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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date电力系统自动低频减载(整理)电力系统自动低频减载电力系统自动低频减载电力系统频率及有功功率的自动调节1 电力系统自动调频1.1 电力系统频率波动的原因频率是电能质量的重要指标之一，在稳态条件下，电力系统的频率是一个全系统一致的运行参数。系统频率的波动直接原因是发电机输入功率输出功率之间的不平衡，众所周知，单一电源的系统频率是同步发电机转速的函数： n电机的转速，r/m
2、in； f电力系统的频率，HZ； p电机的极对数；对于一般的火力发电机组，发电机的极对数为1，额定转速为3000 r/min，亦即额定频率为50HZ。此时，系统频率又可以用同步发电机的角速度的函数来表示： 为了研究系统频率变换的规律，需要研究同步发电机的运动规律。同步发电机组的运动方程为：输入机械转距；输出电磁转距（忽略空载转距，即负荷转距）；J 发电机组的转动惯量； 发电机组的角加速度；由于功率和力矩之间存在转换关系（P=wT）上式经过规格化处理和拉氏变换后，可得传递函数： 原动机功率（发电机的输入功率）；发电机电磁功率；发电机组的惯性常数；角速度变化量；由此可知，当原动机功率和发电机电磁功
3、率之间产生不平衡的时候，必然引起发电机转速的变化，即引起系统频率的变化。 在众多发电机组并联运行的电力系统中，尽管原动机功率不是恒定不变的，但它主要取决与本台发电机的原动机和调速器的特性，因而是相对容易控制的因素；而发电机电磁功率的变化则不仅与本台发电机的电磁特性有关，更取决于电力系统的负荷特性，是难以控制的因素，而这正是引起电力系统频率波动的主要原因。1.2 调频的必要性电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不良的影响，所以必须保持频率在额定值50hz上下，且其偏移量不能超过一定范围。电力系统频率波动时，对用户的影响：（1） 频率变化将引起电动机转速的变化，从而影响产品的质量
4、。例如，纺织工业、造纸工业等都将因频率变化而出现次品。（2） 近代工业、国防和科学技术都已经广泛使用电子设备，频率不稳将会影响电子设备的工作。雷达、电子计算机等重要设施将会因为频率过低而无法运行。（3） 频率变动对发电厂和系统本身也有影响：（a） 火力发电厂的主要厂用机械风机和泵，在频率降低时，所能供应的风量水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行。（b） 低频运行还将增加气轮机叶片所受的应力，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断裂。（c） 低频运行时，发电机的通风量将减少，而为了维持正常的电压，又要求增加励磁电流，以致使发电机定子和转子的温升都将增加。为了不超过温升限额，不得不降低发电机所
5、发的功率。（d） 低频运行时，由于磁通密度增大，变压器铁芯损耗励磁电流都增大。也为了不超过温升限额，不得不降低变压器的负载。（e） 低频运行时，系统中无功功率负荷将增大，而无功功率负荷将增大又将促使系统电压水平的下降。（f） 发生频率崩溃现象：当频率下降到4748hz时，火电厂的厂用机械（如给水泵等）的处理明显降低，使锅炉出力减少，导致发电厂发电功率进一步减少，致使功率缺额更为严重。于是系统频率进一步下降，这样恶性循环将使发电厂运行受到破坏，从而造成所谓的“频率崩溃” 现象。（g） 发生电压崩溃现象：总之，由于所有设备都是按照系统额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行各业，而频率过低时，
