[科普中国]-[电力系统]频率崩溃

频率崩溃是指当负载有功功率不断增加，电能供给不平衡，发电机有功功率明显不足，导致电能不断下降，系统的频率不断下降，此时负载将大量吸收无功功率，导致电源无功功率不足，电压也持续下降，最终造成电网崩溃。电力系统运行频率等于或低于临界频率时，如扰动使系统频率下降，将迫使发电机出力减少，从而使系统频率进一步下降，有功不平衡加剧，形成恶性循环，导致频率不断下降最终到零。

简介世界范围内电力系统多次大面积停电的教训，表明那种认为电力系统稳定水平足够高就不会发生大面积停电的说法是不确切的。发生大面积停电往往是由多种偶然因素所致，尽管这种故障发生的概率很低，但后果却异常严重。我国早就强调建立防止大面积停电的第三道防线，美国西部系统协调委员会WSCC提出建立针对极端严重和难以预料故障的Safety Nets，魁北克系统建立反极端故障计划等。

针对某种特定故障进行分析和采取措施，因为事先很难确定各种偶然因素的组合情况。但可根据故障(不论原因如何)引起的危急状态采取相应措施。这种危急状态通常有失步振荡、过负荷、电压和频率严重偏离允许范围等。其中事故引起功率不平衡导致频率异常是较常见的，特别是功率严重不足时频率严重降低，可能导致系统频率崩溃。

电力系统在极端严重和难以预料的故障下防止频率崩溃，是保证安全稳定运行极端重要的措施，是防止大面积停电的最后一道防线的重要组成部分1。

系统频率异常的限制条件系统正常运行时的允许频率偏差取决于某些对频率质量要求特别高的用户，一般为0.1～0.2Hz。汽轮发电机组的长期运行允许频率范围为48.5～50.5Hz。系统正常负荷波动引起的频率偏差一般可由发电机功率调节系统补偿。但是在系统事故功率短缺时，就难免要突破上述范围。因为发电机的调速系统增长功率速度不可能立即弥补这些功率缺额；立即切除相应负荷保持频率不变，将不能充分发挥旋转备用的效用而致使较多负荷停电。

系统事故时的频率偏差限制条件取决于大型汽轮发电机组和核电机组，限制因素主要是汽轮机叶片谐振和辅机出力。汽轮机叶片在频率偏差较大时运行，可能承受不可恢复的损伤，在该频率运行时整个寿命是有限的。汽轮机在每次系统故障时频率降低的允许时间，应根据频率降低程度、故障发生概率及对汽轮机寿命可能的损耗程度合理确定。发电厂辅机的决定因素是核电厂的冷却介质泵。

考虑到使系统频率严重降低的故障概率是较小的，汽轮机频率异常每次最长允许时间通常可按叶片损伤一定的百分数确定。这个百分数国际上尚无明确规定，如美国西部系统在1996 年大停电后新颁布的《WSCC 统一的频率偏离时甩负荷和恢复设计》规定以汽轮机寿命损耗5%准则作为低频减负荷的整定依据，即低频减负荷应保证电力系统频率偏离额定的时间不大于累计允许时间的5%。每次允许时间约为累计允许时间的1.67%～4.17%，其中概率低的频率降低情况允许值较大，一般低于5% ，应认为是可行的。

所以，系统故障时频率降低的限制条件主要是发电机每次允许频率降低的时间，以及核电厂冷却介质泵的运行性能2。

防止系统频率崩溃的措施大型发电机组是电力系统最贵重的设备，必须保证它的安全。国家标准规定300MW及以上机组需要装设低频保护。当系统故障出现严重功率短缺时，必须采取措施使频率下降的幅度和时间不致使发电机低频保护动作，避免连锁反应。当然，发电机组也应具备一定的允许低频运行能力。即限制频率降低措施的性能必须与发电机低频保护特性相协调。当前国家电力体制改革的重点之一是“厂网分离”，即电厂和电网分属不同单位管理，加强厂网之间关于频率特性的协调更为重要。否则，可能出现连锁反应，导致频率崩溃。协调的合理准则就是每次故障频率降低的允许运行时间。

