電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)概述由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)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，再經(jīng)輸電、變電和配電將電能供應(yīng)到各用戶。為實(shí)現(xiàn)這一功能，電力系統(tǒng)在各個環(huán)節(jié)和不同層次還具有相應(yīng)的信息與控制系統(tǒng)，對電能的生產(chǎn)過程進(jìn)行測量、調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)、通信和調(diào)度，以保證用戶獲得安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的電能。電力系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)有電源、電力網(wǎng)絡(luò)和負(fù)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)絡(luò)由電源的升壓變電所、輸電線路、負(fù)荷中心變電所、配電線路等構(gòu)成。它的功能是將電源發(fā)出的電能升壓到一定等級后輸送到負(fù)荷中心變電所，再降壓至一定等級后，經(jīng)配電線路與用戶相聯(lián)。電力系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)千百個交織密布，有功潮流、無功潮流、高次諧波、負(fù)序電流等以光速在全系統(tǒng)范圍傳播。它既能輸送大量電能，創(chuàng)造巨大財富，也能在瞬間造成重大的災(zāi)難性事故。為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，必須在不同層次上依不同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)。它成為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)信息傳遞的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使電力系統(tǒng)具有可觀測性與可控性，從而保證電能生產(chǎn)與消費(fèi)過程的正常進(jìn)行以及事故狀態(tài)下的緊急處理。系統(tǒng)的運(yùn)行指組成系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)都處于執(zhí)行其功能的狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行中，由于電力負(fù)荷的隨機(jī)變化以及外界的各種干擾（如雷擊等）會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓與頻率的波動，從而影響系統(tǒng)電能的質(zhì)量，嚴(yán)重時會造成電壓崩潰或頻率崩潰。系統(tǒng)運(yùn)行分為正常運(yùn)行狀態(tài)與異常運(yùn)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(fù)狀態(tài)。電力系統(tǒng)運(yùn)行包括了所有這些狀態(tài)及其相互間的轉(zhuǎn)移。各種運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移需通過不同控制手段來實(shí)現(xiàn)。電力系統(tǒng)在保證電能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全可靠供電的前提下，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，即努力調(diào)整負(fù)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(jì)效益?；痣姡哄仩t一汽輪機(jī)一發(fā)電機(jī)水電：水庫一水輪機(jī)一發(fā)電機(jī)

核電：核反應(yīng)堆一汽輪機(jī)一發(fā)電機(jī)其它：如風(fēng)能、地?zé)崮?、太陽能、潮汐等例題：如圖所示為一簡單的電力系統(tǒng)，額定電壓為110kv的雙回路輸電線路，長度為80km,采用LGJ-150導(dǎo)線，其單位長度參數(shù)為：R=0.21歐姆/千米，X=0.416歐姆/千米。變電所裝有兩臺110/11KV的變壓器，每臺的容量為15MVA，其參數(shù)為△Po=40.5kw,△Ps=128kw,Vs%=10.5,Io%=3.5。母線A的實(shí)際電壓為117kv,負(fù)荷SLDb=30+j12MVA,SLDC=20+j15MVA。當(dāng)變壓器抽取住抽頭時，求取C點(diǎn)電壓。計算過程：解：計算參數(shù)并作出等值電路：Rl=O.5*80*0.21=8.4Xl=0.5*80*0.416=16.6Bc=2*80*2.74*10"(-6)=4.38*10"(-4)線路產(chǎn)生的充電功率：-0.5*4.38*10"(-4)*110"2=-2.65兩臺變壓器并聯(lián)運(yùn)行時：Rt=△PsVn*Vn/2*1000Sn*Sn=3.4Xt=Vs%Vn*Vn/2*100*Sn=42.4△PO+j^QO=2*(0.0405+j3.5*15/100)=0.08+j1.05節(jié)點(diǎn)b的總負(fù)荷：SB=30+j12+0.08+j1.005-j2.65=30.08+j10.4節(jié)點(diǎn)c的總負(fù)荷：Sc=20+j15計算由母線A的輸出功率：先按電力網(wǎng)的額定電壓計算電力網(wǎng)中的功率損耗為：△ST=(Sc/VN)*(Sc/VN)*(RT+jXT)=0.18+j2.19SC=20.18+j17.19S1=50.26+j27.59△Sl=(Si/Vn*Vn)(Rl+jXl)=2.28+j4.51

