微机自动低频减载方案的开发分析

　0 引言
　　电力系统的频率与发电机组所发出的有功功率和负荷所需有功功率之间的平衡情况有关。当有功功率不满足用户要求而出现差额时，系统的频率将会下降。一般情况下，系统动用发电厂的热备用容量就足以满足用户的要求，但当电力系统发生较大事故，系统出现严重的功率缺额时，为了保证对重要用户的正常供电，不得不采取应急措施，切除部分负荷，使系统频率恢复到可以安全运行的范围内。
　　在系统发生故障，有功功率严重缺额，需要切除部分负荷时，应尽可能做到有次序、有计划地切除负荷，并保证所切负荷的数量必须合适，以尽量减少切除负荷后所造成的经济损失，这就是低频减载装置的任务。
　　1 微机自动低频减载装置工作原理分析
　　1.1 微机低频减载装置的基本工作原理
　　图1 自动低频减载装置原理图
　　微机自动低频减载装置的基本工作原理，可以用图1说明。假定变电站馈电母线上有多条供配电线路，按电力用户的重要性分为n个基本级和m个特殊级。基本级是不重要的负荷，特殊级是较重要的负荷。每一级均装有低频减载装置，它由频率测量元件f、延时元件△t和执行性元件CA三部分组成。
　　基本级的作用是根据系统频率下降的程度，依次切除不重要的负荷，以便限制系统频率继续下降。例如，当系统频率降至f1时，第一级频率测量元件起动，经延时△t1后执行元件CA1动作，切除第一级负荷△P1；当系统频率降至f2时，第二级频率测量元件起动，经延时△t2后执行元件CA2动作，切除第二级负荷△P2。如果系统频率继续下降，则基本级的n级负荷有可能全部被切除。
　　当基本级全部动作后，若系统频率长时间停留在较低水平上，则特殊级的频率测量元件fsp起动，经延时△tsp1后切除第一级负荷△Psp1；若系统频率仍不能恢复到接近于恢复频率fh，则将继续切除较重要的负荷，直至特殊级的全部负荷切除完。
　　1.2 对微机自动低频减载装置的要求
　　（1）测频方法先进，测频精度高。由单片机和大规模集成电路组成的低频减载装置，可以充分利用单片机的资源，提高测频精度。
　　（2）可采用频率下降速率作为动作判据或闭锁条件。当系统发生严重的功率缺额事故时，系统频率的下降速率快。如果低频减载装置按df/dt作为动作判据，则能加速切除部分负荷，保证系统频率尽快恢复正常，也即提高了装置动作的快速性和准确性。也可以利用df/dt作为闭锁条件，以防止低频减载装置误动。
　　（3）容易扩展低电压闭锁功能。安装低频减载装置的变电站，当其母线或附近出线发生短路事故时，母线电压降低，有时可以引起测频误差，致使装置误动。为提高可靠性和动作的准确性，可考虑增加低压闭锁功能。对于常规的低频减载装置来说，必须增加一个电压继电器，而对于微机低频减载装置，只需从软件上增加电压判据即可。
　　（4）容易扩充重合闸功能。由微机构成的低频减载装置，只要在软件设计上做些工作，并扩展合闸出口回路，就可以方便地扩展自动重合闸功能。它是在低频减载装置动作，切除部分负荷并在消除有功功率缺额事故后，系统频率回升时，对已被切线路进行重合闸操作。这对于无人值班变电站尤其有用，可以防止装置误动或在有功缺额的事故消除后，及时恢复供电。对于以水电为主，并有较大容量的电力系统，经过延时跳闸这段时间，水轮机调速器已经发挥作用，系统备用容量得到充分利用，从而减轻了系统的有功功率缺额，此时可以重合闸，加速恢复对用户的供电。
　　（5）具有故障自诊断和自闭锁功能。微机低频减载装置，利用微机的智能，很容易扩展故障自诊断功能。例如，测频回路自检、存储器自检和输出回路自检等。当发现某部分发生故障时，应立刻报警，并自动闭锁装置的出口。
　　2 有关减载方案的分析
　　要科学地切除负荷，做到既不多切也不少切，尽快地恢复系统的频率，必须利用系统合适的信息来确定切除的功率量。现有的装置都是按频率的降低值来切除负荷，但也有文献提到按频率下降速度df/dt来确定负荷的切除量。下面就几种方案加以分析，并推导功率缺额的计算公式。
电力系统稳态运行情况下，各母线电压的频率为统一的运行参数ωx/2π，各母线电压的表达式为：
　　ui=uisin（ωxt+δi）
