第2讲电力系统频率偏差标准_林海雪

2011

年第

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BUILDING

期

ELECTRICITY

电能质量国家标准系列讲座

LecturesonNationalStandardofPowerQuality

第2讲电力系统频率偏差标准

林海雪（中国电力科学研究院，北京市

100192）

LectureTwoStandardsofFrequencyDeviationforPowerSystem

LinHaixue（ChinaElectricPowerResearchInstitute，Beijing100192，China）

AbstractThepresentpaperintroducesthemain

PowerQuality

率，用f表示，单位为Hz（赫兹）。交变（含正负半波的变化）一次所需要的时间称为周期，用T表示，单位为s（秒）。频率和周期互为倒数，即f=

provisions，compilationbasisaswellastheconsiderationsofnationalstandardGB/T15945-2008

—FrequencyDeviationforPowerSystem.Italsoanalyses

1

。电T

thebasicknowledgeonfrequencyinpowersystem，thehazardsofthefrequencyexceedingthestandard，theeffectofimpactload，themeasurementoffrequencydeviation，thereasonsforabnormalfrequencyinpowersystemaswellasthemeasuresforfrequencyadjustment.

Keywords

Nationalstandard

Powersystem

FrequencydeviationImpactload

摘能质量

要

介绍国家标准GB/T15945－2008《电

力系统的电源来自各同步发电机。在稳态条件下各发电机同步运行，整个电力系统的频率可以视为相同，它是一个全系统一致的运行参数。电力系统的标称频率为50Hz或60Hz，中国（包括港、澳地区）及欧洲地区采用50Hz，北美及地区多采用60Hz，日本则有50Hz和60Hz两种。频率对电力系统负荷的正常工作有广泛的影响；系统某些负荷以及发电厂厂用电负荷对频率的要求非常严格。要保证用户和发电厂的正常工作就必须严格控制系统频率，使系统频率偏差控制在允许范围之内。系统频率偏差Δf=fm-fN，式中fm为实际频率（Hz），fN为系统标称频率（Hz）。

一般来讲，电力系统频率仅当所有发电机的总有功出力与总有功负荷（包括电网的所有损耗）相等时，才能保持不变；而当总有功出力与总负荷发生不平衡时，各发电机组的转速及相应的频率就要发生变化。电力系统的负荷是时刻变化的，任何一处负荷的变化，都要引起全系统功率的不平衡，导致频率的变化。电力系统运行时，要及时调节各发电机的出力（通过调节原动机动力元素———蒸汽或水等的输入

电力系统频率偏差》的基本条文、编制依据

及考虑的因素；论述电力系统中频率的基本概念、频率超标的危害、冲击负荷的影响、频率偏差的测量、电力系统频率异常的原因及频率调整措施。

关键词负荷

国家标准

电力系统

频率偏差

冲击

1概述

电力系统频率是电能质量的基本指标之一。根据

电工学理论，正弦量在单位时间内交变的次数称为频

作者信息

林海雪，男，中国电力科学研究院，教授级高级工程师。

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量），以保证频率的偏差在允许的范围之内。和变压器的励磁电流增加，所消耗的无功功率增大，结果更引起电压下降。当频率下降到45～46Hz时，各发电机及励磁的转速均显著下降，致使各发电机的电动势下降，全系统的电压水平大为降低，可能出现电压崩溃现象。发生频率或电压崩溃，会使整个系统瓦解，造成大面积停电。

GB/T15945－2008《电能质量偏差》

电力系统频率

（以下简称《频率偏差》）于2007年12月由

全国电压电流等级和频率标准化技术委员会审查通过，经国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会批准发布（2008年6月18日发布，2009年

