第三章 电力系统及其自动化技术

四、电力网电网的构成和功能电力网络由不同电压等级的电力线路、变压器和相应的配电装置构成。电力网络的功能是输送和分配电能并进行电压变换。电力网可分为输电网和配电网，大型电力网的结构通常以电压等级进行分层；输电网将发电厂的电能通过高压输电线送到负荷中心，其额定电压通常为220～750kV，它是电力系统的主干网；配电网将电能通过配电线路送到电能用户，可以分为高压、中压、和低压配电网；高压配电网的电压一般为35～110kV或更高；中压配电网的电压一般为1～35kV；低压配电网的电压一般为380/220V。130000MW30000MW10000MW40000MW20000MW10000MW40000MW10000MW四、电力网2四、电力网3四、电力网电力线路电力线路分为架空线路和电缆线路。架空线路主要由导线、避雷线（又称架空地线）、杆塔、绝缘子串合金具等部分组成。导线用来传导电流，输送电能；避雷线用来将雷电流引入大地，保护线路免遭直击雷的破坏；杆塔用来支撑导线和避雷线；绝缘子用来使导线与导线、导线与杆塔之间保持绝缘状态；金具用来固定、悬挂、连接和保护架空线路各主要元件的金属器件的总称。4四、电力网5四、电力网电力线路电缆是将导电芯线用绝缘层及防护层包裹，敷设于地下、水中、沟槽等处的电力线路。特点：造价高，故障定位和检修困难；占地面积少，供电可靠；不影响城市环境。6四、电力网变电站的功能和构成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，它通过变压器将各级电压的电网联系起来。主要设备：变换电压的变压器；开闭电路的开关设备；汇集和分配电能的母线；计量和控制用的互感器、仪表、继电保护装置；防御过电压的防雷装置，如：避雷器、避雷针等；通信装置；无功补偿装置。7四、电力网-变电站8四、电力网-变电站9四、电力网

—学生到变电站实习参观10四、电电力网网—变压器器11四、电电力网网配电系系统的的功能能和构构成配电系系统是电力力系统统的一一部分分，由由电压压等级级为110kV及以下下的线线路和和设备备构成成，电电力系系统通通过配配电网网络直直接向向用户户供电电，主主要由由配电电变电电站、、配电电线路路等构构成。。主要包包括：：1kV以下低低压配配电；；1～35kV中压压配电电；35～110kV高压配配电。。12四、电电力网网电网调调度和和运行行电能特特点：：电能目目前不不能大大量存存储；；暂态过过程非非常迅迅速，，以10-3～10-6s计；意外供供电中中断，，给国国民经经济造造成重重大损损失；；电能质质量要要求十十分严严格。。电力系系统调调度管管理是是指对对电力力系统统全局局安全全经济济运行行和事事故处处理的的问题题进行行计划划、指指挥、、控制制、协协调等等工作作的总总称。。调度管管理的的任务务保证电网网经济、、安全可可靠运行行，提供供合格的的电能质质量。调度管理理的内容容电力系统统分层调调度管理理：国调调、网调调、省调调、地调调、县调调。13四、电力力网—某电力系系统地区区调度室室14四、电力力网电网的安安全稳定定控制电力系统统安全控控制的主主要内容容包括对对电力系系统进行行安全监监视和安安全分析析，提出出安全控控制对策策并予以以实施。。安全监视视：利用用数据采采集和传传输系统统获得电电力系统统实时信信息，供供运行人人员及时时处理。。安全分析析：在安安全分析析的基础础上，对对预想事事故的影影响进行行估算。。分为静静态安全全分析和和动态安安全分析析。安全控制制：在电电力系统统各种运运行状态态下，为为保证系系统安全全所进行行的各种种调节、、校正和和控制。。