专利名称：欠频减载保护系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种当电力系统频率下降时，通过将电力系统频率恢复到预定范围内来稳定管理电力系统的欠频减载保护系统(underfrequency load shedding protection system)。
背景技术：
一般说来，将多个发电机连接到电力系统，并且将发电机产生的电力通过电力传输线提供给负载。基于电力传输线的每个电压等级(voltage class)对电力系统电压进行管理使之落入预定范围内，并且还对电力系统频率进行管理使之落入预定范围内。连接到电力系统的发电机与电力系统频率同步运转，使得端子电压成为预定电压。
在该电力系统中，当负载增大或者减小时，电力系统电压和电力系统频率发生变化，因此，通过增大或者减小发电机的输出功率来调整电力系统电压和电力系统频率使之落入预定范围内。当不可能仅通过调整发电机的输出功率将电力系统频率保持在预定范围内时，例如，当电力系统频率大幅下降时，切除预先确定的部分负载，相反，当电力系统频率大幅上升时，使发电机从电力系统中解列(parallel off)，以将整个电力系统频率保持在预定范围内。
这里，以如下方式进行电力系统频率下降时的减载提前设置多个水平的限制值，且当电力系统频率降到第一水平的限制值以下时，切除预先确定的部分负载，如果电力系统频率进一步下降，则每当电力系统频率降到各水平的限制值以下时，顺序地另外切除更多的部分负载。
然而，可能出现如下情况即使顺序切除了负载，电力系统频率也不会恢复到预定的允许范围内。当要切除的负载量与对于整个电力系统供电不足时的发电量不一致时，会发生上述情况。当将电力系统从链路(linkage)中切离且变成单独的电力系统时，在该单独电力系统的电力系统中可能发生这种现象。例如，假定在预定电力系统频率为50Hz的电力系统中，第一水平的限制值为48.8Hz，第二水平的限制值为48.5Hz，第三水平的限制值为48.0Hz，每当达到各水平时，切除电力系统整个负载的10％。在这种情况下，每当电力系统频率降到各水平的各限制值48.8Hz、48.5Hz、48.0Hz以下时，顺序切除10％的负载。
例如，当整个电力系统供电不足时的发电量是整个负载的27％且电力系统频率降到第二水平的限制值以下但是保持在第三水平的限制值以上时，在20％的负载被切除的状态下不再进行减载，因此仍然过多地连接有7％的负载。为此，可能出现如下情况电力系统频率没有恢复到作为预定电力系统频率的50Hz。
本发明的目的是提供一种欠频减载保护系统，当由于发电不足而导致电力系统频率下降时，该欠频减载保护系统能够通过根据电力系统频率的恢复程度切除负载，将电力系统频率恢复到预定范围内。
发明内容
本发明的欠频减载保护系统是一种当电力系统频率下降时通过将电力系统频率恢复到预定范围内来稳定管理电力系统的欠频减载保护系统，其特征在于，该系统包括欠频水平检测单元，当由于该电力系统发电不足而导致该电力系统频率下降时，该欠频水平检测单元判断该电力系统频率的欠频水平；以及减载单元，其基于当所述电力系统频率停留在由所述欠频水平检测单元判断的任一欠频水平时的停留时间，顺序切除预先确定的负载，并且当所述电力系统频率停留的所述欠频水平大时，此时快速地切除更多的负载。
优选设置频率变化率检测单元，当所述电力系统频率变为等于或者小于预定值时，该频率变化率检测单元判断等于或者小于该预定值的预定范围内的所述电力系统频率的变化率，并配置成当由所述频率变化率检测单元判断的所述预定范围内的该电力系统频率的变化率越大时，所述减载单元切除的负载就越多。
此外，准备多个预定范围作为等于或者小于所述频率变化率检测单元的预定值的预定范围，并配置成所述频率变化率检测单元判断各预定范围内的所述电力系统频率的变化率，并且当由所述频率变化率检测单元判断的各预定范围内的该电力系统频率的变化率越大时，所述减载单元切除的负载就越多。
图1是当将根据本发明实施例的欠频减载保护系统应用于电力系统时的系统配置图。
图2是根据本发明第一实施例的变电站A的欠频减载保护系统的块配置图。
图3是用于说明根据本发明第一实施例的变电站A的欠频减载保护系统依照当由于发电不足而导致电力系统频率下降时电力系统频率停留的欠频水平和停留时间切除的负载量的图。
图4是用于说明根据本发明第一实施例的欠频减载保护系统将减载命令分配给作为减载候选的负载的图。
图5是本发明第一实施例中的减载单元的变电站A的减载单元的电路配置图。
图6是根据本发明第二实施例的变电站A的欠频减载保护系统的块配置图。
图7是用于说明根据本发明第一实施例的欠频减载保护系统依照当由于发电不足而导致电力系统频率下降时电力系统频率的变化率切除的负载量的图。
图8是用于说明根据本发明第二实施例的欠频减载保护系统将减载命令分配给作为减载候选的负载的图。
图9是本发明第二实施例中的减载单元的变电站A的减载单元的电路配置图。
图10是根据本发明第三实施例的变电站A的欠频减载保护系统的块配置图。
图11是用于说明在本发明第三实施例中，依照当由于发电不足而导致电力系统频率下降时电力系统频率的变化率切除的负载量的图。
图12是用于说明在本发明第三实施例中将减载命令分配给作为减载候选的负载的图。
图13是本发明第三实施例中的减载单元的变电站A的减载单元的电路配置图。
具体实施例方式
下面说明本发明的实施例。图1是当将根据本发明实施例的欠频减载保护系统应用于电力系统时的系统配置图。将本发明的欠频减载保护系统11a～11d应用于通过多个输电网使多个母线(bus-bar)相互链接的电力系统。图1示出某电力系统12，且通过输电网13a～13c将电力系统12连接到其它电力系统，并且作为整体形成了网状的电力系统。