6、甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。1.3 调频方法系统频率的波动主要是由于负荷的变化引起的，调频与有功功率的调节是分不开的。调频问题实质上是电力系统载正常运行中，控制发电机的输入功率使之与负荷所需功率之间的平衡问题。调频是二次调节，是通过调整机组的输入功率来实现的。当系统机组输入功率与负荷功率失去平衡而使频率偏离额定值时，控制系统必须调节机组的出力，以保证电力系统频率的偏移在允许范围之内（一般允许偏差不得超过HZ）。调节频率或调节发电机转速的基本方法是改变单位时间内进入原动机的动力元素（即蒸汽或水）。当一台或几台机组来调节频率时还会引起机组间负荷分配的改变，这就涉及到电力系统经济运行问题。
7、因此，频率的调节和电力系统负荷的经济分配有密切的关系。机组功率改变时，它所需要的燃料费用也就跟着改变，同时，全电网的潮流分布以至系统中的网损也都随着改变。在电力系统中，燃料费用和线路网损是考虑经济运行的重要因素，所以现代电力系统调频的主要任务有二：（1）维持系统频率在给定水平；（2）同时还要考虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性。 调度在确定各个发电厂的发电计划和安排调频任务时，一般降运行电厂分为调频厂、挑峰厂和带基频负荷的发电厂三类。如图所示的日负荷曲线，其中全天不变的基本负荷又带基本负荷的发电厂承担，这类电厂一般为经济性能好的高参数电厂、热电厂及核电厂。负荷变动部分按计划下达给调峰电厂，
8、调峰电厂一般由经济性能较差的机组担任。在实际运行中，计划负荷与实际负荷不可能完全一致，其差值部分称为计划外负荷，由调频电厂担任。为了保证调频任务的完成，系统中需要备有足够容量的调频机组来应付计划外负荷的变动，而且还须具有一定的调整速度以适应负荷的变化，当电网容量较大，一个调频电厂不能满足调节要求时，则选择几个电厂共同完成调频任务。2. 电力系统的频率特性2.1 电力系统负荷的功率-频率特性 当系统的频率发生变化时，整个系统的有功负荷也要随之发生变化，即PL=F（f）。这种有功负荷随着频率变化的特性叫做负荷的功率-频率特性，是负荷的静态频率特性。 电力系统中，各种有功负荷与频率的关系，可以归纳为
9、以下几类：（4） 与频率变化无关的负荷，如照明、电弧炉、电阻炉、整流负荷等；（5） 与频率变化成正比的负荷，如切削机床，压缩机、卷扬机等；（6） 与频率的二次方成正比的负荷，如变压器中的涡流损耗（但比重很小）；（7） 与频率的三次方成正比的负荷，如通风机、静水头阻力不达的给水泵等；（8） 与频率的更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。 负荷的功率-频率特性一般表达式为： 式中：额定频率；系统频率为f时，整个系统的有功负荷；系统频率为额定值时，整个系统的有功负荷；各类负荷的比例系数。将上式等式两边除以，得到标么值形式，即：显然，当系统的频率为额定值时，1，1，于是一般情况下，应用上面
10、的两个式子进行计算的时候，通常取到三次方即可，因为系统中与频率高次方成正比的负荷很小，一般可以忽略。 上面的两个式子称为电力系统的有功负荷的静态频率特性方程。当系统负荷的组成和性质确定后，负荷的静态频率特性方程也就确定了，因此也可以用曲线来表示。如右图所示。 由图可知，在额定频率fe时系统负荷功率为PLe（图中a点），当频率下降到fb时，系统的负荷功率由PLe下降到PLb（图中b点）。如果系统的频率升高，负荷功率将增大，也就是说，当系统内机组的输入功率和负荷失去平衡时，系统负荷也参与了调节作用，它的特性有利于系统中有功功率在另一频率值下重新平衡。这种现象称为负荷的频率调节效应。通常用：来衡量调
11、节效应的大小。称为负荷的频率调节效应系数（或称为负荷的单位调节功率）。由上式可知，系统的取决与负荷的性质，它与各类负荷所占总负荷的比例有关。 在电力系统运行中，允许频率变化范围是很小的，在此较小的频率变化范围内，根据国内外一些系统的是实测，有功负荷与频率的关系曲线接近于一条直线，直线的斜率为： （KL*是一个无纲的常数，它表明系统频率变化1时负荷功率变化的百分比。）也可以用有名值表示为：（MW/HZ），有名值与标么值之间的换算关系为。KL*和KL都是负荷的频率调节效应系数，是系统调度部门要求掌握的一个数据。在实际系统中，需要经过测试求得，也可以根据负荷统计资料分析估算确定。对于不同的电力系统，