包括：：预防性性安全控控制、紧紧急状态态下的安安全控制制和事故故后的恢恢复控制制。15四、电力力网—电网的安安全稳定定控制电力系统统故障主要包括括单相接接地短路路、两相相接地短短路、两两相短路路、三相相短路、、断线等等；故障可能能引起的的后果：：短路故障障点强大大的短路路电流及及燃起的的电弧，，可能损损毁设备备；部分区域域电能质质量下降降；短路电流流的热效效应和电电动力效效应会损损坏设备备或缩短短设备寿寿命；电力系统统稳定性性遭到破破坏，产产生振荡荡，甚至至引起系系统瓦解解。16四、电力力网—电网的安安全稳定定控制电力系统统非正常运运行状态态主要包括括过负荷荷、过电电压、非非全相运运行、振振荡（非非同步运运行）、、次同步步谐振、、同步发发电机短短时失磁磁异步运运行等。。故障和非非正常运运行都能能引起系系统事故故（如电电压崩溃溃事故、、频率崩崩溃事故故）。事故是指系统统的全部部或部分分的正常常运行遭遭受破坏坏，造成成对用户户停止供供电、少少送电或或电能质质量下降降，甚至至造成人人身伤亡亡、设备备损坏等等。继电保护护装置就是能迅迅速反应应电力系系统中电电气元件件发生的的各种故故障及不不正常运运行状态态，并有有选择性性地动作作于跳闸闸或发出出信号的的一种自自动装置置。此外，自动重合合闸、备用电源源自动投投入装置置、按频率自自动减负负载、自动发电电控制装装置、自动励磁磁调节装装置、电力系统统安全稳稳定装置置等自动装装置都是是保证电电力系统统安全稳稳定运行行的重要要自动化化设备。。17五、电力力应用照明照明大致致分为两两种：一是由电电能转化化成热能能，然后后再转化化成光能能的光源源，如白白炽灯等等。另一种是是利用放放电而转转化成光光能的光光源，如如荧光灯灯、高压压汞灯、、霓虹灯灯等。(d)(a)

(b)(e)(c)铝蒸镀面钨灯丝灯丝支架石英玻璃Ar气体+卤素化合物钼箔红外反射膜石英玻璃可见光红外线钨灯丝（a）（b）（c）（d）（e）荧光粉水银原子电子氩原子可见光镇流器~启辉器18五、电力力应用电加热电加热是是以电能能为能源源加热物物料，并并通过电电炉、电电焊机等等来实现现加热的的一种方方法。电加热大大致分为为两种：：一是电能能在电炉炉、电热热器具上上转变成成热能后后加热物物料，如如电炉、、电弧炉炉、感应应炉、微微波炉、、光波炉炉等。另一种是是利用电电能驱动动热泵，，把热能能从温度度较高的的物体输输送给温温度较低低的物体体,如热泵等等。应用:工业领域域：冶炼炼、热处处理、焊焊接等农业领域域：温室室培育等等家庭生活活：烹饪饪、取暖暖等19五、电力力应用电力拖动动电力拖动动是以电电动机作作为原动动机拖动动生产机机械运动动的一种种拖动方方式，又又称电气气传动或或电力传传动。电动机功率开关控制器件电源传递机构工作机械机械连接电连接电力拖动动的应用用领域极极其宽广广，从一一般的家家用电器器到工业业机床设设备、电电动交通通工具等等，在国国防、国国民经济济和人民民生活的的方方面面面都有有应用，，是电能能最主要要的应用用方式之之一。20五、电力力应用电力拖动动电力牵引引就是其其中一个个较大的的应用领领域。如如：电气气化铁路路、地下下铁道及及其他电电力牵引引城市轨轨道交通通、矿山山电力机机车、城城市公共共电车。。21六、电力力市场简简介电力市场场的概念念电力市场场是采用用经济、、法律等等手段，，本着公公平竞争争、自愿愿互利的的原则，，对电力力系统中中发电、、输电、、供电、、用电等等各组成成员协调调运行的的管理机机制和执执行系统统的总和和。电力市场场的基本本特征：：开放性性、竞争争性、计计划性和和协调性性。