多个发电机和多个变电站连接到电力系统12上，且通过该多个变电站中的一台或者多台变压器将该多个发电机产生的电力提供给负载。在图1中，没有示意性示出发电机，而示出了以下情况连接四个变电站14a～14d，且每个变电站14a～14d分别配备一台变压器15a～15d。
变电站14a的变压器15a通过断路器(circuit breaker)17a1～17ai从连接到母线18a的馈电线(feeder)16a1～16ai向每个负载A1～Ai提供电力。类似地，变电站14b的变压器15b通过断路器17b1～17bj从连接到母线18b的馈电线16b1～16bj向每个负载B1～Bj提供电力，变电站14c的变压器15c通过断路器17c1～17ck从连接到母线18c的馈电线16c1～16ck向每个负载C1～Ck提供电力，变电站14d的变压器15d通过断路器17d1～17dm从连接到母线18d的馈电线16d1～16dm向每个负载D1～Dm提供电力。
而且，每个母线18a～18d分别配备有一台电压互感器(voltage transformer)38a～38d，且通过电压互感器38a～38d检测母线18a～18d的电压V1a～V1d。将通过电压互感器38a～38d检测到的电压V1a～V1d分别输入到欠频减载保护系统11a～11d中。
当由于电力系统12的发电不足而导致电力系统频率下降时，欠频减载保护系统11a～11d通过切除负载将电力系统频率恢复到预定范围内来稳定地管理电力系统。由于每个变电站14a～14d的欠频减载保护系统11a～11d都具有相同的配置，因此下面说明变电站14a的欠频减载保护系统11a。欠频减载保护系统11a包括输入处理单元19a，用于接收由电压互感器38a检测到的电压V1a并获得电力系统频率；欠频水平检测单元20a，用于基于输入处理单元19a获得的电力系统频率来判断电力系统频率的欠频水平；减载单元21a，用于选择变电站14a的每个断路器17a1～17ai并且输出减载命令a。
图2是根据本发明第一实施例的欠频减载保护系统11a的块配置图。输入处理单元19a接收由电压互感器38a检测到的电压V1a并获得电压V1a的频率f，同时，获得电压值Va并将其输出到欠频水平检测单元20a。
欠频水平检测单元20a包括第一水平检测单元22a，用于判断电力系统频率f是否在第一水平范围内，并且当其在第一水平范围内时输出逻辑值“1”；第二水平检测单元23a，用于判断电力系统频率f是否在第二水平范围内，并且当其在第二水平范围内时输出逻辑值“1”；欠压继电器(undervoltage relay)24a，用于当电压V1a的电压值Va等于或者小于预定值时输出逻辑值“1”；第一与(AND)电路25a，用于当第一水平检测单元22a的输出为逻辑值“1”且欠压继电器24a的输出为逻辑值“0”时输出逻辑值“1”；以及第二与电路26a，用于当第二水平检测单元23a的输出为逻辑值“1”且欠压继电器24a的输出为逻辑值“0”时输出逻辑值“1”。
当从输入处理单元19a输入电力系统频率f时，欠频水平检测单元20a的第一水平检测单元22a判断电力系统频率f是否在第一水平范围内。类似地，当从输入处理单元19a输入电力系统频率f时，欠频水平检测单元20a的第二水平检测单元23a判断电力系统频率f是否在第二水平范围内。
例如，在预定电力系统频率为50Hz的电力系统中，如果假定设置低于48.5Hz的频率为第一水平范围，设置低于48.0Hz的频率为第二水平范围，且接收到的电力系统频率f为48.4Hz，那么接收到的电力系统频率f(f＝48.4Hz)在第一水平范围内，因此，结果第一水平检测单元22a输出逻辑值“1”，第二水平检测单元23a输出逻辑值“0”。此外，当假定接收到的电力系统频率f为47.8Hz时，接收到的电力系统频率f(f＝47.8Hz)在第一水平范围和第二水平范围内，因此，结果第一水平检测单元22a和第二水平检测单元23a输出逻辑值“1”。
当电压V1a的电压值Va等于或者小于预定值时，欠压继电器24a输出逻辑值“1”。配备欠压继电器24a的原因是其将由于失步(out of step)而导致的电力系统频率f的下降现象与由于电力系统12的发电不足而导致的电力系统频率f的下降现象区分开来，并且在由于失步而导致的电力系统频率f的下降现象的情况下不进行减载。
当第一水平检测单元22a的输出为逻辑值“1”且欠压继电器24a的输出为逻辑值“0”时，第一与电路25a输出逻辑值“1”。换句话说，当电力系统频率f在第一水平范围内且不是在由于失步而导致的电力系统频率f的下降现象的情况下时，第一与电路25a输出逻辑值“1”。类似地，当第二水平检测单元23a的输出为逻辑值“1”且欠压继电器24a的输出为逻辑值“0”时，第二与电路26a输出逻辑值“1”。换句话说，当电力系统频率f在第二水平范围内且不是在由于失步而导致的电力系统频率f的下降现象的情况下时，第二与电路26a输出逻辑值“1”。
将第一与电路25a的输出信号作为第一水平检测信号L1a、将第二与电路26a的输出信号作为第二水平检测信号L2a输出到减载单元21a。减载单元21a选择变电站14a中的各个断路器17a1～17ai并且输出减载命令a。减载单元21a包括变电站A的减载单元27a，该减载单元27a将减载命令a1～a4输出到变电站14a的负载A1～A4。
变电站A的减载单元27a接收第一水平检测信号L1a和第二水平检测信号L2a，并且当第一水平检测信号L1a的逻辑值“1”持续预定时间或者当第二水平检测信号L2a的逻辑值“1”持续预定时间时，从负载A1～A4中选择预先确定的负载并且将减载命令a1～a4输出到断路器17a1～17a4。
