微機自動低頻減載方案的研究

李家坤 熊 巍

(長江工程職業技術學院，湖北 武漢430212)

0 引言

電力系統的頻率與發電機組所發出的有功功率和負荷所需有功功率之間的平衡情況有關。 當有功功率不滿足用戶要求而出現差額時，系統的頻率將會下降。一般情況下，系統動用發電廠的熱備用容量就足以滿足用戶的要求，但當電力系統發生較大事故，系統出現嚴重的功率缺額時，為了保證對重要用戶的正常供電，不得不采取應急措施，切除部分負荷，使系統頻率恢復到可以安全運行的范圍內。

在系統發生故障，有功功率嚴重缺額，需要切除部分負荷時，應盡可能做到有次序、有計劃地切除負荷，并保證所切負荷的數量必須合適，以盡量減少切除負荷后所造成的經濟損失,這就是低頻減載裝置的任務。

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荷，特殊級是較重要的負荷。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 和執行性元件CA 三部分組成。

基本級的作用是根據系統頻率下降的程度，依次切除不重要的負荷，以便限制系統頻率繼續下降。 例如，當系統頻率降至f1 時，第一級頻率測量元件起動，經延時△t1 后執行元件CA1 動作，切除第一級負荷△P1；當系統頻率降至f2 時，第二級頻率測量元件起動，經延時△t2后執行元件CA2 動作， 切除第二級負荷△P2。 如果系統頻率繼續下降，則基本級的n 級負荷有可能全部被切除。

當基本級全部動作后， 若系統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， 經延時△tsp1 后切除第一級負荷△Psp1；若系統頻率仍不能恢復到接近于恢復頻率fh，則將繼續切除較重要的負荷，直至特殊級的全部負荷切除完。

1.2 對微機自動低頻減載裝置的要求

（1）測頻方法先進，測頻精度高。由單片機和大規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或閉鎖條件。 當系統發生嚴重的功率缺額事故時，系統頻率的下降速率快。 如果低頻減載裝置按df/dt 作為動作判據，則能加速切除部分負荷，保證系統頻率盡快恢復正常，也即提高了裝置動作的快速性和準確性。 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，當其母線或附近出線發生短路事故時，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確性，可考慮增加低壓閉鎖功能。對于常規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即可。

（4）容易擴充重合閘功能。由微機構成的低頻減載裝置，只要在軟件設計上做些工作，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，切除部分負荷并在消除有功功率缺額事故后，系統頻率回升時，對已被切線路進行重合閘操作。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，及時恢復供電。 對于以水電為主，并有較大容量的電力系統，經過延時跳閘這段時間，水輪機調速器已經發揮作用，系統備用容量得到充分利用，從而減輕了系統的有功功率缺額，此時可以重合閘，加速恢復對用戶的供電。

（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。當發現某部分發生故障時，應立刻報警，并自動閉鎖裝置的出口。

2 有關減載方案的分析

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

電力系統穩態運行情況下，各母線電壓的頻率為統一的運行參數ωx/2π，各母線電壓的表達式為：

ui=uisin(ωxt+δi)

其中，ωx——全網統一的角頻率

電力系統由于有功功率平衡遭到破壞而引起系統頻率發生變化，頻率從正常狀態過渡到另一個穩定值所經歷的時間過程，稱為電力系統的動態頻率特性。

電網中有很多發電機并聯運行，當系統由于功率缺額而頻率下降時，在動態過程中各母線電壓頻率并不一致。如先忽略各節點Δfi的差異，首先求得全系統統一頻率fx的變化過程，因此，可以把系統所有機組作為一臺等值機組來考慮。 由計算經驗表明，雖然由于負荷電動機的數量要比發電機的量多得多，但負荷電動機及其拖動機械的轉動慣量卻比發電機組的轉動慣量要小得多，且它們的轉動慣量在整個系統中所占的比例很小，可以忽略不計。

根據以上等值觀點，電力系統頻率變化時等值機組的運動方程表達為：

式中，PT*、PL*——以系統發電機總額定功率PGe 為基準的發電機總功率和負荷功率的標么值；

Tx——系統等值機組慣性時間常數：

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

計及負荷調節效應PL=PLe+KLΔf, 把它寫成以PLe為基準的標么表達式，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節的微分方程式，（5）式的解為：

由（6）式解得功率缺額為：

上式中，Txf——系統頻率下降過程的時間常數，

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功率量的數字描述，是比較理想的檢測信號。此方案動作準確，但算法較復雜。又由（7）式可知，當已知Txf，Δf，Δt 時，可以求出功率缺額ΔPh。

目前我國電力系統實際應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先估計系統的功率缺額，按照各輪的動作頻率，在各個接點上斷開相應的用戶負荷，以達到穩定系統頻率的目的。 由于預先不能準確確定系統功率缺額值、事故范圍以及系統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，按輪逐次逼近系統實際功率缺額的自動調整式的減負荷方法。 但此方案裝置簡單，有較為成熟的運行經驗，因此，這種“逐次逼近”式的低頻減載方案應用最普遍。

國外一些電力系統，根據頻率變化率df/dt 來啟動減負荷裝置，以便實現在嚴重功率缺額時快速切除負荷。 這種方案的缺點是，在切除負荷的過程中，系統的轉動慣量不斷變化，很難根據系統的實際情況決定df/dt 與被切負荷在數量上的關系。 另外，在大電力系統中，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，隨著微機應用技術的發展，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荷的數量和位置，在受到大擾動的地區先減掉相應負荷，動作的依據是：①頻率的變化；②頻率下降水平；③電壓的急劇下降。 然后再由電力系統中分層控制的能量管理系統（EMS）計算減負荷功率，這樣可以提高裝置的動作速度，避免少切負荷。 但是，目前此方案還處在研究論證階段。

3 結束語

“逐次逼近”式的低頻減載方案采取了一種犧牲快速性，按輪逐次逼近系統實際功率缺額的自動調整式的減負荷方法， 此方案裝置簡單。 使用頻率變化率df/dt 啟動減負荷裝置，以實現在嚴重功率缺額時快速切除。隨著微機應用技術的發展，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。

［1］謝大鵬，王曉茹，張薇.利用PSS/E 實現電力系統低頻減載控制仿真[J].電力系統保護與控制，2009(01).

［2］趙強，王麗敏.全國電網互聯系統頻率特性及低頻減載方案[J].電網技術，2009(08).

［3］佘慶媛，沈沉，喬穎，譚偉.電力系統低壓減載和低頻減載協調控制策略[J].電力系統自動化，2008(23).

［4］趙強，趙良，馬世英，等.南方電網系統頻率特性及低頻減載方案[J].中國電力，2010(05).

［5］解大，何恒靖，常喜強，姚秀萍.電力系統低頻減載的同調分區定義與割集算法[J].電力系統及其自動化學報，2011(03).