走進電世界課件

走進電世界（6）武漢大學電氣工程學院1精品課件引言

在上世紀震撼世界的蒸汽統(tǒng)治時代已經(jīng)結(jié)束了，代之而起的不可估量的巨大革命力量是電氣火花。

——馬克思6電力系統(tǒng)簡介

2精品課件要點電力系統(tǒng)及其組成發(fā)電廠變電站

6-16-26-36-4智能電網(wǎng)

3精品課件6．1電力系統(tǒng)及其組成

電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、變電站、輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)和電力用戶等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與利用系統(tǒng)。它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動力裝置轉(zhuǎn)化成電能，經(jīng)輸電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)將電能輸送到負荷中心，再由配電變電站向用戶供電，也有一部分電力不經(jīng)配電變電站，直接分配到大用戶，由大用戶的配電裝置為用戶進行供電。4精品課件電力系統(tǒng)構(gòu)成圖5精品課件輸電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)稱為電力網(wǎng)（簡稱電網(wǎng)），是電力系統(tǒng)的重要組成部分。在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)按電壓等級的高低分層，按負荷密度的地域分區(qū)。不同容量的發(fā)電廠和用戶應(yīng)分別接入不同電壓等級的電網(wǎng)。大容量主力電廠應(yīng)接入主網(wǎng)，較大容量的電廠應(yīng)接入較高壓的電網(wǎng)，容量較小的可接入較低電壓的電網(wǎng)。由于電能無法大量儲存，電能的生產(chǎn)與利用必須時刻保持平衡。因此，電能的集中生產(chǎn)與分散使用，以及電能的連續(xù)供應(yīng)與負荷的隨機變化，就對電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式提出了更高要求。

6精品課件電力系統(tǒng)要實現(xiàn)其功能，需在各個環(huán)節(jié)和不同管理層次設(shè)置相應(yīng)的信息與控制系統(tǒng)，以便對電能的生產(chǎn)和傳輸過程進行測量、調(diào)節(jié)、控制、保護、通信和調(diào)度，以確保用戶獲得優(yōu)質(zhì)、可靠、安全、經(jīng)濟的電能。7精品課件世界上覆蓋面積最大的電力系統(tǒng)是前蘇聯(lián)的統(tǒng)一電力系統(tǒng)，它東西橫越7000千米，南北縱貫3000千米，覆蓋了約1000萬平方公里的土地。到2005年底，電力系統(tǒng)裝機容量為5.19億千瓦，年發(fā)電量為24747億千瓦時，均居世界第二位。輸電線路以330千伏、500千伏和750千伏為網(wǎng)絡(luò)骨干，國家電網(wǎng)公司（下屬5個跨省區(qū)域電網(wǎng)公司）、南方電網(wǎng)公司分管全國電網(wǎng)經(jīng)營管理；五大發(fā)電公司及地方發(fā)電企業(yè)分管全國電源建設(shè)與經(jīng)營管理。各大區(qū)之間的聯(lián)網(wǎng)工作也已開始，全國聯(lián)網(wǎng)正在逐步實現(xiàn)。8精品課件2002年前我國電網(wǎng)分布圖9精品課件2002年后我國電網(wǎng)分布圖10精品課件電力系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)：電源、電力網(wǎng)和負荷中心。電源指各類發(fā)電廠、站，它將一次能源轉(zhuǎn)換成電能；電力網(wǎng)由電源的升壓變電站、輸電線路、負荷中心變電站、配電線路等構(gòu)成。它的功能是將電源輸出的電壓升高到一定等級后，通過高壓輸電線路將電能輸送到負荷中心變電站，再降壓至一定等級后，經(jīng)配電線路與用戶相聯(lián)。為確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟地運行，必須在不同層次上按技術(shù)要求配置各類自動控制裝置與通信系統(tǒng)，組成信息與控制子系統(tǒng)。6．1．2

