电力系统分析和稳态分析

1、电力系统分析和稳态分析本课程的主要内容及特点主要内容电力系统同步电机的数学模型电力系统故障分析电力系统稳定性分析静态稳定暂态稳定稳态分析暂态分析电力系统的分析与计算电力系统的平衡与调整电力系统的经济运行简单复杂有功无功第一节电力系统概述第二节电力系统的电压等级和负荷第三节电力系统的中性点得接地方式第四节电力系统分析课程的主要内容 第一篇电力系统稳态分析 第1章 电力系统分析基本概念 主要知识点：电力系统的组成 电能生产的特点电力系统运行的基本要求电力系统的接线方式和特点电压等级中性点运行方式及特点电力系统的负荷及其曲线第一节电力系统的概述 问题的提出显著优点洁净 ： 环保方便 : 输送、分配、

2、使用节能 : 能耗小，转换效率高人类为什么选择使用电能？电 气 化电能是如何产生的？大规模电能是由同步发电机产生同步发电机发电原理？回顾一下电机学知识. 机械能 电能推动转子旋转的能源形式多种多样，大家说说. 蒸汽 水力 风力火力、核、地热水力发电风力、潮汐发电福建安砂水电厂宽缝重力坝2002年，中国电力消费在终端能源消费中的比例为42，2020年达到70左右。 2002年，中国人均电力消费1280千瓦时，仅相当于20世纪70年代的世界平均水平，约为目前世界平均水平2500千瓦时的一半。2011年1-10月全国电力消费 ，1-10月份，全国全社会用电量38951亿千瓦时，同比增长11.9%。1

3、0月份，全社会用电量3797亿千瓦时，同比增长11.4%。今年各季用电量增速基本在12.3%-11.9%之间波动,总体处于平稳增长的范围，是2007年以来各季增长最平稳的一年。 试想：没有电能你的生活会如何？ 苏维埃电气化共产主义（_）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并提损失6180万KW5000万居民无电300亿美元/天 电力系统是如何描述的？19802002年全国发电量如图示（亿千瓦时） 电力需求旺盛、增长快1882年我国开始使用电能1987年全国发电装机容量突破1亿千瓦1995年3月，装机容量突破2亿千瓦到1996年，发电装机容量居世界第2位。20

4、00年4月，全国装机突破3亿千瓦2004年5月底，全国装机容量突破4亿千瓦2005年底我国装机总容量将突破5亿千瓦。105年不到8年5年4年年每增加1亿装机2000年容量3亿千瓦1995年容量2亿千瓦1987年容量1亿千瓦1978年容量5712万千瓦1949年容量185万千瓦中国电网500kV220kV330kV火电厂水电厂核电厂新疆西藏东北华北西北川渝华中华东南方电网覆盖率 96.4%电力系统中国三峡电站巴西依泰普水电站500kV交流变电站全景220kV交流变电站一、电力系统的基本概念电力系统发电机-变压器-输电线路-用电设备（负荷）网络通过电的或机械的方式连接在网络中的所有设备。 生产 变

5、换 输送和分配 消费（发电机）（变压器、整流器、逆变器）（电力传输线、配电网） （负荷）现代电力系统的构成 20世纪中叶以来出现的大电力系统，是一切工业系统中，规模最大、层次复杂、资金和技术密集的人造复合系统，是人类工程科学史上最重要的成就之一。现代电力系统由电力流、信息流、货币流构成电力流：由高压设备（如发电机、变压器、输电线路以及其它配电装置）构成（一次系统），实现电能的转化和变换、电能传输、分配、使用 。信息流：由传感器、通信网络和计算机构成的，旨在电力系统可靠、稳定、安全和经济运行的监控、保护、自动控制、调度自动化等（二次系统） ；货币流：电能的市场行为交易活动。 电力技术发展，直流输

6、电作为补充的输电方式应用。在交流电力系统内或两个交流电力系统 间嵌入直流输电系统，便构成了现代交、 直流联合系统。图1-2为直流输电系统示意图。电力网络定义：发电机 用电设备（负荷） 中间环节组成：变压器+输电线路功能：实现电能的传输与分 配的功能。特点：电力网络是由许多子电力网络发展、互联而成，分区分层是电力网络的一大特点。类型：输电网络、 高压配电网络 中压配电网络 低压配电网络。 连接二、电力系统的发展概况自学电力系统的参量电压等级(KV）-最高额定值 1000（计划建设中）、750（建设中）、500、330、220、110、60、35、10、频率（Hz） 50，60三、电力系统的基本参

