电力系统分析概述

电子与电气工程学院冯宇第一篇电力系统稳态分析电力系统分析本课程的主要内容主要框架电力系统稳态分析电力系统暂态电力系统电磁暂态电力系统机电暂态?电力系统分析?主要研究电力系统在正常以及故障下的运行状态。本课程的主要内容主要内容电力系统稳态分析电力系统元件的等值电路、参数电力系统的根本概念正常情况下系统运行状态的分析计算电力系统运行与控制无功/电压控制有功/频率控制本课程的主要内容主要内容电力系统暂态分析电力系统短路时的根本概念电力系统三相短路电流计算电力系统稳定性分析静态稳定暂态稳定电力系统不对称短路分析计算课程特点该课程既是专业课，也是专业根底课。是学习和研究该领域的重要课程。1理论性强、工程性强既有严格的理论推导，又有必要合理的简化近似2涉及内容广、概念多，公式多，计算多有一定深度。第一章电力系统概述和根本概念第一节电力系统概述第三节电力系统中性点的接地方式第二节电力系统的电压等级和负荷第四节电力系统的接线方式发电用电输电变电配电RTURTURTU数据采集和传输应用服务器电网调度1.1电力系统概述电力系统的组成一、电力系统的根本概念大容量、远距离输电的方法：高压输电绝缘技术所限，发电机的最高电压不高于20KV，故需要建立升压变电所以提高电压，经高压输电线路—负荷后通过降压变电所，再通过配电线路向用户供电。电力系统示意图如图1-1所示。电力网：由变电所和不同电压等级的输配电线路组成的网络。电力系统：由各类发电厂、电力网和用户组成的一个系统，能够完成发电、输电、变电、配电直到用电的全过程。图1-1动力系统、电力系统和电力网络示意图动力系统：在电力系统的根底上又加上动力设备，称为动力系统。返回1.4通常将220kV及以上的电力线路称为输电线路，110kV及以下的电力线路称为配电线路。配电线路又分为高压配电线路〔110kV〕、中压配电线路〔6～35kV〕和低压配电线路〔380/220V〕。地方电力网：电压等级在35kV及以下、供电半径在20～50km以内的中压电力网，又称配电网;区域电力网：电压等级在35kV以上、供电半径在50～300km的电力网：各省区的高压电力网;超高压远距离输电网：电压等级为330～750kV、供电半径在300～1000km的电力网。电力网的类型：根据电压的上下和供电范围的大小，分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网三种。变电所：是变换电能电压和接受分配电能的场所。类型：配电所：只接受和分配电能，不变换电压。电力用户：消耗电能，将电能转换成其他形式能量。区域〔枢纽〕变电所：连接电力系统中高压和中压的几个电压等级，聚集多个电源，变压器容量大，进出线回路数多，高压侧电压330～500kV，全所停电后，将引起整个系统解列甚至瓦解；地区〔中间〕变电所：将发电厂、枢纽变电所和负荷中心联系起来，可以向附近用户供电，也可以中转一局部电能到别的负荷中心，高压侧电压为110～220kV，全所停电后，将使该地区中断供电；终端变电所：是电网的末端变电所，其高压侧为10～110kV，全所停电后，将使用户中断供电。二.电力系统的开展概况1882年，法国人首先实现了较高电压的直流输电，被认为是世界上第一个电力系统(57km，送端电压1300V，受端电压850V，输送功率1.5KW)1.电力工业开展历程1891年，德国工程师密勒主持建立了第一条三相交流输电线路，三相交流输电使输送功率、输电电压、输电距离日益增大。(输送距离175km，输送功率130KW)目前，大电力系统不断涌现，甚至出现全国性和相邻国家的跨国联合电力系统。1889年，俄国工程师先后创造了三相异步电动机、三相变压器和三相交流制。2.我国电力工业开展概况年份总装机容量/KW年发电量/TW·h人均用电量/kW·h世界排序1882上海第一台12kW机组发电1949185万4.3小于102519795200万280719858000万400519982.7亿1150220003.2亿13001000220044.4亿21002中国电力工业的开展可分为三个以下阶段1882~1937年。全国共有461个发电厂，总装机容量630MW，年发电量为17亿kW·h，初步形成北京、天津、上海、南京、武汉、广州、南通等大、中城市的配电系统。1937~1949年。1937年抗日战争开始后，日本帝国主义以东北为基地，为战争生产和提拱军需物资，从而使东北电力系统也有一定的开展。1949年新中国成立时，全国发电装机容量为1848.6MW，年发电量约43亿kW·h，居世界第25位。当时中国已形成的电力系统有：东北中部电力系统；东北南部电力系统；东北东部电力系统；冀北电力系统。输电线路建设1949年以来，中国的电力工业有很大的开展。