重要小受端系统的低频减载设计时伯年　黄志刚　韩英铎摘　要　典型停电事故表明人们对电力系统的频率稳定问题并没有引起足够重视，同时也说明还需要对防止发生频率崩溃的低频减载（UFLS）措施进一步研究。目前在电网中出现了比较多的重要小受端系统（SVRTS），因此需要对传统的低频减载设计原则进行相应调整。文中在考察低频减载基本设计原则的基础上，进一步提出了重要小受端系统的低频减载设计原则，具有很强的实用意义。同时给出了一个实例，结果表明在不同故障情况下系统维持稳定的能力明显提高。
关键词　频率稳定　低频减载　重要小受端系统
分类号　TM762.4　TM732DESIGNOFUNDER-FREQUENCYLOADSHEDDINGFORSMALLANDVITALRECEIVINGTERMINALSYSTEMS(SVRTS)ShiBonian，HuangZhigang，HanYingduo
TsinghuaUniversity，100084，Beijing，ChinaAbstract　Sometypicalpowercutincidentsshowedthatnotenoughattentionwaspaidtotheproblemoffrequencystability.Theyalsodemonstratedtheneedoffurtherinvestigationofunder-frequencyloadshedding(UFLS)technology.Especiallywiththeappearanceofsmallandvitalreceivingterminalsystems(SVRTS),thetraditionaldesignprinciplesshouldadapttothischange.ThepaperfirstreviewsthegeneralguidelinesforarrangingthesettingofUFLS.ItalsoprovidesrigorousandpracticalconsiderationforSVRTS.Anexampleisgiventoshowthattheabilitytomaintainthesystemstabilityhasbeenimprovedwiththeuseofthenewprinciple.
Keywords　frequencystability　under-frequencyloadshedding(UFLS)　smallandvitalreceivingterminalsystems(SVRTS)0　引言
　　电力系统稳定主要包括功角稳定、电压稳定和频率稳定等几个方面。对功角稳定的研究较多，相应地有许多控制手段。在法国电网和日本电网相继发生大停电事故之后，电压稳定问题受到了更多的重视。由于现代电力系统运行点都很接近临界点，当系统发生一个小的故障扰动或出现缓慢的负荷增长变化时，就可能使系统进入不稳定状态。目前已经有许多预测手段和控制方法（如FACTS）来防止电压崩溃事故的发生。
　　与电压稳定和功角稳定相比，对频率稳定的研究显得很不够。事实上，功角失稳、电压崩溃和频率崩溃的发生许多情况下是同时存在、互相关联并互相激发的。显然不能只重视前两者而忽略第三者，美国1996年7月2日事故(简称7.2事故)^［1］给人们以惨痛的教训。
　　美国7.2事故发生在下午1时24分，在本次事故中美国西部电网(WSCC)被分成5个孤岛，造成了200万用户断电。事故使人们认识到必须关心系统的频率稳定问题，即使在鲁棒性非常好的系统中也必须详细考虑发生频率崩溃的可能性及相应的针对措施，也进一步说明可靠的低频减载(UFLS)措施对重要小受端系统(SVRTS)的安全重要性。需要注意的是，SVRTS的低频减载还必须结合其自身特殊考虑进行设计和测试。1　UFLS基本设计原则
1.1　UFLS的功能
　　系统出力突然减少，如失去1台重要机组或跳开系统间联络线，都将导致出力和负荷之间的不匹配，从而导致频率下降。此时如果没有足够的旋转备用使系统恢复到正常频率，就只能依靠UFLS作为防止系统崩溃的最后一道防线^［2］。实际应用中的UFLS装置基本都通过逐级解开负荷使频率回升。
1.2　有关UFLS的误解
