精品资源电气工程导论－专题四电力系统

电气工程导论——专题四电力系统及其自动化1/12/2023第一节电力系统的根本概念一、电力系统的组成水库锅炉风车核堆1/12/20232水力、火力、核电最大火力发电厂：8×800MW，前苏联别列佐夫-1火电厂最大水电厂为我国的三峡水电站，总装机容量26*700MW2003年6月10日上午9时，三峡电站的2号和5号发电机组全面进入充水调试，三峡首批发电机组试运行工作启动。三峡大坝左岸的电站厂房，世界上最大的水轮发电机。每台重达6000多吨。仅转子直径就达18米多，3.5米高，有200多平方米的房子那么大。我国目前还没有相应的装备和技术，水轮发电机组14台从法国、加拿大、德国等引进的。右岸厂房的12台机组，与外商合作，在国内设计生产。最大核电厂：4546MW，日本福岛第一沸水堆核电厂1/12/20233风力发电风：一种最常见的自然现象。风车在12-19世纪是欧洲广为使用的动力机械。1840年，仅苏格兰和威尔士就有1万多架风车，荷兰那么有8000架左右，多用于工农业生产，如碾米、拉锯、起重、汲水和造纸等。荷兰低于海于地面的地区和英格兰沼泽地，有数千架专用排水风车。至今，荷兰风光中仍少不了屹立在田野间的古老风车。18世纪创造了蒸汽机，风车的地位逐渐下降。70年代，能源危机使风车再度盛行起来。风：永不枯竭的能源。地球上的风能大大超过水流的能量，也大于固体燃料和液体燃料能量的总和。风能利用简单，机动灵活，有广阔的前途。1/12/20234其他新能源发电太阳能"全国光伏看江苏“——光伏产业初步形成相对完整的产业链。全省光伏产业总产量与产能均居全国首位。继无锡尚德后，南通林洋、常州天合、苏州阿斯特等企业相继在美国成功上市。光伏产业1/12/20235以太阳光为能源，白天充电、晚上使用，无需复杂昂贵的管线铺设“硬件配置飞速开展，但待机时间却与日俱减〞、“废旧锂离子电池回收〞、“如何更好地利用大自然能量〞等诸多与绿色环保相关的问题将被一并解决。1/12/20236生物质能生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。

薪柴，农林作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农业和林业残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，生活污水和水生植物等等1/12/20237中国第一个生物发电厂2006年11月18日15:58，国能单县生物发电工程BE1×25MW机组已经顺利完成整套启动第一阶段72小时试运行

我国根本上是一个农业国家，农村人口占总人口的70%以上，生物质一直是农村的主要能源之一，国家能源构成中也占有益要地位。

1/12/20238水轮机轴流式水轮机混流式水轮机德阳东方电机股份为三峡电站生产的世界最大水轮机转轮1/12/20239汽轮机汽轮机扣盖汽式汽轮机〔50～135MW〕