于是可得：S2=52.54+j32.1由母線A輸出的功率：SA=52.54+j29.45計算各節(jié)點(diǎn)電壓：線路中電壓降落的橫分量：△Vl=(PiRi+QvXl/Va)=8.3因此B點(diǎn)電壓為：VB=117-8.3=108.7同理可得：VC=10.14電力系統(tǒng)潮流計算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行情況的一種基本電氣計算。它的任務(wù)是根據(jù)給定的運(yùn)行條件和網(wǎng)路結(jié)構(gòu)確定整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如各母線上的電壓幅值及相角，網(wǎng)絡(luò)中的功率分布以及功率損耗等。電力系統(tǒng)潮流計算的結(jié)果是電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算和故障分析的基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)潮流計算屬于穩(wěn)態(tài)分析范疇，不涉及系統(tǒng)元件的動態(tài)特性和過渡過程。因此其數(shù)學(xué)模型不包含微分方程，是一組高階非線性方程。非線性代數(shù)方程組的解法離不開迭代，因此，潮流計算方法首先要求它是能可靠的收斂，并給出正確答案。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，潮流問題的方程式階數(shù)越來越高，目前已達(dá)到幾千階甚至上萬階，對這樣規(guī)模的方程式并不是采用任何數(shù)學(xué)方法都能保證給出正確答案的。這種情況促使電力系統(tǒng)的研究人員不斷尋求新的更可靠的計算方法。在用數(shù)字計算機(jī)求解電力系統(tǒng)潮流問題的開始階段，人們普遍采用以節(jié)點(diǎn)導(dǎo)矩陣為基礎(chǔ)的導(dǎo)納法。這個方法的原理比較簡單，要求的數(shù)字計算機(jī)的內(nèi)存量也比較小，適應(yīng)當(dāng)時的電子數(shù)字計算機(jī)制作水平和電力系統(tǒng)理論水平，于是電力系統(tǒng)計算人員轉(zhuǎn)向以阻抗矩陣為主的逐次代入法。阻抗法改善了電力系統(tǒng)潮流計算問題的收斂性，解決了導(dǎo)納法無法解決的一些系統(tǒng)的潮流計算，在當(dāng)時獲得了廣泛的應(yīng)用，曾為我國電力系統(tǒng)設(shè)計、運(yùn)行和研究作出了很大的貢獻(xiàn)。但是，阻抗法的主要缺點(diǎn)就是占用計算機(jī)的內(nèi)存很大，每次迭代的計算量很大。當(dāng)系統(tǒng)不斷擴(kuò)大時，這些缺點(diǎn)就更加突出。為了克服阻抗法在內(nèi)存和速度方面的缺點(diǎn)，后來發(fā)展了以阻抗矩陣為基礎(chǔ)的分塊阻抗法。這個方法把一個大系統(tǒng)分割為幾個小

的地區(qū)系統(tǒng)，在計算機(jī)內(nèi)只需存儲各個地區(qū)系統(tǒng)的阻抗矩陣及它們之間的聯(lián)絡(luò)線的阻抗，這樣不僅大幅度的節(jié)省了內(nèi)存容量，同時也提高了計算速度。一個大的電網(wǎng)，電網(wǎng)里各種元件相差比較大，用戶情況、電源情況復(fù)雜，就要用潮流計算。所有電網(wǎng)都要經(jīng)過潮流計算判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性的。1.短路1.1.1故障發(fā)生原因：電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，除中性點(diǎn)以外，相與相、相與地之間是絕緣的，所謂短路是指相與相或相與地之間發(fā)生短路。1.1.2短路類型：簡單短路故障共有四種類型:三相短路，兩相短路，單相短路接地和兩相短路接地.三相短路是對稱的,其他三種短路都是不對稱的.在四種短路類型中，單相短路接地故障發(fā)生的概率最高，可達(dá)65%,兩相短路約占10%,兩相短路接地約占20%,三相短路約占5%,雖然三相短路發(fā)生的概率最小，但他對電力系統(tǒng)的影響最嚴(yán)重。1.1.3短路發(fā)生的原因：電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中常常會受到各種擾動，其中，對電力系統(tǒng)影響較大的是系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障。