第四節電力系統低頻減載

一、概述

1）事故情況下，系統可能產生嚴重的有功缺額，因而導致系統頻率大幅度下降。

2）所缺功率已經大大超過系統熱備用容量，只能在系統頻率降到某值以下，采

取切除相應用戶的辦法來減少系統的有功缺額，使系統頻率保持在事故允許

的限額之內。

3）這種辦法稱為按頻率自動減負荷。中文簡拼為“ZPJH"，英文為UFLS（Under

FrequencyLoadShedding）o

二、系統頻率的事故限額

（1）系統頻率降低使廠用機械的出力大為下降，有時可能形成惡性循環，

直至頻率雪崩。

（2）系統頻率降低使勵磁機等的轉速也相應降低，當勵磁電流一定時，發

送的無功功率會隨著頻率的降低而減少，可能造成系統穩定的破壞。

發生在局部的或某個廠的有功電源方面的事故可能演變成整個電力系統的

災難。

（3）電力系統頻率變化對用戶的不利影響主要表現在以下幾個方面：

①頻率變化將引起異步電動機轉速的變化，有這些電動機驅動的紡織、

造紙等機械產品的質量將受到影響，甚至出現殘、次品。

②系統頻率降低將使電動機的轉速和功率降低，導致傳動機械的出力降

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低。

③國防部門和工業使用的測量、控制等電子設備將因為頻率的波動而影

響準確性和工作性能，頻率過低時甚至無法工作?！半娏I技術管

理法規”中規定的頻率偏差范圍為±0.2?±0.5Hz。

（4）汽輪機對頻率的限制。頻率下降會危及汽輪機葉片的安全。因為一般

汽輪機葉片的設計都要求其自然頻率充分躲開它的額定轉速及其倍率值。系統頻

率下降時有可能因機械共振造成過大的振動應力而使葉片損傷。容量在300MW

以上的大型汽輪發電機組對頻率的變化尤為敏感。例如我國進口的某35OMW機

組，頻率為48.5Hz時,要求發瞬時信號，頻率為47.5Hz時要求30s跳閘,頻率

為47Hz時;要求0s跳閘。進口的某600MW機組，當頻率降至47.5Hz時、要求

9s跳閘。

（5）頻率升高對大機組的影響。電力系統因故障被解列成幾個部分時，有

的區域因有功嚴重缺額而造成頻率下降，但有的區域卻因有功過剩而造成頻率升

高，從而危及大機組的安全運行。例如美國1978年的一個電網解列，其中1個

區域頻率升高，六個電廠中的14臺大機組跳閘。我國進口某600MW機組，當頻

率升至52Hz時,要求小于0.3s跳閘。

（6）頻率對核能電廠的影響。核能電廠的反應堆冷卻介質泵對供電頻率有

嚴格要求，如果不能滿足，這些泵將自動斷開，使反應堆停止運行。

綜上所述，運行規程要求電力系統的頻率不能長時期的運行在49.5?49Hz

以下；事故情況下不能較長時間的停留在47Hz以下，瞬時值則不能低于45Hz。

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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的水平上。然后在逐步恢復到正常值。由此可見，

按頻率自動減負荷裝置“ZPJH”是電力系統一種有力的反事故措施。

三、系統頻率的動態特性

電力系統出現功率缺額時，系統的穩定頻率九必然低于額定頻率乙，系統頻

率從心變化到九的過程就反映出電力系統的動態頻率特性。系統頻率變化不是瞬

間完成的，而是按指數規律變化，其表示式

為

f=fg+（.fe-f^e~Tf（3-46）

式中/一一由功率缺額引起的另一個穩定

運行頻率

圖3-23系統的動態頻率特性

系統頻率變化的時間常數，它與系統等值機組慣性常數以及負荷調

節效應系數七.有關，一般在（4?10）間。大系統一,較大，小系統為較小。

四、自動低頻減載（按頻率自動減負荷裝置“ZPJH”）的工作原理

O

圖3-24系統頻率的變化過程-76-

“輪”：計算點力、九……/?

