电力系统运行与管理基础

《电力系统运行与管理基础》第二讲现代电力系统的基本设备与结构形态前一堂课的主要内容开设本门课程的目的本课程的主要讲授内容主要讲授范畴与教学目标电力系统定义与基本概念电力系统的形成和发展2一次系统：发电设备输变电设备用电设备二次系统：能量管理系统安全自动控制继电保护通信系统未来电力系统设备和结构形态的发展预测本堂课的主要内容3现代电厂能源电力能源太阳：太阳热和光电池来源太阳海洋：海洋热；波浪；洋流等生物能：沼气；垃圾地球内部地球和其它天体的相互作用，如潮汐能地热核能：裂变反应堆；增殖反应堆；聚变反应堆矿物燃料：煤；石油；天然气等天然资源：水力；风力4不同发电设备及其原理火力发电5不同发电设备及其原理热电联产6不同发电设备及其原理水力发电原理7不同发电设备及其原理水力发电机转子8不同发电设备及其原理抽水蓄能混合式抽水蓄能电站三机式抽水蓄能机组9不同发电设备及其原理核电厂工作原理10不同发电设备及其原理风力发电-双馈风机工作原理11不同发电设备及其原理风力发电-直驱风机工作原理12不同发电设备及其原理空中浮动涡轮风力发电13不同发电设备及其原理光伏原理光伏发电14不同发电设备及其原理光热发电15不同发电设备及其原理光热发电-艾文帕太阳能发电系统”（IvanpahSolarElectricGeneratingSystem，ISEGS）16不同发电设备及其原理潮汐能发电17不同发电设备及其原理海洋流发电18苏格兰北端和奥克尼群岛之间的朋特兰湾是世界上海洋水流最湍急的海域。不同发电设备及其原理波浪能发电——振荡浮子型19不同发电设备及其原理波浪能发电——靠岸式振荡水柱型20发电设备及其原理当今，矿物燃料、水力和核裂变是可以大量生产电能的能源；石油和天然气作为电厂主要能源的年代已经过去；水力开发将来只会有少量增加；在不远的将来，电能生产可能主要靠煤和核能等传统能源，以及风能、太阳能等可再生能源；未来？21输电系统及设备输电就是电能的传输；发电厂与电力负荷中心通常都位于不同地区。在水力、煤炭等一次能源资源条件适宜的地点建立发电厂，通过输电可以将电能输送到远离发电厂的负荷中心，使电能的开发和利用超越地域的限制；其他能源输送方式相比较，输电具有损耗小、效益高、灵活方便、易于调节控制、减少环境污染等优点。输煤与输电之争？22输电设备导线——电线导线——电缆23输电设备高压绝缘子瓷绝缘子玻璃绝缘子有机复合绝缘子24输电设备高压套管穿墙套管安装图25输电设备输电杆塔26输电设备以景观美感的态度审视输电线路铁塔27变电系统及设备变电就是通过一定设备将电压由低等级转变为高等级（升压）或由高等级转变为低等级（降压）的过程;发电机的额定电压一般为（15～20）千伏以下;交流输电电压等级有1000kV，750kV、500千伏、330kV、220kV、110kV、35kV等；配电电压等级有10kV、20kV等；用电部门的用电器具有额定电压为3～15kV的高压用电设备和110V、220V、380V等低压用电设备;电力系统就是通过变电把各不同电压等级部分联接起来形成一个整体。实现变电的场所为变电站（所）。28变电系统及设备主要的变电设备有：变压器、母线、断路器、隔离开关、电抗器、互感器、电容器、避雷器、高压熔断器、二次设备及必要的其他辅助设备；变电所中的母线、开关设备、保护电器、测量仪表和其他附件等连接在一起构成配电装置。其作用是计量和控制电能的接受与分配。配电装置主要由二次设备构成。二次设备包含测量装置、控制装置、继电保护装置、自动控制装置、直流系统及必要的附属设备。由二次设备构成的回路叫二次回路，总称二次系统。29变压器变电系统及设备30母线母线是指在变电所中各级电压配电装置的连接，以及变压器等电气设备和相应配电装置的连接;大都采用矩形或圆形截面的裸导线或绞线，统称为母线;母线的作用是汇集、分配和传送电能。变电系统及设备31断路器在正常情况下控制各输电线路和设备的开断及关合；在发生故障时，自动开断短路电流，以保证电力系统正常运行。依据使用的灭弧介质，可分为油断路器、真空断路器、空气断路器、SF6断路器等。