尽管没有示意性示出，但是变电站14b的减载单元21b中的变电站B的减载单元27b、变电站14c的减载单元21c中的变电站C的减载单元27c以及变电站14d的减载单元21d中的变电站D的减载单元27d类似地接收第一水平检测信号L1b～L1d和第二水平检测信号L2b～L2d，并且当第一水平检测信号L1b～L1d的逻辑值“1”持续预定时间或者当第二水平检测信号L2b～L2d的逻辑值“1”持续预定时间时，从负载B1～B4、负载C1～C4、负载D1～D4中选择预先确定的负载，并将减载命令b1～b4、减载命令c1～c4、减载命令d1～d4输出到断路器17b1～17b4、断路器17c1～17c4、断路器17d1～17d4。
此处，当由于电力系统12的发电不足而导致电力系统频率下降时切除以恢复电力系统频率的最大负载量基于如下假定当根据电力系统的运转条件和系统分离点而变化的电力系统12的最大发电不足率为大约32％时，如果切除电力系统整个负载的32％，则电力系统频率必然恢复。此外，还假定对每次减载电力系统整个负载的4％被切除。
而且，为了便于说明，还假定作为变电站14a～14d的减载候选的负载是负载A1～A4、负载B1～B4、负载C1～C4以及负载D1～D4，并且分别连接到馈电线16a1～16a4、馈电线16b1～16b4、馈电线16c1～16c4以及馈电线16d1～16d4，且每个负载为负载的2％。因此，总和为电力系统整个负载的32％。
图3是用于说明在上述条件下，当由于发电不足而导致电力系统频率下降时，根据电力系统频率停留的欠频水平和停留时间切除的负载量的图。图3示出了以下情况设置低于48.5Hz的频率作为第一水平检测单元22a～22d的第一水平范围，设置低于48.0Hz的频率作为第二水平检测单元23a～23d的第二水平范围。
当电力系统频率f落在第一水平范围内(低于48.5Hz)时，第一水平信号L1a～L1d的逻辑值变为“1”，当电力系统频率f落在第二水平范围内(低于48.0Hz)时，第二水平信号L2a～L2d的逻辑值也变为“1”。然后，当电力系统频率f停留在第一水平范围或者第二水平范围内预定时间或者更长时间时，顺序切除基于停留时间预先确定的负载。
例如，当电力系统频率f在第一水平范围内(低于48.5Hz)且高于第二水平范围(低于48.0Hz)，并且停留时间等于或者大于0.5秒时，切除4％的负载。然后，即使在切除了4％的负载之后电力系统频率f仍停留在第一水平范围内(低于48.5Hz)且高于第二水平范围(低于48.0Hz)，则1.0秒后另外切除4％的负载。如下类似地，当电力系统频率f仍停留在第一水平范围内(低于48.5Hz)且高于第二水平范围(低于48.0Hz)时，每一秒另外切除4％的负载。最后，当电力系统频率f停留在第一水平范围内(低于48.5Hz)且高于第二水平范围(低于48.0Hz)7秒时，结果切除电力系统整个负载的32％。
如上所述，在以上说明的例子中，假定电力系统的发电不足率为32％且通过切除电力系统整个负载的32％必然可以恢复电力系统频率的下降，因此，假定切除的负载为电力系统整个负载的32％。如果发电不足率应超过32％，则即使切除电力系统整个负载的32％，也不能恢复电力系统频率，因此，为了保持电力系统的稳定运转，假定电力系统12的发电不足率的最大值是重要的。
当电力系统频率f落在第二水平范围内(低于48.0Hz)时，首先，当电力系统频率f停留短的预定时间0.2秒或更长时间时，一次切除8％的负载。然后，如果即使在切除8％的负载之后电力系统频率f仍停留在第二水平范围内(低于48.0Hz)，则0.5秒后另外切除8％的负载。此外，如果电力系统频率f仍停留在第二水平范围内(低于48.0Hz)，则每一秒另外切除4％的负载。最后，当电力系统频率f停留在第二水平范围内(低于48.0Hz)4秒时，结果切除电力系统整个负载的32％。因此，当电力系统频率停留的欠频水平大(在第二水平范围内)时，在电力系统频率f停留的初始时间快速(在0.2秒内)切除大量负载(8％的负载)。
顺便说一下，当电力系统频率f落在第二水平范围内(低于48.0Hz)，然后变为第一水平范围内(低于48.5Hz)且高于第二水平范围(低于48.0Hz)时，在第一水平范围(低于48.5Hz)内顺序进行减载。然后，当电力系统频率f变为高于第一水平范围(低于48.5Hz)时，减载结束。
图4是将减载命令分配给作为减载候选的负载的说明图。换句话说，图4是考虑了时间的第一水平信号L1a～L1d和第二水平信号L2a～L2d到作为变电站14a～14d的减载候选的负载A1～A4、负载B1～B4、负载C1～C4以及负载D1～D4的说明图。例如，图4中的L1a(0.5)意味着当第一水平信号L1a持续时间等于或者大于0.5秒时输出减载命令，L2 a(0.2)意味着当第二水平信号L2a持续时间等于或者大于0.2秒时输出减载命令。因此，当第一水平信号L1a持续时间等于或者大于0.5秒或者第二水平信号L2a持续时间等于或者大于0.2秒时，切除变电站14a的负载A1。
如下类似地，将考虑了时间的第一水平信号L1a～L1d和第二水平信号L2a～L2d分配给作为变电站14a～14d的减载候选的负载A1～A4、负载B1～B4、负载C1～C4以及负载D1～D4。如上所述，2％的负载连接到每个馈电线16a1～16a4、馈电线16b1～16b4、馈电线16c1～16c4以及馈电线16d1～16d4，因此，为了恢复电力系统频率f而切除的最大负载量为32％。
接着，图5是第一实施例中减载单元的变电站A的减载单元27a的电路配置图。变电站A的减载单元27a包括各自具有预定时间的计时器T1～T8，以及用于计算计时器T1～T8的两个输出的逻辑或(OR)的或电路OR1～OR4。计时器T1～T8以及或电路OR1～OR4实现将减载命令a1～a4分配给作为图4所示的减载候选的负载。
