石化企业电网低频减负荷整定方案分析

2010~2011科协论文石化企业电网低频减负荷整定方案分析郝晓添摘要：低频减载是抑制频率下降的有效方法，一般是根据逐次逼近原理来整定，但石化企业内部电力系统低频减负荷整定方案有其特有的特点，本文对石化企业电力系统低频减载的具体方案进行了整定分析，提出了供企业参考的整定思路。关键字：低频减载频率特性系数负荷缺额过切1概述低频减载作为电力系统的第三道防线，是一种抑制频率下降的有效方法，将能有效地阻止系统频率的继续下降，从而避免系统出现频率崩溃、电压崩溃等事故。传统的低频减载方案主要是采用逐次逼近的计算方法，按照各轮的动作频率切除预先设定的负荷。石化企业作为电力网络的一个终端用户，有其特殊性，既有很大负荷量，又自有发电能力；既作为用户参与电力系统低频减载的保护轮次，又有自己的低频减载要求，因此石化企业的低频减载方案是有其特点的。由于配合关系，广州石化与外电网相连的线路低频保护决定了其第一轮的启动频率及时间。广州石化电力系统低频减负荷方案为：第一轮（起动频率47.7Hz延时：0.5S），第二轮（起动频率47.5Hz延时：0.5S），第三轮（起动频率47Hz延时：0.5S），并确定了每一轮切除的负荷量，如以总负荷为160MW为基准，则第一轮切负荷18.7%，第二轮切负荷23.2%，第三轮切负荷26.0%，现对此整定方案进行详细分析，分为两步，第一步分析动作频率与时间，第二步分析切除的负荷量。2方案分析2.1动作频率与时间分析2.1.1第一轮动作分析根据《DL428-91电力系统自动低频减负荷技术规定》，在低频时可求得频率的绝对变化如下：ftMTDef)1(TDTa△(Hz)其中：Δf------系统频率的变化f------计算阶段开始时的系统频率TD------总阻尼因素LP)1(PmTDLKTa------以保留运行发电机力矩为基准的加速力矩标么值，且LPPmaTPm------保留运行的发电机输出有功功率标么值，认为恒定。LP------在系统频率为f时的负荷有功功率标么值；------发电机组的转子角速度，取标么值；M------保留运行的发电机组惯性常数（s），参考技术规定取为10；LK------负荷的频率调节系数，参考技术规定推荐取为1.5；根据相关文献的统计，负荷的频率调节系数一般为1~3，由于频率调节系数大的负荷从系统吸收的有功功率减少得更快，因此考虑比较严重的情况，即认为广州石化刚性负荷较多，频率调节系数偏小，取1.5（或2）。由发电机转子运动方程得频率变化率值为：)(1fTDaTfMfdtdf△根据广州石化低频减负荷方案，低频减负荷第一轮启动频率为47.7Hz，对应缺额有功功率应为7%，具体推导如下（均采用标么值计算）：当有功缺额为7%时，则LP=1.07，Ta=-0.07，535.107.1)15.1(1LP)1(PmTDLK)1535.01(28013.250)1535.01(535.1)07.0()1(TDTateteftMTDef△从此式可以看出，当t越来越大时，Δf越来越趋向于-2.28013（e指数函数特点决定了此时Δf已稳定），即此时f=50+Δf=47.72Hz，系统悬浮在47.7Hz，，因此47.7Hz对应缺额有功功率应为7%。当有功功率缺额略大于7%时，47.7Hz的第一轮动作，根据技术规定推荐，以最大过切不超过4%，则此时第一轮应切11%负荷，切了11%负荷后，系统此时能忍受缺额为11%+7%=18%，频率此时能悬浮在47.7Hz,即对于系统来说，如果我厂设置了第一轮动作频率为47.7Hz，切除负荷为11%的话，则系统在缺额小于18%大于7%时，通过第一轮低频减负荷保护动作，仍能稳定维持在47.7Hz附近。