1/12/202310变压器使用中的电力变压器变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，次级线圈中感应出电压〔或电流〕。按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。按用途分类：电源变压器、调压变压器…。1/12/202311输电线路换流站500KV杆塔500KV出线铁塔1/12/202312用电设备民用电工业用电1/12/202313图4-1电力系统构成1/12/202314二、输电方式电能的传输和变电、配电、用电一起，构成电力系统的整体功能。通过输电，把相距甚远的〔可达数千千米〕发电厂和负荷中心联系起来，使电能的开发和利用超越地域的限制。和其他能源的传输〔如输煤、输油等〕相比，输电的损耗小、效益高、灵活方便、易于调控、环境污染少；输电还可以将不同地点的发电厂连接起来，实行峰谷调节。输电是电能利用优越性的重要表达，在现代化社会中，它是重要的能源动脉。1/12/202315峰谷调节26日的用电量是从早上6点开始急剧攀升，到上午11时27分，创造第一个历史最高纪录1109.6万千瓦；随后电力负荷进入平稳阶段，直至下午3时57分又一次创造了历史新高1121.9万千瓦。每日11：00-13：00、20：00-21：00为用电尖峰。空调负荷增加是出现用电量增加的主要原因。用电尖峰，尽量防止使用大功率电器，削减顶峰负荷，保证电网平安。例：2007-06-26北京电力负荷两次创下的历史最高纪录上午11时27分：1109.6万千瓦下午3时57分：1121.9万千瓦1/12/202316例：2007年的西电送广东迎接香港回归十周年、广东电网进入迎峰度夏的关键时刻。发挥南方电网资源优化配置大平台的作用，调动全网资源支持广东重点城市供电。7月下旬后，西电送广东最大电力要到达1420万千瓦，力争到达1450万千瓦。1/12/202317各大区电网图1/12/2023181、交流输电福建省第一座500kV变电所----泉州变电所的一角2007年6月19日和20日，晋东南-南阳-荆门1000kV高压交流试验示范工程线路进入全面施工阶段。线路全长645千米。两个标段工程将于2021年8月31日前全线接通，同年10月30日具备投运条件。柔性交流输电系统是FlexibleACTransmissionSystems〕中文翻译，英文简称FACTS，指应用于交流输电系统的电力电子装置，其中“柔性〞是指对电压电流的可控性。500kV枢纽变电站1/12/2023193kV以上额定电压1/12/202320表4-1额定电压与相应传输功率和传输距离的关系1/12/202321※特高压输电节省了走廊的土地占用、减少了土地的征用、减少了植被破坏和水土流失，是表达环保和节约资源的工程。P∝U2，∝1/Z1000kV输电线路，其运行电压是500kV线路的两倍，而且线路阻抗也比后者有所降低。一回1000kV输电P≈五回500kV输电P输电线路走廊〔线路路径的通道〕宽度一般由地面电场强度满足有关要求来确定。按照我国环保标准规定邻近民房的地面电场强度不大于4kV/米的要求，500kV线路走廊宽度为40～48米，1000kV线路走廊宽度为81～97米。一回1000kV输电线路的走廊宽度≈五回500kV线路走廊宽度的40％输送同样的功率〔如500万千瓦〕，采用1000kV线路输电与采用500kV的线路相比，可节省60％的土地资源。1/12/202322※采用特高压输电可以显著减少线路损耗，降低电网运行的本钱。研究说明，一条1000kV线路输送容量≈5条500kV线路的容量，其钢材用量和铝材用量分别降低1/3和1/2左右，包括变电站在内的电网造价要降低10～15％左右。输电线路电阻损耗Pl=S2R/U2。导线总截面〔反映为线路电阻R〕和输送容量相同的情况下，1000kV线路的电阻损耗约是500kV线路的1/4。输送容量在1000～1500万kW；输送距离2000km以上线路开关站投资500kV10回7个370亿元1000kV2回4个240亿元表金沙江水电向华东送电技术经济比较1/12/202323人类历史上最早的输电线路就是直流的。开始时输电电压只有100伏，后来逐步提高，到1885年提高到6kV。制造高电压大功率的直流发电机很困难，又不能直接给直流电升压，而远距离输电需要高电压。十九世纪八十年代末创造了三相交流发电机、变压器，特别是创造了结构简单、运行可靠、价格廉价的感应电动机。于是，适应这种情况，输电技术转为开展交流输电。现在直流输电作为解决输电技术困难的方向之一，又重新受到重视。近二十年来，高压直流输电有了迅速开展。2、直流输电1/12/202324交流输电存在的问题随着电力系统的扩大，输电功率的增加，输电距离的增长，交流输电遇到了一些技术困难导线不但有电阻，还有电感。较细的导线，电阻的作用超过电感。在输电功率大，输电导线横截面超过95毫米2的情况下，对50Hz的交流电来说，感抗超过了电阻，但对稳定的直流电那么只有电阻，没有感抗。图2-2单位长线路的一相等值电路1/12/202325输电线一般是架空线，但需要跨过海峡给海岛输电时要用水下电缆，需要穿过人口密集的城市输电时要用地下电缆，电缆在金属心线的外面包着一层绝缘皮，水和大地都是导体，被绝缘皮隔开的金属心线和水〔或大地〕构成了电容器；一条200kV的水下电缆，每千米长的电容约0.2μF。在交流输电的情况下，这个电容对受电端起旁路电容的作用，并且随电缆增长而增大。电缆长度超过50千米，旁路电容会增大到交流电几乎送不出去的程度。1/12/202326交流电每个周期有正、负最大值各一次。设想有甲、乙两台交流发电机给同一条电路供电，假设甲的是正的最大值时，乙恰好是负的最大值，它们发的电在电路里恰好互相抵消，电路无法工作。所以要电路正常工作，给同一条电路供电的所有发电机都必须同步运行，即同时到达正的最大值，同时到达负的最大值，同时为零。tu、i1/12/202327现代的直流输电，只是输电这个环节是直流，发电仍是交流。在输电线路的起端，有专用的换流设备将交流变换为直流，在输电线路的末端〔受电端〕，也有专用的换流设备将直流换为交流。目前换流设备存在着制造难、价格高等困难，有待研究解决。T1T2直流输电线换流站换流站交流系统交流系统1/12/202328我国直流输电开展近况高压直流输电主要用于远距离大功率输电、海底电缆输电、非同步运行的交流系统之间的连络等方面。云广特高压直流输电工程是世界上第一个±800ＫＶ直流输电工程〔在建中〕。国家电网公司－三峡输变电工程累计投产线路总长６７４０公里，其中直流线路总长１８６５公里——世界最大规模，使华中电网与华东电网间的联网规模进一步加强，缓解了华东电网用电紧张的局面，并为华中、华东两网之间的余缺调剂、事故支援、备用共享创造了条件。三峡至广东直流输电工程运行后，使华中电网与南方电网形成互联，全国“西电东送、南北互供〞的联网格局根本形成。1/12/202329南方电网公司安顺换流站的换流变压器龙政直流输电系统龙泉换流站1/12/202330特高压直流试验基地试验1/12/202331三、变电站及其主要设施变电站：把一些设备组装起来，用以切断或接通、改变或者调整电压，在电力系统中，变电站是输电和配电的集结点变电站分为：升压变电站，主网变电站，二次变电站，配电站。变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。