　　其中，ωx——全网统一的角频率
　　电力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，称为电力系统的动态频率特性。
　　电网中有很多发电机并联运行，当系统由于功率缺额而频率下降时，在动态过程中各母线电压频率并不一致。如先忽略各节点Δfi的差异，首先求得全系统统一频率fx的变化过程，因此，可以把系统所有机组作为一台等值机组来考虑。由计算经验表明，虽然由于负荷电动机的数量要比发电机的量多得多，但负荷电动机及其拖动机械的转动惯量却比发电机组的转动惯量要小得多，且它们的转动惯量在整个系统中所占的比例很小，可以忽略不计。
　　根据以上等值观点，电力系统频率变化时等值机组的运动方程表达为：
　　Tx■=P■-P■（1）
　　式中，P■、P■——以系统发电机总额定功率PGe为基准的发电机总功率和负荷功率的标么值；
　　Tx——系统等值机组惯性时间常数：
　　■=■=■；（Δf■=■）
　　把上式改写成以系统在额定频率时的总功率PLe为功率基准，（1）式也可以写成：
　　Tx■×■=P■-P■（2）
　　计及负荷调节效应PL=PLe+KLΔf，把它写成以PLe为基准的标么表达式，同时把功率缺额用ΔPh*表示，则（2）式可改写为：
　　Tx■×■+KL*Δf■=ΔPh*（3）
　　即：Tx■×■+Δf■=■（4）
　　令：Txf=■则有：
　　Txf■+Δf■=■（5）
　　这是一个典型的一阶惯性环节的微分方程式，（5）式的解为：
　　Δf■=■（1-e■）（6）
　　由（6）式解得功率缺额为：ΔPh=■（7）
　　上式中，Txf——系统频率下降过程的时间常数，
　　Txf=■·■
　　由（5）式可知，在频率下降速度df/dt的信号中，含有功率缺额的信息，从理论上讲它提供了切除相应功率量的数字描述，是比较理想的检测信

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号。此方案动作准确，但算法较复杂。又由（7）式可知，当已知Txf，Δf，Δt时，可以求出功率缺额ΔPh。
　　目前我国电力系统实际应用的是按频率自动减载。这种“逐次逼近”式的低频减载方案原理是预先估计系统的功率缺额，按照各轮的动作频率，在各个接点上断开相应的用户负荷，以达到稳定系统频率的目的。由于预先不能准确确定系统功率缺额值、事故范围以及系统备用容量的动用特性等因素，这种“逐次逼近”式的低频减载方案采取了一种牺牲快速性，按轮逐次逼近系统实际功率缺额的自动调整式的减负荷方法。但此方案装置简单，有较为成熟的运行经验，因此，这种“逐次逼近”式的低频减载方案应用最普遍。
　　国外一些电力系统，根据频率变化率df/dt来启动减负荷装置，以便实现在严重功率缺额时快速切除负荷。这种方案的缺点是，在切除负荷的过程中，系统的转动惯量不断变化，很难根据系统的实际情况决定df/dt与被切负荷在数量上的关系。另外，在大电力系统中，为了躲开频率下降过程中同一段时间不同地点的值可能有较大差异，需要人为地增加延时。作者相信，随着微机应用技术的发展，今后理论上的更加完善，采用按df/dt减载方案将具有更好的效果。
　　也有文献提出了另一种减载方案。其基本思想是，借助于电压的变化来确定减负荷的数量和位置，在受到大扰动的地区先减掉相应负荷，动作的依据是：①频率的变化；②频率下降水平；③电压的急剧下降。然后再由电力系统中分层控制的能量管理系统（EMS）计算减负荷功率，这样可以提高装置的动作速度，避免少切负荷。但是，目前此方案还处在研究论证阶段。
　　3 结束语
　　“逐次逼近”式的低频减载方案采取了一种牺牲快速性，按轮逐次逼近系统实际功率缺额的自动调整式的减负荷方法，此方案装置简单。使用频率变化率df/dt启动减负荷装置，以实现在严重功率缺额时快速切除。随着微机应用技术的发展，今后理论上的更加完善，采用按df/dt减载方案将具有更好的效果。
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