電力系統(tǒng)自動裝置第六章-低頻減載1

第六章電力系統(tǒng)自動低頻減載及其他安全控制裝置2/372023/2/5主要內(nèi)容電力系統(tǒng)典型事故自動低頻減載頻率的靜態(tài)/動態(tài)特性自動低頻減載的工作原理最大功率缺額/動作順序/頻率級差選擇每段切功率的限制/延時與防止誤動作特殊輪自動低頻減載裝置其他安全自動控制裝置自動解列裝置水輪機(jī)低頻自啟動裝置自動切機(jī)與電氣制動3/372023/2/5電力系統(tǒng)自動裝置4/372023/2/5電力系統(tǒng)典型事故電力系統(tǒng)自動裝置就是針對危及系統(tǒng)安全運行的故障所采用的自動化對策，他們的任務(wù)就是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些故障時，按照預(yù)定的控制準(zhǔn)則迅速作出反應(yīng)，采取必要的措施以避免事故擴(kuò)大。事故1：A電廠發(fā)生故障而切機(jī)，B系統(tǒng)突然減少了功率。如果運行機(jī)組備用容量遠(yuǎn)小于，則會造成電網(wǎng)功率的嚴(yán)重缺額，頻率會大幅度下降。此時如果不及時切負(fù)荷，則會危及系統(tǒng)安全，甚至整個系統(tǒng)崩潰。NorthChinaElectricPowerUniversity5/372023/2/5電力系統(tǒng)典型事故事故2：在雙回線路上輸送的功率很大，當(dāng)有一回線三相短路而被切除，超出了一回線路運行的暫態(tài)穩(wěn)定極限。如果不迅速減少輸送功率，則可能由于系統(tǒng)穩(wěn)定破壞而解列。造成受端更為嚴(yán)重的功率缺額。事故處理：1、對于事故1，B系統(tǒng)迅速切除負(fù)荷2、對于事故2，A電廠迅速減少輸送功率6/372023/2/5電力系統(tǒng)典型事故存在問題：如果由調(diào)度人員在很短的時間內(nèi)正確判斷事故并且完成相應(yīng)的上述操作，顯然是不可能的。原因是遠(yuǎn)動信息傳輸和操作命令的傳達(dá)都需要一定的時間，如此長的時間勢必會失去及時處理事故的良機(jī)。解決辦法：針對引發(fā)系統(tǒng)性事故的緊急操作任務(wù)必須依靠自動控制系統(tǒng)裝置來完成。0.0010.010.11101001000Sec.電磁暫態(tài)ElectromagneticSwitchingTransient暫態(tài)穩(wěn)定Transientstability（angleandvoltage）系統(tǒng)運行Powersystemoperation小擾動穩(wěn)定Smallsignalstability長期電壓穩(wěn)定Longtermvoltagestability繼電保護(hù)范圍自動裝置范圍自動化系統(tǒng)范圍人員操作范圍7/372023/2/5第二節(jié)自動低頻減載電力系統(tǒng)的頻率反映了發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的有功功率與負(fù)荷所需有功功率之間的平衡狀況。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生了較大的事故時，系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的功率缺額，其缺額值超出了正常熱備用可以調(diào)節(jié)的能力，這時即使令全系統(tǒng)中運行的所有發(fā)電機(jī)都發(fā)出其設(shè)備可能提供的最大功率，仍然不能滿足負(fù)荷功率的需要，所引發(fā)的系統(tǒng)頻率下降值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了系統(tǒng)安全運行所允許的范圍。為了保證電網(wǎng)安全和對重要用戶的供電，必須采取措施，切除部分負(fù)荷，以使系統(tǒng)頻率恢復(fù)到可以安全運行的水平內(nèi)。8/372023/2/5頻率降低對電力系統(tǒng)的影響系統(tǒng)頻率降低較大時，對系統(tǒng)運行極為不利，甚至?xí)斐上到y(tǒng)崩潰的嚴(yán)重后果。1、對汽輪機(jī)的影響：頻率降低會導(dǎo)致汽輪機(jī)的葉片產(chǎn)生裂紋，甚至葉片斷裂。