電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電、用電等設(shè)備和相應(yīng)的輔助系

統(tǒng)，按規(guī)定的技術(shù)和經(jīng)濟要求組成的一個統(tǒng)一系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的基本任務(wù)

是安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟地生產(chǎn)、輸送與分配電能，滿足國民經(jīng)濟和人

民生活的需要。

一個現(xiàn)代電力系統(tǒng)是由極寬闊的地域內(nèi)的大量電力設(shè)備互聯(lián)在一起形

成的。如我國就有華東、東北、華北、華中、J川渝、西北、南方四省等

區(qū)域電網(wǎng)和部分省網(wǎng)，規(guī)劃到2015年實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)越性表現(xiàn)

在：

①能更經(jīng)濟合理地開發(fā)利用各種一次能源，能解決能源資源與負荷分

布地區(qū)間的不平衡問題；

②可以錯開用電高峰低谷，減少裝機和備用；

③有利于采用標(biāo)準(zhǔn)化大型設(shè)備，節(jié)省投資和提高運行經(jīng)濟性；

④便于故障時相互支援，提高運行安全性;⑤便于集中管理，實現(xiàn)經(jīng)

濟調(diào)度和電力合理分配。

發(fā)電、變電、輸電、配電、用電等設(shè)備稱為電力主設(shè)備，主要有發(fā)電

機、變壓器、架空線路、電纜、斷路器、母線、電動機、照明設(shè)備、電熱

設(shè)備等。山土設(shè)名構(gòu)成的系統(tǒng)稱為主系統(tǒng)，也稱為一次系統(tǒng)。測量、監(jiān)視、

控制、繼電保護、安全自動裝置、通信，以及各種自動化系統(tǒng)等用于保證

主系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、正常運行的設(shè)備稱為二次設(shè)備。二次設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)

稱為輔助系統(tǒng)，也稱為二次系統(tǒng)（因為它們連接于互感器的二次側(cè)或電力

主設(shè)備的操作控制接口上）。

為了充分發(fā)揮電力系統(tǒng)的功能和作用，應(yīng)滿足以下基本要求：

（1）滿足用戶需求（數(shù)量和質(zhì)量要求）電力系統(tǒng)應(yīng)有充足的備用容

量，能實現(xiàn)快速控制。出力不足時才考慮計劃限電。事故緊急情況下可有

選擇地切除部分負荷，以保證交通、通信、保安系統(tǒng)、醫(yī)院等重要負荷的

供電和全系統(tǒng)的安全性。監(jiān)測供電質(zhì)量的指標(biāo)主要是全網(wǎng)的頻率和各供電

點的電壓。隨著用戶對供電質(zhì)量要求的提高，現(xiàn)在還提出了電壓和電流波

形、三相不對稱度和電壓閃變等質(zhì)量指標(biāo)。

（2）安全可靠性要求一個安全可靠的系統(tǒng)應(yīng)具有經(jīng)受一定程度的干

擾和事故的能力。即當(dāng)出現(xiàn)預(yù)計的干擾或事故時，系統(tǒng)憑借本身的能力

（合理的備用和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)）、繼電保護裝置和安全自動裝置等的作用，以

及運行人員的控制操作，仍能保持繼續(xù)供電。但當(dāng)事故嚴(yán)重到超出預(yù)計時,

則可能使系統(tǒng)失去部分供電能力，這時應(yīng)盡量避免事故擴大和大面積停電,

盡快消除事故后果，恢復(fù)正常供電。

（3）經(jīng)濟性要求以最小發(fā)電（供電）成本或最小燃料消耗為目標(biāo)的

經(jīng)濟運行，進行并列發(fā)電機組間出力的合理分配。還需要考慮線損影響：

對負荷變化進行相應(yīng)的開、停機，以減少燃料消耗;水、火電混合系統(tǒng)中

充分發(fā)揮水電能力，有效利用水資源，使發(fā)電成本最小等。

（4）環(huán)保和生態(tài)要求控制溫室氣體和有害物質(zhì)的排放，控制冷卻水

的溫度和速度，防止核輻射污染，減少輸電線的高壓電磁場、變壓器噪聲

及其影響等。做到能源的可持續(xù)利用和發(fā)展，保護環(huán)境與生態(tài)。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特點

電力系統(tǒng)技術(shù)上發(fā)展的特征可用〃大機組、大電網(wǎng)、高電壓〃來描述,

可靠性也已成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、運行考慮的首要因素。20世紀(jì)60

年代以來，以控制、通信和計算機技術(shù)的引入與廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，數(shù)字化、