电力市场场首先是是一种管管理机制制，同时时还是体体现这种种管理机机制的执执行系统统。包括括贸易场场所、计计量系统统、计算算机系统统、通信信系统等等。电价是电电力市场场的杠杆杆和核心心内容。。转运业务务是电力力市场重重要的贸贸易形式式。22六、电力力市场简简介电力市场场的概念念电力市场场是采用用经济、、法律等等手段，，本着公公平竞争争、自愿愿互利的的原则，，对电力力系统中中发电、、输电、、供电、、用电等等各组成成员协调调运行的的管理机机制和执执行系统统的总和和。电力市场场的基本本特征：：开放性性、竞争争性、计计划性和和协调性性。电力市场场首先是是一种管管理机制制，同时时还是体体现这种种管理机机制的执执行系统统。包括括贸易场场所、计计量系统统、计算算机系统统、通信信系统等等。电价是电电力市场场的杠杆杆和核心心内容。。转运业务务是电力力市场重重要的贸贸易形式式。23六、电力力市场简简介电力市场场的兴起起我国电力力体制改改革的三三个阶段段：第一阶段段：1985年实施集集资办电电政策—20世纪90年代初期期，解决决缺电问问题。第二阶段段：20世纪90年代初期期—1998年撤销电电力工业业部前，，提出逐逐渐实施施电力体体制改革革，方案案为：政企分开、、厂网分开开、输供分分离、实施施公司化改改组；统一开放、、竞价上网网、建立电电力交易市市场；依法管理、、竞争有序序，建立健健全电力市市场法规体体系和监管管体系。第三阶段：：1998年撤销电力力工业部—目前，实行行“厂网分分开、竞价价上网”试试点。24六、电力市市场简介电力市场的的基本原则则基本目标是是：打破垄垄断，引入入竞争，提提高效率，，降低成本本，健全电电价机制，，优化资源源配置，促促进电力发发展，推进进全国联网网，构建政政府监管下下的政企分分开、公平平竞争、开开放有序、、健康发展展的电力市市场体系。。电力市场最最基本的原原则是公平。为保证电力力市场公平平竞争的原原则，必须须做到：电力市场要要有公开性性（包括成成本、定价价、计量、、计划等）），以便监监督；扩大自由选选择权力，，保证电网网的开放；；必须建立有有关法律法法规、标准准、规约，，使竞争规规范化。25六、电力市市场简介电价和电力力市场运行行模式制定电价的的基本原则则为：成本本为主，合合理利润，，公平负担担，促进用用户合理用用电。我国电力市市场两种可可能的运行行模式：统一市场：以个发电电厂、供电电公司为单单位统一在在网级电力力市场中竞竞争，为了了适应现状状，各省设设结算中心心和调度中中心；联合市场：以省为单单位参加竞竞争（分层层模式），，保留现有有的省级电电力市场的的所有职能能（交易中中心、调度度中心、报报价系统）），省级电电力市场的的交易仍然然由省网交交易中心控控制；网级级电力市场场进行网控控发电公司司/发电厂、网网控负荷和和各省网之之间的市场场竞争。26六、电力市市场简介电力市场下下的电力系系统电力市场给给电力系统统的科学研研究、发展展建设和运运营管理等等方方面面面带来机遇遇和挑战。。主要技术问问题：如何灵活控控制潮流？？最优输送？？电网的安全全、稳定运运行？如何实现统统一调度？？27七、电力新新技术和发发展趋势我国发展能能源的指导导方针是：：大力（优优先）发展展水电，继继续发展火火电，适当当发展核电电，积极发发展新能源源发电，同同步发展电电网，促进进全国联网网。电力技术属属于传统技技术的范畴畴，技术创创新和出现现重大突破破的机会要要比信息科科学、生命命科学、材材料科学等等新兴学科科少得多。。但是，应应该看到，，电力技术术与其他学学科的相互互交叉和渗渗透的趋势势越来越明明显。电力力研究的一一些前沿课课题反映了了这种趋势势。