微機自動低頻減載方案的研究

李家坤 熊 巍

(長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430212)

0 引言

電力系統(tǒng)的頻率與發(fā)電機組所發(fā)出的有功功率和負(fù)荷所需有功功率之間的平衡情況有關(guān)。 當(dāng)有功功率不滿足用戶要求而出現(xiàn)差額時，系統(tǒng)的頻率將會下降。一般情況下，系統(tǒng)動用發(fā)電廠的熱備用容量就足以滿足用戶的要求，但當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生較大事故，系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的功率缺額時，為了保證對重要用戶的正常供電，不得不采取應(yīng)急措施，切除部分負(fù)荷，使系統(tǒng)頻率恢復(fù)到可以安全運行的范圍內(nèi)。

在系統(tǒng)發(fā)生故障，有功功率嚴(yán)重缺額，需要切除部分負(fù)荷時，應(yīng)盡可能做到有次序、有計劃地切除負(fù)荷，并保證所切負(fù)荷的數(shù)量必須合適，以盡量減少切除負(fù)荷后所造成的經(jīng)濟損失,這就是低頻減載裝置的任務(wù)。

1 微機自動低頻減載裝置工作原理分析

1.1 微機低頻減載裝置的基本工作原理

圖1 自動低頻減載裝置原理圖

微機自動低頻減載裝置的基本工作原理，可以用圖1 說明。 假定變電站饋電母線上有多條供配電線路，按電力用戶的重要性分為n 個基本級和m 個特殊級。 基本級是不重要的負(fù)荷，特殊級是較重要的負(fù)荷。每一級均裝有低頻減載裝置，它由頻率測量元件f、延時元件△t 和執(zhí)行性元件CA 三部分組成。

基本級的作用是根據(jù)系統(tǒng)頻率下降的程度，依次切除不重要的負(fù)荷，以便限制系統(tǒng)頻率繼續(xù)下降。 例如，當(dāng)系統(tǒng)頻率降至f1 時，第一級頻率測量元件起動，經(jīng)延時△t1 后執(zhí)行元件CA1 動作，切除第一級負(fù)荷△P1；當(dāng)系統(tǒng)頻率降至f2 時，第二級頻率測量元件起動，經(jīng)延時△t2后執(zhí)行元件CA2 動作， 切除第二級負(fù)荷△P2。 如果系統(tǒng)頻率繼續(xù)下降，則基本級的n 級負(fù)荷有可能全部被切除。

當(dāng)基本級全部動作后， 若系統(tǒng)頻率長時間停留在較低水平上，則特殊級的頻率測量元件fsp 起動， 經(jīng)延時△tsp1 后切除第一級負(fù)荷△Psp1；若系統(tǒng)頻率仍不能恢復(fù)到接近于恢復(fù)頻率fh，則將繼續(xù)切除較重要的負(fù)荷，直至特殊級的全部負(fù)荷切除完。

1.2 對微機自動低頻減載裝置的要求

（1）測頻方法先進(jìn)，測頻精度高。由單片機和大規(guī)模集成電路組成的低頻減載裝置，可以充分利用單片機的資源，提高測頻精度。

（2）可采用頻率下降速率作為動作判據(jù)或閉鎖條件。 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的功率缺額事故時，系統(tǒng)頻率的下降速率快。 如果低頻減載裝置按df/dt 作為動作判據(jù)，則能加速切除部分負(fù)荷，保證系統(tǒng)頻率盡快恢復(fù)正常，也即提高了裝置動作的快速性和準(zhǔn)確性。 也可以利用df/dt 作為閉鎖條件，以防止低頻減載裝置誤動。

（3）容易擴展低電壓閉鎖功能。安裝低頻減載裝置的變電站，當(dāng)其母線或附近出線發(fā)生短路事故時，母線電壓降低，有時可以引起測頻誤差，致使裝置誤動。為提高可靠性和動作的準(zhǔn)確性，可考慮增加低壓閉鎖功能。對于常規(guī)的低頻減載裝置來說，必須增加一個電壓繼電器，而對于微機低頻減載裝置，只需從軟件上增加電壓判據(jù)即可。

（4）容易擴充重合閘功能。由微機構(gòu)成的低頻減載裝置，只要在軟件設(shè)計上做些工作，并擴展合閘出口回路，就可以方便地擴展自動重合閘功能。 它是在低頻減載裝置動作，切除部分負(fù)荷并在消除有功功率缺額事故后，系統(tǒng)頻率回升時，對已被切線路進(jìn)行重合閘操作。這對于無人值班變電站尤其有用，可以防止裝置誤動或在有功缺額的事故消除后，及時恢復(fù)供電。 對于以水電為主，并有較大容量的電力系統(tǒng)，經(jīng)過延時跳閘這段時間，水輪機調(diào)速器已經(jīng)發(fā)揮作用，系統(tǒng)備用容量得到充分利用，從而減輕了系統(tǒng)的有功功率缺額，此時可以重合閘，加速恢復(fù)對用戶的供電。

（5）具有故障自診斷和自閉鎖功能。微機低頻減載裝置，利用微機的智能，很容易擴展故障自診斷功能。 例如，測頻回路自檢、存儲器自檢和輸出回路自檢等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某部分發(fā)生故障時，應(yīng)立刻報警，并自動閉鎖裝置的出口。