電力系統(tǒng)構(gòu)成與運行

11精品課件系統(tǒng)運行分為正常運行狀態(tài)與異常運行狀態(tài)。其中，正常狀態(tài)又分為安全狀態(tài)和警戒狀態(tài)；異常狀態(tài)又分為緊急狀態(tài)和恢復狀態(tài)。電力系統(tǒng)運行包括了所有這些狀態(tài)及其相互間的轉(zhuǎn)移。各種運行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移需通過不同控制手段來實現(xiàn)。電力系統(tǒng)在保證電能質(zhì)量、實現(xiàn)安全可靠供電的前提下，還應(yīng)實現(xiàn)經(jīng)濟運行。即努力調(diào)整負荷曲線，提高設(shè)備利用率，合理利用各種動力資源，降低燃料消耗、廠用電和電力網(wǎng)絡(luò)的損耗，以取得最佳經(jīng)濟效益。

12精品課件由于電能無法大規(guī)模儲存，它的生產(chǎn)、傳輸、使用是在瞬間同時完成的，并要保持產(chǎn)、消平衡。因此，它需要有一個統(tǒng)一的調(diào)度指揮系統(tǒng)。這一系統(tǒng)實行分級調(diào)度、分層控制。其主要工作有：

①預測用電負荷；

②分配發(fā)電任務(wù)，確定運行方式，安排運行計劃；

③對全系統(tǒng)進行安全監(jiān)測和安全分析；

④指揮操作，處理事故。完成上述工作的主要工具是電子計算機。6．1．3

電力系統(tǒng)調(diào)度

13精品課件電力系統(tǒng)的建設(shè)不僅耗資大，費時長，而且對國民經(jīng)濟的影響極大。制訂電力系統(tǒng)規(guī)劃必須注意其科學性、前瞻性。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和規(guī)劃期間的電力負荷增長趨勢做好電力負荷預測。按照能源布局制訂好電源規(guī)劃、電網(wǎng)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)規(guī)劃、配電規(guī)劃等。電力系統(tǒng)的規(guī)劃問題需要在時間上展開，從多種可行方案中進行優(yōu)選。電力系統(tǒng)規(guī)劃是一個多約束條件的具整數(shù)變量的非線性問題，需利用系統(tǒng)工程的方法和先進的計算技術(shù)。6．1．4

電力系統(tǒng)規(guī)劃

14精品課件電力系統(tǒng)的發(fā)展是研究開發(fā)與生產(chǎn)實踐相互推動，密切結(jié)合的過程。是電工理論、電工技術(shù)以及有關(guān)科學技術(shù)和材料、工藝、制造等共同進步的集中反映。電力系統(tǒng)的研究與開發(fā)，還在不同程度上直接或間接地對信息、控制和系統(tǒng)理論以及計算機技術(shù)起了推動作用。反之，這些科學技術(shù)的進步又推動著電力系統(tǒng)現(xiàn)代化水平的日益提高。6．1．5電力系統(tǒng)研究與開發(fā)15精品課件6．2．1火力發(fā)電

利用煤、石油、天然氣等自然界蘊藏量極其豐富的化石燃料發(fā)電稱為火力發(fā)電。按發(fā)電方式，它可分為汽輪機發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電、內(nèi)燃機發(fā)電和燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，還有火電機組既供電又供熱的“熱電聯(lián)產(chǎn)”。

火力發(fā)電廠由三大主要設(shè)備——鍋爐、汽輪機、發(fā)電機及相應(yīng)輔助設(shè)備組成，它們通過管道或線路相連構(gòu)成生產(chǎn)主系統(tǒng)，即燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。

6.2

發(fā)電廠

16精品課件火力發(fā)電廠原理圖17精品課件

（1）燃燒系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)括鍋爐的燃燒部分和輸煤，除灰和煙氣排放系統(tǒng)等。燃燒系統(tǒng)的功能是將煤的化學能轉(zhuǎn)換成熱能，把鍋爐里的水加熱變?yōu)檎羝?。?）汽水系統(tǒng)。汽水系統(tǒng)包括鍋爐，汽輪機，凝汽器及給水泵等組成的汽水循環(huán)和水處理系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)等。新中國成立后，政府對電力工業(yè)發(fā)展非常重視，但年均增長速度都處于世界前列。到1996年百萬千瓦以上容量的電廠已有19座，還建設(shè)了大亞灣和秦山兩座核電站。（3）電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)包括發(fā)電機，勵磁系統(tǒng)，廠用電系統(tǒng)和升壓變電站等。發(fā)電機的機端電壓和電流隨其容量不同而變化，其電壓一般在10～20千伏之間，電流可達數(shù)千安至20千安?；鹆Πl(fā)電廠的三大系統(tǒng)18精品課件6．2．2水力發(fā)電