SF6断路器具有灭弧能力强、开断容量大、熄弧特性好等特点。变电系统及设备32断路器变电系统及设备33隔离开关没有专门的灭弧装置，不能用来拉合负荷电流和短路电流。正常分开位置时，隔离开关两端之间有符合安全要求的可见绝缘距离。设备检修时，隔离开关用来隔离有电和无电部分，形成明显的开断点，以保证工作人员和设备的安全。隔离开关和断路器相配合，进行倒闸操作，以改变系统接线的运行方式。变电系统及设备34隔离开关变电系统及设备开合35其他开关负荷开关：是介于断路器和隔离开关之间的一种开关电器，具有简单的灭弧装置，能切断额定负荷电流和一定的过载电流，但不能切断短路电流。变电系统及设备36其他开关接触器：接触器分为交流接触器（电压AC）和直流接触器（电压DC。接触器广义上是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。变电系统及设备37其他开关熔断器：是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统、控制系统以及用电设备中。作为短路和过电流的保护器，熔断器是应用最普遍的保护器件之一。变电系统及设备38高压互感器高压互感器是适用于1kv至220kv电力系统中将大电压转换成小电压或将大电流转换成小电流以便于测量、保护、使用的互感器。其作用包括：将一次回路的高电压和大电流变为二次回路的标准，通常额定二次电压为100V，额定二次电流为5A，使测试仪表和保护装置标准化，同时二次设备的绝缘水平可按低电压设计，从而结构轻巧，价格便宜。所有二次设备可用低电压、小电流的控制电缆连接，使屏内布线简单、安装方便。同时，便于集中管理，可实现远方控制和测量。二次回路不受一次回路的限制.可采用Y形、△形或V形接法，因而接线灵活方便。同时，对二次设备进行维护、调换以及调整试验时，不需中断一次系统的运行，仅适当地改变二次接线即可实现。使二次设备和工作人员与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从而保证了设备和人身的安全。变电系统及设备39电压互感器变电系统及设备40电流互感器变电系统及设备41无功补偿装置变电系统及设备并联电容器串联电容器并联电抗器42避雷器：变电站保护电气设备免遭雷电冲击波袭击的设备。当雷电冲击波沿线路传入变电站并超过避雷器保护水平时，避雷器首先放电，将雷电压幅值限制在被保护设备雷电冲击水平以下，使电气设备受到保护。避雷器有五种，即保护间隙、管型避雷器、阀型避雷器、磁吹阀式避雷器和氧化锌避雷器。变电系统及设备43避雷器：变电系统及设备管型氧化锌磁吹型阀型44电机用电设备大型水泵大型矿山风扇45整流负载用电设备高压变频器电解铝车间46电气主接线电气接线：在发电厂和变电站中，各种电气设备必须用导体按一定的要求连成一个整体，并与必要的辅助设备一起安装，构成通路，实现发供电。47电气主接线电气接线：在发电厂和变电站中，各种电气设备必须用导体按一定的要求连成一个整体，并与必要的辅助设备一起安装，构成通路，实现发供电。输变电网络接线无备用接线单回路放射式、干线式和链式。有备用接线双回路供电方式、环式48电气主接线电气接线举例：单母线分段分段的单母线接线保留了单母线接线接线简单、清晰、操作方便，所用电气设备少等优点,同时提高了重要用户供电的可靠性：重要用户可以分别从不同分段上取得双回路供电。由于母线被分段,就可以轮流检修分段母线,总可以保留一半用户继续供电,从而提高了供电可靠性；同时由于当一段母线故障,仍有一半用户继续供电，从而缩小了事故范围。QFdQFQS1QS2电源1电源249能量管理系统能量管理系统(EMS)是以计算机为基础的现代电力系统的综合自动化系统，主要针对发电和输电系系统。EMS主要包括：数据采集和监控系统(SCADA系统)；自动发电控制(AGC)；经济调度控制(EDC)；电力系统状态估计(StateEstimator)；安全分析(SecurityAnalysis)；调度员模拟培训系统(DTS)；其他50能量管理系统ＥＭＳ的应用软件51配电管理系统配电管理系统（DMS）是在EMS的基础上发展起来的。