點1：系統發生了大量的有功功率缺額

點2：頻率下降到人，第一輪繼電器起動，經一定時間△力

點3：斷開一部分用戶，這就是第一次對功率缺額進行的計算。

點3-4：如果功率缺額比較大，第一次計算不能求到系統有功功率缺額的數值，

那么頻率還會繼續下降，很顯然由于切除了一部分負荷，功率缺額已經減小，所

有頻率將按3-4的曲線而不是3-3'曲線繼續下降。

點4：當頻率下降到九時，ZPJH的第二輪頻率繼電器啟動，經一定時間后

點5：又斷開了接于第二輪頻率繼電器上的用戶。

點5-6：系統有功功率缺額得到補償。頻率開始沿5?6曲線回升,最后穩定在九⑵o

逐次逼近：進行一次次的計算，直到找到系統功率缺額的數值（同時也斷開了相

應的用戶）。即系統頻率重新穩定下來或出現回升時，這個過程才會結束。

五、最大功率缺額的確定

I）保證在系統發生最大可能的功率缺額時，也能斷開相應的用戶，避免系統的

瓦解，使頻率趨于穩定。

2）對系統中可能發生的最大功率缺額應作具體分析：有的按系統中斷開最大容

量的機組來考慮；有的要按斷開發電廠高壓母線來考慮等。如果系統有可能解列

成兒部分運行時，還必須考慮解列后各部分可能發生的最大功率缺額，這時整個

系統的最大功率缺額應按各部分最大功率缺額之和來考慮。，所以這是一項要從

系統調度角度進行協調的任務。

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4)系統功率最大缺額確定以后，就可以考慮接于減負荷裝置上的負荷的總數。

要求恢復頻率幾可以低于額定頻率。

5)考慮到負荷調節效應，接于減負荷裝置上的負荷總功率即可以比最大功率缺

額7v小些。根據負荷調節效應系數公式

(Pq-PClPu/幾，％

可以得到

%-PJH_K九

=KL商城*

或P二--

加一\一人叫.

(3-47)

式中△九,---恢復頻率偏差的相對值，并△/曠=，「于忖；

fe

Px一一減負荷前系統用戶的總功率。

式(3-47)中所有功率都是額定頻率下的數值。

例3-3某系統的用戶總功率為%=2800MW,系統最大的功率缺額兒.=

900MW,負荷調節效應系數七.=2,自動減負荷動作后，希望恢復頻率值%=

48Hz,求接入減負荷裝置的負荷總

功率PjH。

解減負荷動作后，殘留的頻

率偏差相對值

Ar50—48??.

△%?=^-=°.O4

圖3-25例3-3示意圖

由式(3-47)得

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PjH=900-2x0.04x2800=734MW

1-2x0.04

六、各輪動作功率的選擇

1）第一級動作頻率

一般第一級動作頻率選擇要高一些，減負荷控制裝置的效果就好一些。但是又可

能在系統備用容量還未來得及發揮作用，而使頻率暫時下降時,不必要地斷開部

分用戶。一般的一級啟動頻率整定在49Hz。

2）最后一輪的動作頻率

對高溫高壓火電廠，在頻率低于46?46.5Hz時，廠用電已不能正常工作。在頻率

低于45Hz時，電壓可能大量降低，嚴重時，可能使電力網瓦解。因此，自動減

負荷裝置最后一輪的動作頻率最好不低于46?46.5Hz；當然對于備用容量充裕的

火電系統和以水電為主的系統，如果必要，也允許稍低一些，但不應低于45Hz。

3）前后兩級動作的頻率間隔

前后兩級動作的時間間隔是受頻率測量元件的動作誤差和開關固有跳閘時

間限制的。最嚴重的情況是前一級測量元件具有負誤差、后一級具有正誤差，相

應的頻率誤差為

V=2M+A/；+M

（3-48）

式中切一一頻率元件的最大誤差；

△——對應于N時間內的頻率變化，一般可取0.15Hz；

△f一一兩級間留有的頻率裕度值，一般可取0.05Hz。

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采用級數不多的低頻減負荷控制措施，有時可能減負荷過多，使頻率上升過

高，有時又可能減負荷不足，造成頻率下降過低。為此，可采用增加級數的和縮

小各級之間級差的方法來解決。

七、各輪最佳斷開功率的計算

1)系統頻率的最后穩定值在最大恢復頻率九.與最小恢復頻率九..之間

JnJmaxrJ/ymini

2)(fhf是正比于ZPJH第i次的計算誤差的

JhfmaxiJnJmin1/

3)當ZPJH動作后，可能出現的最大誤差為最小時，ZPJH就具有最高的選擇性。

4)fbf.min事實上等于特殊輪的動作頻率九.

