李家坤 熊 巍

(長(zhǎng)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(jī)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(shí)，系統(tǒng)的頻率將會(huì)下降。一般情況下，系統(tǒng)動(dòng)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(shí)，為了保證對(duì)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(yùn)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(shí)，應(yīng)盡可能做到有次序、有計(jì)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(jì)損失,這就是低頻減載裝置的任務(wù)。

1 微機(jī)自動(dòng)低頻減載裝置工作原理分析

1.1 微機(jī)低頻減載裝置的基本工作原理

圖1 自動(dòng)低頻減載裝置原理圖

微機(jī)自動(dòng)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(gè)基本級(jí)和m 個(gè)特殊級(jí)。 基本級(jí)是不重要的負(fù)荷，特殊級(jí)是較重要的負(fù)荷。每一級(jí)均裝有低頻減載裝置，它由頻率測(cè)量元件f、延時(shí)元件△t 和執(zhí)行性元件CA 三部分組成。

基本級(jí)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(shí)，第一級(jí)頻率測(cè)量元件起動(dòng)，經(jīng)延時(shí)△t1 后執(zhí)行元件CA1 動(dòng)作，切除第一級(jí)負(fù)荷△P1；當(dāng)系統(tǒng)頻率降至f2 時(shí)，第二級(jí)頻率測(cè)量元件起動(dòng)，經(jīng)延時(shí)△t2后執(zhí)行元件CA2 動(dòng)作， 切除第二級(jí)負(fù)荷△P2。 如果系統(tǒng)頻率繼續(xù)下降，則基本級(jí)的n 級(jí)負(fù)荷有可能全部被切除。

當(dāng)基本級(jí)全部動(dòng)作后， 若系統(tǒng)頻率長(zhǎng)時(shí)間停留在較低水平上，則特殊級(jí)的頻率測(cè)量元件fsp 起動(dòng)， 經(jīng)延時(shí)△tsp1 后切除第一級(jí)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(jí)的全部負(fù)荷切除完。

1.2 對(duì)微機(jī)自動(dòng)低頻減載裝置的要求

（1）測(cè)頻方法先進(jìn)，測(cè)頻精度高。由單片機(jī)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(jī)的資源，提高測(cè)頻精度。

（2）可采用頻率下降速率作為動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)。

（3）容易擴(kuò)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(shí)，母線電壓降低，有時(shí)可以引起測(cè)頻誤差，致使裝置誤動(dòng)。為提高可靠性和動(dòng)作的準(zhǔn)確性，可考慮增加低壓閉鎖功能。對(duì)于常規(guī)的低頻減載裝置來說，必須增加一個(gè)電壓繼電器，而對(duì)于微機(jī)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(kuò)充重合閘功能。由微機(jī)構(gòu)成的低頻減載裝置，只要在軟件設(shè)計(jì)上做些工作，并擴(kuò)展合閘出口回路，就可以方便地?cái)U(kuò)展自動(dòng)重合閘功能。 它是在低頻減載裝置動(dòng)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(shí)，對(duì)已被切線路進(jìn)行重合閘操作。這對(duì)于無人值班變電站尤其有用，可以防止裝置誤動(dòng)或在有功缺額的事故消除后，及時(shí)恢復(fù)供電。 對(duì)于以水電為主，并有較大容量的電力系統(tǒng)，經(jīng)過延時(shí)跳閘這段時(shí)間，水輪機(jī)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(shí)可以重合閘，加速恢復(fù)對(duì)用戶的供電。

（5）具有故障自診斷和自閉鎖功能。微機(jī)低頻減載裝置，利用微機(jī)的智能，很容易擴(kuò)展故障自診斷功能。 例如，測(cè)頻回路自檢、存儲(chǔ)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(shí)，應(yīng)立刻報(bào)警，并自動(dòng)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(jì)算公式。

電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，各母線電壓的頻率為統(tǒng)一的運(yùn)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(gè)穩(wěn)定值所經(jīng)歷的時(shí)間過程，稱為電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率特性。

電網(wǎng)中有很多發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)由于功率缺額而頻率下降時(shí)，在動(dòng)態(tài)過程中各母線電壓頻率并不一致。如先忽略各節(jié)點(diǎn)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(jī)組作為一臺(tái)等值機(jī)組來考慮。 由計(jì)算經(jīng)驗(yàn)表明，雖然由于負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的數(shù)量要比發(fā)電機(jī)的量多得多，但負(fù)荷電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量卻比發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小得多，且它們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在整個(gè)系統(tǒng)中所占的比例很小，可以忽略不計(jì)。

根據(jù)以上等值觀點(diǎn)，電力系統(tǒng)頻率變化時(shí)等值機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)為：

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

Tx——系統(tǒng)等值機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)：

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

計(jì)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(shí)把功率缺額用ΔPh*表示，則（2）式可改寫為：

即：

這是一個(gè)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(shí)間常數(shù)，

由（5）式可知，在頻率下降速度df/dt 的信號(hào)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(cè)信號(hào)。此方案動(dòng)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(shí)，可以求出功率缺額ΔPh。

目前我國(guó)電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的是按頻率自動(dòng)減載。 這種“逐次逼近”式的低頻減載方案原理是預(yù)先估計(jì)系統(tǒng)的功率缺額，按照各輪的動(dòng)作頻率，在各個(gè)接點(diǎn)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(dòng)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(shí)際功率缺額的自動(dòng)調(diào)整式的減負(fù)荷方法。 但此方案裝置簡(jiǎn)單，有較為成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此，這種“逐次逼近”式的低頻減載方案應(yīng)用最普遍。

國(guó)外一些電力系統(tǒng)，根據(jù)頻率變化率df/dt 來啟動(dòng)減負(fù)荷裝置，以便實(shí)現(xiàn)在嚴(yán)重功率缺額時(shí)快速切除負(fù)荷。 這種方案的缺點(diǎn)是，在切除負(fù)荷的過程中，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不斷變化，很難根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)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(shí)間不同地點(diǎn)的值可能有較大差異，需要人為地增加延時(shí)。作者相信，隨著微機(jī)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(dòng)的地區(qū)先減掉相應(yīng)負(fù)荷，動(dòng)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(jì)算減負(fù)荷功率，這樣可以提高裝置的動(dòng)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(yǔ)

“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(shí)際功率缺額的自動(dòng)調(diào)整式的減負(fù)荷方法， 此方案裝置簡(jiǎn)單。 使用頻率變化率df/dt 啟動(dòng)減負(fù)荷裝置，以實(shí)現(xiàn)在嚴(yán)重功率缺額時(shí)快速切除。隨著微機(jī)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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