12、因负荷的组成不同，KL*的值也不同，一般在13之间。同时，每个系统的KL*值也随着季节和昼夜的交替而变化。2.2 发电机组的功率-频率特性 发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。因此，发电机组的功率-频率特性取决与调速系统的特性。当系统的负荷变化引起频率改变时，发电机组的调速系统工作，改变原动机进气量（或进水量），调节发电机的输入功率以适应负荷的需求。通常把由于频率变化而引起的发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率-频率特性或调节特性。2.2.1 发电机的功率-频率特性1未配置调速器的功率-频率特性。为了便于说明问题，先讨论发电机组假定未配置调速器的功率-频率特性。发电机的转距
13、方程可以近似的表示为：故功率方程式为： 或 其中，ABC都是常数，通常C1=2C2。上式可以用曲线来表示如图1：由图1可见，输出功率最大值是在额定条件下。即转速和转距都是额定值时出现。 2有调速器时的静态功率-频率特性当发电机配有调速系统的时候，情况就发生了变化。由于调速系统的作用，随着转色的变动而不断的改变进气或进水量，是原动机的运行点不断的从一根静态特性向另一根静态特性过渡，如图2所示，由a1 到 a2等等。连接这些不同曲线上的运行点所构成的曲线（图中虚线）就是有调速器时的静态功率-频率特性。一般近似的以直线代替。 即发电机调速系统的静态功率-频率特性反映的是频率变化而引发的发电机组出力的
14、变化的关系。 配有调速系统的发电机组的静态功率-频率特性，如图3所示。如果发电机以额定频率fe运行（图中a点），其输出功率为PGb；当系统负荷增加而使频率下降到f1时，则发电机组由于调速器的作用，使输出功率增加到PGa（图中b点）。可见，对应于频率下降f，发电机组的输出功率增加了PG。很显然，这是一种有差调节，其特性称为有差调节特性。特性曲线的斜率为： ，R是发电机组的调差系数。负号表示发电机输出功率的变化和频率的变化是相反的。调差系统R的标么值表达式为：，或写成 （发电机组的静态调节方程）。在计算功率频率的关系的时候，常常采用调差系数的倒数： 即 ，其中KG*是发电机组的功率-频率特性静态系
15、数，或原动机的单位调节功率。它也可以用有名值表示。一般发电机组的调差系数或单位调节功率，可采用下列数值：对于汽轮发电机组R*（46） 或KG*16.625对于水轮发电机组R*（24） 或KG*2550发电机组的功率-频率特性的调差系数主要取决于调速器的静态调节特性，它与机组间的有功功率的分配密切相关。2.2.2 调差特性与机组间有功功率的分配关系 两台发电机并联允许时，有，即发电机组的功率增量用各自的标么值表述时，在发电机组的功率分配与机组的调差系数成反比。调差系数小的机组承担的负荷增长标么值要大，而调差系数大的机组承担的负荷增长标么值要小。间 这个结论可以推广到系统中多台发电机组并联运行的情
16、况，由，可得第i台发电机组的调节方程为：，i1，2，n对上式求和，并考虑到稳态时整个系统内的频率的变化f是相同的，则得： 如果用一台等值机来代替时，则有： ，是全系统总额定容量，是系统等值机组的调差系数（或称平均调差系数）。所以当系统中负荷发生变化时，每台机组所承担的功率可用下式确定：2.3 电力系统的频率特性 电力系统主要是由发电机组、输电网络及负荷组成，如果把输电网络的功率损耗看成是负荷的一部分，则电力系统功率-频率关系，可以简化为图1所示。在稳态频率f下，PL PG PT都相等，因此讨论他们的功率-频率特性时候，可以看成由两个环节构成的一个闭环系统。发电机组的功率-频率特性与负荷的功率-