配电管理系统(DMS)包括：配电自动化系统（DAS）；地理信息系统（GIS）；配电网重构；管理信息系统（MIS）；需求侧管理（DSM）；其他52配电管理系统配电管理系统的应用功能53安全控制系统电网运行状态切换正常状态警戒状态紧急状态恢复状态孤岛状态系统崩溃预防控制大停电恢复控制紧急控制：解列控制紧急控制：切机切负荷恢复控制控制失败恢复控制继电保护大扰动54安全控制系统三道防线第一道防线：由继电保护装置快速切除故障元件，最直接最有效地保证电力系统暂态稳定；第二道防线：采用稳定控制装置及切机、切负荷等措施，确保在发生大扰动情况下电力系统的稳定性；第三道防线：当电力系统遇到多重严重故障而稳定破坏时，依靠失步解列装置将失步的电网解列，并由频率及电压紧急控制装置保持解列后两部分电网功率的平衡，防止事故扩大、防止大面积停电。55安全控制系统低频减载运行经验表明，汽轮机在频率低于49~49.5Hz以下长期运行，叶片容易产生裂纹。当低于45HZ时，容易发生叶片共振而造成叶片断裂。当频率下降到47~48HZ时，电厂厂用电设备的出力明显下降，会引起电厂出力减小，更加引起系统有功不足，频率进一步下降，最后导致崩溃。当频率下降到45~46HZ时，系统电压水平极不稳定，如再加之有短路等故障的情况下，会导致系统瓦解。56安全控制系统低频减载动作顺序分轮次减载；不同轮次启动频率不同，例如第一级启动频率f1，此时为事故的早期，频率下降不严重，因些启动值要高些一般整定为：48.5~49Hz；低于45Hz时，很可能发生“频率崩溃”，因此，末级启动频率以不低于46~46.5Hz为宜。频率差问题，即第一级和末级启动频率的差值；频率级差=（首级频率－末级频率）除以(级数-1)。

频率级差通常为0.3~0.5Hz；级数在10级以内.当从第一级启动开始切负荷后,一直切到某一级,系统频率不再下降时,就停止切负荷。57安全控制系统低压减载是维持系统无功平衡，保证系统电压稳定的紧急控制措施；低压减载分轮次动作；与低频减载所切的是相同的负荷；低频和低压减载措施存在协调问题。58安全控制系统失步解列当发电机和电力系统其他部分之间、系统的一部分和系统其他部分之间失去同步并无法恢复同步时，将它们之间的联系切断，分成相互独立、互不联系的两部分的技术措施。它是最终为维持电力系统稳定运行、防止事故扩大造成严重后果的重要措施。现代电力系统已采用各种简单的或高度自动化的综合型解列装置实施解列。59安全控制系统自适应解列60电力系统主动解列分析系统安全控制系统自适应解列分析系统算例61不施加解列控制系统变化情况施加解列控制措施后系统的变化情况继电保护系统继电保护是一种电力系统反事故措施，即当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以也称继电保护。继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。62继电保护系统继电保护的基本原理利用电力系统发生故障后电气量的变化特征决定是否动作以及如何动作。如利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。常用工频电气量变化的主要特征有：电流增大。电压降低。电流与电压之间的相位角改变。测量阻抗发生变化。相序分量变化。除了上述反应工频电气量的保护外，还有反应非工频电气量的保护。63通信系统电力系统通信网主要为电网生产运行、管理、基本建设等服务。主要功能应满足调度电话、行政电话、电网自动化、继电保护、安全自动装置、计算机联网、传真、图像传输等各种业务的需要。