5月1日实施），取代GB/T15945－1995《电能质量电力系统频率允许偏差》。

e.系统频率过高也是不行的。一般大中型发电

机组均有过频率保护跳闸装置，以免机组超速而损坏。美国西北联合电网在设计低频减负荷装置时，规定了低频切负荷后的频率超调不得超过61Hz（额定

2电力系统频率偏差超标的危害

电力系统中的发电与用电设备都是按照额定频率

60Hz）。据此认为，在大约61Hz以上，某些火电厂将可能因锅炉问题跳闸。同时，当发电机组在带负荷运行条件下发生过频率情况时，调速系统的动态行为如何，也很难在事先掌握。美国佛罗里达电力系统，为了与某些机组配备的数字式电液调整器协调，规定了低频切负荷后引起的频率超调不超过62Hz。国内引进的元宝山600MW机组、华能福州电厂350MW机组等均有过频率运行的明确。

设计和制造的，只有在额定频率附近运行时，才能发挥最好的性能。系统频率过大的变动，对用户和发电厂的运行都将产生不利影响。系统频率变化的不利影响，主要表现在以下几个方面：

a.频率变化将引起电动机转速的变化，由这些

电动机驱动的纺织、造纸等机械的产品质量将受到影响，甚至出现残、次品。系统频率降低将使电动机的转速和功率降低，导致传动机械的出力降低，影响生产效率。

3冲击负荷的影响

据调研，具有综合性负荷的大电力系统的负荷波

b.无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比，

当系统频率下降时，电容器的无功出力成比例降低，此时电容器对电压的支持作用受到削弱，不利于系统电压的调整。

动一般小于负荷平均值的1%。对于中小电力系统，这种波动的相对值一般可达2%～3%，个别情况可能更大。如取负荷波动3%估算，系统实际调差系数为10%～15%，则频率“一次调整”过程中最大偏差为

c.频率偏差的积累会在电钟指示的误差中表现

出来。工业和科技部门使用的测量、控制等电子设备将受系统频率的波动而影响其准确性和工作性能，频率过低时甚至无法工作。频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。研究表明：频率改变1%，感应式电能表的计量误差约增大0.1%。频率加大，感应式电能表将少计电量。

0.03×15

=0.45％，即Δf=0.225Hz。“一次调

100

整”是靠发电机组调速器本身的动作来实现的。由于调速器有失灵区，在负荷突然增加的瞬间，发电机出力仍然保持不变，只能由原动机转动部分的动能供给突增负荷，频率有较快的下降趋势，随即调速器起作用，使发电机出力增加，最终按调差特性使频率稳定在某一较低的新水平上。在实际系统中，还通过“二次调整”即自动或手动调节调频器使特性平移将频率恢复至正常值。要满足负荷突然增加的条件为：①系统要有足够的备用容量；②功率的调节作用要能跟上负荷的变化。条件②和冲击负荷的性质与大小、“一次调整”、

“二次调整”装置水平以及原动机的承

载能力等因素有关。

发电机电磁功率的变化速度约可达到每秒5%

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第2讲

电力系统频率偏差标准（林海雪）

d.电力系统频率降低，会对发电厂和系统的安

全运行带来影响，例如：频率下降时，汽轮机叶片的振动变大，影响使用寿命，甚至产生裂纹而断裂。又如：频率降低时，由电动机驱动的机械（如风机、水泵及磨煤机等）的出力降低，导致发电机出力下降，使系统的频率进一步下降。当频率降到46Hz或47Hz以下时，可能在几分钟内使火电厂的正常运行受到破坏，系统功率缺额更大，使频率下降更快，从而发生频率崩溃现象。再如：系统频率降低时，异步电动机

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额定功率，其汽轮机和水轮机功率变化则要慢得多。对汽轮机来说，改变负载速度与凝汽器的情况、凝结水泵的工作能力，以及锅炉的加载能力有关。其许可的负荷改变速度约每分钟5%额定功率，在故障情况下可加快到10%。水轮发电机要快些（在低水头水电厂试验时，许可速度每分钟25%）。

在分析冲击负荷作用时，应把电力系统视作一个“弹性”联系的整体。冲击负荷引起电网中频率波动是一个相当复杂的动态过程。在冲击负荷作用的瞬间，各机组将首先按离冲击点的电气距离远近拾取冲击功率，近区机组将受到较严重的冲击。随之，各机组将按拾取的冲击功率大小和惯性大小不同程度地减速。然后，各个机组的调速系统按各自特性，动作于改变原动机的机械输入。在这个暂态过程中，机组之间将产生机电振荡，存在于它们之间的同步力矩，将力图把它们挂在一起按同一平均速度减速。因此，在实际的系统频率下降过程中，不同地点观测的频率变化有不同的动态过程，且具有振荡性质。