7、量和接线图总装机容量 实际安装发电机组，额定有功功率总和。kW、MW、GW年发电量 系统中所有发电机组全年实际发出电能总和。M（G、T）Wh最大负荷 电力系统总有功负荷在一年内的最大值数。电力系统接线图电气接线图地理位置接线图年最大负荷利用小时数 负荷的年耗电量与最大负荷比最大负荷利用小时数。电力系统的电气接线图电力系统各元件之间的电气联系的电路图。一般是以单线图表示，但不能反映发电厂、变电所的相对地理位置。如图1-3 所示的简单电力系统接线图。图中，G-发电机，T1、T2-变压器， l-电力线路，L-负荷。电力系统的地理接线图按比例表示出电力系统中各发电厂和变电所相对地理位置，以及反映各条电

8、力线路按一定比例的路径的接线图。但它不能完全表示出各电力元件之间的连接情况，如图1-4所示。图1-3电力系统的电气接线图图1-4电力系统的地理接线图四、电力系统运行的特点与要求 电力系统运行的特点 电能不能大量储存，要求电能的生产、输送、分配和使用几乎是在同一瞬间内完成。 电能和生产、人民生活、国民经济紧密相关。 电力系统的暂态过程短促。 对电能质量的要求比较严格。电力系统运行的基本要求 供电安全可靠性 持续为用户供电电源容量充足、布局合理 电能的优质性 （电能质量）-频率50Hz(0.20.5) 电压-供电电压（+5% -7%） 运行的经济性 一次能源的消耗、网损和线损 环保第二节电力系统的

9、电压等级和负荷 电力线路输送功率一定，输电电压越，线路电流越，导线载流截面积越； 电压越，设备绝缘水平要求越，设备的投资越。综之，对一定输送功率和输送距离有-最合理的线路电压。 国际电工委员会的IEC标准电压对电压等级的选择建议在任意国家内，相邻两级电压之比不应小于2倍。 我国规定的电力网标准电压等级为线路的额定电压，主要有、3、6、10、35(60)、110、220、330、500KV、750KV、1000KV。 一、电力系统的额定电压等级我国的电力网额定电压等级（KV）：-0.22 ,0.38 ,3 ,6 ,10 ,35 ,60 ,110 ,220 , 330 ,500。 配电线路10kV

10、以下线路，输电线路35kV、60kV线路，高压线路110kV、220kV线路，超高压线路330kV以上线路，地域电网60kV以下电网，区域电网110kV、220kV电网，超高压电网330kV以上电网，负荷-电力用户从系统所取用的功率，低压设备1kV以下的电力设备及装置，高压设备1kV以上的设备。不同电压等级的适用范围500、330、220kV 大电力系统的主干线；110kV 中、小电力系统的主干线（大系统的二次网络）35kV 大城市、或大工业内部网络、农村网络；10kV 常用的低一级配电电压；6 kV 负荷重高压电动机较多时；3 kV 仅用于工业企业内部。表1-2为用架空线路时各电压等级输送功

11、率和输送距离（书6页）电气设备额定电压等级间的配合关系配合原则：以电气设备的额定电压为参考表11，同一电压级别下各种电气设备额定电压并不完全相等线路 用电设备，线路Ue=用电设备Ue(称网络Ue110kV、220kV） 用电设备允许电压5，线路的电压降落为10，要求线路始端电压为其额定值的105，使末端电压额定值95。线路始端发电机额定电压为105，电气设备额定电压配合关系如图1-5所示 一次侧接受电能用电设备二次侧向负荷供电发电机 一次侧Ue=网络Ue变压器发电机 变压器一次绕组Ue=发电机Ue保证正常运行时变压器二次侧U比线路Ue高5，变压器二次侧Ue应比线路Ue高10。二次侧接在线路首端