电力系统通信网的特点通信网结构取决于电力网结构通信网经济性隐含于电网的经济性可靠性要求高，中继局向多，功能强专用通信网64通信系统电网必须具备的通信通道及其要求各级调度中心控制室与直接调度的发电厂各级调度中心控制室与直接调度的变电站通信网规划建设应综合考虑作为通信、调度自动化、远动、计算信息、继电保护及安全自动装置的通道若某些特定通道中断会影响电网的可靠运行，则必须从规划设计与运行上及早安排事故备用的通道或其他措施通信设备应有可靠的电源以及自动投入的事故备用电源，其容量应满足电源中断时间的要求65通信系统主要通信方式明线通信电缆通信电力载波通信光纤通信微波通信卫星通信66研究背景：国内外已有多个关于未来电网形态和概念设计相关的研究成果，设备形态预测是其中重要内容国家电网公司：国家电网2030技术路线图美国：GRID2030中国科学院：构建符合我国国情的智能电网中国科学院：能源革命中电网技术发展预测和对策研究未来电网的设备和结构形态67技术路线电网设备发展现状总结电网发展趋势及关键技术研究内容通过文献调研，对电网设备研制发展历程进行归纳总结，并对电网设备的发展趋势进行初步预测。归纳影响未来电网设备形态的几大关键技术，列举几大关键技术在国内外的典型实施案例及其取得的成果，探讨几大关键技术的突破方向。研究电网设备在无关键技术突破和有关键件技术突破的情况下可能具备的形态，并研究新形态的电网设备应当具有的功能特点。关键技术突破后产生新的电网形态未来电网的设备和结构形态68电网设备发展现状电网运行与控制相关设备输变电相关设备配电相关设备新能源并网与储能相关设备未来电网的设备和结构形态69避雷器：典型—日本和俄罗斯；还存在差距变流器：高压大电流IGBT器件尚未出现，多电平技术套管：成功研制出1000kV套管，与国外相比还存在很大差距变压器：受原材料，组件制约，与国外产品相比尚有差距电缆线路：线路规模第一，电缆产品水平和档次较低1、输变电相关设备开关设备：研发技术与国外差距不大，但基础研究还不深互感器：成熟应用—电磁式；试验（试运行）—电子式未来电网的设备和结构形态702、配电相关设备国外配电系统自动化发展经历了基于自动化开关设备相互配合的馈线自动化系统、配电自动化系统（DAS）、配电管理系统（DMS）三个阶段。未来电网的设备和结构形态713、电网运行与控制相关设备网络分析应用软件图形和多媒体技术分布式系统EMS实现标准化更高级应用功能调度自动化系统卫星通信技术Internet技术未来电网的设备和结构形态72电子式互感器、智能断路器IEC61850规范先进的信息与通讯技术数字化变电站智能变电站绿色变电站未来电网的设备和结构形态3、电网运行与控制相关设备73已有工业样机：UPFCSVCTCSCSTATCOMSSSCTCPSTIPCFACTS大量应用起步研究1、采用新器件2、装置多样化3、应用范围更广未来电网的设备和结构形态3、电网运行与控制相关设备744、新能源并网与储能相关设备1分布式发电相关设备：23储能相关设备：电动汽车：我国已经有了一定的产业基础，但技术开发能力还相对薄弱。按储能方式划分：机械储能、化学储能、电磁储能、相变储能。储能设备在我国的电力系统中目前应用还很少。电动汽车正开始在世界范围内进入推广应用时代。电动汽车将成为整个电力网络供需平衡间的一个调剂者。未来电网的设备和结构形态75新型输电技术（特高压、柔性直流……）分布式发电大规模集中式和分布式储能技术（含电动汽车）超导电力技术新能源并网（风电、太阳能、可控核聚变……）……未来电网的设备和结构形态影响未来电网设备形态的关键技术76影响未来电网设备形态的关键技术分布式发电大规模储能超导电力主要技术优点发展现状突破方向预测分析…………未来电网的设备和结构形态77技术主要涉及：燃气冷热电三联供、废弃物发电、生物质能源发电、小型光伏发电、小型风力发电、储能和微网技术等。优点：能源利用率高，能有效实现能源的梯级利用；发电设施建在用户附近，线路损耗小，减少输配网的建设和运行费用；微网孤岛运行，提高供电可靠性；解决边远地区供电困难问题。