網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化技術(shù)日益提高了電力系統(tǒng)的自動化水平。以電力

中電子技術(shù)為基礎(chǔ).直流輸電技術(shù)成為成孰技術(shù)。靈活交流輸電技術(shù)也得

到1了重視和發(fā)展。以上這些構(gòu)成了現(xiàn)代電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的新特征?，F(xiàn)

代電力系統(tǒng)的目標(biāo)是更加可靠、更加有效及更加開放。

由于人類社會需求日益增長目不斷變化、提高，隨著世界經(jīng)濟、科技

的發(fā)展，現(xiàn)代電力工業(yè)更注重能源開發(fā)與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)，追求更高的申

能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，重視電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化面配置，建設(shè)基于高新技術(shù)的現(xiàn)代能量

管理系統(tǒng)，構(gòu)建體現(xiàn)公平章爭和多元利益的電力市場。潔凈煤技術(shù)、水電

開發(fā)、核電的發(fā)展將越來越得到重視。新能源的開發(fā)利用，特別是可再生

能源的開發(fā)利用也是現(xiàn)代電力技術(shù)的發(fā)展趨勢。

電力市場的引入，可以提高效率、降低成本，促進電力資產(chǎn)的合理利

用與發(fā)展，并降低電價，使用戶受益。引進市場競爭機制對電力行業(yè)的沖

擊，從管理上就面臨著體制變革的要求，從行業(yè)壟斷的縱向一體化管理，

轉(zhuǎn)向放松控制(Deregulation)＞開放上網(wǎng)等更加靈活的橫向協(xié)調(diào)的機制。

廠網(wǎng)分開，獨立經(jīng)營，出現(xiàn)了獨立發(fā)電人IPP(IndependentPower

Producer)和獨立電網(wǎng)管理中心ISO(IndependentSystemOperator)

等新的獨立實體。3.2.3電力資源與負荷。

我國用于發(fā)電的一次能源蘊藏量較為豐富，深埋在1000米以內(nèi)的煤

炭總資源量為2.6萬億噸，列世界第2位；我國水力資源蘊藏量有

6.76X10°kW,居世界首位，其中可供開發(fā)利用的就有3.7X10°kW,居

世界首位，70%以上的水能資源集中在西南地區(qū)；其他如石油、核燃料、

風(fēng)能、太陽能、地?zé)岬饶茉匆脖容^豐富，這些都為我國電力工業(yè)的發(fā)展奠

定了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。中國資源的分布(西部為主)、中國能源的結(jié)構(gòu)

級和結(jié)構(gòu)，以及配電網(wǎng)的發(fā)展原則等。后者則是對規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)的發(fā)展進

行調(diào)研、計算、分析、方案比較，提出具體分階段的電源和電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)

項目和進度等。

電力系統(tǒng)構(gòu)成

電力系統(tǒng)主要由發(fā)電廠、輸配電系統(tǒng)及負荷組成，通常覆蓋廣闊的地

域。發(fā)電廠將一次能源轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過輸電線路進行遠距離輸送，在變

電站內(nèi)進行電壓等級轉(zhuǎn)換和線路的投切、保護，送至負荷所在區(qū)域的配電

系統(tǒng)，再由配電變電站和配電線路把電能分配給負荷（用戶）。由輸電線

路、配電線路、變電站組成的輸配電系統(tǒng)稱為電力網(wǎng)絡(luò)。由發(fā)電廠、輸配

電系統(tǒng)及負荷組成的統(tǒng)一整體稱為電力系統(tǒng)。如果將發(fā)電廠內(nèi)的原動機部

分也計入其中，則稱為動力系統(tǒng)。

電站中的鍋爐將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，核反?yīng)堆將核能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?/p>

輪機將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，燃氣輪機將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，水輪機

將水位能轉(zhuǎn)化為機械能，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋］旊娋€使發(fā)電廠與

配電系統(tǒng)以及與其他系統(tǒng)實行互聯(lián)。配電系統(tǒng)連接由輸電線供電的局域內(nèi)

