地区电网低频减载方案的整定

李泽荣,任建文,张小娟

(华北电力大学,河北保定 071003)

地区电网低频减载方案的整定

李泽荣,任建文,张小娟

(华北电力大学,河北保定 071003)

针对电力系统中存在的有功缺额导致系统频率下降甚至引起系统失稳的问题,结合实际电网运行中采用的最普遍的低频减载整定方案进行分析研究,编写地区电网低频减载整定软件并对其结果进行仿真验证,经过验证得出的低频减载整定方案可以对运行人员提供参考。

地区电网;低频减载;整定方案;软件实现

0 引言

电力系统在事故情况下,可能产生严重的有功缺额,导致系统频率大幅度下降甚至频率崩溃。相关规程规定电力系统的频率在事故时不能较长时间地停留在 47 H z以下,瞬时值绝对不能低于45 H z,所以,在电力系统发生有功功率缺额的事故时,必须迅速断开相应的用户,使频率维持在运行人员可以从容处理事故的水平上。在系统频率下降到某值,切除相应用户来减少系统中的有功缺额,使系统频率保持在事故允许的限额之内的措施称为低频减载。低频减载UFLS(Under Frequency Load Shedding)是电力系统第三道防线中最重要的应急反事故措施。

1 低频减载设计原则和要求

低频减载方案设计的目的简单地说就是通过合理地安排UFLS各级在各地区的频率定值、时间定值及负荷切除量,从而尽可能地提高低频减载方案对系统中不同运行方式、不同干扰地点及不同功率缺额的适应能力。UFLS整定方案应该遵循三条最基本规则[1]。

a)能在各种运行方式和有功缺额情况下有效地防止系统频率降到危险点以下。

b)能使系统频率尽快回升到49.5～50 H z之间,无超调和悬停现象。

c)切除的负荷尽可能少。

2 低频减载计算参数的确定

2.1 负荷的频率调节效应系数

在额定频率 f N时,系统功率为P LN。当频率下降时,负荷功率将减少;当频率升高时,负荷功率将增加,这一现象为负荷频率调节效应。为衡量负荷调节效应的大小,定义负荷的频率调节效应系数为:K L＊=d P L＊/d f＊,负荷频率调节效应系数的数值可由测试求得,也可根据负荷统计资料分析估算确定。电力系统调度部门必须掌握该值,它是低频减载计算的依据之一。通常可取K L＊为1到3之间的数值,K L＊越大时频率调节效应越显著。山西各电力系统统一取K L＊=2。

2.2 确定最大的功率缺额

通常对系统最大功率缺额的估计,按系统不同运行方式下实际可能发生的最大功率缺额来考虑[2],如占系统容量比重很大的某一台大机组、一个大电厂或一个输电通道方向的全部输电线路断开。各地区减载量除满足整个系统按级、按量的要求外,还应满足本地区电网发生严重事故时的要求。考虑到负荷调节效应后,接于减负荷装置上的负荷总功率P JH可以比最大的缺额功率 P QE小些。接于减负荷装置上的负荷总功率,见式 (1)。

式中:fN——系统的额定频率,50 H z。

2.3 恢复频率的确定

对于任何情况下的功率缺额,遵循切除的负荷量应尽可能少的原则,某一级按自动低频减载动作后,系统的频率不希望恢复得过高,约为49.5～50 H z之间,山西电网统一取50 Hz。

2.4 第一轮动作频率的选择

对于大于300 MW的系统,建议第一轮的动作频率应不低于49 Hz。目前我国大多数电网中的低频减载第一轮动作频率整定为49 H z,山西电网低频减载第一轮动作频率为49.25 H z。

（5）加强国际协作，引领人工智能规范的国际治理。人工智能发展关系未来人类共同命运，加快国际合作，共同制定发展规范是大势所趋。除应重视技术发展外，还应加强与各国的合作，积极参与相关国际规范制定。当前，国际社会普遍关注网络安全和数据隐私，以及人工智能对社会伦理的影响，要主动加强在产业、智库、学者层面的沟通交流，主动引领命题，提供中国经验和中国解决方案。此外，中国的大市场为发展人工智能提供了很好平台，在保障国家安全的前提下，积极创造条件，推动国际合作，边应用、边治理，推进相关领域的国际立法。■

2.5 最后一轮动作频率的选择

在现代电力系统,减负荷装置最后一轮动作后,系统频率不应低到使大机组跳闸的程度。关于最后一轮动作频率,我国尚无统一规定。山西电网低频减载整定最后一轮频率整定为47.75 H z。

2.6 频率选择性级差的确定

对于机电型或晶体管型频率继电器而言,频率选择性级差一般取0.5 H z,对于数字和微机型的低频减载装置,建议级差小于0.3 Hz。山西电网频率级差为0.25 H z。

2.7 动作时限的确定

因为若取动作时限为0 s,则在电压急骤下降时或者系统振荡时有可能发生误动作,时限太长将使系统发生严重故障,频率会降低到临界值以下,所以基本级动作时限通常取0.1～0.5 s。山西电网低频减载整定动作时限0.2 s。

3 低频减载方案的整定计算

3.1 级数的确定

当和确定以后,就可以在该频率范围内按频率级差分成级断开负荷,级数计算式见式 (3)[3-5]。

则可以求出低频减载动作级总数和各级启动频率。

3.2 基本级切除负荷值的确定

设i级动作频率为f i,它所切除的功率表示为系统负荷P LN的标幺值为ΔP L i＊。如果频率特性曲线在 (i-1)级动作切除负荷以后,系统的稳定频率正好按第i级的启动频率f i来考虑,这是能使第i级启动的功率缺额为最小临界情况,当切除ΔPLi＊后,能达到系统恢复频率值fhf。其他功率缺额较大的事故情况下也能使i级启动,不过它们的恢复频率均低于 f hf。则每级的切除负荷值计算公式见式 (5)。

