第一章电力系统基本概念

第一章电力系统基本概念2015年电力系统工程学科的范畴电力系统工程学科是电工学科的分支，包括1电力系统理论2输配电技术3电力系统规划4电力系统运行5电力系统保护6电力系统控制电力系统理论：电路、电磁场和电机理论，是其它各个领域的理论基础。输配电技术：超高压输电线路、远距离交直流输电系统，以及提高输电线路输送能力等。电力系统规划：远景负荷规划、电源规划、网络规划、可靠性分析，环境保护、生态平衡等。电力系统运行：稳态运行分析、暂态过程分析、安全性分析、电能质量管理，运行方式优化等。电力系统保护：故障分析、元件保护、线路保护、系统性故障保护和过电压及其防护等。电力系统控制：数据采集、个别变量的调节、电能质量控制、运行优化控制、安全性控制、能量管理系统等。电力系统研究工具研究工具：数学模型和物理模型；数学仿真：国内：PSS、BPA、PSASP等；国外：EMTP、PSCAD/EMTDC；教学：PowerWorldSimulator等；物理模拟：也称动态模拟。发电机、变压器、电动机等都用相应的实物模拟。将它们按给定的接线方式组成模拟系统后，就可运用表计直接观测其中出现的各种物理现象。稳态和暂态稳态：变化范围很小的状态、相对静止的运行状态潮流计算，频率调整，电压调整暂态：变化范围较大。从一种运行状态过渡到另一种运行状态。波过程（高电压技术）、电磁暂态过程（短路分析与计算）、机电暂态过程（发电机转子运动变化规律）本课程范围=电力系统稳态分析+电磁暂态过程本课学习内容电力系统稳态分析（预计40学时）电力系统基本概念，数学模型潮流计算有功功率和频率调整无功功率和电压调整电磁暂态分析（预计20学时）对称故障，不对称故障参考资料教材类:（1）《电力系统分析》上下册，华中理工大学，何仰赞（2）《电力系统分析》，浙江大学出版社，韩祯祥《PowerSystemAnalysisandDesign》J.DuncanGlover,Mulukutla.S.Sarma杂志类:《中国电机工程学报》《电力系统自动化》《电网技术》《中国电力》等参考资料网络:校园网：图书馆网站上的“中国学术期刊全文数据库”、“书生之家”、“IEEE”，精品课网站国内外电力企业相关网站中国电力企业联合会：中国电力监管委员会：国家电力信息网：东京电力公司：英国国家电网：北美可靠性管理委员会：……如何找我？邮箱：办公室(电力市场研究所)：J5B304,主楼D547课程公共信箱：

密码：dlxt2015信箱里有啥?参考资料，课件，作业本课与其他课程的关系承上高等数学、线性代数等电路、电机学等启下电力系统暂态分析发电厂电气部分继电保护第一章电力系统的基本概念第一章提纲1.1电力系统概述1.2电力系统运行特点和要求1.3电力系统的接线方式和电压等级1.4电力系统中性点的运行方式1.1电力系统概述1.1.1电力系统的结构1.1.2电力系统的形成和发展1.1.1电力系统的结构1.电网（变压器+线路）2.发电3.负荷电力系统结构示意图发电机变压器输电线生产电能传输和分配电能消耗电能输配电系统（电网）基本定义电力系统：由发电机、变压器、电力线路、用户等在电气上互相连接所组成的有机整体，能实现电能的生产、输送、分配和使用。电力网：电线路和与它相连的变压器组成，简称电网。输电网：由电源向电力负荷中心输送电能的线路，远距离、大容量、高电压。配电网：在负荷中心，把电能分配给各个用户，短距离、小容量、低压。基本定义动力部分火力发电厂的锅炉、汽轮机、供热网络等水利发电厂的水库、水轮机。核能发电厂的反应堆。风能、太阳能等。动力系统电力系统+动力部分传统电能生产形式火力发电：包括热电厂，以煤、石油、天然气等为燃料；水电厂：坝式、梯级、径流式等；核电厂：核聚变、核裂变。凝气式火电厂生产示意图发电厂基本部件锅炉：化学能转化成热能汽轮机：热能转化成机械能水轮机：水的势能转化为机械能发电机：机械能转化成电能升压站：电能传输的起点发电机三相同步发电机工作原理输出电压10.5kV、20kV等容量200MW、300MW、600MW……标准煤耗300～500g/kWh新能源发电形式风能：将风的机械能转变为电能太阳能：太阳热能发电和光伏发电两类生物质能：生物质燃烧发电，气化发电以及沼气发电技术燃料电池：燃料的化学能直接转化成电能的装置，直接将天然气、煤气、石油等燃料中的氢气借助电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电。潮汐电站，垃圾发电，地热能等。蹦蹦跳跳身体好电力系统的用电设备（负荷）异步感应电动机电弧炉照明设备各种电器等日负荷曲线0481214182224时间负荷（MW）2003年全国日发电量曲线图1.1.2电力系统的形成和发展1.1831年法拉第发现了电磁感应定律：出现交流发电机、直流发电机和直流电动机。原始的电力线路100～400V低压直流电；2.1882年，第一次高压输电，法国人，蒸气机――水泵（57km），1500～2000V，功率1.5KW，世界上第一个电力系统；3.1885年研制出变压器，出现单相交流输电；4.1891年研制出三相变压器和三相异步电动机，实现三相交流输电；5.1891年法兰克福国际电工技术展览会上，德国人，水轮发电机组（95V）――升压变压器（25000V）――（178km）降压变压器（112V）――白炽灯和电动机近代电力系统的雏形；输电的发展：距离电压功率直流—交流—直流交、直流输电之争推荐一本书：《光电帝国》---电力发展史上的巨人和他们的战争电力商业史不只是爱迪生发明了电灯那么简单，里面有挫折，有成就，有天才，有小人，有梦想，有坚持，当然还有商业史中必不可少的尔虞我诈电力发展史上的巨人：爱迪生，特斯拉，威斯汀豪斯(西屋)

