实现自动减负荷的基本原则及方法

14.3.1.1 按频率自动减负荷装置的作用

电压和频率是衡量电能质量的两个参数。为保证用户的正常工作和产品质量,应提高供电质量,使电网电压、频率都处在额定值运行。电力系统稳定运行时,发电机发出的总有功功率等于用户消耗的(包括传输损失)总有功功率,系统中运行着的同步发电机都以同步转速旋转,系统频率维持为一稳定值,如额定频率50Hz。若功率平衡遭到破坏,当发电机发出的总功率大于用户总功率时,则在原动机的输入动力作用下,发电机的转速加快,于是系统频率升高;反之,当发电机发出的总功率小于用户的总功率时,发电机的转速减慢,系统频率下降。可见,系统频率反映了系统有功功率的平衡情况。

当电力系统发生事故,如切除某些机组或电源线路,使得发电功率减少,即出现功率缺额时,系统频率下降,功率缺额越大,频率降低越多。当有功功率缺额超出了正常调节能力时,如果不及时采取措施,不仅影响供电质量,而且会给电力系统安全运行带来频率、电压崩溃极为严重的后果。

一旦发生频率、电压崩溃恶性事故,将会引起大面积停电,而且需要较长时间才能恢复系统的正常供电,对人民生活和国民经济造成极为严重的后果。例如1965年11月9日美国电力系统事故使大约20万km2的区域停电13h以上,停电负荷达2500万kW。由此可见,电力系统低频运行是不允许的,应采取措施维持频率在额定值下运行。

系统正常运行时,对于负荷有功功率小范围内的变化,可通过调节系统中旋转备用容量(热备用)维持功率平衡,以使频率在额定值附近的波动不超过允许值。当系统发生事故而出现较大功率缺额,但旋转备用容量又不足时,为保证系统的安全运行,要在短时间内阻止频率的过度降低,进而使频率恢复到接近额定值,比较有效的措施是根据频率下降程度自动断开一部分不重要负荷。这种当系统发生有功功率缺额引起频率下降时,能根据频率下降的程度自动断开部分不重要负荷的自动装置,称为按频率自动减负荷装置,简称AFL装置。可见,AFL装置是保证系统安全运行和重要负荷连续供电的有力措施。

14.3.1.2 系统频率的特性

负荷消耗的有功功率随着频率的变化而变化。系统中各类负荷消耗的有功功率随频率的变化情况各不相同;但大致可分为以下三种情况。

(1)负荷的功率与频率无关,如电热设备、白炽灯等。

(2)负荷消耗的功率与频率的十次方成正比,如卷扬机、球磨机、切削机等。

(3)负荷消耗的功率与频率的二次方或二次方以上成正比,如通风机、水泵等。

对于系统的总负荷,由上述各种负荷按比例组成。所以,当频率变化时,系统总负荷消耗的有功功率也作相应的变化,当系统负荷的组成及性质确定后,负荷总有功功率随频率变化的关系也就一定,这种关系称为负荷的静态频率特性,如图14-15所示。该曲线可通过实验获得。

图14-15　负荷的静态频率特性

由图14-15可知,频率升高时,负荷消耗的有功功率增加;当频率下降时,负荷消耗的有功减小,这种现象称为负荷的调节效应。由于负荷调节效应的存在,当系统统出现功率缺额引起频率下降时,负荷消耗的有功功率随之减小,从而部分地补偿了功率缺额,于是系统就可能稳定在一个低于额定值的频率下运行。

负荷的调节效应可以用负荷调节效应系统来衡量。当系统频率在45～50Hz范围内变化时,由于变化范围小,静态频率特性可以近似地用一直线来表示,这样负荷调节效应系数KL就可近似定义为直线的斜率,如图14-15所示,KL可表示为

或

式中 PL∑——频率为f时系统负荷总有功功率;

PL∑N——额定频率下系统负荷总有功功率;

ΔPL∑*——系统负荷总有功功率变化量的标幺值;

fN——额定频率;

Δf*——频率变化量的标幺值。

负荷调节效应系数随系统负荷组成不同而改变,一般KL值在1～3之间。

虽然负荷调节效应对系统频率有一定的稳定作用,但是当系统发生事故而出现大量的功率缺额时,负荷的调节效应远远不能弥补有功功率的不足。这时,就必须借助AFL装置来保证系统的安全运行。