17、频率特性曲线的交点就是电力相同频率稳定运行点，如图2中 a点。2.3.1 频率的一次调整 如果系统中的负荷增加PL，则总负荷静态频率特性变成PL1 =f（f），假设这时候系统内的所有机组都没有调速器，机组的输入功率恒定为PT且等于PL，则系统频率将逐渐下降，负荷所取用的有功功率也逐渐减小。依靠负荷调节效用系统达到新的平衡，运行点移到图中的b点，频率稳定值下降到f3，系统负荷所取用的有功功率仍然为原来的PL值。在这种情况下，频率偏差值f取决与负荷变化值PL的大小，一般都是相当大的。 但是，实际上各发电机组都装有调速器，当系统负荷增加，频率开始下降时，调速器就要起作用，增加机组的输入功率PT。经过
18、一段时间后，允许点稳定在C点，这时候系统负荷所取用的功率为PL2，小于额定频率下所需要的功率PL1 ，频率稳定在f2。此时的频率偏差值f要比无调速器时小的多。由此可见，调速器对频率的调节作用是很明显的。 （由于负荷的突然增加，发电机组功率不能及时随之变动，机组将减速，系统频率将下降，而系统频率下降的同时，发电机组的功率将因他的调速器的一次调整作用而增大，负荷的功率将会因它自身的调节效应而减少。前者将沿着原动机的频率特性向下减少，经过一个振荡衰减的过程，重新抵达一个新的平衡运行点。）调速器的这种调节作用通常称为一次调节。这样，由调速器的调节作用而增大的发电机组的功率，由负荷本身的调节效应而减少的
19、负荷功率，可以得到 ,其中称为系统的单位调节功率，以MW/HZ或MW/（0.1）Hz为单位。系统的单位调节功率也可以用标要值表示。以标要值表示时候的基准功率通常就取系统原始运行状态下的总负荷。系统的系统的单位调节功率标志了系统负荷增加或减少时候，在原动机调速器和负荷本身的调节效应共同作用下系统频率下降或上升的多寡。2.3.2 频率的二次调整在电网中所有有调节能力的发电机组都自动参与频率的一次调整。但由于系统中负荷的单位调节功率不可调，发电机组的单位调节功率不可能很大，从而系统的单位调节功率也不可能很大。所以依靠调速器进行的一次调整，只能限制周期较短，幅度较小的负荷变动引起的频率偏移。负荷变动周
20、期长，幅度大的调频任务自然的落在了二次调整方面。即，为了使电网恢复于额定频率，则需要电网进行二次调频。同时为了避免在调整过程中出现过调或频率长时间不能稳定的现象，电网频率的二次调整就需要对电网中运行电厂进行分工和分级调整，即将电网中所有电厂分为主调频厂、辅助调频厂和非调频厂三类。频率的二次调整就是手动或自动的操作调频器使发电机组的频率特性平行的上下移动，从而使负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。例如图2中，不进行二次调整，系统中的负荷增加PL时，最后稳定运行于c点，频率稳定在f2。功率增加到PL2。在一次调整的基础上进行二次调整，就是在负荷变动引起的频率下降越出允许范围时，操作调频器，增
21、加发电机组发出的功率，使频率特性向上移动，经过一个过渡过程，最终稳定在d点，这是系统的频率升到额定值（或在允许范围内）。一般负荷的原始增量PLo可能有三部分承担：（1） 由调速器的调节作用而增大的发电机组的功率：；（2） 由负荷本身的调节效应而减少的负荷功率：;（3） 由于进行了二次调频，发电机组增发的功率：PGo则 或 。如果PLoPGo，即发电机组如数增发了负荷功率的原始增量PLo，则f0，也就是实现了所谓的无差调节。如上的情况，可以推广到n台发电机组，且由第n台机组担负二次调整任务的情形。这种情况也就相当于一台机组进行二次调整，n台机组进行一次调整。可得：因为n台机组的单位调节功率KGn
22、远大与一台机组的，在同样的功率盈亏（PLPG）下，系统的频率变化要比仅有一台机组时候，小的多。由上可见，进行二次调整时候，系统中负荷的增减基本上要有调频机组或调频厂承担。虽然可以适当增加其他机组或电厂的单位调节功率以减少调频厂或调频机组的负担，但数值毕竟有限。这就使调频厂的功率变化幅度远大于其他电厂。如果调频厂不位于负荷中心，则这种情况可能使调频厂与系统的其他部分联系的联络线上流通的功率超出允许值。这样，就出现了在调整系统频率的同时控制联络线上流通功率的问题。 为了讨论这个问题，我们来看两个系统联合的例子。如图，A、B两个系统的单位调节功率分别是KA KB。为了使讨论的结论更具有普遍意义，设A