在此方式下的每级切除负荷不是平均分配,而是随动作频率的降低而增大。用近似实用计算公式则每轮切除负荷量可以计算,见表1。

表1 每轮切负荷量整定表

表1中 fn表示低频减载第n级的启动频率。实际取值时,各级切除负荷功率一般大于按表1所求得的值。为了简化起见,把所有功率以低频减载装置动作前的系统总负荷 P LN的百分值表示,见式(7)。

则各轮断开功率见表2。

3.3 特殊级切除功率值的确定

在低频减载装置动作的过程中,可能出现这样的情况,第i轮动作以后,系统频率稳定在低于恢复频率的低限 fhfmin(一般取47 H z),但又不足以使i+1轮减载装置动作。如不采取措施,系统将长期运行于这种恶劣状态。为了消除这种现象,在低频减载整定方案中设置带时限的特殊轮,特殊轮的动作频率 f ts=f hfm in,由于特殊轮是在系统频率稳定时动作的,因此时限整定为15～25 s。特殊轮切除的负荷功率ΔP ts可根据以下两个极限条件来确定。第一,当低频减载最后第二级,即n-1级动作后,系统频率继续下降,在稍大于 fn时稳定,

表2 按负荷百分数的每轮切负荷量整定表

在特殊轮动作后,系统频率恢复到 f hfm in以上。因此,特殊轮应切除的负荷功率见式 (8)。

计算后取较大的计算值。在求出ΔP ts＊后,可将特殊轮按时间分成若干级,即动作频率相同,但动作时延不同,以进行分批切除。当频率恢复到fhfmin以上,动作时间未到的特殊轮可不再动作切负荷。

4 低频减载算法的实现和仿真

在对整定算法深入研究学习的基础上,用delphi7.0编程实现了低频减载方案整定计算软件。该软件只要用户设置合适的参数就可以对低频减载方案进行整定计算,并提供整定结果的保存打印功能,其整定结果经过验证,可以对地区电网的低频减载整定计算工作提供参考。

软件中用户需要设置一些整定计算必需的参数,并且设置特殊轮,可以设置一轮或者两轮,用户设置参数界面如图1所示。

图1 低频减载整定软件界面图

软件提供两种整定计算方式,即以负荷有名值方式和以负荷百分数方式。其中以负荷有名值计算结果如图2所示。

图2 以负荷有名值计算整定结果界面

举一算例进行低频减载方案整定以说明软件功能,2008年山西吕梁地区电网负荷总功率为1 400 MW,该地区可能出现的最大功率缺额为630 MW,其负荷调节效应系数取值KL＊=2,则输入整定参数见表3。

表3 低频减载整定输入参数表

则低频减载整定软件的整定结果见表4。

表4 低频减载整定输出结果表

当系统发生故障或有功严重失衡时,电力系统频率变化是一个复杂的暂态过程。若将系统看成一个等值单机系统,频率特性则可写成式(12)或式(13)[6]。

式中:f0——系统低频减载每级的起始频率。

使用Matlab/Simulink进行低频减载整定方案的仿真,假设系统的功率缺额分别为3种情况,即200 MW、400MW、630MW,见图3、图4、图5。

图3 功率缺额200 MW的仿真曲线

图4 功率缺额400 MW的仿真曲线

图5 功率缺额630 MW的仿真曲线

根据以上的仿真结果,可以看出所得出的低频减载方案能适应各种功率缺额。经过低频减载逐级切除相应负荷,都能使频率恢复到正常的频率附近,继而可以由调度增发电厂出力,使频率恢复到正常水平。

5 结束语

尽管现在国外有一些使用d f/d t启动低频减载的算法,还有d f/d t和Δf判据组合起来的算法,可能对不同的有功功率缺额有更好的适应性,但是,这是一些探讨性的研究和个别电网的试验,从理论和实践上,还缺乏一种公认的、普遍适用的结果,从全局上看,低频减载方案仍然是采用的最普遍的反有功功率缺额事故的有效措施。

[1] 崔家佩,孟庆炎,陈永芳,等.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算 [M].北京:水利电力出版社,1994:460-467.

[2] 李先彬.电力系统自动化 [M].4.北京:中国电力出版社,2004:257-272.

[3] 杨冠城.电力系统自动装置原理 [M].北京:中国电力出版社,2005:180-193.

[4] 商国才.电力系统自动化[M].天津:天津大学出版社,1999:257-266.

[5] 许克明,田怀智.电力系统自动装置[M].重庆:重庆大学出版社,1996:126-138.

[6] 胡继堂.电力系统频率测量及低频减载方案的研究 [D].天津:天津大学.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

李泽荣 (1984-),男,山西吕梁人,2008级华北电力大学电力系统及其自动化专业在读硕士研究生,主要研究方向为电力系统分析、运行与控制;

任建文(1962-),男,山西吕梁人,1992年毕业于华北电力大学电力系统及其自动化专业,博士,教授,从事人工智能、电网调度自动化等方面的研究工作;

张小娟 (1985-),女,湖北武汉人,2008级华北电力大学高电压与绝缘专业在读硕士研究生,主要研究方向为高电压与绝缘技术。