的所有單個負荷。電力負荷包括電燈、電熱器、電動機（感應(yīng)電動機、同

步電動機等）、整流器、變頻器和其他裝置。在這些設(shè)備中電能又將轉(zhuǎn)變

為光能、熱能、機械能等。

發(fā)電機經(jīng)過升壓變壓器將電壓升高至輸電電壓220、500kV）,在受端

通過降壓變壓器將電壓降至配電電壓（10~110kV、380/220V）,在降壓變

電站大型用戶的配電電壓為35'110kV,而中小型用戶的配電電壓為

6~10kV、380/220Vo

電力系統(tǒng)設(shè)備

電力系統(tǒng)的設(shè)備分為電力主設(shè)備（一次設(shè)備）和二次設(shè)備。

一次設(shè)備又可分為發(fā)電設(shè)備、輸電設(shè)備、變電設(shè)備、配電設(shè)備、用電

設(shè)備等。發(fā)電廠內(nèi)的發(fā)電機是最主要的發(fā)電設(shè)備，通過發(fā)電機實現(xiàn)其他形

式能源向申能的轉(zhuǎn)換。架空輸電線路和地下（海底）輸電電纜是主要輸電

設(shè)備，它們把電能從發(fā)電廠送到負荷中心地區(qū)的配電系統(tǒng)。變電所內(nèi)的變

壓器是主要的變電設(shè)備，用以實現(xiàn)電壓的變換，以利于電能的遠距離輸送

和應(yīng)用。另外，母線,斷路器，開關(guān)、刀閘.避雷器、調(diào)相機、電容器、互

感器也是變電所的重要設(shè)備。配電設(shè)備則包括面配電變壓器和配電線路，

使電能按需要送到電力用戶,提供給用電設(shè)備使用。用電設(shè)備則把電能變

換成用戶需要的能量形式，主要有電燈等電照明設(shè)備、電動機等電力拖動

設(shè)備、電爐等電熱設(shè)備、空調(diào)及冰箱等電制冷設(shè)備，以及各種需要用電力

能源的設(shè)備。

二次設(shè)備是指電力系統(tǒng)中用來實現(xiàn)測量、監(jiān)視、控制、繼電保護、安

全自動裝置，通信，以及各種自動化功能，用于保證主系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、

正常運行的設(shè)備。

交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)

電力系統(tǒng)的電大致可分為直流電和交流電。直流電的大小相對于時間

是恒定的，方向也不改變。以干電池為例，它的極性（正端與負端）是不

變的，因而直流電方向也不變。而交流電則與此不同，其大小及方向隨時

間做周期性變化，與直流電相比，其變化比較復(fù)雜。所謂方向變化也就是

表示極性的變化。若用示波器觀測直流電與交流電的波形。

電力系統(tǒng)的發(fā)展首先是從直流開始的。為了照明的目的，原始的直流

發(fā)電機連接到電力線路上采用110'220V直流電供給串聯(lián)的弧光路燈，

供電距離在廣2km以內(nèi)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，要求增大輸送功率與輸電距

離.提高輸電效率，這就要求提高輸電電壓，而發(fā)電機電壓因避免出現(xiàn)電

暈不可能提得很高，且直流高壓輸電與用戶低壓用電之間存在著難以克服

的矛盾，使得當(dāng)時的直流輸電制遇到很大的挑戰(zhàn)。

而交流輸電制卻可使用變壓器，從而簡單、經(jīng)濟、可靠地解決了高輸

電電壓的問題，使得直流輸電系統(tǒng)逐漸被新興的三相交流輸電制所代替。

1885年匈牙利工程師吉里等研究出封閉磁路的單相變壓器，由此實

現(xiàn)了單相交流輸電。但由于單相交流由動機起動困難不能保證增加發(fā)電廠

的容量和擴大電網(wǎng)的伸展長度。

1888年俄國工程師多利沃-多勃羅沃利斯基先后發(fā)明了三相異步電

動機、三相變壓器和三相交流制。

1891年德國工程師奧斯卡拉?馮?密勒主持建立了最早的三相輸電

系統(tǒng)。由勞芬鎮(zhèn)輸電至法蘭克福，輸送距離是175km,輸送功率約為130

kWo工程的建成標(biāo)志著歷史上輸電技術(shù)的重大突破，由此奠定了現(xiàn)代電力

系統(tǒng)的輸電模式。三相交流電的出現(xiàn)克服了原來直流供電容量小、距離短

的缺點，也比單相交流電更加經(jīng)濟，實現(xiàn)了遠距離供電。電力不再僅僅用

于照明，而且在工業(yè)、生活中也得到了廣泛應(yīng)用。

為了減少線路輸電損耗，不斷地提高線路電壓。隨著電壓的提高，輸

送功率和輸送距離便不斷增大。提高線路電壓與線路的絕緣有著密切的關(guān)

系，隨后線路的絕緣成為輸電發(fā)展的制約因素。交流系統(tǒng)中的同步發(fā)電機

并聯(lián)運行的穩(wěn)定性問題也是一個重要的技術(shù)問題。

為徹底解決交流輸電中同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性問題，工程師的

思想又轉(zhuǎn)向直流輸電。當(dāng)今的直流輸申系統(tǒng)已經(jīng)不同干早年的直流系統(tǒng).