例如，假定电力系统频率f落在第一水平范围内(低于48.5Hz)且高于第二水平范围(低于48.0Hz)，且第一水平信号L1a变为逻辑值“1”。在这种情况下，如果假定计时器T1、T3、T5和T7开始其自身的计时并且当第一水平信号L1a的逻辑值“1”持续0.5秒时，计时器T1将逻辑值“1”输出到或电路OR1。由此，从或电路OR1将减载命令a1输出到断路器17a1，且切除负载A1。
如果假定在切除了负载A1之后，电力系统频率f仍停留在第一水平范围内(低于48.5Hz)且高于第二水平范围(低于48.0Hz)，且第一水平信号L1a的逻辑值“1”持续2.0秒，则计时器T3将逻辑值“1”输出到或电路OR2。由此，从或电路OR2将减载命令a2输出到断路器17a2，且切除负载A2。如下类似地，当假定第一水平信号L1a的逻辑值“1”持续4.0秒时，计时器T5将逻辑值“1”输出到或电路OR3，从或电路OR3将减载命令a3输出到断路器17a3，且切除负载A3。此外，当假定第一水平信号L1a的逻辑值“1”持续6.0秒时，计时器T7将逻辑值“1”输出到或电路OR4，从或电路OR4将减载命令a4输出到断路器17a4，且切除负载A4。
另外类似地，当电力系统频率f落在第二水平范围内(低于48.0Hz)且第二水平信号L2a变为逻辑值“1”时，只要电力系统频率f保持第二水平范围(低于48.0Hz)，则计时器T2、T4、T6和T8将逻辑值“1”顺序输出到或电路OR1～OR4，从或电路OR1～OR4将减载命令a1～a4输出到断路器17a1～17a4，且切除负载A1～A4。
类似地，变电站B的减载单元27b、变电站C的减载单元27c以及变电站D的减载单元27d也包括各自具有预定时间的八个计时器和用于计算八个计时器的两个输出的逻辑或的四个或电路，而且八个计时器和四个或电路实现将减载命令b1～b4、减载命令c1～c4以及减载命令d1～d4分配给作为图4所示的减载候选的负载B1～B4、负载C1～C4以及负载D1～D4。
在以上说明中，假定如果切除电力系统整个负载的32％，则电力系统频率f恢复，那么当由于发电不足而导致电力系统频率下降时最多切除整个负载的32％，然而，不少于电力系统整个负载的32％或者不多于电力系统整个负载的32％也可以接受。只需要根据假定的发电不足率的最大值进行设置，该发电不足率根据电力系统运转条件和系统分离点而变化。此外，对每次切除将要切除的负载量设为负载的4％，然而，可以接受负载的3％或者负载的2％等更少量的负载。而且，设置频率水平范围以将其分为两个水平，即第一水平范围和第二水平范围，然而，可以设置更多的多水平范围。在这种情况下，可以以更细的方式恢复电力系统频率。
根据第一实施例，当电力系统频率停留在由欠频水平检测单元20a～20d判断的任一欠频水平时，减载单元21a～21d基于停留时间来顺序切除预先确定的负载，因此，根据电力系统频率的恢复程度切除负载，因而可以将电力系统频率恢复到预定范围内。此外，当电力系统频率停留的欠频水平大时，在电力系统频率停留的初始时间带快速切除大量负载，因此，可以快速恢复电力系统频率。
接着，说明本发明的第二实施例。图6是根据本发明第二实施例的欠频减载保护系统11a的块配置图。在第二实施例中，相对于图2所示的第一实施例另外配备了频率变化率检测单元31a。相同的附图标记用于表示与图2相同的组件，并省略其说明。
当在由于发电不足而导致电力系统频率下降时电力系统频率f变为等于或者小于预定值的值时，频率变化率检测单元31a判断等于或者小于预定值的预定范围内的电力系统频率的变化率，并且该频率变化率检测单元31a包括判断等于或者小于预定值的预定范围内的电力系统频率变化率的频率变化率检测单元32a、当电压等于或者小于预定值时输出逻辑值“1”的欠压继电器33a、当频率变化率检测单元32a的输出为逻辑值“1”且欠压继电器33a的输出为逻辑值“0”时输出逻辑值“1”的第三与电路34a。
频率变化率检测单元32a测量从接收到的电力系统频率f变为等于或者小于预定范围内的上限值时到该电力系统频率f下降到预定范围内的下限值时的时间段，且当该时间段变为等于或者小于预先确定的多个限制值中的任何一个时，频率变化率检测单元输出与该限制值对应的输出信号作为逻辑值“1”。换句话说，频率变化率检测单元32a根据与该多个限制值相对应的变化率输出多种输出信号。
例如，在预定电力系统频率为50Hz的电力系统中，如果假定设置48.8Hz作为预定范围内的上限值，设置48.0Hz作为预定范围内的下限值，设置第一限制值0.4秒、第二限制值0.5秒、第三限制值1.0秒以及第四限制值2.0秒作为多个限制值，且从接收到的电力系统频率f变为等于或者小于预定范围内的上限值(48.8Hz)时到该电力系统频率f下降到预定范围内的下限值(48.0Hz)时的时间段为0.6秒，则该时间等于或者小于第三限制值1.0秒但超过第二限制值0.5秒，因此，将与第三限制值1.0秒相对应的输出信号作为逻辑值“1”输出。
当电压V1a的电压值Va等于或者小于预定值时，欠压继电器33a输出逻辑值“1”。配备欠压继电器33a以将由于失步而导致的电力系统频率f的下降现象与由于电力系统12的发电不足而导致的电力系统频率f的下降现象区分开来，并且在由于失步而导致的电力系统频率f的下降现象的情况下防止进行减载。
当频率变化率检测单元32a的输出为逻辑值“1”且欠压继电器33a的输出为逻辑值“0”时，第三与电路34a输出逻辑值“1”。换句话说，当电力系统频率f的变化率变为等于或者小于多个限制值中的任何一个，且不是在由于失步而导致的电力系统频率f的下降现象的情况下时，第三与电路34a输出与限制值相对应的输出信号作为逻辑值“1”。
