地區電網低頻減載方案的整定

李澤榮,任建文,張小娟

(華北電力大學,河北保定 071003)

地區電網低頻減載方案的整定

李澤榮,任建文,張小娟

(華北電力大學,河北保定 071003)

針對電力系統中存在的有功缺額導致系統頻率下降甚至引起系統失穩的問題,結合實際電網運行中采用的最普遍的低頻減載整定方案進行分析研究,編寫地區電網低頻減載整定軟件并對其結果進行仿真驗證,經過驗證得出的低頻減載整定方案可以對運行人員提供參考。

地區電網;低頻減載;整定方案;軟件實現

0 引言

電力系統在事故情況下,可能產生嚴重的有功缺額,導致系統頻率大幅度下降甚至頻率崩潰。相關規程規定電力系統的頻率在事故時不能較長時間地停留在 47 H z以下,瞬時值絕對不能低于45 H z,所以,在電力系統發生有功功率缺額的事故時,必須迅速斷開相應的用戶,使頻率維持在運行人員可以從容處理事故的水平上。在系統頻率下降到某值,切除相應用戶來減少系統中的有功缺額,使系統頻率保持在事故允許的限額之內的措施稱為低頻減載。低頻減載UFLS(Under Frequency Load Shedding)是電力系統第三道防線中最重要的應急反事故措施。

1 低頻減載設計原則和要求

低頻減載方案設計的目的簡單地說就是通過合理地安排UFLS各級在各地區的頻率定值、時間定值及負荷切除量,從而盡可能地提高低頻減載方案對系統中不同運行方式、不同干擾地點及不同功率缺額的適應能力。UFLS整定方案應該遵循三條最基本規則[1]。

a)能在各種運行方式和有功缺額情況下有效地防止系統頻率降到危險點以下。

b)能使系統頻率盡快回升到49.5～50 H z之間,無超調和懸停現象。

c)切除的負荷盡可能少。

2 低頻減載計算參數的確定

2.1 負荷的頻率調節效應系數

在額定頻率 f N時,系統功率為P LN。當頻率下降時,負荷功率將減少;當頻率升高時,負荷功率將增加,這一現象為負荷頻率調節效應。為衡量負荷調節效應的大小,定義負荷的頻率調節效應系數為:K L＊=d P L＊/d f＊,負荷頻率調節效應系數的數值可由測試求得,也可根據負荷統計資料分析估算確定。電力系統調度部門必須掌握該值,它是低頻減載計算的依據之一。通常可取K L＊為1到3之間的數值,K L＊越大時頻率調節效應越顯著。山西各電力系統統一取K L＊=2。

2.2 確定最大的功率缺額

通常對系統最大功率缺額的估計,按系統不同運行方式下實際可能發生的最大功率缺額來考慮[2],如占系統容量比重很大的某一臺大機組、一個大電廠或一個輸電通道方向的全部輸電線路斷開。各地區減載量除滿足整個系統按級、按量的要求外,還應滿足本地區電網發生嚴重事故時的要求。考慮到負荷調節效應后,接于減負荷裝置上的負荷總功率P JH可以比最大的缺額功率 P QE小些。接于減負荷裝置上的負荷總功率,見式 (1)。

式中:fN——系統的額定頻率,50 H z。

2.3 恢復頻率的確定

對于任何情況下的功率缺額,遵循切除的負荷量應盡可能少的原則,某一級按自動低頻減載動作后,系統的頻率不希望恢復得過高,約為49.5～50 H z之間,山西電網統一取50 Hz。

2.4 第一輪動作頻率的選擇

對于大于300 MW的系統,建議第一輪的動作頻率應不低于49 Hz。目前我國大多數電網中的低頻減載第一輪動作頻率整定為49 H z,山西電網低頻減載第一輪動作頻率為49.25 H z。

（5）加強國際協作，引領人工智能規范的國際治理。人工智能發展關系未來人類共同命運，加快國際合作，共同制定發展規范是大勢所趨。除應重視技術發展外，還應加強與各國的合作，積極參與相關國際規范制定。當前，國際社會普遍關注網絡安全和數據隱私，以及人工智能對社會倫理的影響，要主動加強在產業、智庫、學者層面的溝通交流，主動引領命題，提供中國經驗和中國解決方案。此外，中國的大市場為發展人工智能提供了很好平臺，在保障國家安全的前提下，積極創造條件，推動國際合作，邊應用、邊治理，推進相關領域的國際立法。■

2.5 最后一輪動作頻率的選擇

在現代電力系統,減負荷裝置最后一輪動作后,系統頻率不應低到使大機組跳閘的程度。關于最后一輪動作頻率,我國尚無統一規定。山西電網低頻減載整定最后一輪頻率整定為47.75 H z。

2.6 頻率選擇性級差的確定

對于機電型或晶體管型頻率繼電器而言,頻率選擇性級差一般取0.5 H z,對于數字和微機型的低頻減載裝置,建議級差小于0.3 Hz。山西電網頻率級差為0.25 H z。

2.7 動作時限的確定

因為若取動作時限為0 s,則在電壓急驟下降時或者系統振蕩時有可能發生誤動作,時限太長將使系統發生嚴重故障,頻率會降低到臨界值以下,所以基本級動作時限通常取0.1～0.5 s。山西電網低頻減載整定動作時限0.2 s。