現(xiàn)代高壓直流輸電是將一相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過

高壓直流輸電線路送往另一個換流站逆變成三相交流電的輸電方式。它基

本上由兩個換流站和直流輸電線路組成，兩個換流站與兩端的交流系統(tǒng)相

連接。即由交流發(fā)電機經(jīng)整流器、高壓直流輸電線路及逆變器后接入受端

交流系統(tǒng)。我國目前的直流輸電電壓己達到±800kV.輸送距離已超過

1700km,輸送功率已超過6400MW,居世界領(lǐng)先水平。

直流輸電線路造價低于交流輸電線路，但換流站造價卻比交流變電站

高得多。一般地，架空線路超過600^800km.電纜線路超過40~60kni.直

流輸電比交流輸電更經(jīng)濟。隨著高電壓大容量電力電子元件及控制保護技

術(shù)的發(fā)展，換流設(shè)備造價逐漸降低，直流輸電近年來發(fā)展較快。

概而言之，輸電技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了直流傳輸一交流傳輸一交直流

傳輸?shù)陌l(fā)展過程。

電力系統(tǒng)的運行

一、電力系統(tǒng)基本參量

主要的電氣參量有電壓、電流、阻抗（電阻、電抗、容抗）、功率

（視在功率、有功功率、無功功率）、頻率等。其中，交流系統(tǒng)由于電壓、

電流是隨時間交變的，其瞬時功率（電壓U電流T的乘積UI）也是交變

的，該瞬時功率在一個周期中的平均值即為有功功率P,基本單位為瓦特

（W）O

在理想電感與電容電路中，一個周期內(nèi)的瞬時功率平均值為零，說明

理想電感和電容在穩(wěn)態(tài)交流電路中不消耗功率.但存在功率的交換，該部

分交換功率稱為無功功率Q.基本單位為乏（var）,可用電流電壓有效值

乘上功率因數(shù)角＜1）的正弦值來計算，即Q二Ulsin相應(yīng)地，有功功率

P=Ucos而S=U稱為視在功率，基本單位為伏?安（（V-A）。

一個具體的電力系統(tǒng)可以用一些基本參量加以描述，分述如下：

總裝機容量一一系統(tǒng)中所有發(fā)電機組額定有功功率的總和，以兆瓦

(MW)計。

年發(fā)電量一一系統(tǒng)中所有發(fā)電機組全年所發(fā)電能的總和，以兆瓦?時

(MW?h)計。

最大負荷一一指規(guī)定時間(一天、一月或一年)內(nèi)電力系統(tǒng)總有功功

率負荷的最大值，以兆瓦(MW)計。

年用電量一一接在系統(tǒng)上所有用戶全年所用電能的總和，以兆瓦?時

(MW?h)計。

額定頻率--我國規(guī)定的交流電力系統(tǒng)的額定頻率為50赫茲(Hz)o

最高電壓等級一一指電力系統(tǒng)中最高電壓等級的電力線路的額定電壓,

以千伏(kV)計。

電力系統(tǒng)中各種不同的電力設(shè)備均有各自的額定電壓，構(gòu)成電力系統(tǒng)

的電壓等級。輸電和配電電壓的界限不易固定不變的.隨電網(wǎng)覆蓋的區(qū)域

和容量大小而變化。我國規(guī)定的電壓等級如下：

特高壓輸電電壓(UHV)：1000kV(直流為800kV及以上)；

超高壓輸電電壓(EHV):330kV、500kV;

高壓輸電電壓(HV)：220kV;

高壓配電電壓(HV)：35^110kV;

中壓配電電壓(MV)：l、35kV;

低壓配電電壓(LV)：IkV以下(380/220V))。

二、電力系統(tǒng)分析

電力系統(tǒng)分析是用仿真計算或模擬試驗方法，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和受

