GB/T 40596-2021 电力系统自动低频减负荷技术规定

　　ICS 29 . 020 CCS F 2 1

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40596—2021

　　电力系统自动低频减负荷技术规定

　　Technicalrulesforautomaticunder-frequencyloadsheddinginelectric

　　powersystems

　　2021-10-1 1 发布 2022-05-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40596—202 1

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　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由中国电力企业联合会提出。

　　本文件由全国电网运行与控制标准化技术委员会(SAC/TC 446)归口 。

　　本文件起草单位：国家电网有限公司国家电力调度控制中心、中国电力科学研究院有限公司、中国南方电网有限责任公司电力调度控制中心、国家电网有限公司华东分部、广东电网有限责任公司、国网陕西省电力公司、国网甘肃省电力公司、国家电网有限公司西北分部、国网宁夏电力有限公司、国家电网公司东北分部、国家电网公司华中分部。

　　本文件主要起草人：贺静波、郭强、 卜广全、苏寅生、赵兵、印永华、王姗姗、叶俭、徐式蕴、赵强、金一丁、李建华、潘晓杰、吴广禄、岳涵、张振宇、霍超、陈兴华、周莹坤、缪源诚、汪剑波、习工伟、贾琳、丁浩寅、边宏宇、谭贝斯、王克非、柯贤波、刘洋、张钢、郭得扬、张立波。

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　　电力系统自动低频减负荷技术规定

　　1 范围

　　本文件规定了电力系统(以下简称“系统”)自动低频减负荷装置的配置与整定的基本原则和要求，自动低频减负荷整定计算的基本假定和方法。

　　本文件适用于系统规划设计、生产运行和科研制造工作中涉及的 自动低频减负荷技术措施。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 15945 电能质量 电力系统频率偏差

　　GB/T 31464 电网运行准则

　　GB 38755 电力系统安全稳定导则

　　3 术语和定义

　　GB/T 15945、GB/T 31464 和 GB 38755 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　负荷功率 loadcapacity

　　系统运行时的负荷大小。

　　3.2

　　剩余发电功率 generationremaining

　　出现有功缺额后系统中仍运行的发电功率总加。

　　3.3

　　额定频率 nominalfrequency

　　系统设计选定的标称频率。

　　3.4

　　频率崩溃 frequencycollapse

　　由于频率恶性下降造成的系统严重事故。

　　4 总体要求

　　4 . 1 系统应合理安排自动低频减负荷的顺序及所切负荷量。 当整个系统或解列后的局部出现功率缺额时，应有计划地按频率下降情况自动减去足够数量的负荷，避免造成长时间大面积停电和对重要用户(包括厂用电)的灾害性停电，使负荷损失尽可能减少到最小。

　　4 . 2 当系统突然发生有功功率缺额导致系统频率严重下降时，应依靠 自动低频减负荷装置的动作，使保留运行的负荷容量与运行中的发电容量相适应。 鉴于系统发电机组的组合(火电、水电、核电、燃气轮

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　　机发电、光热发电、抽水蓄能、风力发电、光伏发电及储能电站等机组及电厂容量大小及比重，机组对异常频率的适应性等)、电网结构和运行方式等有较大的不同，在实际执行中应结合具体系统情况运用。

　　4 . 3 系统的 自动低频减负荷方案，应由电网调度机构负责制定并监督其执行。 各级供电企业应负责按方案要求具体实施。 自动低频减负荷装置的数量和控制的容量应随系统负荷的增加而相应地增加。 具体管理流程见附录 A。

　　4 . 4 电网调度机构应定期和当系统条件有重大变动时，对其进行重新审定，为了积累经验，应做好每次重大有功功率缺额事件或事故后的分析总结工作。

　　5 自动低频减负荷的基本要求

　　5 . 1 当系统发生有功功率缺额后，应能及时切除相应容量的部分负荷，使保留运行的系统部分能迅速恢复到额定频率附近继续运行，不发生频率崩溃，也不使事件后的系统频率长期悬浮于某一过高或过低数值，并符合下列要求：

　　a) 自动低频减负荷装置动作后，应使运行系统稳态频率恢复到不低于 49.5 Hz 水平;考虑到某些特殊情况，应增设长延时的特殊动作轮，使系统运行频率不致长期悬浮于 49.0 Hz 以下。

　　b) 在任何情况下的频率下降过程中，应保证系统低频值与所经历的时间，能与运行中机组的 自动低频保护和电网间联络线的低频解列保护相配合。 频率下降的最低值还应大于核电厂冷却介质泵低频保护的整定值，并留有不小于 0.3 Hz~0.5 Hz 的裕度，保证核电机组继续联网运行 。其他一般情况下，按照 GB/T 31464 对发电厂和其他相关设备的运行要求，为了保证发电机组(含逆变侧直流换流站)的继续安全运行，应限制频率低于 47.0 Hz 的时间不超过 0.5 s。

　　c) 因负荷过切引起恢复时的系统频率过调，其最大值不应超过 51.0 Hz,并应与运行中机组过频率保护相协调，且留有一定裕度。

　　d) 为了保证当整体或事故后可能形成的分片孤立电网发生大容量功率缺额情况下，能够合理地均匀减负荷，阻止频率下降并且不发生大的潮流波动，防止发生频率崩溃事故，同步联网状态下的各电网应采用统一协调的低频减负荷方案，对局部事故后可能出现严重功率缺额或功率过剩的孤立电网，可以根据情况适当调整，但不应破坏统一方案的总体效果。

　　5.2 宜充分利用系统的旋转备用容量和抽水蓄能机组的调节能力，当系统稳态频率下降不低于 49.5 Hz时，自动减负荷装置不应动作。

　　5 . 3 应避免因发生短路故障以及失去供电电源后的负荷反馈引起自动减负荷功能的误动作。

　　5 . 4 手动低频减负荷是自动减负荷的必要补充。 当电源容量恢复后，应逐步手动恢复被切负荷。

　　6 自动低频减负荷的整定计算

　　6 . 1 基本内容和目的

　　考虑事故前后系统各种不同运行方式(包括可能因事故与主系统解列而形成孤立网)，依照可能的不同份额的各种有功功率缺额情况，估算自动低频减负荷装置的动作行为，求得在各种情况下运行系统的频率变化极限，检查其是否满足第 5 章规定的要求。

　　6 . 2 基本假定和方法

　　6 . 2 . 1 在系统中，在任何一种突然失去某一电源或电厂引起有功功率缺额冲击的情况下，必然同时引起系统中运行机组间的同步摇摆。 其结果，在系统频率下降的动态过程中，在同一时间的系统中各枢纽点的绝对频率及频率变化率并不相等，个别点的绝对频率与系统平均频率的相差可达 ±0.2 Hz,而频率变化率则可能相差达数倍，这种差别，因电网结构、引起有功功率缺额的事故发生地点以及事件前后的

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　　系统运行情况不同而各异。 在分析和评价系统中不同点 自动低频减负荷装置的动作行为时，应考虑到上述系统特点。

　　6 . 2 . 2 自动低频减负荷的配置和整定，应按照第三级安全稳定标准规定的、可能的有功功率突然缺额情况，为此，宜按反映主系统(或解列后的孤立网)频率的平均变化过程考虑。

　　6 . 2 . 3 由于系统发生突然有功功率缺额引起系统频率下降，系统负荷发生变化以及在频率变化过程中机组间的同步摇摆，系统中的潮流与各点电压也都要发生动态变化，电压的变化又影响负荷量的变化，转而影响系统的频率变化动态过程。 在进行自动低频减负荷功能整定计算时，一般情况下，可以略去电压变化对系统综合负荷特性的影响。 但对于个别特殊情况，例如因短路故障(使机组强行励磁)形成孤立网后，随着自动减负荷，系统可能出现短时电压过高，引起短时负荷增大进而出现负荷过切，这时应结合具体条件进一步分析。

　　6 . 2 . 4 宜采用单机带集中负荷的最简单模型计算系统平均频率的动态变化过程，恒定输出功率发电机带集中负荷时的频率变化动态过程计算及应用实例见附录 B。 利用最简单模型计算系统平均频率变化和进行自动低频减负荷功能的整定分析时，对有关系统因素可作如下考虑：

　　a) 为了求得可能的最大频率偏移，可不考虑系统中旋转备用容量的作用。

　　b) 负荷的频率调节系数，一般为 1~3,宜采用实测参数，可通过对实际低频事故的过程分析，以求得较确切的数值。

　　c) 在频率恢复阶段中，如果求得的频率稳态超调值低于 51.0 Hz,则可认为满足要求;如果超过

　　51.0 Hz,则应在频率恢复过程中引入系统等价机组的综合调速器特性作进一步的计算分析，具体计算分析见附录 C。

　　6 . 2 . 5 宜采用系统机电仿真程序计算校核每一种发生有功功率突然缺额情况下，系统中各点频率的变化绝对情况，但一般并不用以整定计算低频减负荷装置;为了研究复杂电网在某些有功功率缺额情况下系统频率动态过程中的系统潮流变化，分析校核各种安全自动装置，包括低频减负荷装置的动作行为，重要联络线的运行稳定性，以及可能的设备过负荷或电压越限情况，特别是对实际系统的事故后分析，则有此需要。

　　7 自动低频减负荷的配置与整定

　　7 . 1 含低频减负荷功能的装置应独立配置，技术性能等指标应满足相关装置的标准要求，不应与厂站计算机监控系统等设备混合配置。

　　7 . 2 系统有功功率缺额情况用 K 值表示，符合公式(1) ,随系统条件不同，可能的最大 K 值各异。

　　K …………………………( 1 )

　　式中：

　　K — 系统有功功率缺额，标幺值;

　　PL — 负荷功率，单位为兆瓦(MW) ;

　　PR — 剩余发电功率，单位为兆瓦(MW) 。

　　7 . 3 对于大机组小系统和某些形成孤立网的功率缺额情况，可能的最大 K 值很大，此时宜采用联锁切相适应大容量集中负荷的办法，以防止在频率快速下降的同时，出现电压快速下降而发生电压崩溃。

　　7 . 4 最严重的系统频率下降情况，除了可能发生在事故前为系统高峰负荷期间的运行方式外，还可能出现在事故前为系统轻负荷期间的运行方式下，此时可能因突然失去重负荷联络线或一大电源(厂)而造成大量的有功功率缺额，且运行系统的惯性常数又较小。

　　7 . 5 计算事件后的系统惯性常数时，可只考虑发电机组而不计及负荷部分的作用。

　　7 . 6 自动低频减负荷的轮数、各轮的起动频率值及人为附加动作延时以及各轮所切负荷份额的选定及

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　　分配，应按系统情况进行综合协调，以满足 5 . 1 的基本要求。

　　7.7 系统中设置的 自动低频减负荷的基本轮轮数(短延时)宜为 3 轮~8 轮，另设长延时的特殊轮。

　　7 . 8 对于设有母线的变电站，宜以母线电压频率作为低频减负荷功能的判别对象。 对于母线分列运行的变电站，应分别测量分列母线的频率，分别进行低频判别，事故时切除对应母线所带负荷线路。

　　7.9 提高最高一轮的频率启动值，有利于抑制系统频率下降深度，对于大电网不宜超过 49.25 Hz,以满足 5 . 2 的基本要求。

　　7 . 10 各轮次间的动作频率差别愈小，延时愈短，愈有利于抑制系统频率下降，但也愈易发生负荷过切而引起频率恢复时的超调，特别是对于可能出现严重有功功率缺额而又不允许系统频率短时下降较低(为了与大机组低频保护配合)的系统，尤为突出;而为使自动低频减负荷功能的动作基本反映平均频率的变化，应对每轮次的动作设置一定的延时;对于最高一轮，用短延时躲过因短路等引起的系统频率暂态波动。为协调矛盾，靠前的轮次间的动作频率差可选的较小(例如频率差 0.2 Hz,人为延时 0.2 s) , 以快速抑制频率下降;靠后的轮次动作频率差可略大，人为延时可略长，防止负荷过切。

　　7. 1 1 附加的长延时特殊轮的频率定值可与基本轮重复，其附加延时可选为 10 s~30 s。

　　7 . 12 每轮切负荷的份额及其分配，应同时适应处于主电网内或可能形成孤立网时的不同情况，宜按负荷重要性的顺序轮流切除，优先选择不含分布式电源的负荷支路。 如果系统中有按合同的“可切负荷”，则应最先切除。 如果切除热电厂供热负荷，应分析是否可能会影响热电厂的电功率输出。

　　7 . 13 为了抑制频率下降的深度，宜对最高几轮分配较大份额的切负荷量。 为计及实际存在的可能误差(例如，系统中某些站点实际切负荷量小于安排量，某个减负荷装置拒动等)，实际安排执行的每轮切负荷量宜较整定方案规定的总量略大。 当 自动低频减负荷装置所控制的线路检修或装置停运时，应采取措施保持切除负荷总量满足方案的要求。

　　7 . 14 按第 5 章的规定校核各种可能有功功率缺额情况下自动减负荷装置的动作行为和系统频率恢复过程，协调确定各轮的启动频率、所带延时及所切负荷份额的最终整定值。

　　7 . 15 抽水蓄能机组抽水工况下低频跳闸定值宜适当高于低频减负荷第一轮定值。

　　7 . 16 低频减负荷装置控制负荷宜与其他作用于切负荷的相关安全自动装置相协调。

　　8 低频解列装置的设置

　　8 . 1 在系统中的如下位置，可设置低频解列装置：

　　a) 系统间联络线上的适当位置。

　　b ) 地区系统中由主系统受电的终端变电所母线联络断路器。

　　c) 地区电厂的高压侧母线联络断路器。

　　d) 专门划作系统事故紧急起动电源专带厂用电的发电机组母线联络断路器。

　　8 . 2 在正常运行情况下，低频解列点应是有功功率平衡点或基本平衡点，以保证在解列后含小电源的系统有功功率能够基本平衡。 如果在解列后需依靠地区 自动减负荷装置的动作才能保持有功功率平衡，尤其是有大量电缆网络或大量低压无功补偿装置的地区系统，应检查解列后的地区无功功率平衡情况。

　　8 . 3 安排低频解列点的母线负荷分配、选择解列装置的整定值以及地区发电机组保护定值时，应保证地区电源在故障造成地区电网解列而影响地区供电可靠性时仍为地区重要负荷继续可靠供电。

　　8 . 4 如果地区系统中有特殊重要的负荷时，为考虑低频解列装置和断路器拒动的可能性，可在同一变电所或相邻变电站的两组断路器上分装两组解列装置，设置两个串联解列点。

　　8 . 5 有统一低频减负荷方案的大区电网联络线低频解列设定值应与电网低频减负荷方案整定值相协调，宜先行低频减负荷措施，以保证发生功率缺额情况下联络线安全运行。

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　低频减负荷方案管理流程

　　区域电网调度机构根据频率稳定计算结论统一下达区域内各省级电网低频减负荷定值以及低频减负荷容量，各省级调度机构依据区域电网下达的低频减负荷定值及容量制定本省各地市电网低频减负荷定值及容量，并下达至各地市调度机构，各地市级调度机构依据省级调度机构下达的低频减负荷定值及容量确定实际可切的负荷支路，并留有一定的裕度。

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　　附 录 B

　　(资料性)

　　恒定输出功率发电机带集中负荷时的频率变化动态过程计算

　　B.1 公式推导

　　采用单机带集中负荷的最简单模型计算系统平均频率的动态变化过程时，系统运动方程见公式

　　(B.1) ~公式(B.3)。

　　M Tm - Te …………………………( B.1 )

　　T …………………………( B.2 )

　　T …………………………( B.3 )

　　式中：

　　M — 系统的惯性时间常数，单位为秒(s ) ;

　　w — 发电机组的转子角速度，单位为弧度/秒(rad/s) ;

　　Tm — 发电机组的机械转矩，单位为牛 · 米(N ·m ) ;

　　Te — 发电机组的电磁转矩，单位为牛 · 米(N ·m ) ;

　　Pm — 发电机组的输出电功率，单位为兆瓦( MW) ;

　　PL — 负荷功率，单位为兆瓦(MW) 。

　　如果认为在系统频率变化期间，负荷母线电压保持不变，则负荷特性可表示为公式(B. 4) 。

　　PL = P KL …………………………( B.4 )

　　式中：

　　P0 —f=f0 时负荷有功功率，单位为兆瓦(MW) ;

　　f0 — 额定频率，单位为赫兹(Hz) ;

　　KL — 负荷频率因子，标幺值。

　　如果认为 Pm 为常数，即系统完全无旋转备用容量，按公式(B.1) ~公式(B.3)即可解得系统频率标

　　么值随时间的变化关系，得到公式(B. 5) 。

　　式中：

　　— 系统频率变化的标幺值;

　　f — 计算阶段开始时的系统频率，单位为赫兹(Hz)。

　　公式(B.5)右侧项乘以初始频率 f，即可得出频率变化的绝对值，[f+Δf]即为在时间 t瞬间的系

　　统频率值。

　　B.2 应用举例

　　用公式(B. 7)中的 Ta 和公式(B. 8)中的 DT 代换公式(B. 5)中的对应部分后得到公式(B. 6) 。

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　　…………………………( B.6 )

　　T …………………………( B.7 )

　　D …………………………( B.8 )

　　式中：

　　Ta — 以保留在运行中发电机力矩为基准的加速力矩，标幺值;

　　DT — 总阻尼系数，标幺值。

　　假定系统在正常运行情况下，突然发生了 20%的有功功率缺额。按照以下步骤计算并描绘出全过

　　程频率随时间变化曲线：

　　a) 在 t=0 时，即发生有功功率缺额的开始，w=1.0, Pm=1.0, PL=1.2, M=10, KL=1.5,求得： Ta = - 0.2 , DT = 1.6

　　b) 假定在 48.8 Hz切除 10%的负荷，计算求得切除负荷后瞬间的下列各值：

　　w= 0.976 , PL = 1.060 6 , Ta = 0.062 1 , DT = 1.57

　　c) 假定在 48.65 Hz 时切除了另外 10%负荷，计算求得第二次切除负荷后瞬间的下列各值：

　　w= 0.973 , PL = 0.960 , Ta = 0.04 , DT = 1.52

　　d) 全过程频率随时间变化曲线如图 B.1。

　　图 B.1 全过程频率随时间变化曲线

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　　附 录 C

　　(资料性)

　　越过额定值后的系统频率变化动态过程计算

　　C.1 公式推导

　　推导过程考虑系统等价发电机组综合调速器特性。

　　在系统频率超过额定值后，考虑机组调速器作用的系统平均频率变化为简单估算，将运行机组的综

　　合调速特性用一阶函数表示时，则的传递函数框图如图 C.1 所示。从而求得公式(C.1)。

　　= …………………( C.1 )

　　标引序号说明：

　　w — 发电机组的转子角速度;

　　pe — 发电机组电磁功率;

　　p — 运算子符号;

　　M — 系统的惯性时间常数;

　　DT — 总阻尼系数;

　　R — 调速器调差系数;

　　T — 时间常数。

　　图 C.1 考虑调速器作用的传递函数框图

　　对应于自动低频减负荷的过切情况，如过切量的标么值(以运行机组容量为基准)为 K，Δpe(p)用公式(C.2)表示。则 Δw(p)可以用公式(C.3)表示。

　　Δpe(p)= …………………………( C.2 )

　　Δw(p)=

　　)

　　〉

　　,

　　…( C. 3 )

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　　令 a

　　用公式(C.3)可求得 △w(p)标么值表达式(C.4)。

　　△w …………………

　　式中：

　　t— 时间变量;