当Ta=-18%时，在系统频率下降到47.7Hz后，第一轮低频减负荷保护动作，经0.5S起动断路器，考虑断路器的动作时间0.1S，因此总共需经过0.6S才能动作切除负荷，使得系统频率恢复。以下讨论均按断路器动作时间0.1S考虑。在系统频率下降到47.7Hz后的0.6S间，可认为系统频率变化率7.47fdtdf为恒定值，从而可求得第一轮装置切负荷时的系统频率最低值fmin。fmin=47.7+7.47fdtdf×0.6=47.7+0.1×{50×（-0.18）+[1+（1.5-1）×1.18]×(50-47.7)}×0.6=47.7+0.1×{-9+1.59×2.3}×0.6=47.38此时第一轮切负荷前，系统频率已低于第二轮动作值，第二轮保护已起动。第一轮切负荷后，可求得频率变化率如下：)/(065.0]}5.1)5038.47(07.11[50{101)(138.47sHzfTDaTfMfdtdf△可见，由于动作时间较长，在18%缺额的情况下，在0.6S后，尽管已切开第一轮负荷，且频率变化率已为正数，频率已往上走，但由于频率已低于47.5Hz，往上走到47.5Hz时，需时（47.5-47.38）÷0.065=1.8S，第二轮已经动作了，因此在如此定值下，系统第一轮无法满足18%的缺额。经上述同样计算，在14%缺额之下，第一轮动作后系统频率最低只去到47.5Hz左右。因此在缺额14%到18%之间可能存在第二轮误动的可能性。2.1.2第二轮分析如此时系统缺额大于18%时，则会进入第二轮动作界限，仍按照最大过切不超过4%来算，亦应切除11%的负荷，系统此时能忍受缺额为11%+11%+7%=29%，频率此时能悬浮在47.7Hz,即对于系统来说，在正常运行时，如果系统缺额出现29%时，第二轮切除11%的负荷的话，仍能稳定维持在47.7Hz附近。具体计算如下：与上述计算过程类似，在Ta=-29%时，第一轮保护动作前，最低频率已下降到fmin=47.06Hz，频率变化率为df/dt=-1.07(Hz/s)，此时第二轮也已起动，其已起动时间为（47.5-47.06）/1.07=0.41S，还剩0.6-0.41=0.19S起动第二轮，第一轮保护动作切负荷后，频率变化率为df/dt=-0.39(Hz/s)，因此第二轮动作时，频率已下降到（47.06-0.39*0.19）=46.99Hz，第二轮动作后，频率变化率为df/dt=+0.13(Hz/s)，频率已开始恢复。其中第二轮动作时，由于f=46.99Hz，介于第三轮动作边缘。2.1.3第三轮分析一样道理，第三轮亦应切除11%的负荷，系统此时能忍受缺额为40%.具体计算如下：在Ta=-40%时，第一轮保护动作前，最低频率已下降到fmin=46.73Hz，频率变化率为df/dt=-1.61(Hz/s)，此时第二轮、第三轮也已起动，第二轮已起动时间为（47.5-46.73）/1.61=0.48S，还剩0.6-0.48=0.12S起动第二轮，第三轮已起动时间为（47-46.73）/1.61=0.18S，还剩0.6-0.18=0.42S起动第三轮，第一轮保护动作切负荷后，频率变化率为df/dt=-0.83(Hz/s)，因此第二轮动作时，频率已下降到（46.73-0.83*0.12）=46.63Hz，第二轮动作后，第三轮已动作了0.18+0.12=0.3S，频率变化率为df/dt=-0.31(Hz/s)，到第三轮动作时，最低频率已下降到fmin=46.54Hz，第三轮切负荷后，频率变化率为df/dt=+0.1957(Hz/s)，频率已开始恢复。动作曲线示意图如下：2.1.4过程分析综合上述计算，对于广州石化而言，如果希望维持系统频率在47.7以上运行，则每一轮切除的负荷应为总负荷的11%。当系统出现有功功率缺额时，动作过程可描述如下：1、当缺额小于7%时，系统悬浮在47.7Hz附近，保护不动作。