　　事实上，UFLS可以当作是一种工作于离散模式的系统频率控制器。由于电力系统存在下述不确定性因素，从而无法准确预测每一减载级动作后的控制效果。
　　a.由于机群之间振荡和系统时间常数无法确定等因素，使得系统的实际有功缺额无法准确推知；
　　b.实际切除功率与切除设定值并不相同，因为实际切除功率取决于负荷切除时间、负荷特性和电压水平。
　　因此，要设计一种有效的UFLS方案比较困难。在实际工业应用中存在不少关于UFLS的误解。一种观念认为通过采用“单机带集中负荷”模型和相应公式就能很容易地决定每一级设定值。然而在重要负荷区域电压幅值的变化会对每一级的控制效果产生影响，因此，由未考虑电压幅值变化的单机系统模型得到的仿真结果既不精确，也不可靠。另一种观念认为，由于电力系统的不确定性，UFLS的设计通过粗略的估算即可。然而事实表明这样设计出来的UFLS并不能有效地防止系统崩溃。一个好的UFLS方案设计必须经过详细考虑并通过仿真来校验。目前，一些多机系统仿真软件能考虑许多系统变化因素，从而能提供详细的仿真结果，这样就有可能得到一个有效的UFLS方案。
1.3　UFLS的通用评价标准
　　一个好的UFLS方案应能满足下列要求：
　　a.在各种运行条件和过负荷条件下均能有效防止系统频率下降到危险点以下；
　　b.在较短时间内使频率恢复到正常值，不出现超调或悬停；
　　c.切除的总负荷应尽可能小；
　　d.整个UFLS方案的投资费用尽可能低。
1.4　UFLS设计原则
1.4.1　级数和每级切除量的设定
　　为满足上述b,c两条要求，级数应越多越好，而且随着级数的增多，每级减载量也相应减少，这就意味着增强了UFLS的灵活性和适应性。然而随着级数的增加，UFLS系统的复杂性和成本也相应增加。这样为了降低成本，就希望级数少一些。而选择少的级数，又将使得每级减载量增加，随之带来的一个问题就是可能出现过切，即切除了比所要求的还要多的功率，结果引起频率的超调。而且切除总量过多，使频率超出了机组的过速保护设定值。这种情况下，更多的机组将跳开，从而使系统在更大范围内受到影响。综合这两种可能情况，一般使用4级～7级基本级。
1.4.2　延时设定
　　从控制效果的角度，延时越小越好。然而为了防止由于短时间暂态过程，如暂时的频率闪变过程，而引起不必要的切负荷，就需要一定的延时。延时取决于减载级数、每级减载量、级间频差等。表1中给出了一些国家UFLS系统基本级的设置情况。遗憾的是，目前尚未形成一个有效的系统设计方法来确定上述设定值，因此一般还只能通过经验预先设置，然后通过仿真来检验效果。表1　部分国家UFLS系统基本级设置
Table1　ThesettingofbasicstagesinUFLSsystem

系统首级启动频率/Hz级差/Hz延时/s中国49.2/49.00.20.20～0.30法国49.00.50.20美国WSCC系统59.30.10.10瑞典48.50.20.15
2　SVRTS中UFLS的精确考虑
2.1　特殊政策
　　通常小系统的惯量比主系统的惯量小得多，因此当小系统仍然与主系统相连时，其频率动态特性主要取决于主系统。在主系统出现有功缺额的情况下，为使SVRTS尽量少损失负荷，应将SVRTS的第1级启动频率的设定值取小一些。这样就可只依靠主系统的UFLS动作使整个系统频率恢复正常，而SVRTS却可能不需要采取任何切负荷措施。
2.2　系统联络线解开的情况
　　由于低频联络线解开，带有比较大的频率下降率df/dt。在主系统UFLS方案设计过程中已经考虑了事故解列（如由于短路故障而导致联络线解列）。然而在SVRTS的UFLS设计过程中还应该考虑低频联络线解开的情况。当主系统出现较大的功率缺额时，频率会以比较大的下降率df/dt值下降到第1级的设定频率值。为了保护系统的自身安全，在这种情况下联络线必须自动解列^［3,4］。
2.3　出现严重故障的情况
　　UFLS的设置必须能针对比较严重的故障发挥作用。由于系统出现联络线解列情况后立即同时跳开2台甚至更多重要机组的可能性极小，因此，联络线解列后立即跳开1台重要机组即可视为严重故障方式。3　重要小受端系统低频减载设置举例
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来源：中国电力资料网