12、，要求正常运行，二次侧U较线路Ue高5二次侧Ue空载时电压，带额定负荷，变压器内部U降落约为5 只有短路电压小于7或直接（通过短距离线路）与用户连接的变压器，其二次测额定电压才比线路额定电压高5直接连10%5%二、电力系统的负荷1、电力系统的负荷电力系统的综合用电负荷 -电力系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率（工业、农业、交通运输、市政生活等各方面消耗的功率之和）综合用电负荷在电网中传输会引起网络损耗系统的供电负荷 综合用电负荷+电网网络损耗=各发电厂向外输送的功率厂用电 发电厂大量的电动机拖动的机械设备以及运行、操作、试验、照明等设备，它们所消耗的功率总和（发电机及其辅助设备的正常运

13、行） 电力系统的负荷-指电力系统中用电设备消耗功率的总和。分为：动力负荷（异步、同步电动机、电热电炉、整流设备） 照明负荷（电灯） 电力系统的发电负荷供电负荷+发电厂厂用电消耗的功率以上彼此之间的关系如图16所示。图1-6电力系统与负荷的关系电力系统的负荷(总结) 1.发电负荷：发电机发出的电功率PG 厂用电：维持发电厂运行自身所需的功率P厂 火电厂 5-8% 水电厂 0.1-1% 核电厂 4-5% 2.供电负荷：发电厂供出的功率P供= PGP厂 网络损耗：电能传输、分配中消耗的功率 P损 3.综合用电负荷： 各用户功率之和(电力系统负荷) PL PL = P供 P损三种负荷的关系如图所示：用

14、电设备-异步电动机、同步电动机、电热装置和照明设备等。用电负荷-工业负荷、农业负荷、交通运输业负荷和人民生活用电负荷等。 用户性质不同，各种用电设备消耗功率所占比重也不同，如表12中列出了几个工业部 各类用电设备消耗功率的分配比例。根据可靠性要求不同，分为、负荷-重要负荷，保证不间断供电 若停电造成人员伤亡和设备故障、产生废品，长期影响生产或造成政治影响，人们生活混乱。-较重要，停电造成大量减产，人们生活受到影响。-一般负荷，不属于、类负荷，如：小城镇、附属车间等、类负荷，电力不足时，优先类负荷2、负荷分类物理性质：有功负荷、无功负荷生产与销售：发电负荷、供电负荷、用电负荷用户性质：工业、农业

15、、交通运输、市政、人民生活（1）、符合下列情况之一时，应为一级负荷： 1、中断供电将造成人身伤亡时医院。 2、中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。例如：重大设备损坏、重大产品报废、用重要原料生产的产品大量报废、国民经济中重点企业的连续生产过程被打乱需要长时间才能恢复等 电厂、炼钢。 3、中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。例如：重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷 电视台、广播电台、铁路、航空。 在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的

16、负荷，应视为特别重要的负荷。 （2）符合下列情况之一时，应为二级负荷： 1中断供电将在政治、经济上造成较大损失时。例如：主要设备损坏、大量产品报废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等。 2中断供电将影响重要用电单位的正常工作。例如：交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷，以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱。 (3)不属于一级和二级负荷者应为三级负荷学校应该属于二级或三级负荷，具体应看学校的规模和影响力而定 常用的负荷曲线： 定义：某一段时间内负荷随时间变化的曲线。 分类：按负荷-有功功率负荷曲线和无功功率负荷曲线 按时间-日

17、负荷曲线、月负荷曲线和年负荷曲线 年最大负荷曲线时序负荷曲线 年持续负荷曲线累计负荷曲线 按对象-发电厂负荷曲线、变电所负荷曲线、线路负荷曲 线、用户负荷曲线 按计量地点-用户、电力线路、变电所、发电厂和电 力系统的负荷曲线。日负荷曲线 定义：描述系统负荷在一天24h内所需功率的变化情况，分类：有功日负荷曲线和无功日负荷曲线。用途：是调度部门制定各发电厂发电负荷计划的依据。三、电力系统的负荷曲线图17（a）为某系统的日负荷曲线，实线为有功日负荷曲线，虚线为无功日负荷曲线。为方便计算，常把负荷曲线绘成阶梯形，如图17（b）所示。负荷曲线中 最大值称为日最大负荷Pmax（峰荷）功率因数较高 最小值

