地區(qū)電網(wǎng)低頻減載方案的整定

李澤榮,任建文,張小娟

(華北電力大學(xué),河北保定 071003)

地區(qū)電網(wǎng)低頻減載方案的整定

李澤榮,任建文,張小娟

(華北電力大學(xué),河北保定 071003)

針對(duì)電力系統(tǒng)中存在的有功缺額導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降甚至引起系統(tǒng)失穩(wěn)的問(wèn)題,結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中采用的最普遍的低頻減載整定方案進(jìn)行分析研究,編寫(xiě)地區(qū)電網(wǎng)低頻減載整定軟件并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證得出的低頻減載整定方案可以對(duì)運(yùn)行人員提供參考。

地區(qū)電網(wǎng);低頻減載;整定方案;軟件實(shí)現(xiàn)

0 引言

電力系統(tǒng)在事故情況下,可能產(chǎn)生嚴(yán)重的有功缺額,導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅度下降甚至頻率崩潰。相關(guān)規(guī)程規(guī)定電力系統(tǒng)的頻率在事故時(shí)不能較長(zhǎng)時(shí)間地停留在 47 H z以下,瞬時(shí)值絕對(duì)不能低于45 H z,所以,在電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率缺額的事故時(shí),必須迅速斷開(kāi)相應(yīng)的用戶,使頻率維持在運(yùn)行人員可以從容處理事故的水平上。在系統(tǒng)頻率下降到某值,切除相應(yīng)用戶來(lái)減少系統(tǒng)中的有功缺額,使系統(tǒng)頻率保持在事故允許的限額之內(nèi)的措施稱(chēng)為低頻減載。低頻減載UFLS(Under Frequency Load Shedding)是電力系統(tǒng)第三道防線中最重要的應(yīng)急反事故措施。

1 低頻減載設(shè)計(jì)原則和要求

低頻減載方案設(shè)計(jì)的目的簡(jiǎn)單地說(shuō)就是通過(guò)合理地安排UFLS各級(jí)在各地區(qū)的頻率定值、時(shí)間定值及負(fù)荷切除量,從而盡可能地提高低頻減載方案對(duì)系統(tǒng)中不同運(yùn)行方式、不同干擾地點(diǎn)及不同功率缺額的適應(yīng)能力。UFLS整定方案應(yīng)該遵循三條最基本規(guī)則[1]。

a)能在各種運(yùn)行方式和有功缺額情況下有效地防止系統(tǒng)頻率降到危險(xiǎn)點(diǎn)以下。

b)能使系統(tǒng)頻率盡快回升到49.5～50 H z之間,無(wú)超調(diào)和懸停現(xiàn)象。

c)切除的負(fù)荷盡可能少。

2 低頻減載計(jì)算參數(shù)的確定

2.1 負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)

在額定頻率 f N時(shí),系統(tǒng)功率為P LN。當(dāng)頻率下降時(shí),負(fù)荷功率將減少;當(dāng)頻率升高時(shí),負(fù)荷功率將增加,這一現(xiàn)象為負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。為衡量負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)的大小,定義負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)為:K L＊=d P L＊/d f＊,負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)的數(shù)值可由測(cè)試求得,也可根據(jù)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)資料分析估算確定。電力系統(tǒng)調(diào)度部門(mén)必須掌握該值,它是低頻減載計(jì)算的依據(jù)之一。通常可取K L＊為1到3之間的數(shù)值,K L＊越大時(shí)頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)越顯著。山西各電力系統(tǒng)統(tǒng)一取K L＊=2。

2.2 確定最大的功率缺額

通常對(duì)系統(tǒng)最大功率缺額的估計(jì),按系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下實(shí)際可能發(fā)生的最大功率缺額來(lái)考慮[2],如占系統(tǒng)容量比重很大的某一臺(tái)大機(jī)組、一個(gè)大電廠或一個(gè)輸電通道方向的全部輸電線路斷開(kāi)。各地區(qū)減載量除滿足整個(gè)系統(tǒng)按級(jí)、按量的要求外,還應(yīng)滿足本地區(qū)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)的要求?？紤]到負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)后,接于減負(fù)荷裝置上的負(fù)荷總功率P JH可以比最大的缺額功率 P QE小些。接于減負(fù)荷裝置上的負(fù)荷總功率,見(jiàn)式 (1)。

