电力系统自动低频减负荷装置设计.docx

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电力系统自动低频减负荷装置设计

辽宁工业大学

电力系统自动化课程设计（论文）

题目：

电力系统自动低频减负荷装置设计（4）

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

电气101

学号：

XXX

学生姓名：

XXX

指导教师：

XXX

起止时间：

XXXX

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

电气工程及其自动化

学号

XXX

学生姓名

XXX

专业班级

电气101

课程设计题目

电力系统自动低频减负荷装置设计（4）

课程设计（论文）任务

基本参数：

某电厂采用双回线输送电能，满负荷运行。

当其中一条线路故障后，加重另一条线路负担，为尽可能保持系统供电经济性与可靠性，切除部分发电机组，并投入自动低频减负荷装置。

1发电厂共8台机组，每台50万千瓦；

2切除一条线路后，线路传输功率为原来的75%。

3负荷调节效应系数为1.85

4切除部分机组并投入低频减载装置后，要求系统频率恢复到48Hz

设计要求

1.阐述自动减负荷装置作用。

2.阐述自动减负荷装置原理及构成。

3.整定计算。

⏹确定切除几台发电机组

⏹不投自动减负荷装置，发电机组切除后系统频率是多少？

⏹投入自动减负荷装置的负荷总功率。

⏹确定自动减负荷级数，及各级动作频率。

⏹确定每级最佳切除负荷大小。

4.利用单片机（或PLC等）实现对接入低频减负荷装置负荷的控制。

5.对结果进行分析总结。

进度计划

1、布置任务，查阅资料，理解掌握自动低频减负荷原理及要求。

（1天）

2、设计自动低频减负荷装置。

（1天）

3、确定切除发电机组，确定投入自动减负荷装置的负荷总功率。

（1天）

4、确定自动减负荷级数，及各级动作频率。

（1天）

5、确定每级最佳切除负荷大小，验证结果的正确性。

（1天）

6、利用单片机（或PLC等）实现对接入低频减负荷装置负荷的实时控制。

（3天）

7、对结果进行分析总结。

（1天）

8、撰写、打印设计说明书（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

通常电力系统均具备有热备用容量，正常运行时，如系统产生正常的有用功缺额，可以通过对有功功率的调节来保持系统频率在额定值附近。

但是在事故情况下，系统可能产生严重的有功缺额，因而导致系统频率大幅度下降。

这是因为系统所缺功率以大大超过系统热备用容量，系统已经无可调输出功率以资利用，因此只能在系统频率下降到某一值以下时，采用切除相应用户的办法来减少系统的有功缺额，使系统频率保持在事故允许的限额之内。

以往的模拟式的低频减载装置由于测量精度差，特别是当系统正常运行中电压下降或者频率瞬时变化较大时可能会误动作，并且整定不方便，更不能组网，已不能满足新的要求。

电力系统自动低频减载是一种反事故措施，在电力系统发生严重事故时，系统的有功将严重缺额，电力系统的频率会很快下降，为保证电力系统不至于频率崩溃，必须采取快速明确的措施，必要时按频率下降进行负荷的切除。

本文通过对低频减负荷装置的原理与技术要求的阐述，确定整定方案和控制方式，并进行了运行分析与整定计算。

通过电力系统的静态频率特性与动态频率特性的分析计算，确定了符合要求的实验装置。

关键词：

低频减载；整定计算；频率特性；

目录

第1章绪论1

1.1电力系统自动低频减负荷装置概况1

1.2本文主要内容3

第2章自动低频减负荷装置原理与构成4

2.1自动低频减负荷装置的作用4

2.2自动低频减负荷装置原理4

2.3自动低频减负荷装置构成5

第3章自动低频减负荷装置的整定计算7

3.1自动低频减负荷的整定计算7

3.1.1整定计算的目的和内容7

3.1.2整定计算的基本假定和方法7

3.1.3自动低频减负荷装置的整定原则8

3.2自动低频减载的运行分析8

3.3自动减负荷整定计算10

第4章单片机软件设计12

4.1单片机软件概述12

4.2主程序流程图设计12

4.2.1模拟量检测流程图设计13

4.2.2频率判断流程图设计14

第5章课程设计总结15

参考文献16

第1章绪论

电力系统自动低频减负荷装置概况

自动低频减负荷装置是防止电力系统发生频率崩溃的系统保护。

为了加强自动低频减负荷的管理工作，实现电力系统的安全稳定运行，保证向重要用户不间断供电，对自动低频减负荷的管理实行统一领导，分级管理的原则，各网局、省局应分别指定一名主管生产的领导负责本网、本省的自动低频减负荷工作。