电力系统由于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(频率由额定值fN随时间按指数规律逐渐变化到稳定值f∞),如图14-16所示,这种关系曲线称为系统的动态频率特性。当系统中出现功率缺额时,系统中旋转机组的大小与系统中所的转动部分的机械惯性(包括汽轮机、同步发电机、同步补偿机、电动机及电动机拖动的机械设备),系统频率变化的时间常数一般在4～10s之间,大容量系统的时间常数较大。

图14-16　系统的动态频率特性

14.3.1.3 实现按频率自动减负荷的基本原则

当系统发生严重功率缺额时,AFL装置的任务是迅速断开相应数量的用户,恢复有功功率的平衡,使系统频率不低于某一允许值,确保电力系统安全运行,防止事故的扩大。

1.最大功率缺额的确定

在电力系统中,AFL装置是用来对付严重功率缺额事故的重要措施之一,它通过切除负荷功率(通常是比较不重要的负荷)的办法来制止系统频率的大幅度下降,藉以取得逐步恢复系统正常工作的条件。因此,必须考虑即使系统发生最严重事故的情况下,即出现最大可能的功率缺额时,接至AFL装置的用户功率量也能使系统频率恢复在可运行的水平,以避免系统事故的扩大。可见,确定系统事故情况下的最大可能功率缺额,以及接入AFL装置的相应的功率值,是保证系统安全运行的重要环节。

AFL装置切除负荷的总额应根据系统实际可能发生的最大功率缺额来确定。系统可能出现的最大功率缺额要依系统装机容量的情况、机组的性能、重要输电线路的容量、网络的结构、故障的几率等因素具体分析,如断开一台或几台大机组或大电厂、断开重要送电线路来分析。如果系统因联络线路事故而解裂成几个部分运行时,还必须考虑各部分可能发生的最大功率缺额。总之,应按实际可能的最不利情况计算。

考虑到AFL装置动作后,并不需要频率恢复到额定值,只需达到恢复频率(一般为48～49.5Hz)即可,这样可少切除一部分负荷。进一步的恢复工作,可由运行人员来处理。因此,AFL装置切除负荷总额可稍低于最大功率缺额。

若系统最大功率缺额PUmax已确定,则根据负荷调节效应可确定AFL装置切除负荷总额。设正常运行时系统负荷总功率为PL∑N,切除负荷总额为ΔPLmax,额定频率与恢复频率fre之差为Δf,根据关系式ΔPL∑*=KLΔf*可得(www.xing528.com)

式中 Δf*——恢复频率相差的相对值。

可推出AFL装置切除负荷总额为

式(14-20)表明,若系统负荷总功率,最大功率缺额已知,系统恢复频率确定,就可根据该式求得AFL装置切除负荷总额。反过来,若已知系统某种事故下产生的功率缺额为PU,装置动作后,切除负荷量为ΔPL,现要求系统的稳定频率f∞是多少,同样根据负荷调节效应,可得

这样,就可求得系统的稳定频率。

【例14-1】 某系统的负荷总功率为PL∑N=5000MW,系统最大功率缺额PUmax=1200MW,设负荷调节效应系数KL=2,自动低频减载装置动作后,希望系统恢复频率为fre=48Hz,求接入低频减载装置的功率总数ΔPLmax。

解:希望恢复频率偏差的标幺值为

由

可得　

接入自动低频减载装置功率总数为870MW,这样即使发生如设想那样的严重事故,仍能使系统频率恢复值不低于48Hz。

2.分级切除负荷

AFL装置应根据频率下降的程度分级切除负荷。电力系统所发生的功率缺额不同,频率下降的程度也不同,为了提高供电的可靠性,应尽可能少地断开负荷,为此所切除负荷的总容量应根据频率下降的程度及负荷的重要性分级切除,即将AFL装置切除负荷的容量按照负荷的重要性分成若干级,分配在不同的动作频率上,重要负荷接在最后一级上,在系统频率下降过程中,AFL装置按照动作频率值的高低有顺序地分批切除负荷,以适应不同功率缺额的需要。当频率下降到第二级频率值时,第一级AFL装置动作,切除接在第一级上的次要负荷后,若频率开始恢复,下一级就不再动作。若频率继续下降,则说明上一级所断开的负荷功率不足以补偿功率缺额,当频率下降至第二级动作频率值时,第二级动作,切除接在第二级上的较重要负荷。若频率仍然下降,再切除下一级负荷,依次逐级动作,直至频率开始回升,才说明所断开负荷与功率缺额接近。AFL装置就是采用这种逐级逼近的方法来求得每次事故所产生的功率缺额应断开的负荷数值。