式中:fN——系統(tǒng)的額定頻率,50 H z。

2.3 恢復(fù)頻率的確定

對(duì)于任何情況下的功率缺額,遵循切除的負(fù)荷量應(yīng)盡可能少的原則,某一級(jí)按自動(dòng)低頻減載動(dòng)作后,系統(tǒng)的頻率不希望恢復(fù)得過(guò)高,約為49.5～50 H z之間,山西電網(wǎng)統(tǒng)一取50 Hz。

2.4 第一輪動(dòng)作頻率的選擇

對(duì)于大于300 MW的系統(tǒng),建議第一輪的動(dòng)作頻率應(yīng)不低于49 Hz。目前我國(guó)大多數(shù)電網(wǎng)中的低頻減載第一輪動(dòng)作頻率整定為49 H z,山西電網(wǎng)低頻減載第一輪動(dòng)作頻率為49.25 H z。

（5）加強(qiáng)國(guó)際協(xié)作，引領(lǐng)人工智能規(guī)范的國(guó)際治理。人工智能發(fā)展關(guān)系未來(lái)人類(lèi)共同命運(yùn)，加快國(guó)際合作，共同制定發(fā)展規(guī)范是大勢(shì)所趨。除應(yīng)重視技術(shù)發(fā)展外，還應(yīng)加強(qiáng)與各國(guó)的合作，積極參與相關(guān)國(guó)際規(guī)范制定。當(dāng)前，國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)隱私，以及人工智能對(duì)社會(huì)倫理的影響，要主動(dòng)加強(qiáng)在產(chǎn)業(yè)、智庫(kù)、學(xué)者層面的溝通交流，主動(dòng)引領(lǐng)命題，提供中國(guó)經(jīng)驗(yàn)和中國(guó)解決方案。此外，中國(guó)的大市場(chǎng)為發(fā)展人工智能提供了很好平臺(tái)，在保障國(guó)家安全的前提下，積極創(chuàng)造條件，推動(dòng)國(guó)際合作，邊應(yīng)用、邊治理，推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際立法?！?/p>

2.5 最后一輪動(dòng)作頻率的選擇

在現(xiàn)代電力系統(tǒng),減負(fù)荷裝置最后一輪動(dòng)作后,系統(tǒng)頻率不應(yīng)低到使大機(jī)組跳閘的程度。關(guān)于最后一輪動(dòng)作頻率,我國(guó)尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定。山西電網(wǎng)低頻減載整定最后一輪頻率整定為47.75 H z。

2.6 頻率選擇性級(jí)差的確定

對(duì)于機(jī)電型或晶體管型頻率繼電器而言,頻率選擇性級(jí)差一般取0.5 H z,對(duì)于數(shù)字和微機(jī)型的低頻減載裝置,建議級(jí)差小于0.3 Hz。山西電網(wǎng)頻率級(jí)差為0.25 H z。

2.7 動(dòng)作時(shí)限的確定

因?yàn)槿羧?dòng)作時(shí)限為0 s,則在電壓急驟下降時(shí)或者系統(tǒng)振蕩時(shí)有可能發(fā)生誤動(dòng)作,時(shí)限太長(zhǎng)將使系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障,頻率會(huì)降低到臨界值以下,所以基本級(jí)動(dòng)作時(shí)限通常取0.1～0.5 s。山西電網(wǎng)低頻減載整定動(dòng)作時(shí)限0.2 s。

3 低頻減載方案的整定計(jì)算

3.1 級(jí)數(shù)的確定

當(dāng)和確定以后,就可以在該頻率范圍內(nèi)按頻率級(jí)差分成級(jí)斷開(kāi)負(fù)荷,級(jí)數(shù)計(jì)算式見(jiàn)式 (3)[3-5]。