5)一般情況下，各輪的7V.maxi?是不同的，而ZPJH的最終計算誤差則應按其中

最大的計算。根據極值原理，顯而易見，要使ZPJH裝置的誤差為最小的條件

是：

f/?/-maxl=fhfmax?=.........=fhf-rn^n=fhfO(3-49)

6)各輪恢復頻率的最大值幾，?？煽紤]如下：當系統頻率緩慢下降，并正好穩定在

第i輪繼電器的動作頻率九，時，第，輪繼電器動作，并斷開了相應的用戶功率

△P,于是頻率回升到這一輪的最大恢復頻率o

特性a：表示第i輪動作前的系統

奐荷調節特性；

特性b：表示第，輪動作后的系統

奐荷調節特性。

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圖3-26第Z?輪動作后系統頻率穩定值與功率平衡的關系

按上述假定，第，.輪動作前頻率正好穩定在/打，圖中表示此時負荷調節效應的

補償功率為△兒，根據負荷調節效應系數公式，有

R=KJPD；

k=l

式中LAA一—ZPJH裝置前i-1輪斷開的總負荷功率。

女=|

為了簡化起見，把所有功率都以ZPJH裝置動作前的系統總負荷p,的百分值

來表不。則

期,%=I1OO-X^%J

如果此時輪到第i輪動作了，頻率就會回升到幾.。，負荷調節效應的補償功率

“網。％相應為

%。％=(100-￡期%］勺*%?！?/p>

\&=i/

由于△尸山％=APwo%+△R%

所以綱％=h0°勺.(九"fd)

I￡JLX-^U-A/O)J

(3-50)

利用式(3-49)將各輪斷開功率整理如表3-1。

ZPJH裝置各輪斷開功率之和玄△PA%應等于ZPJH裝置總的減負荷功率

k=l

P/H%,由式(3-47)可得，ZPJH裝置總得減負荷功率用系統全部負荷凡的百

分值表示時，為

(3-51)

3=安段一%

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動作頻

輪次

率

poz_/人九。一￡/二）

物zl廠Kj丁啟。）

/八％二（loo—”%）右（￡夕一九）

.f/，（，-啟。）

/6％=flOO-2叫％]KUy—加）

3

IA-l）fe~K^Ue-fhfo）

勺.（京。-加）

/K%=（i（）（C%

\k=\4-MZ-A/O）

表3?1各輪斷開功率

聯立表3-1諸式及式（3-51）可解出3,。,然后在按表3-1逐輪求出應斷開的功率。

由于滿足條件式（3-49）,故ZPJH裝置的選擇性最高各輪斷開功率的地點，應經

系統協調后統一安排。

圖3-27是用圖解法求為.。的例子,

LAP/%

48

對應于K=2選擇性級差為0.5Hz,

nZPJH裝置共七輪，各輪的動作頻率在

48?45Hz間均勻分布的情況。圖中曲

線I是由表3-1在假定不同的人，。下求

364848.2548.548.75

得的NAPA%；曲線II是在不同的缺額

圖3-27求九川的圖解法*=|

功率仁%時，根據式（3-51）畫出的。

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曲線I和曲線II交點的橫坐標就是所求的九°。為保證第一輪繼電器的動作,

應有九。>加，所以只有在4％>43%的系統（K=2）里，用0.5Hz級差時,采用

七輪才是必要的。當系統最大功率缺額小于43%時，可以將ZPJH裝置的輪數減

少到六輪或者五輪；或設法減少級差頻率，增多動作輪數，這對提高整個系統動

作選擇性是有利的。

八、特殊輪的功用與斷開功率的選擇

1）第i輪動作后，系統頻率穩定在低于恢復頻率的低限//疝向但又不足使"1輪

減負荷裝置動作

2）特殊輪的動作頻率幾L月內.

3）它是在系統頻率已比較穩定時動作的，因此其動作時限可以取系統頻率時間

常數「的2?3倍，一般為15?25s

4）特殊輪斷開功率可按以下兩個極限條件來選擇：

（1）當最后第二輪即n—1輪動作后，系統頻率不回升反而降到最后一輪，

即第n輪動作頻率九”附近，但又不足使第n輪動作時，則在特殊輪動作斷開其所

接用戶功率后，系統頻率應恢復到一步皿以上，因此特殊輪應斷的用戶功率為

-fdzn)