在AFL动作过程中,可能出现某一级动作后,系统频率稳定在恢复频率以下,但又不足以使下一级动作的情况,这样会使系统频率长期悬浮在低于恢复频率以下的水平,这是不允许的。为此在原有基本AFL装置外还装设带长延时的附加级,其动作频率不低于基本级的第一级动作频率,一般为48～48.5Hz。由于附加级是在系统频率已经比较稳定时起动的,因此其动作时限一般为15～25s,相当于系统频率变化时间常数的2～3倍。附加级按时间又分为若干级,各级时间差不小于5s。这样附加级各级的动作频率相同,但动作时限不一样,它按时间先后次序分级切除负荷,使频率回升并稳定到恢复频率以上。

3.AFL装置的动作顺序

在电力系统发生事故的情况下,被迫采取断开部分负荷的办法以确保系统的安全运行,这对于被切除的用户来说,无疑会造成不少困难,因此,应力求尽可能少地断开负荷。

如上所述,接于AFL装置的总功率是按系统最严重事故的情况来考虑的。然而,系统的运行方式很多,而且事故的严重程度也有很大差别,对于各种可能发生的事故,都要求AFL装置能作出恰当的反应,切除相应数量的负荷功率,既不过多又不要不足,只有分批断开负荷功率采用逐步修正的办法,才能取得较为满意的结果。目前得到实际应用的是按频率降低值切除负荷,即按频率自动减载。

AFL装置是在电力系统发生事故时系统频率下降过程中,按照频率的不同数值分批地切除负荷。也就是将接至低频减载装置的总功率ΔPLmax分配在不同起动频率值分批地切除,以适应不同功率缺额的需要。根据起动频率的不同低频减载可分为若干级。

为了确定AFL装置的级数,首先应定出装置的动作频率范围,即选定第一级起动频率f1和最后一级动作频率fn的数值。

(1)第一级起动频率f1的选择。AFL装置第一级动作频率的确定应考虑下述两个方面。从系统运行的观点来看,希望第一级动作频率愈接近额定值愈好,因为这样可以使后面各级动作频率相应高些,因此第一级的动作频率值宜选得高些。但又必须考虑电力系统投入旋转备用容量所需的时间延迟,避免因暂时性频率下降而不必要地断开负荷的情况。因此,兼顾上述两方面的情况,第一级动作频率一般整定在48～48.5Hz。在以水电厂为主的电力系统中,由于水轮机的调速系统动作较慢,故第一级动作频率宜取低值。

(2)最末一级起动频率fn的选择。最后一级动作频率应由系统所允许的最低下限确定。对于高温高压的火电厂,当频率低于46～46.5Hz时,厂用电已不能正常工作。在频率低于45Hz时,就有“电压崩溃”的危险。因此,最后一级起动频率一般不低于46～46.5Hz为宜。

(3)频率级差问题。频率级差及AFL级数的确定。频率级差即相邻两级动作频率之差,一般按照AFL动作的选择性要求来确定,即前一级动作后,若频率仍继续下降,后一级才应该动作,即为AFL动作的选择性。这就要求相邻两级动作频率具有一定的级差Δf。Δf的大小取决于频率继电器的测量误差Δfr以及前级AFL起动到负荷断开这段时间内频率的下降值Δft(一般取0.15Hz),即

式中 fs——频差裕度,一般取0.05Hz。

一般,采用晶体管型低频率继电器时,由于测量误差较大,取Δf=0.5Hz。采用数字频率继电器时,测量误差小,Δf可缩至0.3Hz或更小。

需要指出的是,大容量电力系统,一般要求AFL动作迅速,尽量缩短级差,可能使得AFL装置不一定严格按选择性动作。

(4)AFL级数的确定。AFL装置的级数N可根据第一级动作频率f1和最后一级动作频率fn以及频率级差Δf计算出,即

级数N取整数,N越大,每级断开的负荷就越小,这样装置所切除的负荷量就越有可能近于实际功率缺额,具有较好的适应性。因此整个低频减载装置只可分成5～6级。

4.AFL装置基本级的动作时间

AFL装置的动作时,原则上应尽可能快,这是延缓系统频率下降的最有效的措施。但考虑到系统发生事故,系统振荡或系统电压急剧下降时,可能引起频率继电器误动,所以要求AFL装置动作带0.3～0.5s延时,以躲过暂态过程可能出现的误动作。