以下将对若若干电力前前沿技术的的现状和未未来发展前前景进行简简介:28七、电力新新技术和发发展趋势1高压交流输输电技术三相高压交交流输电技技术常规的三相相交流输电电在远距离离输电工程程中占主导导地位，在在未来相当当长的时间间内仍然是是输电和联联网的主要要方式；前苏联建成成了900km的1150kV特高压输电电线路并经经过了试运运行，后因因无电可送送等原因而而降压为500kV运行；未来交流输输电发展的的重点将是是采用新技技术充分利利用线路走走廊输送更更多的电力力。29七、电力新新技术和发发展趋势多相交流输输电多相交流输输电以多相相（相数大大于3）交流电形形式实现电电能输送；；特点：相同同的线路走走廊和占地地面积，多多相输电可可提高由线线路发热条条件决定的的负荷容量量，可设计计得更“紧紧凑”适合合线路路径径受限制的的地区，可可以接入三三相交流输输电系统，，不需经过过多相交流流变电所；；多相交流输输电已经入入工业性试试验和试运运行阶段。。30七、电力新新技术和发发展趋势灵活交流输输电灵活交流输输电（FACTS）是基于电电力电子技技术与现代代控制技术术对交流输输电系统的的阻抗、电电压、相位位实施灵活活快速调节节的输电技技术；出现背景：：发展互联电电网的需要要；发展电力市市场的需要要；电力电子器器件的快速速发展使灵灵活交流输输电的设想想成为现实实。灵活交流输输电技术的的核心就是是利用电力力电子器件件可以按照照控制系统统的要求，，应用现代代换流技术术和控制技技术，实现现电压、阻抗或相位位大幅度灵灵活控制。。31七、电力新新技术和发发展趋势2高压直流输输电技术端对端直流流输电该技术是一一项成熟的的远距离输输电技术，，预计端对对端直流输输电在未来来仍是远距距离输电和和联网的重重要方式。。32七、电力新新技术和发发展趋势多端直流输输电技术为了解决直直流输电多多电源供电电、多落点点受电问题题，研究出出多端直流流输电技术术。33七、电力新新技术和发发展趋势新一代直流流输电技术术未来直流输输电技术的的发展趋势势是在应用用可关断器器件组成的的换流器进进一步改善善输电性能能的同时，，大幅度简简化设备，，减少换流流站的占地地，降低造造价，以便便在技术经经济上比其其它输电方方式更具竞竞争力；典型例子是是：所谓轻型直直流输电（（HVDCLight），它采用用IGBT等可关断的的器件组成成换流器；；使用户外换换流阀以节节省阀厅的的建设费用用；应用连续调调节交流滤滤波器、有有源滤波器器等技术大大幅度减少少户外场的的占地。34七、电力新新技术和发发展趋势3新型输电线线路紧凑型线路路紧凑型线路路是指增加加分裂导线线数、缩短短相间距离离、合理排排列相导线线等措施以以降低线路路波阻抗，，从而提高高线路输送送能力的输输电线路。。研究的主主要目的是是提高线路路的输送能能力，节省省线路走廊廊；从20世纪60年代起，美美国、前苏苏联、法国国、巴西等等国建成了了各种电压压等级的紧紧凑型线路路，我国也也建成了一一条500kV的紧凑型线线路，正在在试运行中中。35七、电力新新技术和发发展趋势气体绝缘线线路气体绝缘输输电线路（（GIL）是以六氟氟化硫气体体绝缘的、、带有与导导体同轴的的接地金属属外壳的输输电线路，，与电缆相相比，其优优点是绝缘缘击穿后可可恢复、承承载电流大大；气体绝缘输输电线路已已在美国、、德国的水水力发电厂厂的出线等等场合得到到了应用。。未来由于输输电线路走走廊的获得得越来越困困难，气体体绝缘输电电线路的研研究和开发发受到重视视。36七、电力新新技术和发发展趋势超导输电线线路超导输电线线路是一种种低损耗的的输电方式式；日本正在开开发6kV、1000MVA的超导电缆缆；美国也制造造出12.4kV、1250A的三相超导导电缆系统统；我国也有超超导输电线线路在南方方电网试运运行；超导电缆的的价格很高高，冷冻系系统的可靠靠性有待检检验，用于于长距离输输电工程的的前景还不不明朗。