2、当缺额大于7%而小于18%时，第一轮动作，切除11%的负荷，然后系统悬浮在47.7Hz附近，第二轮保护不动作。但由于第一轮动作时间过于延长，使得系统缺额在14%到18%时，频率往下探的陡度较大，第二轮有动作的可能，因此第一轮的保护范围只能有14%。3、当缺额大于18%而小于29%时，第一轮、第二轮动作，切除22%的负荷，然后系统悬浮在46.99Hz附近，处于第三轮保护边界。4、当缺额大于29%而小于40%时，第一轮、第二轮、第三轮动作，切除33%的负荷，然后系统悬浮在47.7Hz附近。5、当缺额大于40%时，第一轮、第二轮、第三轮动作，切除33%的负荷，系统频率仍然下降，直至系统崩溃。上述结论是以设定好的频率值及动作时间来分析广州石化低频减负荷方案，其中设定的切除负荷百分数，是根据传统的逐次逼近原理制定的方案，其实根据广州石化实际运行情况，可以制定第二种切除负荷百分数的方案。2.2切除负荷数分析对于石化企业来说,考虑到石化企业实际运行需要，当出现频率下降到一定限度，此时最重要的是保住重要设备不被拖垮,保证重要设备的供电可靠性，因此采取一定的过切,设定的低频减负荷有一定的过切量，来尽快恢复系统的频率，如果出现超调，由汽轮机保护限制。对于广州石化目前实际运行情况，以160MW总负荷为基础，每一轮设定的切除负荷百分数如下表：广州石化低频减负荷表轮次切除负荷总数(MW)占总负荷百分数(%)三轮共切除总数（%）第一轮（起动频率：47.7Hz延时：0.5S）29.8518.6667.86第二轮（起动频率：47.5Hz延时：0.5S）37.0923.18第三轮（起动频率：47Hz延时：0.5S）41.6226.01可见，第一轮切除负荷百分数为18.66%，而第一轮动作的最低百分数为7%，最大过切可能达到18.66%-7%=11.66%，最小过切18.66%-14%=4.66%，同理，第二轮出现的最大过切量为23.84%，最小过切12.84%，第三轮出现的最大过切量为38.85%，最小过切27.86%，，出现的过切量应由汽轮机保护限制。其实根据我厂石化企业运行的特点，一般出现的负荷缺额为外线路跳开之后发电机甩负荷的情况，一般来说可能出现的负荷缺额为12MW、25MW、50MW或100MW，因此缺额百分数应在上述最大最小过切量范围内靠近最小过切量的一端。同时随着我厂负荷的不断增长，总负荷数也在增加，而切除的负荷数不可能随时能增加，因此留有一定裕度还是可以考虑的。3结论综上所述，在石化企业电网运行中，虽然低频减负荷的计算有国家标准《DL428-91电力系统自动低频减负荷技术规定》，也可以按照技术规定根据传统的逐次逼近原理进行相关定值的整定，但由于石化企业电网运行的特点，要根据实际运行情况，包括要抑制系统频率下降的深度、保证重要设备的稳定运行以及与外电网低频定值配合等原则，进行有针对性的整定，同时要加强平时对实际低频事故的过程分析，以求得较确切的负荷调节系数，使得计算更加精确。低频减负荷是电力三道防线的最后一道，各企业运行整定的经验也不是很足，因此我们应加强对实际低频事故的过程分析，既能求得较确切的负荷调节系数，又能累计运行经验，根据经验值对低频定值进行修正。参考文献：[1]熊小伏，周永忠，周家启．计及负荷频率特性的低频减载方案研究.中国电机工程学报．2005年.VOL25NO.19．[2]袁季修.防止电力系统频率崩溃的紧急控制.电力自动化设备.2002年.VOL22.NO.4.[3]巫柯，李兴源，李青芸.一种新型低频减载方案的设计．四川电力技术，2008年.VOL31.NO.6．[4]DL428-91电力系统自动低频减负荷技术规定[S].作者简介郝晓添1977年9月动力事业部生产技术室电气管理工程师电力系统自动化手机：[phone]；固话：020-62124947；邮箱：[e-mail]。