水力發(fā)電是利用江河水流從高處流到低處存在的位能進行發(fā)電。當江河的水由上游高水位，經(jīng)過水輪機流向下游水位時，以所具流量和落差做功，推動水輪機旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)出電力。水輪發(fā)電機發(fā)出的功率P與上下游水位的落差H和單位時間流過水輪機的水量Q成正比。為了有效地利用天然水能，需要用人工修建集中落差和能調(diào)節(jié)流量的水工建筑，如筑壩形成水庫，建設(shè)引水建筑物和廠房等，以構(gòu)成水電站。水電站的構(gòu)成：水電站由水工建筑物，廠房，水輪發(fā)電機組以及變電站和送電設(shè)備組成。

19精品課件

水力發(fā)電示意圖20精品課件6．2．3核能發(fā)電

核能指原子能，是原子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時放出的能量。目前，核能指的是一些重金屬元素鈾、钚的原子核發(fā)生分裂反應(yīng)(又稱裂變)或者輕元素氘、氚的原子核發(fā)生聚合反應(yīng)(又稱聚變)時，所放出的巨大能量，前者稱為裂變能，后者稱為聚變能。通常所說的核能是指受控核裂變鏈式反應(yīng)產(chǎn)生的能量。核能的特點是能量高度集中。一噸鈾—235(U235)在裂變反應(yīng)所放出的能量約等于一噸標準煤在化學反應(yīng)中所放出能量的240萬倍。21精品課件沸水式核反應(yīng)器示意圖22精品課件壓水式核反應(yīng)器示意圖23精品課件6．3．1

變電站

變電站是電力網(wǎng)的重要組成部分，它的任務(wù)是匯集電源、變換電壓、分配電能。它通過變壓器將各級電壓的電網(wǎng)聯(lián)系起來。變電站若按其變換電壓的功能劃分可分為：升壓變電站、降壓變電站；若按其容量和重要性劃分可分為：樞紐變電站、中間變電站和終端變電站。樞紐變電站一般容量比較大，電壓等級比較高，處于電能系統(tǒng)各部分的中樞地位；中間變電站處于發(fā)電廠與負荷中心之間，從這里可以轉(zhuǎn)送或分配一部分電能；終端變電站一般是降壓變電站，它只負責向某一局部地區(qū)用戶輸送電能，有時也稱為配電站。6.3

變電站

24精品課件升壓變電站的出線線路電流，電壓互感器設(shè)備主變壓器斷路器25精品課件美國某230/69kV變電站變壓器變壓器26精品課件6．3．2配電

配電是指電力系統(tǒng)中直接與用戶相連并向用戶分配電能的環(huán)節(jié)。配電系統(tǒng)由配電變電所（通常是將電網(wǎng)的輸電電壓降為配電電壓）、高壓配電線路（即1千伏以上電壓）、配電變壓器、低壓配電線路（1千伏以下電壓）以及相應(yīng)的控制保護設(shè)備組成。配電電壓通常有35～60千伏和3～10千伏等。27精品課件