电力系统必须合理安排自动低频减负荷的顺序及所切复合数量。

当系统全部或解列后的局部出现有功功率缺额时，能够有计划地按频率下降情况自动减去足够数量的较次要负荷，以保证系统安全运行和重要用户的不间断供电。

低频减负荷的基本要求，装置的配置、轮数、每轮启动频率值及人为附加延时的整定、每轮所切负荷数量以及整定计算的基本内容作了原则或提出了推荐意见，但鉴于各地区电力系统中，发电机组的组合（水、火、核电、机组及电厂容量大小及比重，机组对异常频率的适应性等）、电网结构和运行方式等有较大的不同，因而在实际执行中需结合具体系统情况运用。

a）正常运行时，如系统产生正常的有用功缺额，可以通过对有功功率的调节来保持系统频率在额定值附近

b）事故情况时，系统可能产生严重的有功缺额，因而导致系统频率大幅度下降。

因此只能在系统频率下降到某一值以下时，采用切除相应用户的办法来减少系统的有功缺额，使系统频率保持在事故允许的限额之内

一、系统频率的事故限额

（1）系统频率降低使厂用机械的输出功率大为下降，必然使得系统所有发电机的有功输出功率进一步降低，有时可能形成恶性循环，直至频率雪崩。

（2）系统频率降低使励磁机等的转速也相应降低，当励磁电流一定时，发送的无功功率会随着频率的降低而减少，当频率降到45~46Hz时，系统电压水平就会受到严重影响，使系统陷于分裂或崩溃。

（3）电力系统频率变化对用户的不利影响：

1）频率变化将引起异步电动机转速的变化。

2）系统频率降低将使电动机的转速和功率降低。

3）国防部门和工业使用的测量、控制等电子设备将因为频率的波动而影响准确性和工作性能

（4）汽轮机对频率的限制。

（5）频率升高对大机组的影响。

（6）频率对核能电厂的影响。

二、低频运行对电力系统的影响

电力系统频率反映了系统中有功功率的供需平衡情况，它不仅是电力系统运行的重要质量指针，也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。

低频运行对电力系统的有以下影响:

1、对发电机和系统安全运行的影响

1）频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大，轻则影响使用寿命，重则可能产生裂纹。

对于额定频率为50Hz的电力系统，当频率降低到45Hz附近时，某些汽轮机的叶片可能因产生共振而断裂，造成重大事故。

2）频率下降到47～48Hz时，由异步电动机驱动的送风机、吸风机、给水泵、循环水泵和磨煤机等火电厂厂用机械的出力随之下降，火电厂锅炉和汽轮机的出力也随之下降，从而使火电厂发电机发出的有功功率下降。

这种趋势如果不能及时制止，就会在短时间内使电力系统频率下降到不能允许的程度，这种现象称为频率雪崩。

出现频率雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。

3）在核电厂中，反应堆冷却介质对供电频率有严格要求。

当频率降到一定数值时，冷却介质泵会自动跳开，使反应堆停止运行。

4）电力系统频率下降使异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电动机和变压器的无功消耗增加，从而使系统电压下降。

频率下降还会引起励磁机出力下降，并使发电机电动势下降，导致全系统电压水平降低。

如果电力系统原来的电压水平偏低，在频率下降到一定值时，可能出现电压快速且不断下降，即所谓的电压雪崩现象。

出现电压雪崩会造成大面积停电，甚至使整个系统瓦解。

2、低频运行对电力用户的影响

1）电力系统频率变化会引起异步电动机转速变化，这会使得电动机所驱动的加工工业产品的机械转速发生变化。

有些产品对加工机械的转速要求很高，转速不稳定会影响产品质量，甚至会出现次品和废品。

2）电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能，频率过低时有些设备甚至无法工作。

3）电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致所带动机械的转速和出力降低，影响用户设备的正常运行。