3 低頻減載方案的整定計算

3.1 級數的確定

當和確定以后,就可以在該頻率范圍內按頻率級差分成級斷開負荷,級數計算式見式 (3)[3-5]。

則可以求出低頻減載動作級總數和各級啟動頻率。

3.2 基本級切除負荷值的確定

設i級動作頻率為f i,它所切除的功率表示為系統負荷P LN的標幺值為ΔP L i＊。如果頻率特性曲線在 (i-1)級動作切除負荷以后,系統的穩定頻率正好按第i級的啟動頻率f i來考慮,這是能使第i級啟動的功率缺額為最小臨界情況,當切除ΔPLi＊后,能達到系統恢復頻率值fhf。其他功率缺額較大的事故情況下也能使i級啟動,不過它們的恢復頻率均低于 f hf。則每級的切除負荷值計算公式見式 (5)。

在此方式下的每級切除負荷不是平均分配,而是隨動作頻率的降低而增大。用近似實用計算公式則每輪切除負荷量可以計算,見表1。

表1 每輪切負荷量整定表

表1中 fn表示低頻減載第n級的啟動頻率。實際取值時,各級切除負荷功率一般大于按表1所求得的值。為了簡化起見,把所有功率以低頻減載裝置動作前的系統總負荷 P LN的百分值表示,見式(7)。

則各輪斷開功率見表2。

3.3 特殊級切除功率值的確定

在低頻減載裝置動作的過程中,可能出現這樣的情況,第i輪動作以后,系統頻率穩定在低于恢復頻率的低限 fhfmin(一般取47 H z),但又不足以使i+1輪減載裝置動作。如不采取措施,系統將長期運行于這種惡劣狀態。為了消除這種現象,在低頻減載整定方案中設置帶時限的特殊輪,特殊輪的動作頻率 f ts=f hfm in,由于特殊輪是在系統頻率穩定時動作的,因此時限整定為15～25 s。特殊輪切除的負荷功率ΔP ts可根據以下兩個極限條件來確定。第一,當低頻減載最后第二級,即n-1級動作后,系統頻率繼續下降,在稍大于 fn時穩定,

表2 按負荷百分數的每輪切負荷量整定表

在特殊輪動作后,系統頻率恢復到 f hfm in以上。因此,特殊輪應切除的負荷功率見式 (8)。

計算后取較大的計算值。在求出ΔP ts＊后,可將特殊輪按時間分成若干級,即動作頻率相同,但動作時延不同,以進行分批切除。當頻率恢復到fhfmin以上,動作時間未到的特殊輪可不再動作切負荷。

4 低頻減載算法的實現和仿真

在對整定算法深入研究學習的基礎上,用delphi7.0編程實現了低頻減載方案整定計算軟件。該軟件只要用戶設置合適的參數就可以對低頻減載方案進行整定計算,并提供整定結果的保存打印功能,其整定結果經過驗證,可以對地區電網的低頻減載整定計算工作提供參考。

軟件中用戶需要設置一些整定計算必需的參數,并且設置特殊輪,可以設置一輪或者兩輪,用戶設置參數界面如圖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算方式,即以負荷有名值方式和以負荷百分數方式。其中以負荷有名值計算結果如圖2所示。

圖2 以負荷有名值計算整定結果界面

舉一算例進行低頻減載方案整定以說明軟件功能,2008年山西呂梁地區電網負荷總功率為1 400 MW,該地區可能出現的最大功率缺額為630 MW,其負荷調節效應系數取值KL＊=2,則輸入整定參數見表3。

表3 低頻減載整定輸入參數表

則低頻減載整定軟件的整定結果見表4。

表4 低頻減載整定輸出結果表

當系統發生故障或有功嚴重失衡時,電力系統頻率變化是一個復雜的暫態過程。若將系統看成一個等值單機系統,頻率特性則可寫成式(12)或式(13)[6]。

式中:f0——系統低頻減載每級的起始頻率。

使用Matlab/Simulink進行低頻減載整定方案的仿真,假設系統的功率缺額分別為3種情況,即200 MW、400MW、630MW,見圖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

根據以上的仿真結果,可以看出所得出的低頻減載方案能適應各種功率缺額。經過低頻減載逐級切除相應負荷,都能使頻率恢復到正常的頻率附近,繼而可以由調度增發電廠出力,使頻率恢復到正常水平。

5 結束語

盡管現在國外有一些使用d f/d t啟動低頻減載的算法,還有d f/d t和Δf判據組合起來的算法,可能對不同的有功功率缺額有更好的適應性,但是,這是一些探討性的研究和個別電網的試驗,從理論和實踐上,還缺乏一種公認的、普遍適用的結果,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.電力系統繼電保護與安全自動裝置整定計算 [M].北京:水利電力出版社,1994:460-467.

[2] 李先彬.電力系統自動化 [M].4.北京:中國電力出版社,2004:257-272.

[3] 楊冠城.電力系統自動裝置原理 [M].北京:中國電力出版社,2005:180-193.

[4] 商國才.電力系統自動化[M].天津:天津大學出版社,1999:257-266.

[5] 許克明,田懷智.電力系統自動裝置[M].重慶:重慶大學出版社,1996:126-138.

[6] 胡繼堂.電力系統頻率測量及低頻減載方案的研究 [D].天津:天津大學.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級華北電力大學電力系統及其自動化專業在讀碩士研究生,主要研究方向為電力系統分析、運行與控制;

任建文(1962-),男,山西呂梁人,1992年畢業于華北電力大學電力系統及其自動化專業,博士,教授,從事人工智能、電網調度自動化等方面的研究工作;

張小娟 (1985-),女,湖北武漢人,2008級華北電力大學高電壓與絕緣專業在讀碩士研究生,主要研究方向為高電壓與絕緣技術。