18、称为日最小负荷Pmin（谷荷）功率因数较低从图l7（a）可见，有功功率和无功功率最大负荷不一定同时出现。图1-7日负荷曲线（a）有功（b）无功图1-7日负荷曲线（a）有功（b）无功定义：表示一年内每月最大有功功率负荷 变化的曲线，如图1-8所示。用途：扩建机组或新厂、安排年设备检修有功功率年最大负荷曲线 定义：年持续负荷曲线由一年中系统负荷 按其数值大小及其持续 时间由大小顺序排列而成，如图1-9所示。用途：安排发电计划，可靠性估算、 计算电网能量损耗。年持续负荷曲线 图1-8 有功功率年最大负荷曲线 图1-9 年持续负荷曲线某系统 年最大负荷曲线其中阴影面积A为检修机组的容量与检 修时间的乘

19、积； B为系统扩建或新建的 机组容量。Tmax-全年用电量若以最大负荷运行时可供耗用的时间。已知Tmax、 Pmax，可估算出电力系统的全年耗电量 各类用户Tmax值见表1-3， 系统发电能力=按最大负荷需要+适当的备用容量确定，也反映了系统发电设备的利用率。全年耗电量(数值)=曲线P包围的面积若负荷始终=最大值Pmax经Tmax小时后消耗的电能=全年的实际耗电量，则称Tmax为最大负荷利用小时数，即负荷曲线的用途日负荷曲线： 制定日调度计划、计算日耗电量 年最大负荷曲线： 安排检修、扩建、新建年持续负荷曲线： 编制发电计划、计算可靠性、系统规划钢铁工业三班制生产，负荷曲线 平坦，最小负达最大

20、负荷85%食品工业一班制生产负荷曲线变幅较大，最小负荷仅达最大负荷13%农村加工负荷每天仅用电12小时市政生活用电有明显用电高峰，各行业最大负荷不可能同出现，系统负荷曲线上最大值各行业负荷曲线上最大值之和。1-10一、电力系统的接线方式定义：指电力网络的输电线路、变电所与用户间的 电气连接关系。 作用：对保证安全、优质和经济地向用户供电具有 非常重要的作用。 分类：按供电可靠性分为无备用和有备用两类。第三节电力系统接线方式 无备用接线（开式）有备用接线（闭式）二、电力网络接线方式（1）无备用接线（开式） 每一个负荷点只能从一电源点获得电能。应用于对供电可靠性要求较低的网络或负荷。 (a)放射式

21、 (b) 干线式 (c)链式 图13 无备用接线方式优点：简单、经济、运行操作方便缺点：供电可靠性差，线路较长、线路末端电压偏低。适合范围：不适合一级负荷占很大比重的场合，广泛用二级负荷。 （2）有备用接线（闭式） 每一个负荷点能从两个或两个以上的电源点获得电能。应用于对供电可靠性要求高的网络，如输电网等。 (a)放射式 (b) 干线式 (c)链式(d)环网 (e)两端供电网-供电可靠性高，电压质量好。 缺点不够经济 运行调度复杂，故障时电压质量差；两端供电网络-须有两个（以上）独立电源，接线的合理性接线方式选择：经技术经济比较后确定。选接线方式满足安全、优质、经济的指标外，还应保证运行灵活和

22、操作方便。 图14 有备用接线方式电力系统的中性点-星形联结的变压器或发电机的中性点。综合性-中性点运行方式涉及绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线等方面第四节电力系统中性点的接地方式 一、电力系统中性点及其接地方式 电力系统中性点接地方式分类：大接地电流系统（中性点直接接地）需断路器遮断单相接地故障电流者 中性点有效接地方式；中性点全接地方式，即非常有效接地方式；中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地方式。主要有： 1、电力系统中性点及其接地方式 中性点有效接地方式-高压电力系统（110220kV），当电力系统发生单相接地故障时，在一个电力系统中不论变压器中性点是直接接地，还是不

23、接地，或者是经低电阻或低电抗接地，只要在指定部分各点满足x0 x13和r0 xl 1，该系统便属于有效接地方式。 中性点全接地方式(非常有效接地方式、中性点死接地方式)- 500kV及以上超高压电力系统，广泛使用自耦变压器，全部变压器中性点都保持直接接地，或特殊需要经低电抗或低电阻接地方式，称为中性点全接方式(中性点为非常有效接地方式、）。中性点非有效接地方式-在电力系统各中性点接地方式中，除有效接地和全接地方式外，都属中性点非有效接地的范畴，包括小接地电流系统中的中性点不接地，经消弧线圈接地（谐振接地）和高电阻接地，以及大接地电流系统中的中性点经中、低电阻、低电抗等接地的系统。区别： 中性点