23、、B两个系统都设有二次调整的电厂，它们的功率变量分别是PGA、PGB。两个系统的负荷变量则分别是PLA、PLB。设联络线上的交换功率Pab由A流向B时为正。于是，在联合前，对于A系统：PLA PGAKAfA对于B系统PLBPGBKBfB联合后，通过联络线由A向B输送的交换功率，对A系统，也可以看作是一个负荷，从而：PLA +PabPGAKAfA ；对于B系统，这个交换功率也可以看作是电源，从而：PLBPabPGBKBfB联合后，两个系统的频率应该相等，即fAfBf，可得：（PLA PGA）（PLBPGB）（KAKB）f，带回上式可得，交换功率为：令：PAPLA PGA ，PBPLBPGB，PA
24、、PB分别是A、B两个系统的功率缺额，则有：PA PabKAfA PBPabKBfB 由此可见，联合系统频率的变化取决于系统总的功率缺额和总的系统单位调节功率。2.4 联合电力系统的调频2.4.1 联合电力系统的调频方式1. 恒定频率控制FFC（flat frequency control）按照频率偏差f进行调节，在f0的时候，调节结束。所以最终维持的是系统频率，而对联络线上的交换功率则不加控制，这实际上是单一系统的观点，因此这种方式只适用与电厂之间联系紧密的小型系统，对于庞大的联合电力系统实现起来有不少困难。2. 恒交换功率控制FTC（flat tie-line control ）控制调频机
25、组保持交换功率恒定，而对系统的频率并不控制。这种方式适用于两个电力相同间按照协议交换功率的情况。它要求保持联络线上功率不变，而频率则要求通过两个相邻系统同时调整发电机的功率来维持。3. 频率联络线功率偏差控制TBC（tie line load frequency bias control）既按频差又按联络线交换功率调节，最终维持的是系统负荷波动的就地平衡，这实际是多系统调频观点，这种调频方式是大型电力系统或联合电力系统中常用的一种方式。2.4.2频率联络线功率偏差控制TBC 电力系统自动装置（第二版），上海交通大学，杨冠城，中国电力出版社。Page164，148采用频率联络线功率偏差控制TBC
26、方式，不仅要消除频差（f0），而且还要消除联络线中的交换功率偏差（Pab0）。这就是说每个控制区负责本区域的功率调整，通常把本区域调节作用的信号称为区域控制ACE（area control error）。 依然以左图这样两个互连的系统为例，来说明其调节特点。A、B系统的区域控制误差分别为：ACEAPtAKAfAACEBPtBKBfB其中，PtA为控制区A输出的总有功功率增量；PtA为控制区A输出的总有功功率增量；K为系统的单位调节功率补充start：即Pti为控制区i输出的总有功功率增量，它等于与区域I相连的各个联络线中功率增量之和，即PtiPtij （j1，2n）由电网理论知，传输线中的功率
27、为其中：Uj Ui传输线两端母线的电压；ijij两母线电压相角之差；XL输电线的电抗。当联络线中功率发生微小变化时，其值可以表示为：令 ，称为输电线的极限传输容量， TijPmaxijcosij，称为传输线的同步系数。则 Ptij TijijTij（i j） ，其中：i j输电线两端母线电压相角的变化量补充end相应的控制功率为：PGAKiA(PtAKAfA)dtPGBKiB(PtBKBfB)dt 其中，KiA、KiB是积分增益，常数；负号表示控制功率与联络线功率增量Pt和频率偏差f的方向相反，即当系统的f或Pt为负值时，调频机组的控制功率PG为正的增加的输出功率。任一控制区的负荷变动，调整结
28、果在稳态条件下，必然使ACEA ACEB为零，即：PabKAfA0PabKBfB0负荷上述条件时，只有使f0，0，这正是我们所需要的控制要求。必须指出的是，如果A系统采用了TBC调节，而B系统采用有差调节或甚至无二次调频，则仍有可能出现f和Pt，为了更好的理解，从一般情况入手开始讨论。设系统A有二次调频，系统B只有调速器一次调频，系统的负荷增量分别为PLA、PLB，联络线上的功率增量为PtA，在稳定条件下有：PTiPLiKLifiPti即发电机功率增量与负荷增量间差值，由负荷频率调节效应联络线增量来平衡，又通常PT与PG相等，因此对系统A、B又下列关系：PGAPLAKLAfPtAPGBPLBK