平均每年以10%以上的速度在增长，到1998年全国装机容量/年发电量均跃居世界第2位。但人均装机量为0.5kW,仅为兴旺国家的1/101954年，第一条220kV线路投入运行，全长369.25km；1972年，第一条330kV线路投入运行，全长534km；1981年，第一条500kV线路投入运行，全长595km；1989年，第一条500kV直流输电线路投入运行，全长1080km，实现了华中电网与华东电网的互联。2006年，第一条800kV直流输电线路破土开工，全长1430km根本形成500kV和330kV的骨干网架；目前，我国已形成东北、华北、华东、华中、西北、川渝、南方共7个跨省电网以及山东、福建、新疆、海南和西藏5个独立省网。我国电力系统现状1998年，成立了国家电力公司，提出“厂网分开〞，建立电力市场，实行“竞价上网〞的改革 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。上海、浙江、山东作为首批改革试点，东北三省紧随其后，到2021年，全面实行“厂网分开、竟价上网〞。2021年后，实现发、输、配三个环节分开，建立标准有序的电力市场，在更大范围内引入竞争机制。商业化运行〔电力市场〕2021年全国装机容量到达650GW，2021年到达950GW。2021年：形成以三峡电站为中心，连接华中、华东、川渝三个地区电网的中部电网。届时，全国将形成北、中、南三大互联电网的格局。2021年：形成除新疆、西藏、台湾之外的，以三峡电网为中心的全国统一联合电网。21世纪：在北、中、南三大电网的根本格局下，逐步形成全国联合大电网。与此同时，在21世纪将形成与周边国家互联的亚洲东部联合电网。我国电力系统开展前景三、电力系统的根本参量1.总装机容量：指系统中所有机组额定有功功率的总和，以MW、GW计。2.年发电量：指系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以MW·h、GW·h、TW·h计。3.最大负荷：指规定时间内电力系统总有功功率负荷的最大值，以MW、GW计。4.额定频率：50Hz5.最高电压等级：指系统中最高电压等级线路的额定电压，以kV计。1GW=103MW〔100万千瓦〕1MW=103kW〔1000千瓦〕1MW·h=103kW·h〔千度〕，1GW·h=103MW·h〔100万度〕1TW·h=103GW·h〔10亿度〕，1kW·h=1度四、电力系统的特点1．电能的生产和使用是同时完成的，不能大量储存。2．电力系统的过渡过程十分短暂。因此电力系统的平安监测与控制非常困难。3．与国民经济各部门的关系密切。P发P用＋P频率fQ发Q用＋Q电压V美加2003年“8.14〞大停电事故纽约一篇漆黑，布什一脸无奈，与911并提1．保证供电的可靠性。2．保证良好的电能质量。五、对电力系统的根本要求根据电力负荷对供电可靠性的要求，负荷分为一类、二类和三类负荷。电力系统供电的可靠性，就是要保证一级负荷在任何情况下都不停电，二级负荷尽量不停电，三级负荷可以停电。保证系统的电压、频率、波形在允许的范围内变动。电压偏移：一般不超过用电设备额定电压的±5%。频率偏移：一般不超过±0.2Hz。3．为用户提供充足的电能。4．提高电力系统运行的经济性。波形畸变率：指各次谐波有效值平方和的方根与基波有效值的百分比。电力系统的经济指标一般是指火电厂的煤耗以及电厂的厂用电率和电力网的网损率等。1.2电力系统的电压等级和负荷一、电力系统的电压等级电力线路输送的功率一定时，输电电压越高，线路电流越小，导线截面积越小；但电压越高，对设备绝缘水平的要求越高，设备的投资越大。综合上述考虑，对应一定的输送功率和输送距离有一最合理的线路电压。我国电力网标准电压等级为线路的额定电压，有0.22/0.38、3、6、10、35(60)、110、220、330、500KV、750KV。我国公布的三相交流系统的额定电压见表1-1。1电力系统的额定电压表1-1我国三相交流电力网和用电设备的额定电压∕kV分类电力网和用电设备的额定电压发电机额定电压电力变压器额定电压一次绕组二次绕组低压0.22/0.1270.230.22/0.1270.23/0.1330.38/0.220.400.38/0.220.40/0.230.66/0.380.690.66/0.380.69/0.40高压33.153及3.153.15及3.366.36及6.36.3及6.61010.510及10.510.5及11—13.8，15.75，18，2013.8，15.75，18，20—35—3538.560—6066110—110121220—220242330—330363500—500550750—750—1)用电设备的额定电压：与同级电网的额定电压相同。