电力系统规定，系统频率不能长时期运行在49.5—49Hz一下；事故情况下不能较长时间的停留在47Hz一下，瞬时值则不能低于45Hz。

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荣处理事故的水平上，然后再逐步恢复到正常。

由此可见，按频率自动减负荷装置“ZPJH”是电力系统的一种有力的反事故措施。

本文主要内容

本文通过对电力系统装置的分析，整定计算以及单片机仿真等的综合设计，研究低频自动减负荷在电力系统中对有功功率缺额的控制，低频减载装置在电力系统中的重要作用。

之前我们学习过程中了解到电力系统低频运行的危害。

频率对电力用户有一定的影响，频率对电力系统有一定的影响，所以电力系统频率控制是关系电力系统全局的控制问题。

电力系统频率和有功功率自动控制是电力系统正常运行时的频率控制，控制的目的是克服有计划外负荷引起的频率波动，维持电力系统有合格的频率。

微机低频减载装置代替常规的低频减载装置是必然的趋势。

近年来，不少研究单位和厂家研究开发了不同类型的微机低频减载装置，有些采用专用的低频减载装置，有些是作为综合自动化系统的一个独立模块，但是，他们存在如下几点不足：

（1）闭锁条件不尽完善；

（2）存在多切负荷的现象：

（3）尚不能完全满足变电站综合自动化建设的需要。

针对上述现象，本文以某电厂采用双回线输送电能，满负荷运行。

当其中一条线路故障后，加重另一条线路负担，为尽可能保持系统供电经济性与可靠性，切除部分发电机组，并投入自动低频减负荷装置为例，设计了一种新型的微机自动，低频减负荷装置，该装置有以下特点：

（1）采用新的测频方法，提高了测频精确度，可防止超调和悬停现象；

（2）改善了闭锁条件，在变电站的馈电线路故障或变压器跳闸造成失压时，装置不误动，电力系统低频振荡或受谐波干扰时，不误动；（3）增加了远方控制和当地整定的功能：

（4）为了配合无人值班变电站，增加了重合闸功能：

（5）提高了微机装置的故障自诊断能力，从而提高了装置的可靠性。

第2章自动低频减负荷装置原理与构成

自动低频减负荷装置的作用

自动减负荷装置是为了提高供电质量，保证重要用户的供电可靠性，当系统中出现有功功率缺额时引起的频率下降时，根据频率下降的程度，自动断开一部分用户，阻止频率下降，以使频率迅速的恢复到正常值，这种装置叫自动减负荷装置。

它不但可以保证对正常用户的供电，而且还可以避免由于频率下降引起的系统瓦解故障。

当系统全部或解列后的局部出现有功功率缺额时，能够有计划地按频率下降情况自动减去足够数量的较次要负荷，以保证系统安全运行和向重要用户的不间断供电。

自动低频减负荷装置的数量需随系统电源投产容量的增加而相应地增加。

事故手动低频减负荷是自动减负荷的必要补充，当电源容量恢复后，应逐步地手动或自动地恢复被切负荷。

自动低频减负荷装置原理

自动低频减负荷（ZDPJ）的基本原理可以用图1.1来说明。

设系统故障前频率为fe当系统因故障出现有功缺额时，如果缺额较小，且系统内有足够的旋转备用容量，在系统频率经过一个短时间下降之后，随着旋转备用容量作用的发挥，会重新恢复到故障后，随着旋转备用容量作用的发挥，会重新恢复到故障前的的水平，频率f随时间T变化如图曲线1所示。

