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电力体系分散型低周减载保障装置设计

时间:2013-05-02 20:09来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
目前国内同类低周减载设备大多是以感应型和晶体管型频率继电器为主组成的,它的精度低、动作慢、可靠性差、不能适应现代电网发展的要求。频率继电器或高精度的数字装置仅能反映

第 1 章 引言


1.1 研究背景
系统的运行是指组成系统的各个环节都正常运行。系统运行中,由于客户负荷的随机变化以及外在的大量干扰(如雷击等)会影响电力系统的稳定运行,导致系统电压与频率的时刻波动,从而影响系统电能的质量,影响有时会造成系统的电压崩溃或频率崩溃。系统运行的状态可以划分为正常运行状态与异常运行状态。其中,正常状态又可以划分为安全运行状态和警戒运行状态;异常状态又分为紧急运行状态和恢复运行状态。电力系统运行状态包括了所有这些状态及其相互间的状态转移。通过不同控制手段来实现各种运行状态之间的转移。随着我国经济的快速发展,对电网供电安全的要求也越来越严格。国家的电网安全,直接关系到国内生产的安全。电网频繁出现事故,不仅干扰了人们的正常生活,更主要地是阻碍了企业生产的正常运转。许多电网故障很多是由于电力供应和需求不平衡,导致电网频率下降,以致造成电网系统崩溃。
目前我国电网已经基本形成华中、华东、西北、东北、华北 5 个区域电网。东北和华北实现了交流联网,华东和华中电网之间实现了跨大区直流联网。另外,华北-华中、西北-川渝、华中-西北、山东-华东和川渝-贵州等跨区联网工程正在建设或筹建之中。大电网供电模式有利于合理配置全国的电力资源,全国范围内统一调度电能。一旦局部发生事故,就会造成连锁“骨牌效应”,将产生巨额的经济损失和严重的社会后果。如果缺乏适当的补救方法,这些故障完全可能不断变大进而导致大区域的停电事故。目前我国电力系统的全国联网已形成,需要科学合理的实时监测和控制电网频率。根据事故发生时电压频率下降速率来确定电网功率缺额的大小,实现积极主动的选择延时减载或快速减载,防止电压频率下降得过低,造成大机组解列,酿成灾难性的电网崩溃事故。使发电机发出的总功率与负荷所需求的总功率达到一个新的平衡点,提高电网运行的安全可靠性。(电力系统频率下降会导致系统解列。解列的意思就是系统中开关跳闸,使电力系统分裂成几部分;小部分有电源的,还可继续维持,没有电源的,就造成了停电,停电的多了,就是大停电事故了。)


1.2 研究目的及意义
该论文主要研究电力系统的安全稳定运行控制问题。当检测到电力系统发生有功缺额时,可自动按频率下降的速率快速切除次要负荷,有效抑制电压、频率的快速下降,避免产生大面积停电事故及供电电网的解列。目的是实时监测具有自备发电设备的医院、工矿企业等大型用电单位及变电所等局域电网的系统频率,按预先设定方案自动切除部分负荷,以保证电力系统的稳定运行。企业的自备发电机与电网一般是并列运行的,当外部电源因故障停电时,自备发电机将承担全部负荷。如果发电机生产总容量小于负荷需求的总容量达到一定程度,发电机将不能保持额定转速运行,即电网的频率将降低。严重时,甚至会使发电机趋于停转,即系统周波崩溃。 此时利用低周减载装置按预先设定方案切除相应的次要负荷,使电力系统内的发、用电处于基本平衡状态。低周减载是指当需求功率增加或有功功率缺少时,电力系统的频率会下降,为了保证一些重要用户的供电需求,按重要性区分,跳开一些次要的线路,避免有功功率下降。周就是周波,即频率,低周减载保护装置是用来监测系统频率变化从而调整负荷的一种保护装置。当负荷侧有功需求大于系统有功功率时,就会导致系统频率下降,电力系统的有功缺额越大,系统频率下降速率的越大。当有功缺额达到一定程度时,可能导致电力系统的瓦解。低周减载保护装置主要通过判别系统频率的下降情况,切去部分次要负荷,使电力系统有功缺额得以减少,从而使系统频率得以恢复。[1]分散式低周减载保护是一种把大电网系统分解为多个可以单独控制的小的局域电网,然后由多台保护装置分别监测局域电网的频率、进而计算、判断,从而控制低周减载设备的动作。不同装置之间依据各自预先设定方案相互关联,利用远程控制方式对整个电力系统进行保护。


第 2 章 低周减载技术方案


频率是电力系统的重要参数,也是电能质量的一项重要指标。我国规定电力系统额定频率为 50Hz,并列同步运行的发电机所输出的电能也必须为 50Hz。倘若电力系统的生产功率和需求功率平衡遭到破坏,则发电机的转速将减少或增加,相应的电力系统频率也不能保持在额定频率,若发电机发出的总功率与用户负荷所需的总功率不能达到一个新的平衡点,则各发电机将可能互为负载。这时频率将严重下降,若不迅速采取相应的补救措施,将引起“频率雪崩”、电网解列故障。