我国历年有不少大型的轧钢机和电弧炉投产，其冲击负荷可达几万乃至几十万kW。这类负荷对近区电力系统或整个电力系统的安全稳定运行和频率偏差均有不可忽视的影响。应通过计算分析，采取必要的措施妥善处理。

区域A），频率偏差范围为±2%（即±1Hz）；②一般电气设备，稳态频率偏差允许范围为±5%（即±2.5Hz）。例如GB/T7061－2003《船用低压成套开关设备和控制设备》的5.1.2条就有此规定。须指出，这些标准规定的频率偏差范围只是对电气设备本身安全、正常运行而言，如考虑频率的累积效应，当然频率偏差应越小越好。

b.1996年，当时的电力工业部颁布的《供电营业规则》规定，在电力系统正常状况下，供电频率的允许偏差为：电网装机容量在300万kW及以上的，为±0.2Hz；电网装机容量在300万kW以下的，为

±0.5Hz。在电力系统非正常状况下，供电频率允许偏差不应超过±1Hz。

对国家电网和南方电网的频率合格率统计，近两、三年都在99.99%以上。

c.2005年《国家电网公司电力生产事故调查规程》中关于“电网一般事故”的规定：3000MW及以上电力系统频率偏差超出50±0.2Hz且延续30min以上，或频率偏差超出50±0.5Hz且延续15min以上；3000MW以下电力系统频率偏差超出50±0.5Hz且延续30min以上，或频率偏差超出50Hz±1Hz且延续15min以上。

d.国外较新的标准中对电力系统频率允许偏差

的规定以±0.5Hz居多（例如欧洲标准EN50160：

4《频率偏差》标准基本条文及说明

《频率偏差》标准3.1规定：电力系统正常运行

2007《Voltagecharacteristicsofelectricitysuppliedbypublicdistributionsystem》，即《公共配电系统供电电压特性》的规定）。也有一些发达国家（如美国、加拿大、日本、德国、法国等）电力公司对互联系统频率偏差有±0.1Hz，甚至更为严格的规定。

条件下频率偏差限值为±0.2Hz。当系统容量较小时，偏差限值可以放宽到±0.5Hz。标准3.2条和附录A还规定：用户冲击负荷引起的系统频率偏差变化不得超过±0.2Hz。在保证近区电网、发电机组的安全、稳定运行和用户正常供电的情况下，可以根据冲击负荷的性质和大小以及系统的条件适当变动限值。

规定正常频率偏差限值为±0.2Hz，系统容量较小时，可放宽到±0.5Hz的依据，基于以下考虑：

e.IEC61000－2－2：2002《Electromagnetic

levels

for

low-frequency

环境

compatibility（EMC）—Part2-2：Environment－Compatibilitysupplysystems》

conducted

disturbancesandsignalinginpubliclow-voltagepower

（《电磁兼容

第2-2部分：

公用低压供电系统低频传导骚扰及信号传输的兼容水平》）中关于公用供电系统电磁兼容水平规定，短时频率偏差为±1Hz。该规范指出，稳态频率偏差要小得多。

a.在上述频率范围内能保证电力系统、发

电厂和用户的安全和正常运行：①GB755－2008

/IEC60034－1：2004《旋转电机定额和性能》规f.虽然我国大电网（装机容量3000MW以上）

定的电机能实现基本功能的连续运行区（标准中称为

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占绝对优势，正常频率偏差还可以控制在更小范围内

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（如±0.1Hz），但个别电网在某些时期面临缺电的局面，小的孤立系统，以及大型冲击负荷对近区系统的频率影响等因素将长期存在，故不宜将频率偏差规定得过小，而作为电能质量指标，也不宜和这些因素挂钩。此外，如将系统频率偏差规定得过小，势必影响电气设备对频率的适应性，并不有利。由于频率控制的精度和电网容量有关，当然也和调节和控制的技术水平有关，标准中提出±0.5Hz作为放宽的限度，也能满足设备对频率的要求。不过±0.5Hz频率偏差规定只是对联网的系统而言，小的孤立系统不包括在内。