2、發(fā)生頻率崩潰現(xiàn)象3、發(fā)生電壓崩潰現(xiàn)象頻率降低火電廠廠用機(jī)械出力降低鍋爐出力降低發(fā)電廠出力降低頻率降低勵磁機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降電動勢下降加劇無功不足電壓水平下降9/372023/2/51、電力系統(tǒng)頻率的靜態(tài)特性在電力系統(tǒng)出現(xiàn)較大的功率缺額時，如能在較低的頻率維持運行，主要是依靠負(fù)荷頻率特性的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)頻率降低時，負(fù)荷按照自身的頻率特性自動地減少了從系統(tǒng)中所吸收的功率，使之與發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率盡可能的保持平衡。此時，系統(tǒng)所減少的功率就是系統(tǒng)的功率缺額。系統(tǒng)功率缺額負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)特性系統(tǒng)功率缺額10/372023/2/52、電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行情況下全電網(wǎng)統(tǒng)一的角頻率當(dāng)系統(tǒng)受到微小擾動時，系統(tǒng)頻率仍然維持，發(fā)生變化，也發(fā)生變化。此時，母線電壓的瞬時角頻率為由于在擾動過程中，各母線電壓的相角不可能具有相同的變化率，因此，系統(tǒng)中各母線電壓頻率變化并一致。取決于的變化情況。11/372023/2/52、電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時，系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)的動能都為支持電網(wǎng)的能耗而做出貢獻(xiàn)。頻率隨時間變化的過程主要取決于有功功率缺額大小和系統(tǒng)中所有轉(zhuǎn)動部分的機(jī)械慣性，包括：汽輪機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、電動機(jī)及其拖動的機(jī)械設(shè)備。電力系統(tǒng)由于有功功率的平衡遭到破壞，引起系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，頻率從正常狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定值所經(jīng)歷的時間過程——電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)過程。用來表示電力系統(tǒng)頻率動態(tài)特性。12/372023/2/52、電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性研究電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)過程（1）以單機(jī)單負(fù)荷為例：系統(tǒng)出現(xiàn)有功缺額時，轉(zhuǎn)子運動方程轉(zhuǎn)子動能考慮到機(jī)械角速度變化不太快13/372023/2/52、電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性（2）全網(wǎng)多臺機(jī)組并聯(lián)運行：考慮忽略各節(jié)點頻率偏差的差異，把全系統(tǒng)的所有機(jī)組看作一臺等值機(jī)。電動機(jī)及其拖動機(jī)械負(fù)荷的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量，可以忽略，這樣并不會影響計算結(jié)果。等值機(jī)的慣性時間常數(shù)轉(zhuǎn)換為以負(fù)荷在額定頻率時的總功率為基準(zhǔn)功率14/372023/2/52、電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額或者功率過剩時，系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性可用指數(shù)曲線來描述。在事故初期，頻率下降的速度與功率缺額成正比15/372023/2/52、電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性系統(tǒng)有功率缺額ΔPh，當(dāng)頻率下降至f1

