减载的控制方式
（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。
分散控制不仅能避免减载的不均衡而引起的线路过载的可能性，而且能减小因当频率继电器的误动或拒动所造成的影响。
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。
（1）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。
双频率继电器串联闭锁方式:
该方式主要用于防止一个频率继电器发生损坏时可能出现的误动，不能用于防止失电后电压反馈以及系统振荡过程中的误动。
③自动按频率减负荷装置所切除的负荷不应被自动重合闸再次投入，只有在系统频率恢复以后，通过发送重合闸信号，使被切负荷恢复运行。
用户连接减载后自动重合闸装置的顺序与低频减载装置的顺序相反，即应将连接于低频减载装置的最后轮连接于减载后自动重合闸装置的起始轮。
④应与低压减载和连锁切负荷相配合
当具有较大有功功率缺额的地区电网发生严重故障或解列后，电压可能严重下降不能恢复，低频减载装置可能拒动，在此情况下还应该补充采用低压解列或低压减载装置。
因此，在存在大功率缺额的情况下，低频减载（UFLS）应与低压减载（UVLS）应该相配合。
在出现最大功率缺额时，应首先联锁切除相应的集中负荷，然后依靠低频减载装置切除部分负荷，以促使电网频率的恢复。
第3章低频减载装置的整定计算
低频减载的工作原理
系图统频率的变化过程
轮”：
计算点f1、f2,…fn
点1：
系统发生了大量的有功功率缺额
点2：
频率下降到f1，第一轮继电器起动，经一定时间Δt1
点3：
断开一部分用户，这就是第一次对功率缺额进行的计算。
点3-4：
如果功率缺额比较大，第一次计算不能求到系统有功功率缺额的数值，那么频率还会继续下降，很显然由于切除了一部分负荷，功率缺额已经减小，所有频率将按3-4的曲线而不是3-3'曲线继续下降。
点4：
当频率下降到f2时，ZPJH的第二轮频率继电器启动，经一定时间Δt2后
点5：
又断开了接于第二轮频率继电器上的用户。
点5-6：
系统有功功率缺额得到补偿。
频率开始沿5～6曲线回升，最后稳定在f∞
（2）。
逐次逼近：
进行一次次的计算，直到找到系统功率缺额的数值（同时也断开了相应的用户）。
即系统频率重新稳定下来或出现回升时，这个过程才会结束。
最大功率额定缺额的确定
1）保证在系统发生最大可能的功率缺额时，也能断开相应的用户，避免系统的瓦解，使频率趋于稳定。
2）对系统中可能发生的最大功率缺额应作具体分析：
有的按系统中断开最大容量的机组来考虑；有的要按断开发电厂高压母线来考虑等。
3）系统功率最大缺额确定以后，就可以考虑接于减负荷装置上的负荷的总数。
要求恢复频率fhf可以低于额定频率。
4）考虑到负荷调节效应，接于减负荷装置上的负荷总功率PJH可以比最大功率缺额Pqe小些。
根据负荷调节效应系数公式
（2-1）
可以得到
（2-2）
或（2-3）
式中——恢复频率偏差的相对值，
——减负荷前系统用户的总功率。
各轮动作功率的选择及计算
各轮动作功率的选择
1）第一级动作频率
一般的一级启动频率整定在49Hz
2）最后一轮的动作频率
自动减负荷装置最后一轮的动作频率最好不低于46～
3）前后两级动作的频率间隔
前后两级动作的时间间隔是受频率测量元件的动作误差和开关固有跳闸时间限制的
各轮动作功率的计算
1）系统频率的最后稳定值在最大恢复频率
与最小恢复频率
之间
2）（
－
）是正比于ZPJH第i次的计算误差的
3）当ZPJH动作后，可能出现的最大误差为最小时，ZPJH就具有最高的选择性。
4）
事实上等于特殊轮的动作频率
。
负荷功率与频率的关系
（2-4）
（2-5）
特殊轮的功用与断开功率的选择
1）第i轮动作后，系统频率稳定在低于恢复频率的低限fhfmini但又不足使i+1轮减负荷装置动作
2）特殊轮的动作频率fdzts=fhfmin
3）它是在系统频率已比较稳定时动作的，因此其动作时限可以取系统频率时间常数Tf的2～3倍，一般为15～25s
4）特殊轮断开功率可按以下两个极限条件来选择：
（1）当最后第二轮即n－1轮动作后，系统频率不回升反而降到最后一轮，即第n轮动作频率fdzn附近，但又不足使第n轮动作时，则在特殊轮动作断开其所接用户功率后，系统频率应恢复到fhfmin以上，因此特殊轮应断的用户功率为
（2-6）
（2）当系统频率在第i轮动作后稳定在稍低于特殊轮的动作频率f
，特殊轮动作断开其用户后，系统频率不应高于
，因此
（2-7）
第4章电力系统的频率特性分析
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。
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时将
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
经过一段时间的课程设计，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，收获是真的，他是实实在在的，经历了这次活动，我感觉我有所成长，它锻炼了我的耐心，在另一方面就是使我能集中注意力；我在其中，掌握了更多的知识，培养了自学能力；还有一点，我不能不说，在这次设中，我学会了一个道理，集体的力量是巨大的，俗话说，同舟共济，我们那时就是这样，我们拼搏，我们讨论，我们共勉。
我想，这才是真正的成长快乐。
通过这次电力系统自动化课程设计,使我把理论联系实际，把课本中的东西运用到实际设计当中来，虽然时间比较仓促，经过同学间的互相协助，增强了自己的分析能力，对即将工作的我，掌握的东西还很多，为将来工作打好坚实的基础。
参考文献
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