电力系统自动低频减负荷装置设计

工 业 大 学

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）

院（系）： 电气工程学院

专业班级：

学 号：

学生姓名：

指导教师： （签字）

起止时间：2011.12.26—2012.01.06

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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 系统频率的事故限额 ........................................... 1

1.3 低频运行对电力系统的影响 ..................................... 1

第2章 自动低频减负荷装置 ............................................ 3

2.1 低频减载的整定内容及要求 ..................................... 3

2.2 低频减载的主要原则 ........................................... 3

2.3 低频减载的控制方式 ........................................... 5

第3章 低频减载装置的整定计算 ........................................ 7

3.1 低频减载的工作原理 ........................................... 7

3.2 最大功率额定缺额的确定 ....................................... 8

3.3 各轮动作功率的选择及计算 ..................................... 8

3.3.1 各轮动作功率的选择 ............................................................................ 8

3.3.2 各轮动作功率的计算 ............................................................................ 9

3.3.3 特殊轮的功用与断开功率的选择 ...................................................... 10

第4章 课程设计总结 ................................. 错误！未定义书签。

参考文献 ............................................................ 15

第1章 绪论

1.1 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 （Under Frequency Load Shedding）。

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50 Hz 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。

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

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。