，切除負(fù)荷結(jié)論：如果能夠及時切除負(fù)荷功率，就可以延緩系統(tǒng)頻率下降過程。cd16/372023/2/53、自動低頻減載的工作原理當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的功率缺額時，低頻減載裝置的任務(wù)就是迅速斷開相應(yīng)數(shù)量的用戶負(fù)荷，使系統(tǒng)頻率在不低于某一允許值的情況下，達(dá)到有功功率平衡，以確保電力系統(tǒng)安全運行，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。這是防止電力系統(tǒng)發(fā)生頻率崩潰的系統(tǒng)性的保護(hù)裝置。1、最大功率缺額的確定2、自動低頻減載裝置的動作順序3、頻率級差的選擇4、每段切除功率的限制5、自動減載裝置的延時與防止誤動作6、特殊輪17/372023/2/5（1）最大功率缺額的確定考慮即使在系統(tǒng)發(fā)生最嚴(yán)重的事故情況下，也就是出現(xiàn)最大可能的功率缺額時，接至自動低頻減載裝置的用戶功率量（待切除的負(fù)荷）也能使系統(tǒng)頻率恢復(fù)至可以運行的水平，以避免事故擴(kuò)大。確定系統(tǒng)事故情況下最大的可能功率缺額，以及接入自動低頻減載裝置的功率值，是系統(tǒng)安全運行的重要保證。一般應(yīng)該根據(jù)最不利的運行方式下發(fā)生事故時，實際可能發(fā)生的最大功率缺額來考慮。例如：按系統(tǒng)中斷開最大機(jī)組，或者某一電廠來考慮。一般希望系統(tǒng)切除負(fù)荷后的恢復(fù)頻率要小于系統(tǒng)額定頻率自動低頻減載裝置的最大可能斷開的功率要小于最大功率缺額18/372023/2/5（1）最大功率缺額的確定根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷、系統(tǒng)恢復(fù)頻率以及最大功率缺額，可以計算出接到自動低頻減載裝置的功率總數(shù)。19/372023/2/5（2）自動低頻減載裝置的動作順序系統(tǒng)運行方式有很多種，事故的嚴(yán)重程度也很大差別，而對于自動低頻減載裝置都必須做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，切除相應(yīng)數(shù)量的負(fù)荷。解決的辦法——只有分批斷開負(fù)荷功率，采用逐步修正的辦法，才能取得較為滿意的結(jié)果。盡管頻率動態(tài)方程表明頻率下降速率載有有功缺額的信息，但在實際應(yīng)用中，按頻率降低值來切除負(fù)荷，即按頻率自動減載。自動低頻減載裝置是在電力系統(tǒng)發(fā)生事故后系統(tǒng)頻率下降時，按照頻率的不同數(shù)值按順序依次切除負(fù)荷，也就是將最大開斷功率分配在不同啟動頻率值的區(qū)段內(nèi)分批切除負(fù)荷。為了確定自動低頻減載裝置的級數(shù)，應(yīng)該確定第一級啟動頻率和最末一級啟動頻率的數(shù)值。20/372023/2/5c（2）自動低頻減載裝置的動作順序1、第一級啟動頻率在事故初期及早切除負(fù)荷功率，對于延緩頻率下降過程有利。第一級啟動頻率選擇高值，在48.5Hz-49Hz之間。2、最末一級啟動頻率在電力系統(tǒng)中允許最低頻率受到“頻率崩潰”和“電壓崩潰”的限制，一般取46Hz-46.5Hz之間。3、頻率級差n級數(shù)越大，每級開斷的功率越少，適應(yīng)性越好。21/372023/2/5（3）頻率級差的選擇對于頻率級差的選擇有兩種原則，原則之一如下：（1）按照選擇性確定頻率級差強(qiáng)調(diào)各級元件動作次序，要求在前一級動作后還不能制止頻率下降的情況下，后一級才能動作。頻率測量元件的最大誤差頻率對應(yīng)于時間內(nèi)頻率的變化頻率裕度頻率級差的主要決定因素22/372023/2/5（3）頻率級差的選擇（2）級差不強(qiáng)調(diào)選擇性對于頻率級差的選擇有兩種原則，原則之二如下：自動低頻減載遵循逐步試探求解的原則，分級切除少量負(fù)荷，以求達(dá)到較佳的控制效果。