則可以求出低頻減載動(dòng)作級(jí)總數(shù)和各級(jí)啟動(dòng)頻率。

3.2 基本級(jí)切除負(fù)荷值的確定

設(shè)i級(jí)動(dòng)作頻率為f i,它所切除的功率表示為系統(tǒng)負(fù)荷P LN的標(biāo)幺值為ΔP L i＊。如果頻率特性曲線在 (i-1)級(jí)動(dòng)作切除負(fù)荷以后,系統(tǒng)的穩(wěn)定頻率正好按第i級(jí)的啟動(dòng)頻率f i來(lái)考慮,這是能使第i級(jí)啟動(dòng)的功率缺額為最小臨界情況,當(dāng)切除ΔPLi＊后,能達(dá)到系統(tǒng)恢復(fù)頻率值fhf。其他功率缺額較大的事故情況下也能使i級(jí)啟動(dòng),不過(guò)它們的恢復(fù)頻率均低于 f hf。則每級(jí)的切除負(fù)荷值計(jì)算公式見(jiàn)式 (5)。

在此方式下的每級(jí)切除負(fù)荷不是平均分配,而是隨動(dòng)作頻率的降低而增大。用近似實(shí)用計(jì)算公式則每輪切除負(fù)荷量可以計(jì)算,見(jiàn)表1。

表1 每輪切負(fù)荷量整定表

表1中 fn表示低頻減載第n級(jí)的啟動(dòng)頻率。實(shí)際取值時(shí),各級(jí)切除負(fù)荷功率一般大于按表1所求得的值。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn),把所有功率以低頻減載裝置動(dòng)作前的系統(tǒng)總負(fù)荷 P LN的百分值表示,見(jiàn)式(7)。

則各輪斷開(kāi)功率見(jiàn)表2。

3.3 特殊級(jí)切除功率值的確定

在低頻減載裝置動(dòng)作的過(guò)程中,可能出現(xiàn)這樣的情況,第i輪動(dòng)作以后,系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在低于恢復(fù)頻率的低限 fhfmin(一般取47 H z),但又不足以使i+1輪減載裝置動(dòng)作。如不采取措施,系統(tǒng)將長(zhǎng)期運(yùn)行于這種惡劣狀態(tài)。為了消除這種現(xiàn)象,在低頻減載整定方案中設(shè)置帶時(shí)限的特殊輪,特殊輪的動(dòng)作頻率 f ts=f hfm in,由于特殊輪是在系統(tǒng)頻率穩(wěn)定時(shí)動(dòng)作的,因此時(shí)限整定為15～25 s。特殊輪切除的負(fù)荷功率ΔP ts可根據(jù)以下兩個(gè)極限條件來(lái)確定。第一,當(dāng)?shù)皖l減載最后第二級(jí),即n-1級(jí)動(dòng)作后,系統(tǒng)頻率繼續(xù)下降,在稍大于 fn時(shí)穩(wěn)定,

表2 按負(fù)荷百分?jǐn)?shù)的每輪切負(fù)荷量整定表

在特殊輪動(dòng)作后,系統(tǒng)頻率恢復(fù)到 f hfm in以上。因此,特殊輪應(yīng)切除的負(fù)荷功率見(jiàn)式 (8)。

計(jì)算后取較大的計(jì)算值。在求出ΔP ts＊后,可將特殊輪按時(shí)間分成若干級(jí),即動(dòng)作頻率相同,但動(dòng)作時(shí)延不同,以進(jìn)行分批切除。當(dāng)頻率恢復(fù)到fhfmin以上,動(dòng)作時(shí)間未到的特殊輪可不再動(dòng)作切負(fù)荷。

4 低頻減載算法的實(shí)現(xiàn)和仿真

在對(duì)整定算法深入研究學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,用delphi7.0編程實(shí)現(xiàn)了低頻減載方案整定計(jì)算軟件。該軟件只要用戶設(shè)置合適的參數(shù)就可以對(duì)低頻減載方案進(jìn)行整定計(jì)算,并提供整定結(jié)果的保存打印功能,其整定結(jié)果經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,可以對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的低頻減載整定計(jì)算工作提供參考。

軟件中用戶需要設(shè)置一些整定計(jì)算必需的參數(shù),并且設(shè)置特殊輪,可以設(shè)置一輪或者兩輪,用戶設(shè)置參數(shù)界面如圖1所示。