2)发电机的额定电压：比同级电网的额定电压高出5%，用于补偿线路上的电压损失。图供电线路上的电压变化示意图3)变压器的额定电压变压器的一次绕组：相当于是用电设备，其额定电压应与电网的额定电压相同。注意：当变压器一次绕组直接与发电机相连时，其额定电压应与发电机的额定电压相同。变压器的二次绕组：对于用电设备而言，相当于电源。当变压器二次侧供电线路较长时：应比同级电网额定电压高10%当变压器二次侧供电线路较短时：应比同级电网额定电压高5%其中5%用于补偿变压器满载供电时一、二次绕组上的电压损失；另外5%用于补偿线路上的电压损失，用于35kV及以上线路。可以不考虑线路上的电压损失，只需要补偿满载时变压器绕组上的电压损失即可，用于10kV及以下线路。2电压等级的选择表1-2电力线路的额定电压与输送功率和输送距离的关系额定电压(kV)输送功率(kW)输送距离(km)额定电压(kV)输送功率(kW)输送距离(km)3100~10001~3603500~3000030~1006100~12004~1511010000~5000050~15010200~20006~20220100000~50000100~300352000~1000020~50220kV及以上：用于大型电力系统的主干线。110kV：用于中小型电力系统的主干线。35kV：用于大型工业企业内部电力网。10kV：常用的高压配电电压，当6kV高压用电设备较多时，也可考虑用6kV配电。3kV：仅限于工业企业内部采用。380/220V：工业企业内部的低压配电电压。发电机G的额定电压：UN·G=1.05×10=10.5〔kV〕变压器T1的额定电压：U1N=10.5〔kV〕U2N=1.1×110=121〔kV〕变压器T1的变比为：10.5/121kV变压器T2的额定电压：U1N=110〔kV〕U2N=1.05×6=6.3〔kV〕变压器T2的变比为：110/6.3kV例1-1以下图所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。~T1GT2110kV10kV6kV变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，其一次侧的额定电压应与发电机的额定电压相同变压器T1的二次侧供电距离较长，其额定电压应比线路额定电压高10%变压器T2的二次侧供电距离较短，可不考虑线路上的电压损失二.电力系统的负荷1、电力负荷的分级及其对供电的要求供电方式:由两个独立电源供电。一级负荷：中断供电将造成人身伤亡，重大设备损坏，重大产品报废，或在政治、经济上造成重大损失。二级负荷：中断供电将造成主要设备损坏，大量产品报废，重点企业大量减产，或在政治、经济上造成较大损失。供电方式:由双回路供电。三级负荷：所有不属于一、二级负荷的电力负荷。供电方式:对供电电源无特殊要求。负荷曲线：指某一段时间内负荷随时间变化的规律的曲线。2、负荷曲线1)负荷曲线的分类按性质分：有功负荷曲线和无功负荷曲线按负荷持续时间分：日负荷曲线、月负荷曲线和年负荷曲线2)负荷曲线的绘制日负荷曲线〔图1-2〕：逐点描绘法、梯形曲线法有功(无功)功率日负荷曲线：说明系统有功功率或无功功率负荷在一天24小时的变化规律。图1-2日有功负荷曲线a〕折线图b〕梯形图图1-2电力系统的日负荷曲线〔a〕有功功率负荷；〔b〕无功功率负荷10203040506070809010004812162024t(h)P%（a）24t(h)102030405060708090100048121620Q%（b）用途：制定各发电厂发电负荷方案及系统调度运行的依据。注意：无功功率与有功功率最大负荷不一定同时出现。年负荷曲线：年最大负荷曲线：或称运行年负荷曲线，一年中每日〔月〕最大负荷的变动情况。用途：作为扩建发电机组，新建电厂(决定系统的装机容量)以及安排全年发电设备检修方案的依据。年持续负荷曲线：按全年的负荷变化，根据各个不同的负荷值在一年中的累计持续时间排列组成，反映了工厂全年负荷变动与负荷持续时间的关系。或称全年时间负荷曲线。a〕冬季典型日负荷曲线b〕夏季典型日负荷曲线c〕全年时间负荷曲线从典型日负荷曲线的最大值开始，依功率递减的次序依次绘制。取冬季为200天，夏季为165天,图中P1在年负荷曲线上所占的时间计算为Tl=200t1+165t2。变电所的全年时间负荷曲线表示该变电所在一年内各种不同大小负荷所持续的时间，曲线所包围的面积为变电所一年内消耗的有功电能。