爱迪生：双耳失聪，1099项发明，具有惊人的创造性和工业策划能力，是一位非常聪明的试验者，但是却缺乏数学知识和复杂的理论洞察力(号称稻草里找针)，执着于直流输电。1915年获得诺贝尔奖提名晚年重病缠身天才，是99%的汗水，加1%的运气乔治·威斯汀豪斯（亦译西屋）：1886年，他创办了西屋电器公司并购买了N.特斯拉的交流电动机专利，在美国推广交流电机发电和交流输电。威斯汀豪斯在与爱迪生激烈竞争后，以交流发电方式赢得开发尼亚加拉水电站的承建合同，公司也随之兴盛。以后，在经营中失利而失去对西屋电器公司的控制。1912年与公司脱离关系，最后于1914年3月12日贫病中去世于纽约GeorgeWestinghause

尼古拉·特斯拉：为纪念他在电工学方面的诸多成就，磁感应强度单位被命名为特斯拉。美国尼亚加拉大瀑布旁的公园中竖立着特斯拉的铜像，以纪念他在修建尼亚加拉水电站时的杰出贡献。他通过对现象精确地数学解析，完成了很多伟大的创造性工作。在设计任何设备之前都从理论的角度去分析问题，直到得出绝对有把握的结果，才会付诸实践。1937年获得诺贝尔奖的提名他终身不娶，最后遁世隐居，穷困潦倒，孑然一身，孤独死去近代电力系统1.电源成分和负荷成分的巨大变化2.运行管理上的高度自动化3.输电电压，输电距离，输电功率上的巨大变化。 交流输电电压超过1000kV，输电距离超过1000km，输电功率超过3000MW。直流输电电压达到±800kV（四川-上海）当前电力系统的热点问题能源互联网：全球能源互联网能源互联网+智能电网微型电网（简称微网）特高压可再生能源发电（风电、太阳能等）我国电网的发展历史1、1882年孤岛发电2、二十世纪40年代是地区电网3、50年代是省级电网4、70年代发展成区域电网5、90年代发展成跨区联网我国能源与负荷分布情况我国的水利和煤炭资源主要分布在西部；电力负荷中心主要在东部；西电东送是我国电力系统发展的主要格局。我国的负荷中心负荷中心主要集中在东部沿海附近，即：以广州为中心的珠江三角洲以上海为中心的长江三角洲以首都为中心的京津唐地区以沈阳为中心的沈、鞍、抚、本地区这些用电负荷占全国电力消耗的70%左右我国的水利资源再看我国可开发水力资源的情况：

我国可能开发的水力资源为380GW，但68%左右的资源分布西南地区，其中：四川西部云南西部西藏东部最为集中，占据了全国水电资源的一半以上。我国的煤炭资源我国煤炭藏量更是丰富，但绝大部分在华北地区西部及晋北地区北部，其中三西（山西、陕西、蒙西）地区占全国煤炭储量的70%左右。可见我国常规能源的水力和煤炭资源均远离电力负荷中心，少则1000km多则2000km以上。大煤电大水电大型可再生能源基地大核电国家电网可再生能源的大规模利用和智能化是我国现代电网的两大特征国家电网公司发展战略两个转变：转变公司发展方式，转变电网发展方式。四化：按照集团化运作、集约化发展、精益化管理、标准化建设三集五大：实施人力资源、财务、物资集约化管理，构建大规划、大建设、大运行、大检修、大营销第一章提纲1.1电力系统概述1.2电力系统运行特点和要求1.3电力系统的接线方式和电压等级1.4电力系统中性点的运行方式1.2电力系统运行的特点和要求1.2.1电能的优点1.2.2电力系统运行的特点1.2.3对电力系统运行的基本要求1.2.1电能的优点易于转变与输送易于控制易于取材1.2.2电力系统运行的特点1.电能不能大量储存2.过渡过程非常迅速3.与国民经济各部门密切相关1.2.3对电力系统运行的基本要求1.保证可靠地持续供电；电力系统的可靠性是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户供应电力和电能能力的度量。是一个长时间连续正常供电的概率，属于电力系统规划的范畴供电可靠性分级；