2.1 分级减载的基本原则
由以上所推导的公式(4)可以看出,电力系统有功功率缺额的程度不同,电网频率下降的速率也不同。为了保证电力系统供电的可靠性及用户用电的稳定性,切除的负载量应根据频率下降的速率和系统总功率的大小而定,即不应出现过切,也不能切除负载的容量不足。在频率下降到一定程度时,首先应该切除次要负载,即基本轮的第一级,较重要的负载依次排后。功率缺额较多时多切,频率下降少时少切。根据这样的原则,可以将分级切负的轮次分为:基本轮、特殊轮和加速轮。
基本轮动作阶段, 若能在电网发生事故初期及早切除负荷 ,将对延缓频率下降有利,故首轮频率动作值应选择得高一些 。在事故的初期 ,电压发生振荡 ,电网扰动大 ,频率下降迅速 ,负荷下跌快且变化大 。但当依靠系统的备用容量可以将电网频率恢复到 49.5Hz 以上时 ,则自动低频减负荷不动作 ,所以 ,首轮频率动作值不能取得太高 。通常 ,首轮频率动作值取 49.5Hz 左右为宜 。末轮动作值的选择首先要满足电网允许的最低运行频率 ,它受到“频率崩溃”或“电压崩溃”的限制 。其次为了防止大机组低频解列之后 ,造成系统频率进一步恶化 ,还要满足大机组对运行频率下限的要求。 基本轮最后一轮动作频率 ,一般不能低于47Hz,此值应大于发电机组低频保护的动作值。依据 N =(f1-f N) /Δf +1,根据首轮频率 f1、末轮频率 f N 及基本轮的轮数 N 就可计算出相邻两轮之间的动作频率差Δf。假若基本轮第一轮动作频率 f1=49.5 Hz,基本轮最后一轮动作频率 f N =47 Hz,基本轮共设为 N =5 轮,则低周减载装置相邻两轮之间的动作级差Δf 取 0 .4Hz。


第3章 减载装置硬件电路设计...................... 20-39
    3.1 硬件电路总体结构 ......................20-21
    3.2 C8051F020 高性能单片机...................... 21-24
        3.2.1 C8051f020 的模/数转换器...................... 22-24
    3.3 电流测量模块 ......................24-27
        3.3.1 电流转换电路...................... 24-25
        3.3.2 电流测量实现低电流闭锁 ......................25-27
    3.4 交流电压测试原理...................... 27-28
    3.5 测量频率电路 ......................28-29
    3.6 按键输入电路...................... 29
    3.7 输出控制电路...................... 29-30
    3.8 液晶显示电路 ......................30-34
    3.9 读写外存储器HM628128 电路...................... 34-35
    3.10 电源部分...................... 35-36
    3.11 实时时钟电路...................... 36-38
    3.12 232 接口电路...................... 38-39
第4章 软件设计...................... 39-60
    4.1 主程序模块 ......................39-44
    4.2 子程序模块...................... 44-60
        4.2.1 液晶显示子程序 ......................44-49
        4.2.2 读写外RAM 模...................... 49-60
第5章 测试报告及技术说明...................... 60-70
    5.1 测试报告...................... 60-61
    5.2 技术说明...................... 61-64
    5.3 通讯说明 ......................64-70


结论


经过近两年的努力工作,设计完成了样机并进行了现场测试,获得了一系列有价值的研究成果。由于电网有功功率缺额的多少与频率下降的程度存在相关性,提出根据频率与容量关系分级切除负载。为了克服采用频率下降绝对值原理装置的不足,研究的分散式低周减载保护装置,采用频率下降速率原理,即根据事故时频率下降速率来确定电网功率缺额的大小,通过高速单片机运算,实现智能分级切负,防止频率下降得过低,引起因频率下降造成的电网崩溃事故,从而提高电网运行的安全可靠性。由于有功功率缺额具有随机性,电网频率下降引起某一轮动作后 ,可能出现频率没有恢复到希望恢复的频率 ,又未达到下一轮动作频率 ,存在一定的随机性,引入现代人工智能控制理论中的“专家系统”控制方法,判断并延时切除部分负荷使频率继续恢复,从而避免频率“悬停”在某一位置。分散式低周减载保护装置克服了很多同类产品的固定配置继电器开出点的不足,可根据实际生产的需要,通过定值设置菜单,对每个继电器出口分散配置,以便使该出口隶属于不同轮次。为了实现上述控制方法,设计了多种方案,从中决定首先选用高速高集成度的片上系统单片机,它的高速运算能力有利于提高控制的精度、跟踪事件的速度进一步提高及分时管理多种任务;高集成度,可减少设计上的复杂结构,更有利于减少产品本身损坏的可能性,做到性能更加优良。


参考文献
[1] 李鸿斌. 低频减载装置的应用与完善[J].《湖南电力》2001,21(2).
[2] 吴国兴.电力系统自动装置[M].北京:水利电力出版社, 1994,6.
[3] 田建设,米增强,魏建英,李军.电力系统低频低压减载装置测试研究[J]. 华北电力大学学报,1998,25(4).
[4] 孙斌,钟成元.低频低压自动减载装置的一点改进[J].《电力安全技术》2001,3(6).
[5] 王漪. 自动低频减负荷的探讨,中国电力 1993, (8).
[6] 吴红斌,丁 明. 概率稳定中继电保护和低频低压减载影响的研究[J].合肥工业大学学报,2004,27(1).
[7] 袁季修.电力系统安全稳定控制[M].北京:中国电力出版社,1996.72-78.
[8] 孙光辉. 新原理的电力系统频率电压紧急控制装置的研究[J].电网技术,1995,19(11).
[9] 王葵,潘贞存. 一种新型低频减载方案的研究[J]. 电网技术,2001,25(12)
[10] 顿敦,许先华,吴兆国.电力稳定控制系统低频低压减载的最优策略实现[J].《电力自动化设备》2006,26(4).

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