将第一与电路25a的输出信号作为第一水平检测信号L1a、将第二与电路26a的输出信号作为第二水平检测信号L2a、将第三与电路34a的输出信号作为频率变化率检测信号Ma(T)输出到减载单元21a。
减载单元21a的变电站A的减载单元27a接收第一水平检测信号L1a、第二水平检测信号L2a以及频率变化率检测信号Ma(T)，且当第一水平检测信号L1a的逻辑值“1”持续预定时间，或者当第二水平检测信号L2a的逻辑值“1”持续预定时间，或者当输入频率变化率检测信号Ma(T)的逻辑值“1”时，减载单元27a从负载A1～A4中选择预先确定的负载并且将减载命令a1～a4输出到断路器17a1～17a4。
类似地，变电站B的减载单元27b、变电站C的减载单元27c、以及变电站D的减载单元27d接收第一水平检测信号L1b～L1d、第二水平检测信号L2b～L2d以及频率变化率检测信号Mb(T)～Md(T)，且当第一水平检测信号L1b～L1d、第二水平检测信号L2b～L2d以及频率变化率检测信号Mb(T)～Md(T)中的任何一个变为逻辑值“1”且第一水平检测信号L1b～L1d的逻辑值“1”持续预定时间，或者当第二水平检测信号L2b～L2d的逻辑值“1”持续预定时间，或者当输入频率变化率检测信号Mb(T)～Md(T)的逻辑值“1”时，从负载B1～B4、负载C1～C4以及负载D1～D4中选择预先确定的负载，并且将减载命令b1～b4、减载命令c1～c4以及减载命令d1～d4输出到断路器17b1～17b4、断路器17c1～17c4以及断路器17d1～17d4。
图7是当由于发电不足而导致电力系统频率下降时根据电力系统频率变化率切除的负载量的说明图。图7示出以下情况设置48.8Hz作为用于检测电力系统频率变为等于或者小于预定值的预定范围内的上限值，设置48.0Hz作为该预定范围内的下限值。图7还示出以下情况设置四个限制值作为电力系统频率在预定范围内的上限值和预定范围内的下限值之间下降的时间的限制值，设置0.4秒作为第一限制值，设置0.5秒作为第二限制值，设置1.0秒作为第三限制值，设置2.0秒作为第四限制值。
当电力系统频率f变为等于或者小于预定范围内的上限值(48.8Hz)时，频率变化率检测单元32a开始计时并且监视电力系统频率f是否变为预定范围内的下限值(48.0Hz)。然后，测量电力系统频率f从预定范围内的上限值(48.8Hz)变为预定范围内的下限值(48.0Hz)所需的时间，并且判断测量的所需时间是否等于或者小于第一限制值0.4秒、第二限制值0.5秒、第三限制值1.0秒以及第四限制值2.0秒中的任何一个。然后，如果该时间等于或者小于限制值中的任何一个，则输出与该限制值对应的输出信号作为逻辑值“1”。
例如，在欠压继电器33a～33d没有检测到任何欠压的状态下，当所需时间等于或者小于第一限制值0.4秒时，从频率变化率检测单元31a～33d输出频率变化率检测信号Ma(0.4)～Md(0.4)，且通过减载单元21a～21d切除电力系统整个负载的32％。这是为了快速恢复电力系统频率f，因为电力系统频率的变化率大。当该时间等于或者小于第二限制值0.5秒时，从频率变化率检测单元31a～31d输出频率变化率检测信号Ma(0.5)～Md(0.5)，且通过减载单元21a～21d切除电力系统整个负载的24％。
如下类似地，当该时间等于或者小于第三限制值1.0秒时，从频率变化率检测单元31a～31d输出频率变化率检测信号Ma(1.0)～Md(1.0)，且通过减载单元21a～21d切除电力系统整个负载的16％，当该时间等于或者小于第四限制值2.0秒时，从频率变化率检测单元31a～31d输出频率变化率检测信号Ma(2.0)～Md(2.0)，且通过减载单元21a～21d切除电力系统整个负载的8％。顺便提一下，当测量的时间超过第四限制值2.0秒时(当变化率小时)，不输出频率变化率检测信号Ma(T)～Md(T)，因此不通过频率变化率检测信号进行减载。如上所述，由频率变化率检测单元31a判断的预定范围内的电力系统频率的变化率越大，则通过减载单元21a切除的负载就越多，且当电力系统频率f的变化率小时，不进行减载。
图8是在第二实施例中将减载命令分配给作为减载候选的负载的说明图。与图4所示的第一实施例相比，另外分配给频率变化率检测信号Ma(T)～Md(T)。
当第一水平信号L1a持续0.5秒或者更长时间，或者当第二水平信号L2a持续0.2秒或者更长时间时，切除变电站14a的负载A1。此外，通过频率变化率检测信号Ma(0.4)、Ma(0.5)、Ma(1.0)和Ma(2.0)将其切除。
如下类似地，对作为变电站14a～14d的减载候选的负载A1～A4、负载B1～B4、负载C1～C4以及负载D1～D4，分配给考虑了时间的第一水平信号L1a～L1d以及第二水平信号L2a～L2d以及频率变化率检测信号Ma(T)～Md(T)。如上所述，对于每个馈电线16a1～16a4、馈电线16b1～16b4、馈电线16c1～16c4以及馈电线16d1～16d4，分别连接2％的负载，因此，要切除以恢复电力系统频率的最大负载量为32％。
接着，图9是第二实施例中减载单元21a的变电站A的减载单元27a的电路配置图。变电站A的减载单元27a包括各自具有预定时间的计时器T1～T8和用于计算计时器T1～T8的两个输出与频率变化率检测信号Ma(0.4)、Ma(0.5)、Ma(1.0)及Ma(2.0)的组合的逻辑或的或电路OR1～OR4。计时器T1～T8以及或电路OR1～OR4实现将减载命令a1～a4分配给作为图8所示的减载候选的负载。