到干擾后的暫態(tài)行為進行計算、考查，做出評估，提出改善系統(tǒng)性能的措

施。通過分析計算，可對規(guī)劃設(shè)計的系統(tǒng)選擇正確的參數(shù)，制定合理的電

網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對運行系統(tǒng)確定合理的運行方式，進行事故分析和預(yù)測，提出防

止和處理事故的技術(shù)措施。電力系統(tǒng)分析分為穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析，暫態(tài)

分析又可分為電磁暫態(tài)分析和機電暫態(tài)分析。

1.穩(wěn)態(tài)分析

又稱為靜態(tài)分析。研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行方式的性能，包括潮流（輸

送功率）分析、靜態(tài)穩(wěn)定性分析和諧波分析等。

潮流計算主要計算有功和無功功率的平衡、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點電壓及支路電流

或功率的分布等，解決系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整，無功功率和電壓控制等

向題。穩(wěn)態(tài)分析口以給出系統(tǒng)運行

方下各結(jié)點電壓和支路功率分布;研究和選擇最佳運行方式，及時發(fā)

現(xiàn)異常運行情況，并做出適當(dāng)?shù)奶幚?進行網(wǎng)損分析；為確定超高壓線路并

聯(lián)補償容量，變壓器分接頭設(shè)置，發(fā)電機額定功率因數(shù)等系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的

主要參數(shù)，以及線路絕緣水平提供部分依據(jù)。

靜態(tài)穩(wěn)定性分析主要分析電網(wǎng)在小擾動下保持穩(wěn)定運行的能力，包括

靜態(tài)穩(wěn)定裕度計算、穩(wěn)定性判斷等。為確定輸電系統(tǒng)的輸送功率，分析靜

態(tài)穩(wěn)定破壞和低頻振蕩事故的原因選擇發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)

定器和其他控制調(diào)節(jié)裝置的形式和參數(shù)提供依據(jù)。

諧波分析是通過諧波潮流計算研究特定諧波源作用下電網(wǎng)內(nèi)諧波電流

和電壓的分布，確定諧波源的影響程度，制定消除諧波的措施。

2.電磁暫態(tài)分析（故障分析）

故障分析主要研究電力系統(tǒng)中發(fā)生單一或多重故障時的電磁暫態(tài)過程,

計算故障電流、電壓及其在電網(wǎng)中的分布。進行短路電流計算，以確定短

路故障的嚴(yán)重程度，選擇電氣設(shè)備參數(shù)，整定繼電保護，分析系統(tǒng)中負序

及零序電流的分布，從而確定其對電氣設(shè)備和系統(tǒng)的影響等。

電磁暫態(tài)分析還研究電力系統(tǒng)故障和操作過電壓，為變壓器、斷路器

等高壓電氣設(shè)備和輸電線路的絕緣配合和過電壓保護的選擇以及降低或限

制電力系統(tǒng)過電壓技術(shù)措施的制定提供依據(jù)。

3.機電暫態(tài)分析（暫態(tài)穩(wěn)定性分析?）

主要研究申力系統(tǒng)受到擾動后的機電暫態(tài)過程;研究電力系統(tǒng)受到大

干擾后的暫態(tài)穩(wěn)定；研究諸如短路故障，切除或投人線路，發(fā)申機，負荷、

發(fā)申機失去勵磁.或者油沖擊負荷等大干擾作用下，電力系統(tǒng)的動態(tài)行為

和保持同步穩(wěn)定運行的能力。為規(guī)劃設(shè)計中選擇電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為運行系統(tǒng)校

驗和分析穩(wěn)定性能和穩(wěn)定破壞事故，制定防止穩(wěn)定破壞的措施提供依據(jù)。

三、電力系統(tǒng)自動化

應(yīng)用各種具有自動檢測、反饋、決策和控制功能的裝置，并通過信號、

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對電力系統(tǒng)各元件、局部系統(tǒng)、或全系統(tǒng)進行就地或遠方的

自動監(jiān)視、協(xié)調(diào)、調(diào)節(jié)和控制，以保證電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和安全經(jīng)濟運

行。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模和容量的不斷擴大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行方式日益復(fù)雜,

單純依靠人力監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)、進行各項操作、處理事故等，已是無能

為力。因此，必須應(yīng)用現(xiàn)代控制理論、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、

圖像顯示技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的最新成就來實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化。

電力系統(tǒng)繼電保護和安