常見的故障有短路、斷線和各種復(fù)雜故障（即在不同地點(diǎn)同時發(fā)生短路或斷線），而最為常見和對電力系統(tǒng)影響最大的是短路故障。因此，故障分析重點(diǎn)是對短路故障的分析。電力系統(tǒng)短路故障發(fā)生的原因很多，既有客觀的，也有主觀的，而且由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)和安裝地點(diǎn)的不同，引發(fā)短路故障的原因也不同。但是，根本原因是電氣設(shè)備載流部分相與相之間或相與地之間的絕緣遭到破壞。例如，架空線路的絕緣子可能由于受到雷電過電壓而發(fā)生閃絡(luò)，或者由于絕緣子表面的污穢而正常工作電壓下放電。再如發(fā)電機(jī)、變壓器、電纜等設(shè)備中載流部分的絕緣材料在運(yùn)行中損壞。有時因鳥獸跨接在裸露的載流部分，或者因?yàn)榇箫L(fēng)或在導(dǎo)線上覆冰，引起架空線路桿塔倒塌而造成短路。此外，線路檢修后，在未拆除地線的情況下運(yùn)行人員就對線路送電而發(fā)生的誤操作，也會引起故障。1.1.4短路故障的危害：短路對電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行都有很大的危害。在發(fā)生短路后，由于電源供電回路阻抗的減小以及產(chǎn)生的暫態(tài)過程，使短路回路中的電流急劇增加，其數(shù)值可能超過該回路額定電流的許多倍。短路點(diǎn)距發(fā)電機(jī)的電氣距離愈近，短路電流越大。例如，在發(fā)電機(jī)端發(fā)生短路時，流過定子繞組的短路電流最大瞬時值可能達(dá)到發(fā)電機(jī)額定電流的10?15倍。在大容量的電力系統(tǒng)中，短路電流可達(dá)幾萬安甚至幾十萬安。在短路點(diǎn)處產(chǎn)生的電弧可能會燒壞設(shè)備，而且短路電流流過導(dǎo)體時，所產(chǎn)生的熱量可能會引起導(dǎo)體或絕緣損壞。另外，導(dǎo)體可能會受到很大的電動力沖擊，致使其變形甚至損壞。短路將引起系統(tǒng)電網(wǎng)中的電壓降低，特別是靠近短路點(diǎn)處的電壓下降最多，使部分用戶的供電受到影響。例如，負(fù)荷中的異步電動機(jī)，由于其電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，當(dāng)電壓降低時，電磁轉(zhuǎn)矩將顯著減小，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速變慢或甚至完全停轉(zhuǎn)，從而造成廢品及設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。短路故障可能引起系統(tǒng)失去穩(wěn)定，這一方向的情況。不對稱接地短路所引起的不平衡電流將在線路周圍產(chǎn)生不平衡磁通，結(jié)果在鄰近的通信線路中可能感應(yīng)出相當(dāng)大的感應(yīng)電動勢，造成對通信系統(tǒng)的干擾，甚至危及通信設(shè)備和人身安全。1.1.5短路故障分析的內(nèi)容和目的：短路故障分析的主要內(nèi)容包括故障后電流的計算、短路容量的計算、故障后系統(tǒng)中各點(diǎn)電壓的計算以及其他的一些分析和計算，如故障時線路電流與電壓之間的相位關(guān)系等。短路電流計算與分析的主要目的在于應(yīng)用這些計算結(jié)果進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)計和整定值計算，開關(guān)電器、串聯(lián)電抗器、母線、絕緣子等電氣設(shè)備的設(shè)計，制定限制短路電流的措施和穩(wěn)定性分析等。1.1.6限制短路故障危害的措施：電力系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行時，都要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫档桶l(fā)生故障的概率，例如采用合理的防雷設(shè)施、降低過電壓水平、使用結(jié)構(gòu)完善的配電裝置和加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理等。同時，還要采取減少短路危害的措施，其中，最主要的是迅速將發(fā)生短路的元件從系統(tǒng)中切除，使無故障部分的電網(wǎng)繼續(xù)正常運(yùn)行。在發(fā)電廠、變電所及整個電力系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行中，需要合理地選擇電氣接線、恰當(dāng)?shù)赜门潆娫O(shè)備和斷路器、正確地設(shè)計繼電保護(hù)以及選擇限制短路電流的措施等，而這些都必須以短路故障計算結(jié)果作為依據(jù)。短路故障的計算與分析，主要是短路電流的計算和分析。短路電流的大小及其變化規(guī)律不僅與短路故障的類型有關(guān)，而且與電源特性、網(wǎng)絡(luò)元件的電磁參數(shù)有關(guān)。1.1.7限制短路故障危害的措施：短路故障的計算與分析，主要是短路電流的計算和分析。短路電流的大小及其變化規(guī)律不僅與短路故障的類型有關(guān)，而且與電源特性、網(wǎng)絡(luò)元件的電磁參數(shù)有關(guān)。在發(fā)電廠、