在这种情况下，ZDPJ不动作。

如果有功缺额较大，而且系统中备用容量又比较少或没有时，系统频率就会比较快地下降，如图曲线2.1所示。

图1.1低频减载频率变化示意图

在这种情况下．当系统频率f下降到ZDPJ的第一级（轮）动作频率f1时，ZDPJ装置动．作，自动地切除一部分不重要的负荷，以使f回开到允许较长时间运行的频率值（以下简称允许频率值）。

如果ZDPJ装置切除的负荷功率正好等于故障失去的电源功率，f就会恢复到额定值，如图曲线3所示。

如果ZDPJ装置切除的负荷功率比较少，系统频率就有可能继续下降，如图曲线4所示。

当f降低到ZDPJ的第二级动作频率f2时，则ZDPJ装置动作，再切除一部分重要的负荷。

如果ZDPJ的第二级切除的负荷比较大，f可能上升，如图曲线5所示。

如果第二级切除的负荷功率比较小．系统频率f则有可能继续下降。

当f下降到ZDPJ的第三级动作频率时，ZDPJ装置就再切除’—部分更比较重要的负荷。

如果频率一直下降，ZDPJ就一直切负荷，直到使系统频率恢复到允许频率值为止。

自动低颇减负荷必须经过严格的整定计算，一般经过ZDPJ动作五级（轮）之后，就合使系统频率恢复到允许频率值。

电力系统自动低频减负荷装置切除负荷时，系统频率变化情况是比较复杂的，常出现这样的情况：

在某一级切除负荷之后，领率不再下降了，不能使ZDPJ继续切除负荷，而频率又恢复不到允许值。

出现这样情况是系统运行历不能允许的。

为此ZDPJ装置中设有特殊级，在出现上述情况时特殊级动作，使系统频率恢复到允许值。

与特殊级相对应，将前面所介绍的各级称为基本级。

特殊级也称为后备级。

自动低频减负荷装置构成

自动低频减负荷装置所控制的是整个电力系统的频率，而不是系统内某一台发电机组的运行参数，因此ZDPJ装置分散文装在电力系统的各变电站之中，由它们共同作用来阻止系统频率下降。

图1.2是ZDPJ装登的原理接线图。

图（b）是图（a）中的单级接线图。

图2.2ZDPJ原理接线图

其中fi是低频继电器，当输入电压的频率低于整定值时，它的接点闭合；，t是延时闭合时间继电器；Zx是执行继电器，其接点接入电力线路断路器的跳闸控制同路，用于跳开线路的断路器。

早期的ZDPJ装置由电磁式继电器构成（图（b）），后来出现了模拟电子式频率继电器和自动低频减负荷装置。

20世纪80年代出现了数字式频率继电器和微机低频减负荷装置。

目前电力系统中的自动低频减负荷装置是由频率启动的。

这种方式的缺点是：

当系统有功缺额较大时．制比频率下降的效果较差。

据此，国内外都在研究用df/dt启动的ZDPJ装置。

这种方法的基本思想是：

如果有功缺额很大，df/dt也会较大，可以在df/dt大于某一整定值时，提前将下级应切除的负荷切掉，以提高ZDPJ制让频率下降的作用。

但是由于各机组的转动损量和离故障点的电气距离不问，在频率下降过程中，系统中各节点（母线）电压的频率fi是不一样的，dfi/dt也可能存在较大的差异。

由于dfi/dt和系统平均频率fx的变化率dfx/dt之间存在差别，使得如何利用dfi/dt启动ZDPJ装置尚无公认良策。

也有的提出将

f和dfi/dt进行组合作为启动ZDPJ的依据。

第3章自动低频减负荷装置的整定计算

自动低频减负荷的整定计算

整定计算的目的和内容

考虑事故前后电力系统的各种不同运行方式（包括可能因事故与主系统解列而形成孤立网，依照可能的不同份额的各种有功功率缺额情况，估算自动低频减负荷装置的动作行为，求得在各种情况下运行系统的频率变化极限，检查其是否满足自动低频减负荷装置配置整定的基本要求