37七、电力新技技术和发展趋趋势4洁净煤发电技技术当今我国的火火力发电机组组效率低，污污染物排放量量大，与先进进国家相比有有较大差距，，所以要大力力推广洁净煤煤发电技术，，建设大型循循环流化床锅锅炉，增压硫硫化燃气-蒸汽联合循环环和整体煤气气化燃气-蒸汽联合循环环示范工程，，采用高效脱脱硫脱硝装置置，以使之达达到世界先进进水平。火电厂生产流流程主要包括括四大系统：：燃烧系统、、汽水系统、、电气系统和和控制系统。。后面的两个个系统和本专专业关系密切切。38七、电力新技技术和发展趋趋势5分布式发电技技术当今的分布式式电源主要是是指用液体或或气体燃料的的内燃机(IC-internal-combustionengine)、微型燃气轮轮机（Micro-turbines）和各种工程程用的燃料电电池（FuelCell）。因其具有良好好的环保性能能，分布式电电源与“小机机组”已不是是同一概念。。39七、电力新技技术和发展趋趋势应用背景输电线路建设设费用增加。。由于公众对对输电线路可可能产生的电电磁影响的忧忧虑，开辟新新的线路走廊廊越来越困难难。例如，北北美和西欧许许多国家已决决定一般不再再兴建新的输输电线路。于于是，直接安安置在用户近近旁的分布式式发电装置便便成为一种替替代方案。与大电网配合合提高供电可可靠性。分布布式电源可大大大地提高供供电可靠性，，可在电网崩崩溃和意外灾灾害（例如地地震、暴风雪雪、人为破坏坏、战争）情情况下，维持持重要用户的的供电。加拿拿大魁北克省省1997年冰雪灾造成成输配电线路路灾难性破坏坏，引起大面面积停电，许许多重要用户户长期不能恢恢复供电。40七、电力新技技术和发展趋趋势微型燃气轮机机微型燃气轮机机（MicroTurbine）,是功率为几千千瓦至几十千千瓦，转速为为96

000

r/min，以天然气、、甲烷、汽油油、柴油为燃燃料的超小型型燃气轮机，，工作温度500

℃，其发电效率率可达30%。目前国外已进进入示范阶段段。其技术关键是是高速轴承、、高温材料、、部件加工等等。可见，电电工技术的突突破常常取决决于材料科学学的进步。41七、电力新技技术和发展趋趋势燃料电池燃料电池是直直接把燃料的的化学能转换换为电能的装装置。它是一一种很有发展展前途的洁净净和高效的发发电方式，被被称为21世纪的分布式式电源。燃料电池的工工作原理颇似似电解水的逆逆过程。氢基基燃料送入燃燃料电池的阳阳极(电源的负极)转变为氢离子子，空气中的的氧气送入燃燃料电池的阴阴极(电源的正极)，负氧离子通通过2极间离子导电电的电解质到到达阳极与氢氢离子结合成成水，外电路路则形成电流流。42七、电力新技技术和发展趋趋势分散的电能储储存技术由于分布式的的电源的应用用及提高电网网可靠性和调调峰的需要，，分散的储能能系统的重要要性日益增加加。如：电池储能能系统、超导储能系统统、飞轮储能系统统、燃料电池储能能系统等。43七、电电力新新技术术和发发展趋趋势6定质电电力技技术定质电电力（（CustomPower）技术术是应应用现现代电电力电电子技技术和和控制制技术术为实实现电电能质质量控控制，，为用用户提提供用用户特特定要要求的的电力力供应应的技技术。。在现代代企业业中，，由于于变频频调速速驱动动器、、机器器人、、自动动生产产线、、精密密的加加工工工具、、可编编程控控制器器、计计算机机信息息系统统的日日益广广泛使使用，，对电电能质质量的的控制制提出出了日日益严严格的的要求求。这这些设设备对对电