例如，当由计时器T1和T2的输出信号、Ma(0.4)、Ma(0.5)、Ma(1.0)以及Ma(2.0)中的任何一个输入逻辑值“1”时，将或电路OR1的减载命令a1输出到断路器17a1且切除负载A1。类似地，当由计时器T3和T4的输出信号、Ma(0.4)、Ma(0.5)以及Ma(1.0)中的任何一个输入逻辑值“1”时，将或电路OR2的减载命令a2输出到断路器17a2且切除负载A2。当由计时器T5和T6的输出信号、Ma(0.4)以及Ma(0.5)中的任何一个输入逻辑值“1”时，将或电路OR3的减载命令a3输出到断路器17a3且切除负载A3。此外，当由计时器T7和T8的输出信号以及Ma(0.4)中的任何一个输入逻辑值“1”时，将或电路OR4的减载命令a4输出到断路器17a4且切除负载A4。
类似地，变电站B的减载单元27b、变电站C的减载单元27c以及变电站D的减载单元27d也包括各自具有预定时间的八个计时器和用于计算八个计时器的两个输出与频率变化率检测信号Mb(0.4)～Mb(2.0)、Mc(0.4)～Mc(2.0)以及Md(0.4)～Md(2.0)的组合的逻辑或的四个或电路，且八个计时器和四个或电路实现将减载命令b1～b4、减载命令c1～c4、以及减载命令d1～d4分配给作为图8所示的减载候选的负载B1～B4、负载C1～C4以及负载D1～D4。
在上面的说明中，频率变化率检测单元31a～31d配备有欠压继电器33a～33d，然而，频率变化率检测单元31a～31d也可以共享欠频水平检测单元20a～20d的欠压继电器24a～24d。换句话说，也可以省略频率变化率检测单元31a～31d的欠压继电器33a～33d且将欠频水平检测单元20a～20d的欠压继电器24a～24d的输出信号输入到频率变化率检测单元31a～31d的第三与电路34a～34d。
根据第二实施例，除了第一实施例中的效果之外，还可以更快地恢复电力系统频率，因为如果当由于发电不足而导致电力系统频率下降时电力系统频率变化率大，则电力系统频率变化率越大，被快速切除的负载就越多。换句话说，可以防止电力系统频率停留在下降范围大的状态。
接着，说明本发明的第三实施例。图10是根据本发明第三实施例的欠频减载保护系统11a的块配置图。在第三实施例中，频率变化率检测单元31a配备有两个频率变化率检测单元(第一频率变化率检测单元35a和第二频率变化率检测单元36a)，并且据此在图10所示的第三实施例中配备两个与电路(第三与电路34a和第四与电路37a)。由此，如果当由于发电不足而导致电力系统频率下降时电力系统频率变化率大，则分两步进行减载以抑制减载后电力系统电压的上升。相同的附图标记用于表示与图2相同的组件，并省略其重复说明。
第三实施例中的频率变化率检测单元31a包括作为等于或者小于电力系统频率预定值的预定范围的两个预定范围(第一预定范围和第二预定范围)。第一频率变化率检测单元35a包括第一预定范围，第二频率变化率检测单元36a包括第二预定范围。于是，第一频率变化率检测单元35a判断第一预定范围内的电力系统频率的变化率，第二频率变化率检测单元36a判断第二预定范围内的电力系统频率的变化率。
第一频率变化率检测单元35a测量接收到的电力系统频率f下降通过第一预定范围所需的时间，如果该时间等于或者小于预先确定的两个或更多个限制值中的任何一个，则第一频率变化率检测单元35a输出与该限制值对应的输出信号作为逻辑值“1”。类似地，第二频率变化率检测单元36a测量接收到的电力系统频率f下降通过第二预定范围所需的时间，如果该时间等于或者小于预先确定的两个或者更多个限制值中的任何一个，则第二频率变化率检测单元36a输出与该限制值对应的输出信号作为逻辑值“1。换句话说，第一频率变化率检测单元35a和第二频率变化率检测单元36a根据与两个或者更多个限制值对应的变化率输出多种输出信号。
当电力系统电压等于或者小于预定值时，欠压继电器33a输出逻辑值“1”。当第一频率变化率检测单元35a的输出为逻辑值“1”且欠压继电器33a的输出为逻辑值“0”时，第三与电路34a输出逻辑值“1”；当第二频率变化率检测单元36a的输出为逻辑值“1”且欠压继电器33a的输出为逻辑值“0”时，第四与电路37a输出逻辑值“1”。
例如，如图11所示，假定在预定电力系统频率为50Hz的电力系统中，设置48.8Hz～48.5Hz作为第一预定范围，设置48.8Hz～48.0Hz作为第二预定范围。此外，还假定设置第一限制值0.5秒、第二限制值0.6秒、第三限制值0.9秒、第四限制值1.2秒、第五限制值1.6秒以及第六限制值2.0秒作为第一预定范围内的多个限制值，设置第一限制值0.3秒、第二限制值0.4秒、第三限制值0.5秒、第四限制值0.6秒、第五限制值0.9秒以及第六限制值1.3秒作为第二预定范围内的多个限制值。
此处，假定电力系统频率f下降通过第一预定范围(48.8Hz～48.5Hz)所需的时间为0.8秒，且下降通过第二预定范围(48.8Hz～48.0Hz)所需的时间为1.1秒，那么下降通过第一预定范围(48.8Hz～48.5Hz)所需的时间等于或者小于第一预定范围内的第三限制值0.9秒且超过第二限制值0.6秒，因此，第一频率变化率检测单元35a～35d输出与第三限制值0.9秒对应的输出信号作为逻辑值“1”。然后，在由于发电不足而导致电力系统频率f的下降现象的情况下，欠压继电器33a～33d的输出为逻辑值“ 0”，因此，第一与电路34a～34d输出M1a(0.9)～M1d(0.9)作为与第三限制值0.9秒对应的第一频率变化率检测信号M1a(T)～M1d(T)。