29、LBfPtB 其中PtAPtB。所以 PLAPGA KAfPtA PLBPGB KBfPtBKBfPtA （B系统只有一次调频）A系统按频率及联络线功率进行调节时，最终使ACEAPtAKAfA0所以 由上面的两个式子可得： PLAPGAPtA=KAf再带回到上面两式可得 可见，A系统维持了系统的就地平衡。整个系统的频率及联络线功率变化只与B系统负荷增量PLB有关。由于B系统没有自动调频，所以整个联合系统对B系统的负荷波动，仍然是只有一次调频的。3. 电力系统的经济调度与自动调频电力系统的频率调节涉及系统中有功功率平衡和潮流分布。再保证频率质量和系统安全运行前提下，如何使电力系统运行具有良好的经
30、济性，这就是电力系统经济调度控制（EDC，economic dispatch control）的任务。它是联合自动调频的重要目标之一，因此也有人把AGC列为AGC功能的一部分，称之为AGC/EDC功能。一般的EDC是按数据模型编制的程序，调用时需要一定的时间开销，但它可以较长时间启动一次（一般5分钟以上）。有人称EDC为三次经济调节。3.1 等微增率分配负荷的基本概念 电力系统自动装置（第二版），上海交通大学，杨冠城，中国电力出版社。Page167 电力系统稳态分析（第二版），东南大学，陈衍，中国电力出版社。Page203电力系统中有功功率的最优分配 在很久以前，曾误认为最经济的分配负荷是，当
31、系统负荷增加时，使效率最好的机组先增加负荷，直至其最高效率；然后再让效率次之的机组也增加负荷直到其最高效率时的负荷为止，以次类推。这种方法已经被证明并不经济，最经济的是按照等微增率分配负荷。这一方法至今还被广泛应用。微增率是指输入耗量的微增量与输出功率微增量的比值。对发电机组来说，为燃料消耗量（或消耗费用）的微增量与发电机输出功率微增量的比值。所谓等微增率法则，就是运行的发电机组按照微增率相等的原则来分配负荷，这样就可使系统的总的燃料消耗（或费用）为最小，从而是最经济的。3.1.1 最优分配负荷的目标函数和约束条件1. 耗量特性电力系统中有功功率负荷合理分配的目标是在满足一定的约束条件下，尽可
32、能节约消耗的（一次）能源。因此，要分析这个问题，必须先确定发电设备单位时间内消耗的能源与发出的有功功率之间的关系，即发电设备输入与输出的关系，这种关系称为耗量特性。如图a所示。图中纵坐标可以是单位时间内消耗的燃料F，例如每小时多少吨含热量为29.31MJ/kg的标准煤；也可以为单位时间内消耗的水量W，例如每秒钟多少立方米。横坐标则为KW或MW为单位的电功率PG。耗量特性曲线上某一点纵坐标与横坐标的比值，即单位时间内输入能量与输出功率之间的比值称为比耗量。显然，比耗量实际是原点和耗量特性曲线上某一点连线的斜率，F/P或W/P。而当耗量特性纵横坐标单位相同时，它的倒数就是发电设备的效率。耗量特性曲
33、线上某一点切线的斜率称为耗量微增率。耗量微增率是单位时间内输入能量微增量与输出功率微增量的比值，即F/PdF/dP或W/PdW/dP。比耗量和比耗量微增率虽然通常具有相同的单位，如t/（MW.h），却是两个不同的概念。而且它们的数值一般也不相等。只有在耗量特性曲线上某一个特殊的点m，它们才相等。如图b所示。这个特殊的点m就是从原点做直线与耗量特性曲线相切时的切点。显然，在这个点上，比耗量的数值恰好最小。这个比耗量的最小值就称为最小比耗量min。合理组合发电设备的方法之一，就是按照这个最小比耗量由小到大的顺序，随负荷的由小到大增加，逐套投入发电设备；或负荷的由大到小减少，逐套推出发电设备。比耗量
34、和耗量微增率的变化如图c所示。2目标函数和约束条件 明确了有功功率负荷的大小和耗量特性，在系统中有一定备用容量时候，就可以考虑这些负荷在已经运行发电设备和发电厂之间的最优分配问题了。这个问题实际上属于非线性规划范畴。因在数学上，其性质是，在一定的约束条件下，使某一目标函数为最优，而这些约束条件和目标函数都是这种变量状态变量、控制变量、扰动变量的非线性函数，换而言之，在数学上这个问题表达为：在满足等约束调件：f（x、u、d）0和不等约束条件：g（x、u、d）0的前提下，使目标函数C=C（x、u、d）为最优。现在的问题在于，如何表示分析有功功率负荷最优分配时的目标函数和约束调件。由于讨论有功功率负