為達(dá)到以上目標(biāo)，要求減少級差，增加總的頻率動作級數(shù)n，同時，相應(yīng)地減少每段的切除功率，這樣，即使兩輪無選擇性啟動，系統(tǒng)恢復(fù)頻率也不會過高。在電力系統(tǒng)中，自動低頻減載裝置是分散設(shè)置在各個地區(qū)變電站內(nèi)。系統(tǒng)頻率在下降動態(tài)過程中，各個母線上的頻率并不一致。因此，分散在各地的同一級的低頻減載裝置實際上也不會同時啟動。如果增加級數(shù)，減少各級切除的功率，級差的選擇性問題也就不會很突出。23/372023/2/5（4）每段切功率的限制在同一事故情況下，切除負(fù)荷越多，系統(tǒng)恢復(fù)頻率就越高，因此，每級切除負(fù)荷的功率受到恢復(fù)頻率的限制。切除功率的限值計算——按照“第i-1級動作切除負(fù)荷后，系統(tǒng)的穩(wěn)定頻率正好在第i級的啟動頻率上”來考慮。（1）系統(tǒng)缺額功率系統(tǒng)缺額由負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來補(bǔ)償24/372023/2/5（4）每段切功率的限制（2）當(dāng)?shù)趇級切除負(fù)荷后，系統(tǒng)，這時系統(tǒng)功率缺額由負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)來補(bǔ)償。（3）每級切除的負(fù)荷功率值25/372023/2/5（5）自動減載裝置的延時與防止誤動作系統(tǒng)發(fā)生事故電壓急劇下降頻率繼電器可能會誤動作增加一個時限自動低頻減載裝置采用一個0.1-0.2s的延時地區(qū)變電站短時供電中斷旋轉(zhuǎn)機(jī)組反饋輸送功率電壓維持、頻率急劇下降在容量不大系統(tǒng)出現(xiàn)沖擊負(fù)荷系統(tǒng)頻率瞬時下降低頻減載裝置誤動作附加其他信號閉鎖26/372023/2/5（6）特殊輪自動低頻減負(fù)荷裝置分為兩組：基本輪和特殊輪?；据啚榭焖賱幼?，用以抑制頻率下降。特殊輪則為在基本輪動作后，用以恢復(fù)系統(tǒng)頻率到可以操作的較高數(shù)值。事例：在第i輪動作后，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在低于恢復(fù)頻率的低限，但是又不足以使i+1輪減負(fù)荷裝置動作。帶時限的特殊輪動作切除負(fù)荷啟動頻率不低于前面基本輪的啟動頻率動作時限為系統(tǒng)時間常數(shù)的2-3倍，最小動作時間為10-20s27/372023/2/54、自動低頻減載裝置低頻繼電器延時元件跳閘執(zhí)行回路28/372023/2/54、自動低頻減載裝置51Hz49.5Hz29/372023/2/54、自動低頻減載裝置30/372023/2/5第三節(jié)其他安全自動控制裝置1、發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)解列當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的功率缺額時，會引起系統(tǒng)頻率大幅度降低。這樣會導(dǎo)致發(fā)電廠廠用電動機(jī)出力下降，威脅電廠電能的生產(chǎn)。在電力系統(tǒng)運行中，發(fā)電廠廠用系統(tǒng)如果具備獨立供電的條件。在以上這種情況下，可以考慮廠用系統(tǒng)與電力系統(tǒng)解列運行。31/372023/2/51、自動解列裝置2、電力系統(tǒng)解列在聯(lián)合電力系統(tǒng)運行中，B系統(tǒng)發(fā)生故障引起了整個系統(tǒng)頻率的下降。A系統(tǒng)具有足夠的旋轉(zhuǎn)備用容量，但是由于受到輸電線路的極限輸送功率的限制不能發(fā)揮支援作用。此時，如果頻率繼續(xù)下降，也會威脅到A系統(tǒng)的安全運行。為了控制事故范圍，不至于波及到鄰近系統(tǒng)，將兩個系統(tǒng)解列是比較明智的選擇。32/372023/2/51、自動解列裝置B系統(tǒng)發(fā)生故障系統(tǒng)頻率降低輸電線功率增加超出極限功率AB