另一方面，电力系统频率f下降通过第二预定范围(48.8Hz～48.0Hz)所需的时间等于或者小于第二预定范围内的第六限制值1.3秒且超过第五限制值0.9秒，因此，第二频率变化率检测单元36a～36d输出与第六限制值1.3秒对应的输出信号作为逻辑值“1”。然后，在由于发电不足而导致电力系统频率f的下降现象的情况下，欠压继电器33a～33d的输出为逻辑值“0”，因此，第二与电路37a～37d输出M2a(1.3)～M2d(1.3)作为与第六限制值1.3秒对应的第二频率变化率检测信号M2a(T)～M2d(T)。
此处，当电力系统频率f落在第一预定范围内(48.8Hz～48.5Hz)时，第一频率变化率检测单元35a～35d开始计时并且监视电力系统频率f是否变为第一预定范围(48.8Hz～48.5Hz)内的下限值。然后，测量电力系统频率f降到第一预定范围内的下限值(48.5Hz)所需的时间，并且判断所测量的时间是否等于或者小于第一预定范围内的第一限制值0.5秒、第二限制值0.6秒、第三限制值0.9秒、第四限制值1.2秒、第五限制值1.6秒以及第六限制值2.0秒中的任何一个。当该时间等于或者小于限制值中的任何一个时，输出与该限制值对应的输出信号作为逻辑值“1”。
类似地，当电力系统频率f落在第二预定范围内(48.8Hz～48.0Hz)时，第二频率变化率检测单元36a～36d开始计时并且监视电力系统频率f是否变为第二预定范围(48.8Hz～48.0Hz)内的下限值。然后，测量电力系统频率f降到第二预定范围内的下限值(48.0Hz)所需的时间，并且判断所测量的时间是否等于或者小于第二预定范围内的第一限制值0.3秒、第二限制值0.4秒、第三限制值0.5秒、第四限制值0.6秒、第五限制值0.9秒以及第六限制值1.3秒中的任何一个。当该时间等于或者小于限制值中的任何一个时，输出与该限制值对应的输出信号作为逻辑值“1”。
例如，在欠压继电器33a～33d没有检测到任何欠压的状态下，当电力系统频率f花费0.5秒下降通过第一预定范围(48.8Hz～48.5Hz)且花费0.7秒下降通过第二预定范围(48.8Hz～48.0Hz)时，从频率变化率检测单元31a～31d的第一频率变化率检测单元35a～35d输出第一频率变化率检测信号M1a(0.6)～M1d(0.6)，且从第二频率变化率检测单元36a～36d输出第二频率变化率检测信号M2a(0.9)～M2d(0.9)。当从频率变化率检测单元31a～31d的第一频率变化率检测单元35a～35d输出第一频率变化率检测信号M1a(0.6)～M1d(0.6)时，减载单元21a～21d切除电力系统整个负载的16％，且当从频率变化率检测单元31a～31d的第二频率变化率检测单元36a～36d输出第二频率变化率检测信号M2a(0.9)～M2d(0.9)时，减载单元21a～21d切除电力系统整个负载的6％。
如上所述，当电力系统频率的变化率大且电力系统频率f被快速恢复，并且结果切除电力系统整个负载的22％时，首先在第一步骤中切除电力系统整个负载的16％，然后在第二步骤中切除电力系统整个负载的6％。因此，可以抑制减载后发生的电力系统电压的上升范围。
换句话说，当切除电力系统负载时，电力系统电压根据减载量暂时上升。因此，如果一次切除大量负载，则电力系统电压的上升也大，从将电力系统电压保持在预定值的观点出发这是不可接受的。此外，电力系统电压在电力系统频率f已下降的状态下上升，因此，例如可能会出现连接到电力系统的发电机的过激励保护继电器运转的情况。
一般说来，在发电机中配置当发电机端子电压与电力系统频率的比值(V/F)超过预定值时运转的V/F继电器作为过激励保护继电器，且当电力系统电压在电力系统频率f已下降的状态下上升时，可能会出现V/F继电器运转且发电机从电力系统中解列的情况。当由于整个电力系统发电不足而导致电力系统频率下降时，如果尽管为了恢复电力系统频率进行了减载发电机仍从电力系统中解列，则相反导致整个电力系统的发电不足，且变得难以保持电力系统的稳定运转状态。
因此，有必要尽可能地抑制由减载造成的电力系统电压的上升，且当电力系统频率的变化率大且电力系统频率f被快速恢复时，分两个步骤切除电力系统的负载。例如， 当由于发电不足而导致电力系统频率下降且结果切除整个电力系统整个负载的22％时，如上所述，在第一步骤中切除16％的负载，在第二步骤中切除6％的负载。首先，当在第一步骤中切除16％的负载时，电力系统电压暂时上升，然而，与一次切除整个电力系统整个负载的22％的情况相比，电力系统电压的上升得到抑制。
此外，通过自动调整发电机的端子电压的自动电压调整器AVR(automatic Voltage regulator)调整已暂时上升的电力系统电压使得发电机的端子电压变为预定值，因此，在第二步骤中的减载时，电力系统频率呈现恢复的趋势。在这种情况下，在第二步骤中切除整个电力系统整个负载的6％，抑制了减载后的电力系统电压的上升。
图12是将减载命令分配给作为第三实施例中的减载候选的负载的说明图。与图8所示的第二实施例相比，代替频率变化率检测信号Ma(T)～Md(T)，另外分配给第一频率变化率检测信号M1a(T)～M1d(T)以及第二频率变化率检测信号M2a(T)～M2d(T)。
当第一水平信号L1a持续0.5秒或更长时间，或者当第二水平信号L2a持续0.2秒或更长时间时切除变电站14a的负载A1。此外，通过第一频率变化率检测信号M1a(0.5)、M1a(0.6)、M1a(0.9)、M1a(1.2)、M1a(1.6)以及M1a(2.0)切除负载A1。