配電系統(tǒng)中常用的交流供電方式有：（1）三相三線制。分為三角形接線（用于高壓配電

，三相220伏電動機和照明）和星形接線（用于高壓配電

、三相380伏電動機）。（2）三相四線制。用于380／220伏低壓動力與照明混合配電

。（3）三相二線一地制。多用于農(nóng)村配電。

（4）單相二線制。主要供應(yīng)居民用電。配電系統(tǒng)的直流供電方式有：

①二線制。用于城市無軌電車、地鐵機車、礦山牽引機車等的供電。

②三線制。供應(yīng)發(fā)電廠、變電所、配電所自用電和二次設(shè)備用電，電解和電鍍用電。28精品課件配電自動化系統(tǒng)29精品課件

所謂智能電網(wǎng)，就是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代先進的傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)、設(shè)備制造技術(shù)、控制技術(shù)等與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。它以充分滿足用戶對電力的需求和優(yōu)化資源配置、確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟性；滿足環(huán)保約束、保證電能質(zhì)量、適應(yīng)電力市場化發(fā)展為目的，實現(xiàn)對用戶可靠、經(jīng)濟、清潔、互動的電力供應(yīng)和增值服務(wù)。6.4

智能電網(wǎng)30精品課件

2005年冬天，加拿大人馬克?坎貝爾發(fā)明了一種新的控制技術(shù)。他根據(jù)群體行為原理，讓大樓里的電器設(shè)備互相協(xié)調(diào)，減少大樓在用電高峰期的用電量。他設(shè)計了一種無線控制器，與大樓的各個電器相連，并對這些電器實現(xiàn)有效控制。比如，將A空調(diào)接通電源運轉(zhuǎn)15分鐘，以把室內(nèi)溫度維持在24℃；此時B、C兩臺空調(diào)可能會在保證室內(nèi)溫度的前提下，將其電源斷開停運15分鐘。這樣，在不耽誤每臺電器設(shè)備執(zhí)行個體功能的前提下，盡量讓全部用電設(shè)備交替使用，整個大樓的節(jié)能目標就可以實現(xiàn)。6．4．1

智能電網(wǎng)的發(fā)展歷史

一、國外發(fā)展歷史31精品課件

2007年10月，我國華東電網(wǎng)正式啟動了智能電網(wǎng)可行性研究項目，并規(guī)劃了從2008年至2030年的三步走戰(zhàn)略：在2010年初步建成電網(wǎng)高級調(diào)度中心，2020年全面建成具有初步智能特性的數(shù)字化電網(wǎng)，2030年真正建成具有自愈能力的智能電網(wǎng)。該項目的啟動標志著中國開始進入智能電網(wǎng)領(lǐng)域。2010年1月，國家電網(wǎng)公司制定了《關(guān)于加快推進堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的意見》，確定了建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的基本原則和總體目標。2011年3月，國家電網(wǎng)750kV延安洛川智能變電站成功投運，這是一座當時世界最高電壓等級的智能變電站。二、國內(nèi)發(fā)展歷史32精品課件33精品課件

從廣義上來說，智能電網(wǎng)包括可以優(yōu)先使用清潔能源的智能調(diào)度系統(tǒng)、可以動態(tài)定價的智能計量系統(tǒng)以及通過調(diào)整發(fā)電、用電設(shè)備功率優(yōu)化、負荷平衡的智能技術(shù)系統(tǒng)。電能不僅從集中式發(fā)電廠流向輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)直至用戶，同時電網(wǎng)中還遍布各種形式的新能源和清潔能源：太陽能、風能、地熱能、潮汐能、生物質(zhì)能、燃料電池等等；此外，高速、雙向的通信系統(tǒng)實現(xiàn)了控制中心與電網(wǎng)設(shè)備之間的信息交互，高級的分析工具和決策體系保證了智能電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和優(yōu)化運行。6．4．2

智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

34精品課件

35精品課件

智能電網(wǎng)的目標是實現(xiàn)電網(wǎng)運行的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全，電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標，就可以稱其為智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)必須更加可靠——智能電網(wǎng)不管用戶在何時何地，都能提供可靠的電力供應(yīng)。它對電網(wǎng)可能出現(xiàn)的問題提出充分的告警，并能忍受大多數(shù)的電網(wǎng)擾動而不會斷電。智能電網(wǎng)必須更加安全——智能電網(wǎng)能夠經(jīng)受物理的和網(wǎng)絡(luò)的攻擊而不會出現(xiàn)大面積停電或者不會付出高昂的恢復費用。它更不容易受到自然災害的影響。6．4．3