1/12/2023321、变压器变压器是变电站的主要设备，分为双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器变压器按其作用可分为升压变压器和降压变压器前者用于电力系统送端变电站，后者用于受端变电站。为了在不同负荷情况下保持合格的电压有时需要切换变压器的分接头。按分接头切换方式变压器有有载调压和无载调压变压器。有载调压变压器主要用于受端变电站。

1/12/2023331/12/2023342、开闭电路的开关设备断路器在电力系统正常运行情况下用来合上和断开电路；故障时在继电保护装置控制下自动把故障设备和线路断开，还可以有自动重合闸功能。我国220kV以上变电站使用较多的是空气断路器和六氟化硫断路器。1/12/202335绝缘子支持型结构示意图开断元件支持瓷瓶操动机构1/12/202336断路器的积木组合方式示意图SW2-110型少油断路器每相单柱双断口1/12/202337隔离开关〔刀闸)的主要作用是在设备或线路检修时隔离电压，以保证平安。它不能断开负荷电流和短路电流，应与断路器配合使用。在停电时应先拉断路器后拉隔离开关送电时应先合隔离开关后合断路器。如果误操作将引起设备损坏和人身伤亡。1/12/202338隔离开关演示1/12/202339户外型双柱式GW4-220型隔离开关1/12/202340户外型三柱式GW7-500型隔离开关（开断状态）GW7A—220型三柱式隔离开关（关合状态）1/12/202341GW5A-35、66、110系列隔离开关户外型V形1/12/202342户外型剪刀型1/12/202343负荷开关能在正常运行时断开负荷电流，一般与高压熔断丝配合用于10kV及以上电压且不经常操作的变压器或出线上。要区别于高压断路器，负荷开关没有灭弧能力，不能开断故障电流，只能开断系统正常运行情况下的负荷电流,负荷开关由此而得名。户内真空负荷开关—熔断器组合电器FN12高压负荷开关1/12/2023443、聚集电流的母线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——母线。母线作用：聚集、分配和传送电能。由于母线在运行中，有巨大的电能通过，短路时，承受着很大的发热和电动力效应，必须合理的选用母线材料、截面形状和截面积以符合平安经济运行的要求。

500kV悬挂式管形母线1/12/2023454、计量和控制用互感器电压互感器和电流互感器。它们的工作原理和变压器相似它们把高电压设备和母线的运行电压、大电流即设备和母线的负荷或短路电流，按规定比例变成测量仪表、继电保护及控制设备的低电压和小电流。电流互感器电压互感器1/12/2023465、继电保护装置和防雷保护装置继电保护根本任务：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，以减轻或防止设备的损坏和对相邻地区供电的影响。熔断器、电磁型继电保护装置、电子型静态继电器、数字式继电保护。

发电机变压器保护装置高压熔断器1/12/202347发电厂和变电站防雷接地，其接地网电阻要求小于0.5欧姆。同时要考虑土壤电阻率，地网设计使用年限〔标准中是30年〕，地理位置与防雷击等级。防雷接地焊接照片1/12/2023486、调度通信装置调度保障电网平安、稳定、正常运行和对电力用户平安可靠供电。保证电能质量，保持频率、电压、波形合格。电力通信：协调电力系统发、送、变、配、用电等组成局部的联合运转及保证电网平安、经济、稳定、可靠的运行，并保障电力生产、电力调度、水库调度、燃料调度、继电保护、平安自动装置、远动、计算机通信、电网调度自动化等通信需要。1/12/202349为了减少变电站的占地面积近年来积极开展六氟化硫全封闭组合电器(GIS)：把断路器、隔离开关、母线、接地开关、互感器、出线套管或电缆终端头等分别装在各自密封间中集中组成一个整体外壳充以六氟化硫气体作为绝缘介质。这种组合电器具有结构紧凑体积小重量轻不受大气条件影响，检修间隔长，无触电事故和电噪声干扰等优点，具有开展前765kV已在变电站投人运行。目前，它的缺点是价格贵，制造和检修工艺要求高。运行在巴基斯坦的252KVGIS