2 有關(guān)減載方案的分析

要科學(xué)地切除負(fù)荷，做到既不多切也不少切，盡快地恢復(fù)系統(tǒng)的頻率，必須利用系統(tǒng)合適的信息來確定切除的功率量。 現(xiàn)有的裝置都是按頻率的降低值來切除負(fù)荷，但也有文獻(xiàn)提到按頻率下降速度df/dt來確定負(fù)荷的切除量。 下面就幾種方案加以分析，并推導(dǎo)功率缺額的計算公式。

電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行情況下，各母線電壓的頻率為統(tǒng)一的運行參數(shù)ωx/2π，各母線電壓的表達(dá)式為：

ui=uisin(ωxt+δi)

其中，ωx——全網(wǎng)統(tǒng)一的角頻率

電力系統(tǒng)由于有功功率平衡遭到破壞而引起系統(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，稱為電力系統(tǒng)的動態(tài)頻率特性。

電網(wǎng)中有很多發(fā)電機并聯(lián)運行，當(dāng)系統(tǒng)由于功率缺額而頻率下降時，在動態(tài)過程中各母線電壓頻率并不一致。如先忽略各節(jié)點Δfi的差異，首先求得全系統(tǒng)統(tǒng)一頻率fx的變化過程，因此，可以把系統(tǒng)所有機組作為一臺等值機組來考慮。 由計算經(jīng)驗表明，雖然由于負(fù)荷電動機的數(shù)量要比發(fā)電機的量多得多，但負(fù)荷電動機及其拖動機械的轉(zhuǎn)動慣量卻比發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量要小得多，且它們的轉(zhuǎn)動慣量在整個系統(tǒng)中所占的比例很小，可以忽略不計。

根據(jù)以上等值觀點，電力系統(tǒng)頻率變化時等值機組的運動方程表達(dá)為：

式中，PT*、PL*——以系統(tǒng)發(fā)電機總額定功率PGe 為基準(zhǔn)的發(fā)電機總功率和負(fù)荷功率的標(biāo)么值；

Tx——系統(tǒng)等值機組慣性時間常數(shù)：

把上式改寫成以系統(tǒng)在額定頻率時的總功率PLe為功率基準(zhǔn)，（1）式也可以寫成：

計及負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)PL=PLe+KLΔf, 把它寫成以PLe為基準(zhǔn)的標(biāo)么表達(dá)式，同時把功率缺額用ΔPh*表示，則（2）式可改寫為：

即：

這是一個典型的一階慣性環(huán)節(jié)的微分方程式，（5）式的解為：

由（6）式解得功率缺額為：

上式中，Txf——系統(tǒng)頻率下降過程的時間常數(shù)，

由（5）式可知，在頻率下降速度df/dt 的信號中，含有功率缺額的信息，從理論上講它提供了切除相應(yīng)功率量的數(shù)字描述，是比較理想的檢測信號。此方案動作準(zhǔn)確，但算法較復(fù)雜。又由（7）式可知，當(dāng)已知Txf，Δf，Δt 時，可以求出功率缺額ΔPh。

目前我國電力系統(tǒng)實際應(yīng)用的是按頻率自動減載。 這種“逐次逼近”式的低頻減載方案原理是預(yù)先估計系統(tǒng)的功率缺額，按照各輪的動作頻率，在各個接點上斷開相應(yīng)的用戶負(fù)荷，以達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的目的。 由于預(yù)先不能準(zhǔn)確確定系統(tǒng)功率缺額值、事故范圍以及系統(tǒng)備用容量的動用特性等因素，這種“逐次逼近”式的低頻減載方案采取了一種犧牲快速性，按輪逐次逼近系統(tǒng)實際功率缺額的自動調(diào)整式的減負(fù)荷方法。 但此方案裝置簡單，有較為成熟的運行經(jīng)驗，因此，這種“逐次逼近”式的低頻減載方案應(yīng)用最普遍。

國外一些電力系統(tǒng)，根據(jù)頻率變化率df/dt 來啟動減負(fù)荷裝置，以便實現(xiàn)在嚴(yán)重功率缺額時快速切除負(fù)荷。 這種方案的缺點是，在切除負(fù)荷的過程中，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量不斷變化，很難根據(jù)系統(tǒng)的實際情況決定df/dt 與被切負(fù)荷在數(shù)量上的關(guān)系。 另外，在大電力系統(tǒng)中，為了躲開頻率下降過程中同一段時間不同地點的值可能有較大差異，需要人為地增加延時。作者相信，隨著微機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，今后理論上的更加完善，采用按df/dt 減載方案將具有更好的效果。

也有文獻(xiàn)提出了另一種減載方案。 其基本思想是，借助于電壓的變化來確定減負(fù)荷的數(shù)量和位置，在受到大擾動的地區(qū)先減掉相應(yīng)負(fù)荷，動作的依據(jù)是：①頻率的變化；②頻率下降水平；③電壓的急劇下降。 然后再由電力系統(tǒng)中分層控制的能量管理系統(tǒng)（EMS）計算減負(fù)荷功率，這樣可以提高裝置的動作速度，避免少切負(fù)荷。 但是，目前此方案還處在研究論證階段。

3 結(jié)束語

“逐次逼近”式的低頻減載方案采取了一種犧牲快速性，按輪逐次逼近系統(tǒng)實際功率缺額的自動調(diào)整式的減負(fù)荷方法， 此方案裝置簡單。 使用頻率變化率df/dt 啟動減負(fù)荷裝置，以實現(xiàn)在嚴(yán)重功率缺額時快速切除。隨著微機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，今后理論上的更加完善，采用按df/dt 減載方案將具有更好的效果。

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