可靠性电价，可中断负荷；

1.2.3对电力系统运行的基本要求2.保证良好的电能质量

电压质量：发电机无功出力、调相机、变压器和无功补偿装置等；35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的士7%,220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%，-10%频率质量：+0.2～0.5Hz。实际运行中，我国各跨省电力系统频率都保持在+0.1Hz～-0.1Hz的范围内，波形质量（畸变率4%）

电力系统的功率平衡维持电力系统正常运行，就是要做到两个平衡：有功功率平衡，频率质量才能满足要求（第五章）无功功率平衡，电压质量才能满足要求（第六章）1.2.3对电力系统运行的基本要求3.保证系统运行的经济性降低煤耗率；

降低网损率；

优化调度：充分利用水能；避免火电频繁开停机（100MW机组冷态启动的需要10万元，热态启动需要3-4万元；300MW机组冷态启动的需要20-30万元）；经济性能好的火电机组优先发电；功率在电网中的合理分布；1.2.3对电力系统运行的基本要求4.节能、环保当前：节能减排发电调度以后：靠市场化解决单一电力系统联合联网的优点

提高可靠性，减小备用容量；

合理调配用电，提高发电设备的利用率；

各类电厂互相补充，提高运行经济性；

由于容量大，事故对系统的冲击小；联网的缺点

联网工程投资大；

高电压、远距离、大容量输电存在稳定性问题；

系统复杂、运行难度大；故障电流增加。第一章提纲1.1电力系统概述1.2电力系统运行特点和要求1.3电力系统的接线方式和电压等级1.4电力系统中性点的运行方式1.3电力系统的接线方式和电压等级1接线图（1）电气接线图突出电力系统各元件之间的电气连接关系（2）地理接线图强调电厂与变电所之间的实际位置关系2电力系统的接线方式（1）无备用接线（2）有备用接线无备用接线应用于以下网络：一级负荷比重不大，并可为这些负荷单独设置备用电源时；二级负荷；因为自动重合闸装置成功率高；三级负荷:

优点：简单、经济、运行方便。

缺点：供电可靠性差。

有备用接线有备用接线。

优点：供电可靠性高、电压质量高。

缺点：不够经济或运行调度复杂

分类：

双回放射式、干线式、链式；

环式；

双端供电网络；有备用接线。

优点：供电可靠性高、电压质量高。

缺点：不够经济或运行调度复杂

分类：

双回放射式、干线式、链式；

环式；

双端供电网络；

1.3.2电力系统的电压等级电力系统的额定电压

电压等级高的优点：当输送功率一定时，电流小、使得导线等载流部分的截面积越小，投资越小。当导线截面积一定时，网损小。

电压等级高的缺点：对绝缘要求高，绝缘投资大。

结论：在国家规定标准电压的范围内，根据输送功率和输送距离选择合适的电压等级。额定电压：电力系统正常运行时，发电机、变压器、用电设备等，在额定电压运行时，技术经济性能才是最好，安全可靠运行及使用寿命才能得到保障（1）用电设备的额定电压是其他元件的参考电压（2）电力线路的额定电压始末端损耗不超过10%（3）发电机的额定电压超过用电设备5%（4）变压器的额定电压分一次侧、二次侧电力系统各元件额定电压电力线路始末端损耗不超过10%电力系统的额定电压为线电压；

同一电压等级中各种设备的额定电压不同，这是由于它们在系统中所处的位置不同而引起。

用电设备的额定电压和线路额定电压一致，其他设备额定电压设定的原则是使所有用电设备能接近它们的额定电压下运行，用电设备允许电压偏差；线路输送功率时，存在电压降落，沿线路的电压分布往往是始端高于末端（高电压等级、轻负荷线路除外）；线路电压降一般为10%，为了让处于线路末端的用电设备电压不低于额定电压的95%，要求始端电压不低于额定值的105%；