运行在中国福建水口电站的550KVHGIS1/12/2023507、无功补偿设备无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的，电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的，大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也要消耗无功功率。无功功率要求实现就地平衡补偿。无功补偿装置：同步调相机、并联电容器、静止无功补偿装置SVC、静止无功发生器SVGZDW型无功自动补偿装置是一种集配电变压器、箱式变压器电气参数测量、记录、无功自动补偿、通讯和RTU〔三遥〕功能于一体的多功能综合装置。南京紫金电力保护设备1/12/202351第二节电力系统分析概论电力系统运行的特点电能的生产和使用同时完成。正常输电过程和故障过程都非常迅速。具有较强的地区性特点。与国民经济各部门关系密切。1/12/202352电力系统元件参数和等值电路同步电机的根本方程电力系统短路电流计算简单电力网络稳态运行分析和计算电力系统潮流计算电力系统的有功功率和频率调整电力系统的无功功率及电压调整电力系统静态、暂态稳定性1、电力系统分析课程内容1/12/2023532、电力系统分析软件电力系统分析软件用数学模型和数值方法对系统的运行特性进行研究，可用来确定规划设计方案、拟定运行方式、整定自动装置的控制参数、进行事故分析和辅助运行人员作出正确的决策。此外还可用于教学和培训。国际上有多种电力系统分析软件包，在各国电力系统的实践和研究中发挥了很大的作用。这些软件包可以运行在工作站和PC机等硬件平台上，支持UNIX和Windows等操作系统。1/12/2023541〕BPA〔PSD〕程序中国版的BPA程序是由中国电力科学院引进、消化、吸收美国BPA程序开发而成。从1984年开始在我国推广应用以来，已在我国电力系统规划部门、调度运行部门、试验研究部门得到了广泛的应用，成为我国电力系统分析计算的重要工具之一。PSD软件主体由下述程序组成：中国版BPA潮流及暂态稳定计算、新一代的电网计算数据库、EMTPE电力电子与电磁暂态仿真、VSAP静态电压稳定分析软件、FDS全过程动态仿真、短路电流计算、动态等值、小干扰稳定分析及无功优化；辅助工具主要包括：PCS电力系统数字平台、地理接线图格式及单线图格式潮流图绘制、集成开发环境、仿真曲线分析工具等等。

1/12/202355图地理接线图格式潮流图程序应用效果图1/12/2023561/12/2023572〕中国电力科学院其他电力系统大型计算机分析系统电力系统分析综合程序PSASP7.0〔拥有自主知识产权〕电力系统动态平安评估和决策支持系统电力系统数字实时仿真装置在线PSASP图PSASP1/12/202358电力系统动态平安评估和决策支持系统随着电网互联规模扩大，稳定问题日益突出；电力市场化以后，电网运行裕度减小，调度控制难度增加。为了保证系统平安，需要有基于动态信息的分析工具和辅助决策的电网调度手段,即大规模互联电网的在线动态平安评估〔DSA〕和决策支持系统。1/12/2023593〕PSS/EOPFPIT美国电力技术咨询公司在电力系统分析领域居世界之首，其PSS/EOPF〔用于电力系统工程的仿真器的优化潮流〕是个功能强大，使用方便的电力网络分析工具。突破常规的潮流分析，为用户提供了全面优化和调整输电系统运行的能力。PSS/EOPF完全嵌入在PSS/E的潮流程序中，使得这种优化和调整更为容易。PSS/EOPF把职能融入潮流求解过程中，大大提高了分析电力系统性能的效率。常规的潮流依赖于工程师系统地研究各个解后才能找到一个满意的“良好〞解，而PSS/EOPF直接改变各种控制从而迅速地确定“最优〞解。几乎对于任何一个合理的初始点，OPF肯定能求得唯一的全局最优解，并同时满足系统约束，使本钱减少到最小或使系统性能最正确。1/12/2023601/12/202361相关企业目录国电南京自动化股份/主要从事上下压输配电线路保护、电力主设备保护、变电站综合自动化系统、电网调度自动化系统、配网自动化系统、(水、火)发电厂自动化系统、平安稳定控制系统、铁路自动化控制系统、电力信息管理系统、电力营销管理系统、客户效劳中心管理系统、变电站设备在线监测系统以及环保系统等其他自动化产品的研发和生产。除继续加强在电力系统自动化领域的竞争优势外，广泛开展与电力营销、环保、电力信息应用、电力通信设备、轨道交通控制设备等领域的产品研发。