IEC61000－4－30《Electromagneticcompatibility（EMC）—Part4-30：Testingandmeasurement

techniques—Powerqualitymeasurementmethods》（《电磁兼容

第4-30部分：试验和测量技术

电能质

量测量方法》中对频率偏差的测量要求，同时兼顾现行国标GB/T19862－2005《电能质量监测设备通用要求》，以及国内电力系统中一直沿用的习惯方法。

本标准提出频率测量仪表绝对误差不大于

±0.01Hz是考虑测量频率偏差限值±0.2Hz应有的精度，同时也兼顾数字式记录仪的现状。这个规定和

g.至于大小电网以装机容量3000MW为界，IEC标准中对A级仪器的测量误差一致。

测量方法中规定“测量电网基波频率，每次取

这个规定在我国电力部门已存在几十年，给电网频率考核指标的确定带来方便，但考虑到调频技术的发展，系统结构和运行方式的多样性，这个规定还缺乏充分的依据，因此国标中并未采用。

《频率偏差》附录A对冲击负荷引起的频率变动作了规定，这是因为大型冲击负荷对供电系统的影响一般在规划设计阶段要作专门研究，为此应有标准作为技术措施的考虑依据。由于冲击负荷对频率的影响涉及冲击负荷性质、大小，电力系统容量、结构、旋转备用，系统调频方式，调速调频装置性能，背景冲击负荷以至于无功功率平衡和调压手段等诸多因素，难以提出确切的标准。因此，本条提出的用户冲击限值±0.2Hz是一个粗略值，此限值是对整个系统的频率偏差而言的，且可以适当变动。至于冲击负荷对近区电力系统的影响，则以“安全、稳定运行以及正常供电”为原则。关于“正常供电”，应包括不引起电力系统低频切负荷装置或其他保护和自动装置误动作，也应包括满足某些用户（例如纺织厂、造纸厂）的正常生产要求。应注意本条中冲击负荷，不限定数量，多个冲击负荷综合结果，应根据具体条件分析或试验确定。

《频率偏差》附录B对频率合格率的统计做了规定，统计的时间以s为单位。需要指出：用户仍以4.1条和4.2条限值为判断依据。

“频率合格

率”是电网内控的一个指标，并不直接面对用户。对

1s、3s或10s间隔内计到的整数周期与整数周期累计时间之比（和1s、3s和10s时钟重叠的单个周期应丢弃）”。测量时间间隔不能重叠，每次在时钟开始时计。IEC61000－4－30标准中只规定对A级性能的测量仪器“在10s间隔内计到的整数周期与整数周期累计时间之比”。国标中之所以增加1s和3s测量值是因为：①我国电力系统中一直沿用1s测量确定频率；②国标GB/T19862中5.1.7条规定频率偏差的一个基本记录周期为3s。因为实际系统频率总是处于动态变化之中，显然，上述不同间隔测得的频率会有误差。原则上，间隔大，平均性较好，从总体上能更好地反映频率水平。

6电力系统频率的调整与控制

对发电机组有功出力进行调整，使电力系统频率

的变动保持在允许偏差范围内是频率调整的任务。电力系统所有发电机组的原动机均装有自动转速调整器（简称调速器），能自动地将频率控制在一定的范围内。调速器的调频作用，一般称为频率的一次调整，是最基本的调频措施。为了使并列运行的发电机组间有确定的有功功率分配关系，调速器均做成有差调节特性，所以单靠这一调整，通常不能满足要求，还需要由人工或自动调频装置改变某些发电厂（称为调频发电厂）中发电机调速器的特性，将频率调整到要求的范围内，称之为频率的二次调整。对于大型电力系统，需要多个发电厂共同参与二次调整，还要考虑各