35、荷最优分配的目的在于：在供应相同大小负荷有功功率的前提下，单位时间内的能源耗量最少。这里的目标函数就应该是总耗量。原则上，这总耗量应该与所有变量有关，但通常认为，它只是各发电设备所发有功功率PGi的函数，即这里的目标函数写作：FF1（PG1）F2（PG2）F3（PG3）Fn（PGn）Fi（PGi）式中，Fi（PGi）表示某发电设备发出有功功率PGi时单位时间内所消耗的能源。这里的等约束条件也就是有功功率必须保持平衡的条件。就每个节点而言，这条件是：PGiPLiUiUj（G ijCosijB ijSinij）0 式中，i1，2。n就整个系统而言，则为：PGiPLiP0 式中P为网络总损耗。这里的
36、不等约束条件有3，分别为各节点发电设备有功功率PGi、无功功率QGi电压Ui的大小不能逾越限额，即：PGiminPGiPGimaxQGiminQGiQGimaxUiminUiUimax式中，PGimax就取发电设备的额定功率；PGimin则因发电设备的类型的差异有所不同，例如火力发电设备的PGimin不能低于额定有功功率的2075。QGimax取决于发电机定子或转子绕组的温升；QGimin主要取决于发电机并列允许的稳定性和定子端部温升等等。Uimax和Uimin则由对电能质量的要求决定。系统中发电设备消耗的能源可能收到限制。例如，水电厂一昼夜消耗的水量受约束于水库调度。出现这种情况时，目标函数
37、就不应再是单位时间内消耗的能源，而应是一段时间内消耗的能源，即应该为：F0tFi（PGi）dt而等约束条件增加：0t Wj（PGj）dt定值这里的Fi可以理解为单位时间内火力发电设备的燃料消耗；Wj为单位时间内水利发电设备的水量消耗，t为时间段长，例如24h。而这里设I1，2，m为火力发电设备，j(m+1),(m+2)n为水力发电设备。3.1.2 最优分配负荷时的等耗量微增率准则 所谓等微增率法则，就是运行的发电机组按照微增率相等的原则来分配负荷 我们以两台机组并联运行为例，说明等微增率法则。如图所示两台发电机组，原来所带的负荷，机组1为P1，微增率为b1，机组2为P2，微增率为b2，且b1
38、b2，如果机组1的功率减小P，即功率变为P1，相应的微增率变为b1，而机组2的增加相同的P，使其功率变为P2，微增率变为b2，此时总的负荷不变。由图可知，机组1减少的燃料耗量（图中阴影部分，由b1、b1、P1、P1所围的面积）大于机组2增加的燃料耗量（由b2、b2、P2、P2所围的面积），这两个面积之差即为减少（或增加）的燃料消耗量，如果上述过程是使总的燃料消耗减少，则这样的转移负荷的过程就继续下去，总的燃料消耗就继续减少，直到两台机组的微增率相等时为止。即b1b2时，总的燃料耗量为最小。 如果微增率曲线时反函数曲线，即微增率随负荷增加而减小，用上述同样的方法，可以证明，把机组负荷加到最大时则
39、最经济。 当然，等微增率准则的严格证明应该由数学推导获得。3.2 各类发电厂之间负荷的经济分配电力系统中，有功功率的最优分配其实有两方面的内容，即有功功率负荷的最优分配和有功功率电源的最优组合。有功功率电源的最优组合是指系统中发电设备或发电厂的合理组合，也就是通常所说机组的合理开停。它大体上包括三部分：机组的最优组合顺序、机组的最后组合数量，和机组的最优开停时间。简而言之，涉及的是电力系统中冷备用容量的合理分布问题。合理组合机组的方法，目前有最优组合顺序法，动态规划设计法、整数规划法等等。各类发电厂的合理组合：一般，火电厂以承担基本不变的负荷为宜。这样可避免频繁开停设备或增减负荷。其中，高压高