南京南瑞继保电气保护公司/专业从事电力系统保护和控制领域的技术研究、产品开发、生产销售和工程效劳。产品主要有输电线路、高压变压器等各类保护装置、电网平安稳定控制装置、变电站综合自动化系统。1/12/202362许继集团:///许继集团以电力系统自动化、保护及控制产品的研制、生产为主导，并进入民用机电、环保工程和电子商务等领域。

1/12/202363第五节电力系统自动化技术电力系统自动化是电力系统一直以来力求的开展方向发电控制的自动化〔AGC已经实现，尚需开展〕电力调度的自动化〔具有在线潮流监视，故障模拟的综合程序以及SCADA系统实现了配电网的自动化，现今最热门的变电站综合自动化即建设综自站，实现更好的无人值班；调度员培训仿真系统为调度员学习提供了方便〕配电自动化(DAS已经实现,尚待开展〕1/12/2023641、发电控制的自动化AGC有功发电自动控制系统单一遥调模式：

机组在这种方式下运行，AGC控制方式在当地，AGC的投、退由现场运行调度人员和省调值班人员通过调度通信完成，并由现场运行人员在DCS系统上完成AGC的投退。省调仅仅下传一个AGC功率指令给当地的远动装置RTU，通过远动装置RTU的遥调功能来实现对机组的AGC自动控制。1/12/2023652、电力调度的自动化通过分析，结合电网的实际运行情况，提出了合理调整电网运行电压；加强无功管理，提高电网功率因数；调整变压器的经济运行；合理安排设备检修等措施。到达降低电网能量损耗，实现经济运行的目的。

1/12/202366EPIA-2000变电站综合自动化系统针对200kV及其以上等级变电站设计的开放式变电站计算机监控系统。系统以计算机和网络技术为依托，面对变电站通盘设计。面向线路、旁路、母联、电抗器、电容器、分段、变压器等电气安装单位进行设计，一个对象一个装置，完成一个对象的测量、控制、通信、等所有需求。站级控制层为全所设备的监视、测量、控制、管理的中心，通过光纤传输，接受现场采集的数字量、模拟量与电度量信息，以及向现场发布控制命令，通过运开工作站与调度端进行远方数据通信。现已在全国300多个变电站、电厂投运。1/12/2023671/12/202368TS-2000培训仿真系统包括电网调度员培训仿真系统和变电站培训仿真系统，可以进行电力系统暂态、中长期过程一体化仿真。采用多媒体三维动画技术、虚拟现实技术实现变电站设备巡视系统。采用基于Web的远程培训技术实现一二次设备原理、图纸、典型操作、典型故障的演示培训课件系统。1/12/202369应用功能多级电网调度员、变电站运行人员联合反事故演习电网调度员仿真培训变电站运行人员仿真培训集控站运行人员仿真培训高压电气设备预防性试验及电缆故障寻测人员仿真培训电力设备检修人员仿真培训输变电设备多媒体培训平安生产培训1/12/2023703、配电自动化配电自动化系统〔DAS〕是一种可以使配电企业在远方以实时方式监视、协调和操作配电设备的自动化系统；其内容包括配电网数据采集与监视〔SCADA系统〕、配电地理信息系统〔GIS〕和需求侧管理〔DSM〕几个局部。完整的配电网自动化系统包含了四个主要环节：供电网络、远动系统、通信系统、主站网络。1/12/202371iES-DMS1000配电自动化主站系统面向城网配电自动化，充分考虑配电自动化系统实施的层次结构和可扩展要求。综合配网监视控制、配网自动化、配网设备管理和配网分析功能，构成了一个完整的配电管理系统。1/12/2023721/12/202373主要涉及课程电力系统分析电力系统稳定性继电保护电力系统调度自动化电力市场营销1/12/202374中国电力新组建的公司中国葛洲坝集团公司中国水利水电建设集团公司中国水电工程参谋集团公司中国电力工程参谋集团公司中国电力投资集团公司中国国电集团公司中国华电集团公司中国大唐集团公司中国华能集团公司中国南方电网国家电网公司1/12/202375〔1〕国家电网公司受国家有关部门委托，协助制定全国电网开展规划，提出全国电力工业开展规划的建议。参与投资、建设和经营相关的跨