圖1 低頻減載整定軟件界面圖

軟件提供兩種整定計(jì)算方式,即以負(fù)荷有名值方式和以負(fù)荷百分?jǐn)?shù)方式。其中以負(fù)荷有名值計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 以負(fù)荷有名值計(jì)算整定結(jié)果界面

舉一算例進(jìn)行低頻減載方案整定以說(shuō)明軟件功能,2008年山西呂梁地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷總功率為1 400 MW,該地區(qū)可能出現(xiàn)的最大功率缺額為630 MW,其負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)取值KL＊=2,則輸入整定參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 低頻減載整定輸入?yún)?shù)表

則低頻減載整定軟件的整定結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 低頻減載整定輸出結(jié)果表

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或有功嚴(yán)重失衡時(shí),電力系統(tǒng)頻率變化是一個(gè)復(fù)雜的暫態(tài)過(guò)程。若將系統(tǒng)看成一個(gè)等值單機(jī)系統(tǒng),頻率特性則可寫(xiě)成式(12)或式(13)[6]。

式中:f0——系統(tǒng)低頻減載每級(jí)的起始頻率。

使用Matlab/Simulink進(jìn)行低頻減載整定方案的仿真,假設(shè)系統(tǒng)的功率缺額分別為3種情況,即200 MW、400MW、630MW,見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

圖3 功率缺額200 MW的仿真曲線

圖4 功率缺額400 MW的仿真曲線

圖5 功率缺額630 MW的仿真曲線

根據(jù)以上的仿真結(jié)果,可以看出所得出的低頻減載方案能適應(yīng)各種功率缺額。經(jīng)過(guò)低頻減載逐級(jí)切除相應(yīng)負(fù)荷,都能使頻率恢復(fù)到正常的頻率附近,繼而可以由調(diào)度增發(fā)電廠出力,使頻率恢復(fù)到正常水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

盡管現(xiàn)在國(guó)外有一些使用d f/d t啟動(dòng)低頻減載的算法,還有d f/d t和Δf判據(jù)組合起來(lái)的算法,可能對(duì)不同的有功功率缺額有更好的適應(yīng)性,但是,這是一些探討性的研究和個(gè)別電網(wǎng)的試驗(yàn),從理論和實(shí)踐上,還缺乏一種公認(rèn)的、普遍適用的結(jié)果,從全局上看,低頻減載方案仍然是采用的最普遍的反有功功率缺額事故的有效措施。

[1] 崔家佩,孟慶炎,陳永芳,等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算 [M].北京:水利電力出版社,1994:460-467.

[2] 李先彬.電力系統(tǒng)自動(dòng)化 [M].4.北京:中國(guó)電力出版社,2004:257-272.

[3] 楊冠城.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理 [M].北京:中國(guó)電力出版社,2005:180-193.

[4] 商國(guó)才.電力系統(tǒng)自動(dòng)化[M].天津:天津大學(xué)出版社,1999:257-266.

[5] 許克明,田懷智.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1996:126-138.

[6] 胡繼堂.電力系統(tǒng)頻率測(cè)量及低頻減載方案的研究 [D].天津:天津大學(xué).1996.

The Setting Scheme of UFLS of Regional Power Grid

LI Ze-rong,REN Jian-wen,ZHANG Xiao-juan
(North China Electric Power University,Baoding,Hebei 071003,China)

UFLS(Under frequency load shedding)is themost important anti-fau ltmeasure in security and stability of the power system to p revent the frequency fall.This essay studies and analyses themost common schemeof UFLS,also p rograms a piece of software and verifies its validity.The scheme which the software concludes can provide a reference for elec trical workers.

regional pow er grid;UFLS;setting scheme;softw are programm ing

TM 711

A

1671-0320(2010)03-0001-04

2009-12-31,

2010-04-25

李澤榮 (1984-),男,山西呂梁人,2008級(jí)華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行與控制;

任建文(1962-),男,山西呂梁人,1992年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),博士,教授,從事人工智能、電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化等方面的研究工作;

張小娟 (1985-),女,湖北武漢人,2008級(jí)華北電力大學(xué)高電壓與絕緣專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生,主要研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。