40、温电厂因为功率因数高，应优先投入，而且，它们可灵活调节的范围较窄，在负荷曲线的更基底部分运行更恰当。其次是中温中压电厂。低温低压电厂设备陈旧，效率很低，应该及早淘汰。而在淘汰前只能在高峰负荷期间用于发必要的功率。核能电厂的可调容量虽大，但因核能电厂的一次投资大，运行费用小，建成后应尽可能利用，原则上是应该持续承担额定容量负荷，在负荷曲线的更基底部分运行。无调节水库水电厂的全部功率和有调节水库水电厂的强迫功率都不可调，应首先投入。有调节水库水电厂的可调功率，在洪水季节，为了防止弃水，往往也优先投入；在苦水季节恰好相反，应承担高峰负荷。抽水蓄能电厂在低谷负荷时，其水轮发电机组做电动机-水泵方式运行
41、，因而应做负荷考虑；在高峰负荷时发电，与常规水电厂无异。虽然这一抽水蓄能放水发电循环的总效率只有70左右，但因这类电厂的介入，使火电厂的负荷进一步平稳，就系统总体而言，是很合理的。另外，由于发电厂之间通过传输线路相联，所以考虑发电厂之间的负荷经济分配时，要考虑线路的功率损耗。在考虑线损的条件下，负荷经济分配的准则是每个电厂的微增率与相应的线损修正系数的乘积相等。调频电厂按照下式运行是最经济的（公式的推导省略）。式中：bi各电厂的微增率；各电厂线损微增率；系统微增率；4. 电力系统自动低频减载4.1 电力系统频率的动态特性经过分析可知，当分发电机功率负荷功率失去平衡的时候，系统频率f按指数曲线化
42、。功率缺额Ph* 是一个随机不定的数，但系统的频率f的变化总是可以归纳为如下几种情况。1由于f*的值与功率缺额Ph* 成比例，当Ph*不同时，系统频率特性分别如左图中曲线a、b所示。该两曲线表明，事故初期，频率的下降速率与功率缺额的标要值成正比，即Ph*值越大，频率下降的速率也越大。它们的频率稳定值分别是fa fb。2设系统的功率缺额是Ph，当频率下降到f1时，切除负荷功率PL，如果PL等于Ph，则发电机发出的功率刚好与切除后的系统功率平衡。系统频率按照指数规律恢复到额定频率fe允许，如图中的c所示。3上述事故情况下，如果在f1时，切除负荷功率PL小于功率缺额Ph值，则系统的稳定频率就低于额定
43、值。设切除负荷PL1后，正好使系统的频率fx维持在f1运行，那么，它的频率特性就如图中直线d所示。4设频率下降到f1时切除的负荷功率为PL2，且小于上述情况的PL1，这时，系统频率fx降继续下降，如果这时候系统功率缺额所对应的稳态频率也为fb，于是系统频率的变化过程如图中曲线e所示。比较b、e曲线也可以说明，如果能及早切除负荷功率，可以延缓系统频率下降的过程。4.2 自动低频减载的工作原理当系统发生严重功率缺额时候，自动低频减载装置的任务就是迅速断开相应数量的用户的负荷，时系统的频率在不低于某一允许值的情况下，达到有功功率的平衡，以确保电力系统安全允许，防止事故的扩大。4.2. 1最大功率缺额
44、的确定在电力系统中，自动低频减载装置是用来应付严重功率缺额事故的重要措施之一，它通过切除负荷功率（通常是比较不重要的负荷）的办法来制止系统频率的下降，藉以取得逐步恢复系统正常工作的条件。因此，必须考虑即使系统发生最严重事故的情况下，即出现最大的可能功能缺额的情况下，接至低频减载装置的用户功率量也能使系统频率恢复在可运行的水平，以避免系统事故的扩大。可见，确定系统事故情况下的最大可能功率缺额，以及接入自动低频减载装置的相应的功率值，是保证系统安全允许的重要措施。确定系统中可能发生的功率缺额涉及到对系统事故的设想，为此应作具体分析。一般应该根据不利的允许方式下发生故障时，实际可能发生的最大功率缺额
45、来考虑，例如按系统中断最大机组或某一电厂来考虑，如果系统有可能解列成几个子系统（即几个部分）运行时，还必须考虑各子系统可能发生的最大功率缺额。自动低频减载装置是针对事故情况的一种反故障措施，并不要求系统频率恢复至额定值，一般希望它的恢复频率fh低于额定值，约为49.550HZ之间，所以接到低频减载装置最大可能的断开功率PLmax可小于最大功率缺额Phmax。设正常允许时候系统负荷为PLe，额定频率与恢复频率fh之差fh，则有： 其中：P*功率缺额；PLmax切负荷总量；Phmax系统最大功率缺额；上式表明，当系统负荷PLe，系统最大功率缺额Phmax已知后，只要系统恢复频率fh确定，就可以求得接到自动低频减载装置的功率总数。4.2.1 自动低频减载装置的动作顺序在电力相同发生故障的情况下，被迫采取断开部分的负荷的办法以确定系统的安全运行，这对于被切除