整定计算的基本假定和方法

在大电力系统中，在任何一种突然失去某一电源引起有功功率缺额冲击的情况下，必然同时引起系统中运行机组间的同步摇摆。

其结果，在系统频率下降的动态过程中，在同一时间的系统中各枢纽点的绝对频率及频率变化率并不相等，个别点的绝对频率与系统平均频率的相差可达±0.2Hz，而频率变化率则可能相差达数倍，这种差别，因电网结构、引起有功功率缺额的事故发生地点以及事件前后的系统运行情况不同而各异。

（1）分析和评价系统中不同点自动低频减负荷装置的动作行为时，需要考虑到上述的系统特点。

可以利用大型程序计算每一种发生有功功率突然缺额情况下，系统中各点频率的变化绝对情况，但一般并不用以整定计算低频减负荷装置；为了研究复杂电网在某些有功功率缺额情况下系统频率动态过程中的系统潮流变化，分析校核各种自动装置，包括低频减负荷装置的动作行为，重要联络线的运行稳定性，以及可能的设备过负荷或电压越限情况，特别是对实际系统的事故后分析，则有此需要。

（2）减负荷装置的配置和整定，需要适应电力系统各种可能的有功功率突然缺额情况，为此，宜按反应主系统（或解列后的孤立网）频率的平均变化过程考虑。

（3）由于系统发生突然有功功率缺额引起系统频率下降，系统负荷发生变化以及在频率变化过程中机组间的同步摇摆，系统中的潮流与各点电压也都要发生动态变化，电压的变化又影响负荷量的变化，转而影响系统的频率变化动态过程。

但有鉴于在系统频率变化过程中，系统中各点的电压有的升高，有的降低，有的基本保持不变，在进行自动低频减负荷装置的整定计算时，一般情况下，可以略去电压变化对系统综合负荷特性的影响。

但对于个别特殊情况，例如因短路故障（使机组强行励磁）形成孤立网后，随着自动减负荷，系统可能出现短时电压过高，引起短时负荷增大进而出现负荷过切析。

（4）推荐采用单机带集中负荷的最简单模型计算系统平均频率的动态变化过程。

自动低频减负荷装置的整定原则

（1）自动低频减负荷装置动作,应确保全网及解列后的局部网频率恢复到49.50HZ以上,并不得高于51HZ。

（2）在各种运行方式下自动低频减负荷装置动作,不应导致系统其它设备过载和联络线超过稳定极限。

（3）自动低频减负荷装置动作,不应因系统功率缺额造成频率下降而使大机组低频保护动作。

（4）自动低频减负荷顺序应次要负荷先切除,较重要的用户后切除。

（5）自动低频减负荷装置所切除的负荷不应被自动重合闸再次投入,并应与其它安全自动装置合理配合使用。

（6）全网自动低频减负荷装置整定的切除负荷数量应按年预测最大平均负荷计算,并对可能发生的电源事故进行校对。

自动低频减载的运行分析

图3.1负荷功率与频率的关系

图3.2频率选择性级差示意图

1、确定第一级动作频率f

第一级超级动频率取行高一些，自动低频率负荷的效果会好一些，但是这样有可能在系统频率暂时下降而备用容量尚未来得及发挥作用之前就把一部分切掉。

一般第一级动作频率整定在48.5HZ～49.0HZ。

在以水电厂为主的电力系统中。

由于水轮发电机组的调速控制系统动较慢，第一级动作频率应取低些。

因此f取48.5HZ.

2、确定频率级差fn

对于高温高压火电厂，在频率低于46HZ~46.5HZ时，电厂已不能正常工作。

当频率低于45HZ时就有出现“电压雪崩”的危险，因此末级动作频率以不低于46HZ~46.5HZ为宜。

因此，取0.5。

确定切除负荷的级数

图3.3频率特性曲线图

确定PJH可用图2.3说明。

设系统故障前负荷的频率特性为曲线PLI，f=fe，负荷功率PL等于PLE。

当系统出现Pqe时，如果ZDPJ不动作，系统的频率会稳定在f无穷；如果切除的负荷功率等于Pqe则系统的频率要求ZDPJ装置动作使系统频率恢复到fe，只要恢复到允许频率fy即可。