5频率偏差的测量

《频率偏差》

“4

频率偏差的测量”主要依据

调频机组间的功率经济分配以及联络线中交换功率的

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第2讲

电力系统频率偏差标准（林海雪）

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。这种频率-功率联合控制要用自动调整系统来实现。

电力系统在非正常方式下，针对频率异常所采取的调频措施属于频率控制。电力系统频率异常原因有：①电力系统发生事故失去大电源或造成系统解列，而解列后的局部系统有功功率失去平衡；②由于气候变化或意外灾害使负荷迅速突变；③在电力供应不足的电力系统缺乏有效地控制负荷的手段；④高峰负荷期间，发电出力的增长速度低于负荷的增长速度，低谷负荷期间发电最小出力大于低谷负荷；⑤大型冲击负荷对近区电力系统造成的频率波动。

在电力系统中一般采取下列措施防止频率的异常：①电力系统留有负荷备用和事故备用容量；电力供应不足的系统，必须事先一部分用户的负荷，除使发电出力与负荷平衡之外，还须有一定裕度；②在调度所或变电所装直接控制用户负荷的装置，并备有事故拉闸序位表；③在系统内安装按频率降低自动减负荷装置，和在可能被解列而功率过剩的地区装设按频率升高切除发电机的装置。

在电力系统发生事故出现功率缺额引起频率急剧大幅度下降时，自动切除部分用电负荷使频率迅速恢复正常以避免频率崩溃，这种措施称为按频率降低自动减负荷（又称自动低频减载）装置，这是一种以低频率继电器为基本元件的自动装置，是每个电力系统都必须配置的最主要的一种自动安全装置。这种装置广泛配置在发电厂和变电所中，当系统频率降低到其动作值时，它就自动切断一条至数条供电线路（或用户），从而达到自动切除部分用电负荷的目的。自动减负荷配置方案包括：确定切除用电负荷总数；各级动作频率及切除负荷量的整定值，以及装置配置点的确定等。

解决冲击负荷作用下频率波动的主要措施有：

和频率偏差相关。一般老机组均用离心式调速器，灵敏度不高，有的在频率下降0.4Hz时才开始动作，难以适应频繁的冲击负荷下快速调整出力的要求。现代工频电液调速装置，失灵区可小于0.05Hz左右，大大提高了频率控制的精度。当然，对于电弧炼钢炉这类快速冲击负荷，系统功率调节是难以跟随的，由于系统存在惯性，实际引起的频率降低不一定很大。因此，要针对实际负荷和系统条件作专门研究。

④合理选用水电厂的备用调频容量。水轮机的调速器失灵区较小，对于某些负荷变化，可以起到调频作用。⑤改善无功功率平衡，抑制电压波动。由于冲击负荷一般既包括有功功率也包括无功功率。有功功率不平衡会导致频率偏差，同时也影响无功功率的平衡，因此在解决频率偏差的同时，应对无功平衡和电压予以足够重视。

综上所述，大型冲击负荷接入电力系统前应作专门研究，其中包括对电力系统的频率、电压的影响，如有谐波和负序问题，也应考虑在内。因此，电能质量的国家标准中应有相应的规定，以作为采取技术措施的依据。

2011-03-02来稿

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定价(元／册)

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26.0026.0026.0038.0038.00

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38.0058.00120.00120.00168.00

①增加装机容量或扩大电力系统。系统越大，负荷冲击功率相对就越小，引起的频率变化也就越小。

②使电力系统保持足够的备用容量。必须指出，我国某些电力系统缺电，为了减少限电，往往在备用容量上做出牺牲，这对冲击负荷引起的频率降低是不利的。为此，大型冲击负荷应避开电网高峰负荷用电。

③改进调速系统和采取功率跟踪。汽轮发电机的调速器是控制电网频率的关键设备，其性能和灵敏度直接

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注：①上述价格已含邮费，若需挂号邮寄，每件加收3.00元。②书款通过邮局直汇我社，务请注明所购刊期、份数、收件人、详细地址及邮编等。本社启誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖誖