电力系统简介

电力系统简介

电力系统的功能与作用

电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统，按规定的技术和经济要求组成的一个统一系统。电力系统的基本任务是安全、可靠、优质、经济地生产、输送与分配电能，满足国民经济和人民生活的需要。

一个现代电力系统是由极宽阔的地域内的大量电力设备互联在一起形成的。如我国就有华东、东北、华北、华中、J川渝、西北、南方四省等区域电网和部分省网，规划到年实现全国联网。联网的优越性表现在：

①能更经济合理地开发利用各种一次能源，能解决能源资源与负荷分布地区间的不平衡问题;

②可以错开用电高峰低谷，减少装机和备用;

③有利于采用标准化大型设备，节省投资和提高运行经济性;

④便于故障时相互支援，提高运行安全性;⑤便于集中管理，实现经济调度和电力合理分配。

发电、变电、输电、配电、用电等设备称为电力主设备，主要有发电机、变压器、架空线路、电缆、断路器、母线、电动机、照明设备、电热设备等。由主设备构成的系统称为主系统，也称为一次系统。测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备称为二次设备。二次设备构成的系统称为辅助系统，也称为二次系统（因为它们连接于互感器的二次侧或电力主设备的操作控制接口上）。

为了充分发挥电力系统的功能和作用，应满足以下基本要求：

（1）满足用户需求（数量和质量要求）电力系统应有充足的备用容量，能实现快速控制。出力不足时才考虑计划限电。事故紧急情况下可有选择地切除部分负荷，以保证交通、通信、保安系统、医院等重要负荷的供电和全系统的安全性。监测供电质量的指标主要是全网的频率和各供电点的电压。随着用户对供电质量要求的提高，现在还提出了电压和电流波形、三相不对称度和电压闪变等质量指标。

（2）安全可靠性要求一个安全可靠的系统应具有经受一定程度的干扰和事故的能力。即当出现预计的干扰或事故时，系统凭借本身的能力（合理的备用和网架结构）、继电保护装置和安全自动装置等的作用，以及运行人员的控制操作，仍能保持继续供电。但当事故严重到超出预计时，则可能使系统失去部分供电能力，这时应尽量避免事故扩大和大面积停电，尽快消除事故后果，恢复正常供电。

（3）经济性要求以最小发电（供电）成本或最小燃料消耗为目标的经济运行，进行并列发电机组间出力的合理分配。还需要考虑线损影响∶对负荷变化进行相应的开、停机，以减少燃料消耗;水、火电混合系统中充分发挥水电能力，有效利用水资源，使发电成本最小等。

（4）环保和生态要求控制温室气体和有害物质的排放，控制冷却水的温度和速度，防止核辐射污染，减少输电线的高压电磁场、变压器噪声及其影响等。做到能源的可持续利用和发展，保护环境与生态。

现代电力系统的特点

电力系统技术上发展的特征可用"大机组、大电网、高电压"来描述，可靠性也已成为电力系统规划、设计、运行考虑的首要因素。20世纪60年代以来，以控制、通信和计算机技术的引入与广泛应用为标志，数字化、网络化、信息化、智能化技术日益提高了电力系统的自动化水平。以电力申电子技术为基础.直流输电技术成为成孰技术。灵活交流输电技术也得到l了重视和发展。以上这些构成了现代电力系统技术发展的新特征。现代电力系统的目标是更加可靠、更加有效及更加开放。

由于人类社会需求日益增长目不断变化、提高，随着世界经济、科技的发展，现代电力工业更注重能源开发与环境保护的协调，追求更高的申能质量标准，重视电源结构的优化面配置，建设基于高新技术的现代能量管理系统，构建体现公平章争和多元利益的电力市场。洁净煤技术、水电开发、核电的发展将越来越得到重视。新能源的开发利用，特别是可再生能源的开发利用也是现代电力技术的发展趋势。

电力市场的引入，可以提高效率、降低成本，促进电力资产的合理利用与发展，并降低电价，使用户受益。引进市场竞争机制对电力行业的冲击，从管理上就面临着体制变革的要求，从行业垄断的纵向一体化管理，转向放松控制（Deregulation）、开放上网等更加灵活的横向协调的机制。厂网分开，独立经营，出现了独立发电人IPP（IndependentPowerProducer）和独立电网管理中心ISO（IndependentSystemOperator）等新的独立实体。3.2.3电力资源与负荷

我国用于发电的一次能源蕴藏量较为丰富，深埋在米以内的煤炭总资源量为2.6万亿吨，列世界第2位；我国水力资源蕴藏量有6.76×10°kW，居世界首位，其中可供开发利用的就有3.7×10°kW，居世界首位，70%以上的水能资源集中在西南地区；其他如石油、核燃料、风能、太阳能、地热等能源也比较丰富，这些都为我国电力工业的发展奠定了雄厚的物质基础。中国资源的分布（西部为主）、中国能源的结构（水、煤为主）、中国经济的发展格局（东部领先）决定了中国电网的发展格局∶西电东送、南北互供、全国联网。

工业、农业、交通运输等国民经济各部门以及人民生活用电组成电力系统的负荷。按供电可靠性分类，电力负荷分为三级。

（1）一级负荷对一级负荷中断供电，将可能造成生命危险、损坏设备、破坏生产过程，使大量产品报废，给国民经济造成重大损失，使市政生活发生混乱。

（2）二级负荷对二级负荷停止供电，将造成大量减产、交通停顿，使城镇居民生活受到影响等。

（3）三级负荷不属于一、二级负荷的其他负荷。

电力负荷是电力系统规划、设计、运行、发电、送电、变电站布局、布点的主要依据。除上述定性分类外，近年来还开展了以概率统计为基础的定量分析研究。

为了有效利用资源，满足电力用户的需求，需要做好电力系统的规划。电力系统规划的原则是∶要在国家经济发展计划的指导下，对能源进行合理开发利用，协调发展发、输、变、配、用电系统，以尽可能少的投资满足用户需求，适当安排备用以保证运行灵活性和安全可靠性，要有足够的抗干扰能力。

由于电力建设周期较长，大型水电和核电厂8-10年，大型火电厂3~5年，因此需拟订15-30年的电力系统长远发展规划，并在其具体指导下，制定5~15年的中期发展规划。前者进行电力负荷需求预测，掌握可开发动力资源、新技术的发展趋势、电力系统对社会发展的适应性等资料，然后充分考虑原有系统的条件，提出电源的构成与配置、输电网的电压等级和结构，以及配电网的发展原则等。后者则是对规划期内系统的发展进行调研、计算、分析、方案比较，提出具体分阶段的电源和电网规划建设项目和进度等。

电力系统构成

电力系统主要由发电厂、输配电系统及负荷组成，通常覆盖广阔的地域。发电厂将一次能源转换为电能，经过输电线路进行远距离输送，在变电站内进行电压等级转换和线路的投切、保护，送至负荷所在区域的配电系统，再由配电变电站和配电线路把电能分配给负荷（用户）。由输电线路、配电线路、变电站组成的输配电系统称为电力网络。由发电厂、输配电系统及负荷组成的统一整体称为电力系统。如果将发电厂内的原动机部分也计入其中，则称为动力系统。

电站中的锅炉将化学能转变为热能，核反应堆将核能转变为热能，汽轮机将热能转变为机械能，燃气轮机将化学能直接转变为机械能，水轮机将水位能转化为机械能，发电机将机械能转变为电能。输电线使发电厂与配电系统以及与其他系统实行互联。配电系统连接由输电线供电的局域内的所有单个负荷。电力负荷包括电灯、电热器、电动机（感应电动机、同步电动机等）、整流器、变频器和其他装置。在这些设备中电能又将转变为光能、热能、机械能等。

发电机经过升压变压器将电压升高至输电电压~kV），在受端通过降压变压器将电压降至配电电压（10~kV、/V），在降压变电站大型用户的配电电压为35~kV，而中小型用户的配电电压为6~10kV、/V。

电力系统设备

电力系统的设备分为电力主设备（一次设备）和二次设备。

一次设备又可分为发电设备、输电设备、变电设备、配电设备、用电设备等。发电厂内的发电机是最主要的发电设备，通过发电机实现其他形式能源向申能的转换。架空输电线路和地下（海底）输电电缆是主要输电设备，它们把电能从发电厂送到负荷中心地区的配电系统。变电所内的变压器是主要的变电设备，用以实现电压的变换，以利于电能的远距离输送和应用。另外，母线.断路器，开关、刀闸.避雷器、调相机、电容器、互感器也是变电所的重要设备。配电设备则包括面配电变压器和配电线路，使电能按需要送到电力用户.提供给用电设备使用。用电设备则把电能变换成用户需要的能量形式，主要有电灯等电照明设备、电动机等电力拖动设备、电炉等电热设备、空调及冰箱等电制冷设备，以及各种需要用电力能源的设备。

二次设备是指电力系统中用来实现测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置，通信，以及各种自动化功能，用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备。

交流系统与直流系统

电力系统的电大致可分为直流电和交流电。直流电的大小相对于时间是恒定的，方向也不改变。以干电池为例，它的极性（正端与负端）是不变的，因而直流电方向也不变。而交流电则与此不同，其大小及方向随时间做周期性变化，与直流电相比，其变化比较复杂。所谓方向变化也就是表示极性的变化。若用示波器观测直流电与交流电的波形。

电力系统的发展首先是从直流开始的。为了照明的目的，原始的直流发电机连接到电力线路上采用~V直流电供给串联的弧光路灯，供电距离在1~2km以内。随着生产的发展，要求增大输送功率与输电距离.提高输电效率，这就要求提高输电电压，而发电机电压因避免出现电晕不可能提得很高，且直流高压输电与用户低压用电之间存在着难以克服的矛盾，使得当时的直流输电制遇到很大的挑战。

而交流输电制却可使用变压器，从而简单、经济、可靠地解决了高输电电压的问题，使得直流输电系统逐渐被新兴的三相交流输电制所代替。

年匈牙利工程师吉里等研究出封闭磁路的单相变压器，由此实现了单相交流输电。但由于单相交流由动机起动困难不能保证增加发电厂的容量和扩大电网的伸展长度。

年俄国工程师多利沃—多勃罗沃利斯基先后发明了三相异步电动机、三相变压器和三相交流制。

年德国工程师奥斯卡拉·冯·密勒主持建立了最早的三相输电系统。由劳芬镇输电至法兰克福，输送距离是km，输送功率约为kW。工程的建成标志着历史上输电技术的重大突破，由此奠定了现代电力系统的输电模式。三相交流电的出现克服了原来直流供电容量小、距离短的缺点，也比单相交流电更加经济，实现了远距离供电。电力不再仅仅用于照明，而且在工业、生活中也得到了广泛应用。

为了减少线路输电损耗，不断地提高线路电压。随着电压的提高，输送功率和输送距离便不断增大。提高线路电压与线路的绝缘有着密切的关系，随后线路的绝缘成为输电发展的制约因素。交流系统中的同步发电机并联运行的稳定性问题也是一个重要的技术问题。

为彻底解决交流输电中同步发电机并联运行的稳定性问题，工程师的思想又转向直流输电。当今的直流输申系统已经不同干早年的直流系统.现代高压直流输电是将一相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过高压直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线路组成，两个换流站与两端的交流系统相连接。即由交流发电机经整流器、高压直流输电线路及逆变器后接入受端交流系统。我国目前的直流输电电压已达到±kV.输送距离已超过km，输送功率已超过MW，居世界领先水平。

直流输电线路造价低于交流输电线路，但换流站造价却比交流变电站高得多。一般地，架空线路超过~km.电缆线路超过40~60km.直流输电比交流输电更经济。随着高电压大容量电力电子元件及控制保护技术的发展，换流设备造价逐渐降低，直流输电近年来发展较快。

概而言之，输电技术的发展大致经历了直流传输一交流传输一交直流传输的发展过程。

电力系统的运行

一、电力系统基本参量

主要的电气参量有电压、电流、阻抗（电阻、电抗、容抗）、功率（视在功率、有功功率、无功功率）、频率等。其中，交流系统由于电压、电流是随时间交变的，其瞬时功率（电压U电流I的乘积UI）也是交变的，该瞬时功率在一个周期中的平均值即为有功功率P，基本单位为瓦特（W）。

在理想电感与电容电路中，一个周期内的瞬时功率平均值为零，说明理想电感和电容在稳态交流电路中不消耗功率.但存在功率的交换，该部分交换功率称为无功功率Q.基本单位为乏（var），可用电流电压有效值乘上功率因数角φ的正弦值来计算，即Q=UIsinφ。相应地，有功功率P=Ucosφ，而S=U称为视在功率，基本单位为伏·安((V-A)。

一个具体的电力系统可以用一些基本参量加以描述，分述如下:

总装机容量——系统中所有发电机组额定有功功率的总和，以兆瓦（MW）计。

年发电量——系统中所有发电机组全年所发电能的总和，以兆瓦·时（MW·h）计。

最大负荷——指规定时间（一天、一月或一年）内电力系统总有功功率负荷的最大值，以兆瓦（MW）计。

年用电量——接在系统上所有用户全年所用电能的总和，以兆瓦·时（MW·h）计。

额定频率—-我国规定的交流电力系统的额定频率为50赫兹（Hz）。

最高电压等级——指电力系统中最高电压等级的电力线路的额定电压，以千伏（kV）计。

电力系统中各种不同的电力设备均有各自的额定电压，构成电力系统的电压等级。输电和配电电压的界限不易固定不变的.随电网覆盖的区域和容量大小而变化。我国规定的电压等级如下∶

特高压输电电压（UHV）∶kV（直流为kV及以上）;

超高压输电电压（EHV）∶kV、kV;

高压输电电压（HV）∶kV;

高压配电电压（HV）∶35~kV;

中压配电电压（MV）∶1~35kV;

低压配电电压（LV）∶1kV以下（/V））。

二、电力系统分析

电力系统分析是用仿真计算或模拟试验方法，对电力系统的稳态和受到干扰后的暂态行为进行计算、考查，做出评估，提出改善系统性能的措施。通过分析计算，可对规划设计的系统选择正确的参数，制定合理的电网结构，对运行系统确定合理的运行方式，进行事故分析和预测，提出防止和处理事故的技术措施。电力系统分析分为稳态分析和暂态分析，暂态分析又可分为电磁暂态分析和机电暂态分析。

1.稳态分析

又称为静态分析。研究电力系统稳态运行方式的性能，包括潮流（输送功率）分析、静态稳定性分析和谐波分析等。

潮流计算主要计算有功和无功功率的平衡、网络结点电压及支路电流或功率的分布等，解决系统有功功率和频率调整，无功功率和电压控制等向题。稳态分析口以给出系统运行

方下各结点电压和支路功率分布;研究和选择最佳运行方式，及时发现异常运行情况，并做出适当的处理;进行网损分析;为确定超高压线路并联补偿容量，变压器分接头设置，发电机额定功率因数等系统规划设计的主要参数，以及线路绝缘水平提供部分依据。

静态稳定性分析主要分析电网在小扰动下保持稳定运行的能力，包括静态稳定裕度计算、稳定性判断等。为确定输电系统的输送功率，分析静态稳定破坏和低频振荡事故的原因选择发电机励磁调节系统、电力系统稳定器和其他控制调节装置的形式和参数提供依据。

谐波分析是通过谐波潮流计算研究特定谐波源作用下电网内谐波电流和电压的分布，确定谐波源的影响程度，制定消除谐波的措施。

2.电磁暂态分析（故障分析）

故障分析主要研究电力系统中发生单一或多重故障时的电磁暂态过程，计算故障电流、电压及其在电网中的分布。进行短路电流计算，以确定短路故障的严重程度，选择电气设备参数，整定继电保护，分析系统中负序及零序电流的分布，从而确定其对电气设备和系统的影响等。

电磁暂态分析还研究电力系统故障和操作过电压，为变压器、断路器等高压电气设备和输电线路的绝缘配合和过电压保护的选择以及降低或限制电力系统过电压技术措施的制定提供依据。

3.机电暂态分析（暂态稳定性分析）

主要研究申力系统受到扰动后的机电暂态过程;研究电力系统受到大干扰后的暂态稳定;研究诸如短路故障，切除或投人线路，发申机，负荷、发申机失去励磁.或者油冲击负荷等大干扰作用下，电力系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力。为规划设计中选择电网结构，为运行系统校验和分析稳定性能和稳定破坏事故，制定防止稳定破坏的措施提供依据。

三、电力系统自动化

应用各种具有自动检测、反馈、决策和控制功能的装置，并通过信号、数据传输系统对电力系统各元件、局部系统、或全系统进行就地或远方的自动监视、协调、调节和控制，以保证电力系统的供电质量和安全经济运行。

随着电力系统规模和容量的不断扩大，系统结构、运行方式日益复杂，单纯依靠人力监视系统运行状态、进行各项操作、处理事故等，已是无能为力。因此，必须应用现代控制理论、电子技术、计算机技术、通信技术、图像显示技术等科学技术的最新成就来实现电力系统自动化。

电力系统继电保护和安全自动装置是在电力系统发生故障或不正常运行情况时，用干快速切除故障、消除不正常状况的重要自动化技术和设备（装置）。电力系统发生故障或危及其安全运行的事件时，它们可及时发出警告信号，或直接发出跳闸命令以终止事件发展。用于保护电力元件的通常称为继电保护装置，用于保护电力系统安全运行的通常称为安全自动装置，例如自动重合闸、按周减载等。

四、电能质量

电能质量是电力系统对用户供电的规范条件。

在个理想的交流电力系统中，电能是以一恒定的工业频率（50Hz或60Hz）和正弦的波形，按规定的电压水平向用户供电。在三相交流电力系统中各相电压和电流应该是幅值相等，相位差°的对称状态。所以，电能质量一般用频率、电压，波形、三相电压和电流的不对称度来衡量。

电力系统中各种发、输、变、配电设备和用电设备一般都是按额定工业频率和各种电压等级的额定电压来设计的，在这种条件下，电气设备的运行性能最佳、效率最高。任何频率和电压对额定值的偏秘都将影响这些设备的运行性能和效率.同时也会统缩短各种设备的寿命。所以，各国电力系统为了保证电气设备的正常运行，都规定了相应的频率和电压质量标准。

理想的电压波形是正弦波。但由于各种非线性负荷、设备的接入，使电压和电流波形发生畸变，出现各次谐波。在三相交流电力系统中，大容量单相负荷的出现、单相负荷在三相系统中分布的不均匀性、单相负荷投入断开的随机性，以及电力系统各相元件阻抗的不等，都会使对称的一相系统变得不对称。电力系统中的谐波和三相由流由压的不对称都将影响各种电力设备和通信线路的正常运行性能，所以各国及各电力系统也都拟订了管理电力系统谐波的规定和电力系统不对称度的标准。

另外，电力系统频率的波动，电压的波动和闪变（波动的幅值和频率），直流输电系统中的电压脉动，供电的连续性（年不停电时间）、可靠性等也都是考核电能质量的指标。