电力系统自动低频减负荷装置设计4

1、电力系统自动低频减负荷装置设计（4）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 1.854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

2、级动作频率。4 .确定每级最佳切除负荷大小。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。对结果进行分析总结。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）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

3、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

4、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;第1 章绪论 11.1 电力系统自动低频减负荷装置概况 11.2 本文主要内容 21.3 2 章自动低频减负荷装置原理与构成 32.1 自动低频减负荷装置的作用 32.2 自动低频减负荷装置原理 32.3 自动低频减负荷装置构成 42.4 3 章自动低频减负荷装置的整定计算

5、63.1 自动低频减负荷的整定计算 63.1.1 整定计算的目的和内容 63.1.2 整定计算的基本假定和方法 63.1.3 自动低频减负荷装置的整定原则 63.2 自动低频减载的运行分析 63.3 自动减负荷整定计算 8第4章单片机软件设计 104.1 单片机软件概述 104.2 主程序流程图设计 104.2.1 模拟量检测流程图设计 114.2.2 频率判断流程图设计 12第5章课程设计总结 13参考文献 14第1章 绪论1.1 电力系统自动低频减负荷装置概况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

6、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。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

7、额之内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50 Hz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4748Hz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

8、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

9、，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。1.2电力系统规定，系统频率不能长时期运行在49.549Hz 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

10、统的一种有力的反事故措施。本文主要内容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

11、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2.1 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

12、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。2.2 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

13、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fl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

14、，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降低至U 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*B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

15、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。2.3 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

16、是ZDPJ装登的原理接线图。图（b）是图（a） 中的单级接线图。屯庆-图2.2 ZDPJ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ZD

17、PJ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3.1 自动低频减负荷的整定计算3.1.1 整

18、定计算的目的和内容3.1.2 整定计算的基本假定和方法3.1.3 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

19、大平均负荷 计算，并对可能发生的电源事故进行校对。3.2 自动低频减载的运行分析HiPL(3八图3.3频率特性曲线图Pjhfe _fy50-48.5fe-50= 0.03Pqe _ KL * f * pLe1 -Kl* f *218-2 0.03 10001-2 0.03二 150MWi I -*Al | 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 48.5Hz49.0Hz。在以水电厂为主的电力系统中。 由于水轮发电机组

20、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 46Hz46.5Hz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 46Hz46.5Hz为宜。因止匕，取0.5。 确定切除负荷的级数确定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。.

21、-：Pi : Phii-iPLe -.PkKl *.讦ifeK Kl * . ：f *i 1：R*Phi* = Kl* 币*(1-、Pk*K 1P Phi fhi = Kl * =Kl* .'fh*PLe-%Pkfek 13.3自动减负荷整定计算1、确定动作级数f 1 - fhN1 =5fKL *( fi* - fh*)1 -(KL * * fh*)i 1Pi* =(1 - Pk*)k =12 (0.03 -0.02)P1* =(1 - P1*) =0.0221 -2 0.02.P2* =(1 TP1* T .P2*) 2 (0.04 0.02) = 0.0281 -2 0.022 (

22、0.05-0.02)P3* =(1 - - P1 * - P2* - =P3*) =0.0311 -2 0.022 (0.06 -0.02)P4* =(1 - P1* - P2* - P3* - P4*) =0.0361 -0.02 2P5* =(1 - P1 * - P2* - P3* - P4* - P5*) 2 (0.070.02) =0.0391-0.02 2Lfi* = (fe - fi) / feLfh* =( fe - fh)/ fe图3.4频率特性与功率的关系曲线图当确定延时反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

23、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 At以躲 过暂态过程可能出现的误动作。 At 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

24、能采用一些闭锁措施防止误动作。第4章 设计4.1 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

25、分析的精确要求。4.2 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（INTO）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

26、，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INT1A/D转换中断服务中断返回4.2.1 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4.2.2 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<f<40Hz)的判断处理、频率下降事故判断并使装置作相应的动作，以 达到切