自动减负荷整定计算

1、确定动作级数N

图3.4频率特性与功率的关系曲线图

当确定延时

t为了尽快制止频率下降，在系统频率下降到ZDPJ装置的动作值时应尽快切除负荷。

但是考虑到电力系统电压急剧下降期间有可能引起频率电器误动作，造成误切负荷，所以在ADPJ装置的基本级中增加了一个延时

t以躲过暂态过程可能出现的误动作。

t一般取0.5s以下。

引起频率继电器误动作的原因有多种。

如地区变电站中的某些操作可能造成供电电源短时中断，但是一些重要负荷（如某些同步发电机、电步电动机和异步电动机）并不立即跳开，它们仍然接在变电站的母线上当电压恢复之后这些旋转机械又随之升速在这馈到变电站的母线上，使得母线电压具有一定的水平，而频率却很低。

又如当电力系统容量不大，系统中又有很大的冲击负荷时，系统频率也会出现瞬时下跌现象。

出现上述情况时如不加延时就会引起ZDPJ装置误动作，也可能采用一些闭锁措施防止误动作。

第4章单片机软件设计

单片机软件概述

本文根据电力系统特征，结合低频减载装置的发展现状，针对传统低频减载装置存在的不足和电力系统低频减载装置的应用情况，展开了基于单片机的自动低频减载装置的研究。

根据要求，确定设计方案，本系统使用瑞萨RL78/G14单片机及目前普遍使用的C语言进行编程，而且利用相关的程序实现了实时信息显示功能，对基于单片机的自动低频减载装置系统进行了详细设计。

在软件设计中，该系统充分考虑了单片机的外部接口扩展功能，使本系统具有频率测量、电压电流测量和友好的人机交互等功能得以实现。

在计算速度上，本系统使用了一颗16位单片机，充分满足电力系统频率分析的精确要求。

主程序流程图设计

该软件主要包括主程序模块、装置功能设置（按键中断服务）模块、A/D转换中断服务模块、频率测量计算模块、异常情况判断处理模块、频率判断处理等模块。

主程序的任务是对中断、定时器、各种接口芯片及变量进行初始化，对装置自检，循环执行检测，等待按键处理模块的中断请求（INT0）和A/D转换结束产生的中断请求，在A/D转换中断服务执行完毕时发出有效的软中断请求，主程序将执行本软件的核心模块（频率检测功率缺额预测判断处理模块）执行，执行完模块后，返回到主程序循环判断处，等待下一次中断。

按键处理模块只要是根据按键情况作相应键处理（装置功能设置选择），一旦有按键按下，则响应按键处理进行装置的功能设置选择，直到按键按下才结束模块的执行而中断返回。

主流程图如图4.1所示：

图4.1主流程图

模拟量检测流程图设计

当ADC0809进行A/D转换结束时，是P3.3变为有效，向CPU产生中断请求。

CPU及时响应，A/D转换中断服务程序的任务主要是读取转换结果，存入指定的RAM单元中（53H-55H）。

对装置进行检查（A/D通道检查），若装置有故障，则报警，装置闭锁。

若装置正常，则置软中断标志JJ为1，然后返回。

将软中断标志JJ置为1的目的是使主程序能赚到频率测量判断处理模块（即装置工作程序）执行。

A/D转换中断处理模块的流程图如图4.3所示：

图4.3模拟量检测流程图

频率判断流程图设计

该模块主要完成频率的测量计算和稳态频率及功率缺额的预测、频率异常情况（60Hz

判断系统频率是否处于稳态状态，对频率下降事故情况进行判断，按轮级减负荷快速回复系统频率的功能。

当出现大的功率缺额时，测量各节点频率，预测稳态频率，装置按基本轮和紧急轮的动作条件进行动作。

一旦装置动作减轻了频率的快速下降，则按预测实时功率缺额直接切除负荷。

该模块只要是完成频率的测量、频率变化率的计算和稳态频率、功率缺额的预测任务。

其流程图如图4.4所示：

图4.3频率测量、稳态频率及功率缺额预测子模块流程图

第5章课程设计总结

电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。

它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。

为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。

自动低频减负荷工作涉及到各行各业不同部门的