年最大负荷Pmax：指全年中消耗电能最多的半小时的平均功率，即年负荷曲线的最高点年最大负荷利用小时数Tmax：假定在此时间内，用户以年最大负荷持续运行所消耗的电能恰好等于全年实际消耗的电能，如图可见：年负荷曲线越平坦，Tmax越大；年负荷曲线越陡，Tmax越小。图年最大负荷与年最大负荷利用小时数3)与负荷曲线有关的物理量③中性点经低电抗、中\低电阻接地方式①中性点有效接地方式②中性点全接地方式①中性点不接地方式②中性点经消弧线圈接地方式③中性点经高阻抗接地方式1.3电力系统中性点的接地方式指星形连接的变压器或发电机的中性点〔需要断路器遮断单相接地故障电流的〕〔单相接地电弧能够瞬间熄灭的〕我国电力系统中性点有三种运行方式：1.3.1中性点不接地的电力系统　1.正常运行时，系统的三相电压对称，地中无电流流过，其电路图和相量图如图1-7所示。　2.当系统发生A相接地故障时，A相对地电压降为零，中性点电压　　　其电路图和相量图如图1-8所示。　中性点不接地中性点经消弧线圈接地中性点直接接地小电流接地系统大电流接地系统图1-7中性点不接地系统正常运行时的电路图和相量图各相对地电容电流令中性点对地电压的大小和相位与各相对地电容是否对称有关。当电容相等时，中性点电压为0。图1-8中性点不接地系统发生A相接地故障时的电路图和相量图各相对地电压在数值上相角互差60U0UA流过故障点的接地电流为：数值上：单相接地电流〔电容电流〕的经验公式：式中，　、　分别为架空线路和电缆线路的总长度（km）。中性点不接地系统发生单相接地故障时：中性点对地电压升高为相电压。非故障相对地电压升高为线电压线电压不变单相接地电流等于正常时单相对地电容电流的3倍。缺点绝缘投资大。单相故障时，非故障相对地电压升为相电压的　倍，为确保设备的绝缘安全，系统相对地绝缘按线电压设计，中性点绝缘按相电压设计。优点:运行可靠性高。发生故障时线电压仍然对称，三相用电设备仍能照常运行一段时间。但由于非故障相的对地电压升高易发生对地闪络造成另一相又发生接地故障形成两相接地短路。单相接地电流小于30A的3~10kV电力网；单相接地电流小于10A的35~60kV电力网。适用范围　　当中性点不接地系统的单相接地电流较大时，将产生间歇性电弧而引起弧光接地过电压，甚至开展成多相短路。为此，可采用中性点经消弧线圈接地的方式，如图1-9所示。1.3.2中性点经消弧线圈接地的电力系统图1-9中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的电路图和相量图a〕电路图b〕相量图消弧线圈能有效减小单相接地电流，迅速熄灭电弧，运行可靠。消弧线圈的补偿容量：适用范围：单相接地电流大于30A的3~10kV电力网；单相接地电流大于10A的35kV电力网。在电力系统中一般采用过补偿运行方式Why?消弧线圈的补偿方式全补偿:欠补偿:过补偿:特点：中性点始终保持零电位。非故障相对地电压不变优点节约绝缘投资。发生单相短路时，非故障相对地电压不变，电气设备绝缘水平可按相电压考虑。因此，我国110kV及以上的电力系统根本上都采用中性点直接接地的方式。1.3.3中性点直接接地的电力系统图1-10中性点直接接地系统的电力系统示意图加装自动重合闸装置，以提高供电可靠性。适用范围110kV及以上电网和380/220V电力网。说明：110kV及以上电网采用中性点直接接地方式是为了降低工程造价，而在380/220V低压电网中是为了保证人身平安。缺点供电可靠性不高。单相短路时，接地相短路电流很大，保护装置迅速跳闸，因此系统不能继续运行。为此，可1.4电力系统的接线方式1.4.1电力系统接线图电力系统电气接线图：电力系统地理接线图：反映电力系统各主要元件之间的电气连接关系，但不能反映各发电厂、变电所的相对地理位置。如图1-1能够反映各发电厂、变电所的相对地理位置，但不能反映各主要元件之间的电气连接关系。如图1-11通常将电力系统的电气接线图和地理接线图配合使用。abcd：火电厂：水电厂：变电所图1-11电力系统地理接线图1.4.2电力系统接线方式电力系统接线方式包括发电厂的主接线、变电所的主接线和电力网的接线。本节介绍电力网的接线方式。电力网的接线方式，按供电可靠性不同可分为无备用接线和有备用接线，或者分为开式网和闭式网。1．开式电力网:由一条电源线路向电力用户供电的电力网。分为单回路放射式、干线式、链式和树枝式等，如下图。开式电力网a〕放射式b〕干线式c〕链式d〕树枝式优点：简单明了、运行方便，投资费用少。缺点：供电的可靠性差，不适于一级负荷比重大的场合。2．闭式电力网:由两条及两条以上电源线路向电力用户供电。分为放射式、干线式、链式、树枝式、环式和两端供电式，分别如下图。闭式电力网a〕放射式b〕干线式c〕链式d〕树枝式e〕环式f〕两端供电式优点：供电可靠性高，适用于对一级负荷供电。三峡的供电范围