　　用公式(C.4)可以求得 △f(t)绝对值的表达式(C.5)。

　　对公式(C.5)的 △f(t)求极值，可知使 △f(t)取最大值 △fmax的 tmax应满足公式(C.6)。

　　由公式(C.6)可解得 tmax ,进而由公式(C.5)求解得 △fmax 。

　　C.2 系统运行机组综合调速器参数的求法

　　C.2 . 1 代表符号

　　mr 表示不同类型机组(r=1,2,…)的容量占总运行机组容量的份额(标么值)，下标 r代表某一类型的机组。△P 表示随调速器变化的功率标么值。 r 不同类型机组的单位调节功率，按图 C.1 符号关系，取正值。β(t)r 表示不同类型机组的单位调速时间特性，即当输入的 △w为一标么的阶跃函数时输出的 P(t)。例如，当机组调速特性可用一阶传递函数表示时，得到公式(C.7)

　　…………………………( C.7 )

　　式中：

　　T— 调速器时间常数，单位为秒(s )。

　　C.2 . 2 计算步骤

　　按照以下步骤计算系统运行机组综合调速器参数：

　　a) 按已知数据求出运行中机组的单位综合调速特性β(t)Σ 的表达式(C.8)。

　　mr

　　b) 在频率开始起调的 0 →t1 ,用 等价 β(t)Σ 。取 β(t)Σ在 t1/2 及 t1 两点之值，即可求得等价参数及 T，用以计算该时间段的 △w(t)。可取 t1 =2 s~3 s。

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　　C.3 算例

　　C.3 . 1 求系统等价机组的综合单位调速特性

　　可以假设水轮发电机组，一次再热式及无再热式汽轮发电机组的容量各占 1/3,它们的调速器的传

　　递函数的例子分别如图 C.2 的 a)、b )、c)所示。

　　a)水轮发电机组

　　b)一次再热式汽轮发电机组

　　c)无再热式汽轮发电机组

　　图 C.2 各种发电机组的调速器传递函数

　　各发电机组的β(狋)分别是：

　　a) 水轮发电机组：

　　β(狋)1 = 21.5 × [11.69(1 -e-狋/1.95 ) - 9.69(1 -e-狋/1.4 ) ] …………………( C.9 )

　　b) 一次再热式汽轮发电机组：

　　β(狋)2 = 20 × [0.28(1 -e-狋/0.3 ) ] + 0.72(1 -e-狋/1.0 ) …………………( C.10 )

　　c) 无再热式汽轮发电机组：

　　β(狋)3 =20 (1 -e-狋/0.3 ) …………………………( C.11 )

　　综合公式(C.9) ~公式(C.11)得：

　　β(狋)Σ =1/3[β(狋)1 + β(狋)2 + β(狋)3] ……………………( C.12 )

　　公式(C.12)表示的 β(狋)的曲线如图 C.3 所示。

　　以曲线 犃(1-e-狋/犜)代表 2. 0 s 前的单位调速时间特性，取 1. 0 s 及 2. 0 s 两点时的值为 犃( 1 - e-狋/犜)= 7.0 及 犃(1-e-狋/犜)=8.0,即可求得在频率超过额定值后(留在运行中的发电机组均参加调速作用)，系统等价机组的综合单位调速特性为 8.17(1-e-狋/0.514 )。

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　　图 C.3 β(t)曲线

　　C.3 .2 求系统最大超调频率

　　假定过切 7% ,系统的 M=10, KL=1.5,求得 DT = 1.47。

　　适应于超调后 3.0 s 前的系统等价机组的综合调速参数为 1/R=8.17 , T=0.514。

　　以上各值代入 a、b、c 的表达式，求得 a= 1.046 ,b= 0. 8 , c= -1. 128 ,再将 a= 1.046 ,b= 0. 8 , c= - 1.128 代入公式(C.5)求得：

　　Δf(t)= 0.363 × [1 - (cos0.8t+ 0.102 5sin0.8t)e-t/0.956 ]

　　= 0.363 × [1 - 1.005 2cos(0.8 - 5.85) e-t/0.956 ]

　　由公式(C.6)可求得 tmax=2.9 s,再将 tmax = 2.9 s 代入公式(C.13)求得 Δfmax = 0.374 Hz,即 Δfmax< 0 . 4 Hz 。