由于起动系统备用容量需要一定时间，在系统严重功率短缺时防止频率下降的主要措施是切负荷。切负荷分以下两类：

a. 故障连锁切负荷。当电力系统或地区短缺功率超过一定范围(例如40%～45%以上)时，仅靠低频减负荷较难保证系统频率下降在允许范围内，而需补充采用连锁切负荷方式。切负荷数量和地点可由离线计算分析确定；也可在线预决策，即在线计算分析，每隔一定时间(例如几分钟) 更新切负荷整定值。应注意切负荷后的无功功率平衡，避免大量切负荷后的电压波动。还需特别注意的是有功功率短缺且无功功率严重不足时，地区电压可能严重降低而频率并不显著降低，低频减负荷不起作用，结果导致电压崩溃。对这种情况必须采用连锁切负荷或低电压减负荷以保证电压恢复。

b. 低频减负荷。所有电力系统及各个可独立运行的电网必须设置足够的、分散的、按频率降低起动的低频减负荷装置。低频减负荷对任何原因引起的频率降低均起作用。这是防止频率崩溃的最后一道防线，不论是否有连锁切负荷等紧急控制，低频减负荷都应妥善设置。切除负荷的总容量按该电网实际可能出现的功率缺额考虑，一般不宜低于40 %。装置宜采用简单、分散型式以保证尽量高的可靠性。系统切除负荷按重要性排队，首先应切除较次要负荷。为此，需要在电网规划设计时，统筹安排，尽量给按重要性不同分别切除负荷创造条件。系统中如有抽水蓄能电站，切负荷时应首选处于抽水状态的蓄能机组，但计算切除负荷总容量时不应计入蓄能机组，因为它不一定处于抽水状态。在实际系统中，要将负荷在高压侧按重要性分开供电是不容易的，特别是切除负荷容量较大的情况。因此，对个别极重要的小容量负荷，应设置自己的紧急备用电源，而由高压网络保证小容量绝对不间断供电是不合理的3。

低频减负荷的整定与发电机组频率特性的协调低频减负荷系统的整定在电力行业标准中已有较详细的规定，多年实践结果证明这些规定是基本可行的，有效的。在低频减负荷条件下，电力系统频率的动态特性及其与发电机组允许频率降低特性相协调，以便保证不致发生连锁反应，导致频率崩溃的问题。

通常的系统故障仿真计算可以求得系统频率动态特性。但要模拟各种可能的无法预见的严重故障是不方便的。为了简化，可采用下述系统模型及计算方法。

a. 系统模型可采用单机模型，因为整个系统的频率是基本一致的。在故障过程中，只要系统不失步，各节点之间的频率可能稍有不同，但与平均值差异仅为0.2Hz 左右。各节点频率除总体变化外，也还有小幅波动，波动幅值也约为此数量级。这种频率波动是随机的，与很多因素有关，很难精确考虑。即使采用多机模型，每次计算结果也只对应某种特定情况，一般很难说明问题。对待此类问题，通常可适当加大低频减负荷的频率级差，或者允许这种波动带来的减负荷误差，因为一般不会超过一级。采用单机模型则可以大大简化计算，并可大体表明系统的平均情况，因而是可行的。电力行业标准对于一般计算即推荐采用此种模型。

b. 计算时的功率以故障后仍在系统中运行的发电机总容量为基准，惯性时间常数一般为6～8s。不考虑系统中发电机的功率调节效果，近似认为汽轮发电机组已基本带满负荷，水轮发电机组功率还来不及响应。这可能获得较严重的频率偏移1。

总结电力系统在极端严重故障情况下造成大量功率短缺，可能使系统频率降低的幅度和时间超出汽轮发电机组的允许值，迫使发电机退出运行，将使频率进一步下降形成连锁反应，导致系统频率崩溃，造成大面积停电。这种后果已为国内外多次故障所证实。防止系统频率严重下降的措施可用故障连锁(预测) 切负荷和低频减负荷。低频减负荷应对任何故障引起的频率降低发挥作用，是防止系统频率崩溃的最后一道防线，必须配备足够容量和恰当整定，以保证系统频率降低的幅值和时间在一定范围内。另一方面，要求汽轮发电机组具有必要的低频运行能力，即频率下降至某一幅值时，允许维持运行一特定时间。低频减负荷的整定应保证在实际可能的最严重故障条件下，使系统频率下降特性与机组的允许特性协调，避免出现连锁反应2。

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学