1、分布式发电技术未来电网的设备和结构形态78发展现状国家代表性的基础项目相关技术美国夏威夷等洁净能源计划可再生能源发电技术Madriver微网微网示范验证欧盟DISPOWER计划分布式发电渗透下的电网稳定与控制、电能质量技术等MICROGRID计划微网运行与控制技术日本群马光伏发电计划光伏高渗透率下的电压控制与美国新墨西哥合作NMGGI绿色微网（5MW以下）美国2001年颁布“关于分布式电源与电力系统互联的标准草案”欧洲2005年提出“SmartPowerNetworks”概念并启动欧盟第五、第六框架计划日本新能源与工业技术发展组织建立了第1个微网示范工程中国能源局制定的《分布式发电管理办法》将于2012年出台未来电网的设备和结构形态1、分布式发电技术79突破方向：国外在分布式发电/微网关键技术方面已取得一些突破，并在小规模微网中得到验证，正推动微网向更高电压等级、更大容量发展。预测分析：分布式发电/微网系统将成为未来电网的有效支撑。能源结构将出现集中式发电-分布式发电并重的形态，全网各个区域都大小不一的独立发电系统，配电网也将从无源配网向有源配网演变，远距离电力输送要求将会有所减低，电网区域耦合性将变弱。未来电网的设备和结构形态1、分布式发电技术802、大规模储能技术技术主要涉及：包括储能材料，储能体的特性和评价方法、储能应用技术、大规模储能系统的接入方法以及储能系统优化配置理论等。优点：储能技术可以有效缓解、抑制电力系统的功率不平衡问题，它为电力系统提供快速功率响应，有助于实现电力系统在各种非正常工况下的功率和能量平衡，从根本上增强电网稳定性。未来电网的设备和结构形态81储能方式性能指标/应用方向位置/状况抽水蓄能2820MW/调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用日本神流川电站/2005投入运行压缩空气储能110MW·26h/调峰、系统备用美国亚拉巴马州/1991年建成压缩空气储能系统飞轮储能20MW,5MW·h/调频电站美国纽约/2011年投入运营钠硫电池9.6

MW,57.6

MW·h/平滑负荷Hitachi自动化系统工厂/2004年安装液流电池2MW·6h/风-储发电并网爱尔兰风电场/2006年超级电容器450kW/平抑风力发电机输出功率波动美国加利福尼亚州/2005年制造目前，各种储能技术近年来都取得了快速的发展，其中，抽水蓄能在电力系统中已得到广泛应用，中等规模的蓄电池和飞轮储能已具备产业化的条件，其它储能技术也在积极研究中。发展现状未来电网的设备和结构形态2、大规模储能技术82突破方向：储能技术的突破方向是不断地增强提高如下这些要素和指标：1)储能密度；2)储能功率及能量输入输出的响应时间；3)储能效率；4)设备寿命；5)储能设备经济性；6)安全性和环保性等。预测分析：储能技术的突破和大范围应用可能极大地改变电力技术的现有模式，甚至出现从“发、输、配、用”到“发、输、配、用、储”的革命性变化。未来电网的设备和结构形态2、大规模储能技术833、超导电力技术技术主要涉及：包括超导材料特性研究，高温超导技术在电力系统应用研究等。优点：超导电力装置具有体积小、重量轻、容量大等基本特点，许多电力装备都可以采用超导技术来提高其性能，如输电电缆、电机、变压器、储能装置等，同时还可以采用超导技术研制出常规技术无法实现的新型电力设备，如超导故障电流限制器等。未来电网的设备和结构形态84美国政府在Grid2030计划和智能电网计划中，均将超导电力技术作为重要的发展方向。日本政府批准了Super-ACE计划和Super-GM计划，以促进超导电力技术的产业化。欧洲提出了发展超导电力与超导材料技术的SUPERPOLI计划等。中国“十五”期间，国家863计划设立“超导材料与技术专项”，重点支持超导应用技术的研究。发展现状应用主要技术参数研发单位/状况超导电缆三相1760m，13.8kV/2kA美国Southwire公司/2011年3月投入运行三相30m，35kV/2kA云电英纳超导电缆公司/2004年投入试验运行超导限流器三相矩阵型，138kV/1.2kA美国SuperPower公司/2011年投入运行三相饱和铁心型，35

kV/0.8

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