智能電網(wǎng)的建設(shè)目標

36精品課件

智能電網(wǎng)必須更加經(jīng)濟——智能電網(wǎng)運行在供求平衡的基本規(guī)律之下，價格公平且供應(yīng)充足。智能電網(wǎng)必須更加高效——智能電網(wǎng)利用投資，控制成本，減少電力輸送和分配的損耗，電力生產(chǎn)和資產(chǎn)利用更加高效。通過控制潮流的方法，以減少輸送功率擁堵和允許低成本的電源包括可再生能源的接入。智能電網(wǎng)必須更加環(huán)境友好——智能電網(wǎng)通過在發(fā)電、輸電、配電、儲能和消費過程中的創(chuàng)新來減少對環(huán)境的影響。進一步擴大可再生能源的接入。在可能的情況下，在未來的設(shè)計中，智能電網(wǎng)的資產(chǎn)將占用更少的土地，減少對景觀的實際影響。37精品課件

建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，沒有這樣的通信系統(tǒng)，任何智能電網(wǎng)的特征都無法實現(xiàn)，因為智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制都需要這樣的通信系統(tǒng)的支持，因此建立這樣的通信系統(tǒng)是邁向智能電網(wǎng)的第一步。同時通信系統(tǒng)要和電網(wǎng)一樣深入到千家萬戶，這樣就形成了兩張緊密聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)——電網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)，只有這樣才能實現(xiàn)智能電網(wǎng)的目標和主要特征。6．4．4

智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)一、通信技術(shù)38精品課件

39精品課件

參數(shù)測量技術(shù)是智能電網(wǎng)基本的組成部件，先進的參數(shù)測量技術(shù)獲得數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，以供智能電網(wǎng)的各個方面使用。利用這些參數(shù)來評估電網(wǎng)設(shè)備的健康狀況和電網(wǎng)的完整性；進行電能表計的讀取、計算電費以及防止竊電、緩減電網(wǎng)阻塞并與用戶進行溝通。未來的智能電網(wǎng)將取消所有傳統(tǒng)的電磁式電能表，取而代之的是可以使電力公司與用戶進行雙向通信的智能固態(tài)電能表?；谖⑻幚砥鞯闹悄茈姳韺⒂懈嗟墓δ?，除了可以計量每天不同時段電力的使用的電能和應(yīng)交的電費外，還有儲存電力公司下達的高峰電力價格信號及電費費率，并通知用戶實施什么樣的費率政策。二、測量技術(shù)40精品課件

對于電力公司來說，參數(shù)測量技術(shù)給電力系統(tǒng)運行人員和規(guī)劃人員提供更多的數(shù)據(jù)支持，包括電網(wǎng)功率因數(shù)、電能質(zhì)量、電壓電流相位關(guān)系、設(shè)備健康狀況和出力、表計的損壞、故障定位、變壓器和線路負荷、關(guān)鍵元件的溫度、停電確認、電能消費等數(shù)據(jù)。未來廣域監(jiān)測系統(tǒng)、保護和控制方案將集成數(shù)字繼電保護、先進的通信技術(shù)以及計算機代理程序。在這樣一個集成的分布式的保護系統(tǒng)中，保護元件能夠自適應(yīng)地相互通信，這樣的靈活性和自適應(yīng)能力將極大地提高可靠性，因為即使部分系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，其他的帶有計算機代理程序的保護元件仍然能夠保護系統(tǒng)。41精品課件

智能電網(wǎng)要廣泛應(yīng)用先進的設(shè)備技術(shù)，極大地提高輸配電系統(tǒng)的性能。未來的智能電網(wǎng)中的設(shè)備將充分應(yīng)用在材料、超導、儲能、電力電子和微電子技術(shù)方面的最新研究成果，從而提高功率密度、供電可靠性和電能質(zhì)量以及電力生產(chǎn)的效率。經(jīng)濟的柔性交流輸電系裝置，將利用比現(xiàn)有半導體器件更能控制的低成本的電力半導體器件，使得這些先