24、不接地;中性点经消弧线圈接地中性点经高电阻接地小接地电流系统（中性点非直接接地）单相接地电弧能够瞬间自行熄灭者 主要有： 2、电力系统中性点不同接地方式的优缺点（1）大接地电流方式的电力系统优点：故障切除快，安全性好:系统单相接地时保护装置可切除故障；经济性好:过电压，绝缘水平投资，降低设备造价 缺点:系统供电可靠性差:发生单相短路，短路电流，继电保护动作，速切故障相,系统不能继续运行.(提高其供电可靠性就得加自动重合闸装置等措施）。产生强单相磁场干扰邻近通信线路。适用范围： 高压和超高压电网 110kV及以上电压等级的电网，均采用中性点直接接地的运行方式，而用其他方法提高供电可靠性适用范围：

25、 60kV以下电网问题：短路时，单相接地电容电流允许值（30A），否则接地电弧不易自熄，易产生较高弧光间歇接地过电压，波及整电网（2）小接地电流方式的电力系统优点：供电可靠性高，绝缘要求高一相接地时不会短路，接地电流=线路（设备）电容电流， 相间电压仍对称，不影响负荷供电，允许继续运行2小时。安全性好:缺点:经济性差:非接地相对地电压升高为线电压（相电压 倍，图）3、国内外电力系统中性点的接地方式我国 110kV及 220kV电力系统-采用中性点有效接地方式； 330kV和 500kV电力系统-采用中性点全接地方式。 60kV及以下的电力系统-采用中性点小接地电流方式（其中3560kV电力系统

26、，一般采用中性点经消弧线圈接地；3-10kV电力系统，一般采用中性点不接地方式和经过消弧线圈接地方式。一般认为360kV网络，单相接地时电容电流超过10A时，中性点应装消弧线圈。 国外330kV及以上电压等级的超高压、特高压电力系统广用中性点为大接地电流方式。 美国等西方国家，中压配电网（27、138和4kV）用中性点经小电阻接地或直接接地方式，一般用户用单相供电，中压电网深入每用户，用户单相微型配电变压器直接安装在线路杆塔上；单相接地故障要求瞬时跳闸，采用电流速断保护和过流保护。法国等国家，近20年对配电网运行提出更高要求，要求瞬时接地故障能够熄弧，永久故障能够保护跳闸，并要求降低接地故障电

27、流造成的电位升高、降低跨步电压、降低对电压设备绝缘的危害，为此，改配电网中性点经电阻接地方式为经自动调谐消弧线圈接地方式，并安装了高性能的接地保护装置。 原苏联规定在下列情况下采用中性点不接地方式：6kV电网单相接地电流小于30A；10kV电网单相接地电流小于20A；35kV电网单相接地电流小于10A如果单相接地电流超过上述各值，则需采用中性点经消弧线圈接地方式。原苏联的标准：配电网（3、6、10、35和60kV）采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。我国长期采用原苏联的标准。二、消弧线圈工作原理 正常运行电力系统 三相对称平衡三相导线排列 完整换位相间及相对地电容相等 每相对地电压相电压数值

28、，其相量 中性点 N对地电位 。每相对地电容电流为 U-相对地电压 C0=Ca=Cb=Cc-每相对地电容。中性点不接地电力系统单相接地见图1-7（a）。此时，相对地电压变化及接地电流有以下情况： 当A相单相接地时，中性点电压为UN=Ua对地电容电流 分别超前其对地电压90则各相对地电压变为入地总的电容电流以上电压、电流的相量图如图 1- 7（b）所示。(a)(b)由此可见，A相接地，UA=0，UB、UC= U（U-相电压值） 线电压值。而三相线电压并未变化。中性点不接地电力系统单相接地时，可允许继续运行2小时。单相接地电流有效值为 即单相接地电流值为正常时一相电容电流值的3倍。 中性点不接地电力系统单相接地时，接地电流 从接地点流过纯电容电流，非短路电流，其值不大。这个接地电流一定值时会在接地点间歇性电弧，系统过电压，甚至会烧坏