如下类似地，对于作为变电站14a～14d的减载候选的负载A1～A4、负载B1～B4、负载C1～C4以及负载D1～D4，分配给考虑了时间的第一水平信号L1a～L1d和第二水平信号L2a～L2d，以及第一频率变化率检测信号M1a(T)～M1d(T)和第二频率变化率检测信号M2a(T)～M2d(T)。如上所述，分别将2％的负载连接到每个馈电线16a1～16a4、馈电线16b1～16b4、馈电线16c1～16c4以及馈电线16d1～16d4，因此，要切除以恢复电力系统频率的最大负载量为32％。
接着，图13是第三实施例中减载单元的变电站A的减载单元27a的电路配置图。变电站A的减载单元27a包括各自具有预定时间的计时器T1～T8和用于计算计时器T1～T8的两个输出与第一频率变化率检测信号M1a(0.5)、M1a(0.6)、M1a(0.9)、M1a(1.2)、M1a(1.6)、M1a(2.0)及第二频率变化率检测信号M2a(0.3)、M2a(0.4)、M2a(0.5)、M2a(0.6)、M2a(0.9)、M2a(1.3)的组合的逻辑或的或电路OR1～OR4。计时器T1～T8以及或电路OR1～OR4实现将减载命令a1～a4分配给作为图12所示的减载候选的负载。
例如，当由计时器T1和T2的输出信号、M1a(0.5)、M1a(0.6)、M1a(0.9)、M1a(1.2)、M1a(1.6)及M1a(2.0)中的任何一个输入逻辑值“1”时，将或电路OR1的减载命令a1输出到断路器17a1并且切除负载A1。类似地，当由计时器T3和T4的输出信号、M1a(0.5)、M1a(0.6)、M1a(0.9)、M1a(1.2)及M1a(1.6)中的任何一个输入逻辑值“1”时，将或电路OR2的减载命令a2输出到断路器17a2并且切除负载A2。当由计时器T5和T6的输出信号、以及M1a(0.5)中的任何一个输入逻辑值“1”时，将或电路OR3的减载命令a3输出到断路器17a3并且切除负载A3。此外，当由计时器T7和T8的输出信号、M2a(0.3)、M2a(0.4)、M2a(0.5)、M2a(0.6)、M2a(0.9)及M2a(1.3)中的任何一个输入逻辑值“1”时，将或电路OR4的减载命令a4输出到断路器17a4并且切除负载A4。
类似地，变电站B的减载单元27b、变电站C的减载单元27c、变电站D的减载单元27d包括各自具有预定时间的八个计时器和用于计算八个计时器的两个输出、第一频率变化率检测信号M1b(T)～M1d(T)以及第二频率变化率检测信号M2b(T)～M2d(T)的组合的逻辑或的四个或电路，且每个变电站的八个计时器和四个或电路实现分别将减载命令b1～b4、减载命令c1～c4以及减载命令d1～d4分配给作为图12所示的减载候选的负载B1～B4、负载C1～C4、以及负载D1～D4。
在上面的说明中，说明了配备两个频率变化率检测单元的情况，然而，可以配备三个或者更多个频率变化率检测单元。在这种情况下，分三步或者多步进行减载，因此可以以更细的方式抑制减载后电力系统电压的上升。
根据第三实施例，除了第二实施例中的效果之外，可以抑制减载后电力系统电压的上升，因为当由于发电不足而导致电力系统频率下降时，如果电力系统频率的变化率大，则以三步或者多步进行减载。因此，可以防止过激励保护继电器的运转以及发电机从电力系统中解列。
工业应用性如上所述，可以将本发明的欠频减载保护系统应用于恢复由于电力系统发电不足而导致的欠频的情况。换句话说，根据电力系统频率的恢复程度进行减载，因此可以将电力系统频率恢复到预定范围内。另外，当电力系统频率的变化率大时，电力系统频率的变化率越大，则被快速切除的负载就越多，因此可以快速恢复电力系统频率。此时，进行减载使得可以抑制减载后电力系统电压的上升，因此可以防止过激励保护继电器的运转以及发电机从电力系统中解列。
权利要求
1.一种欠频减载保护系统，当电力系统的电力系统频率下降时，该欠频减载保护系统将所述电力系统频率恢复到预定范围内并且稳定地管理所述电力系统，该欠频减载保护系统包括欠频水平检测单元，当由于该电力系统发电不足而导致该电力系统频率下降时，该欠频水平检测单元判断该电力系统频率的欠频水平；以及减载单元，其基于当所述电力系统频率停留在由所述欠频水平检测单元判断的任一欠频水平时的停留时间，顺序切除预先确定的负载，并且当所述电力系统频率停留的所述欠频水平大时，此时快速地切除更多的负载。
2.根据权利要求1所述的欠频减载保护系统，其特征在于，配备频率变化率检测单元，当由于该电力系统发电不足而导致该电力系统频率下降且所述电力系统频率变为等于或者小于预定值时，该频率变化率检测单元判断等于或者小于该预定值的预定范围内的所述电力系统频率的变化率；并且由所述频率变化率检测单元判断的所述预定范围内的该电力系统频率的变化率越大，则由所述减载单元切除的负载就越多。
3.根据权利要求2所述的欠频减载保护系统，其特征在于，所述频率变化率检测单元包括两个或者更多个预定范围作为等于或者小于所述预定值的预定范围；判断各预定范围内的所述电力系统频率的变化率；并且由所述频率变化率检测单元判断的各预定范围内的该电力系统频率的变化率越大，则由所述减载单元切除的负载就越多。
全文摘要
一种欠频减载保护系统，当电力系统频率下降时，该欠频减载保护系统通过将电力系统频率恢复到预定范围内来稳定管理电力系统。当由于电力系统发电不足而导致电力系统频率下降时，欠频水平检测单元判断电力系统频率的欠频水平，并且减载单元基于当电力系统频率停留在由欠频水平检测单元判断的任一欠频水平时的停留时间来顺序切除预先确定的负载，并且当电力系统频率停留的欠频水平大时，此时快速地切除更多的负载。
文档编号H02J3/24GK1938920SQ20048004271
公开日2007年3月28日 申请日期2004年4月9日 优先权日2004年4月9日
发明者月田自郎, 安田忠彰, 今井伸一 申请人:东京电力株式会社