发电机接在线路始端，要求其额定电压为线路额定电压的105%；

发电机额定电压的规定变压器额定电压的规定一次侧：如果直接和发电机相连,则等于发电机额定电压；如果不直接和发电机相连，则等于用电设备的额定电压；二次侧：应该较线路额定电压高5%，但变压器自身有5%的电压降，因此二次侧的额定电压（空载时的电压）应该为线路额定电压高10%。二次侧额定电压比线路额定电压高5%（满足一个条件即可）：漏抗很小；二次侧直接接负荷；电压特别高的变压器。T1T210.5KV110KV35KV线路始端，额定电压为线路额定电压的105%；直接和发电机相连,则等于发电机额定电压不直接和发电机相连，则等于用电设备的额定电压二次侧的额定电压该为线路额定电压高10%二次侧的额定电压该为线路额定电压高10%总结以用电设备额定电压为标准；发电机额定电压取用电设备105%；变压器额定电压：一次侧直接连发电机，取发电机额定电压远离发电机，取用电设备额定电压二次侧一般，取用电设备额定电压110%特殊（漏抗很小，或二次侧直接接负荷，或电压特别高的变压器），取用电设备额定电压105%用电设备电压/kV发电机线电压/kV变压器线电压/kV用电设备电压/kV发电机线电压/kV变压器线电压/kV一次绕组二次绕组一次绕组二次绕组33.153，3.153.15，3.311011012166.36，6.36.3，6.62202202421010.510，10.510.5，11330330345，36315.7515.75500500525，5502323750750788，825353538.5100010001050，1100表1-4第三类额定电压第三类额定电压例题练习题110.5/121110/38.535/6.310/0.4练习题210KV电压等级的分类低压：1kV以下中压：1~35kV高压：35kV~330kV超高压：330kV~1000kV特高压：1000kV以上额定电压/kV输送容量/MW输送距离/km额定电压/kV输送容量/MW输送距离/km30.1~1.01~3220100~500100~30060.1~1.24~15330200~800200~600100.2~2.06~20500600~1500400~800352~1020~507502000~2500500以上11010~5050~1001000电力网电压等级的选择不同电压等级的适用范围；500、330、220kV适用于主干线。负荷密度大的城市,220KV作为城市主电网

110kV既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络。

35kV既用于大城市或大工业企业内部网，也用于农电。

10kV一般只用于配电系统,中压配电网。

新出现了20kV配电网(苏州工业园区等)电力网电压等级的选择220/380V为低压配电电压(也称二次配电电压)。除东北地区实行220/60/10/0.4kV四级电压制外，全国大都采用220/110/35/10/0.4kV五级电压制。

一些国家的电压等级俄罗斯采用输电电压：330kV,500kV，750kV,1150kV美国，加拿大输电电压：115kV，230kV，500kV，765kV第一章提纲1.1电力系统概述1.2电力系统运行特点和要求1.3电力系统的接线方式和电压等级1.4电力系统中性点的运行方式1.4电力系统中性点的运行方式电力系统的中性点：星形联结变压器或发电机的中性点中性点的接地方式：直接接地，不接地，经消弧线圈接地。中性点不接地系统：

线路对地电容故障相电压故障相电压系统的中性点中性点不接地系统

优点：在发生单相接地故障时，接地相电流不大，系统可以带故障运行一定的时间，使得供电可靠性高。

缺点：在发生单相接地故障时，非故障相电压对地升高倍，对绝缘要求高。

适用于：60kv及其以下电压等级的系统。

接地点电弧由于导线对地有电容，中性点不接地系统中一相接地时，接地点相电流属容性电流。网络越长，电流也越大，可能使接地点的电弧不能自行熄灭。3~6kV网络30A10kV网络20A35~60kV网络10A中性点经消弧线圈接地系统：

过补偿：感性电流大于容性电流。广泛采用欠补偿：感性电流小于容性电流中性点直接接地系统中性点直接接地系统特点优点：在发生接地故障时，非故障相电压对地不升高，对绝缘要求不高。

缺点：在发生单相接地故障时，中性点和接地故障点构成回路，接地相故障电流很大，必须迅速切除接地相甚至三相，使得供电可靠性低。

适用于：110kv及其以上电压等级的系统。

小电流接地系统电力系统中性点不接地或经消弧线圈接地的系统称为小电流接地系统。（发生短路时电流小）大电流接地系统电力系统中性点直接接地的系统称为大电流接地系统。（发生短路时电流大）供电的可靠性通信干扰继电保护的灵敏绝缘投资小电流接地系统高小低高大电流接地系统低大高低补充基本概念总装机容量年发电量最大负荷额定频率最高电压等级总装机容量。电力系统的总装机容量指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（kW）、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)计。现场还经常用万千瓦表示。1MW=1000kW;1万千瓦=10MW;1GW=1000MW.年发电量。电力系统的年发电量指该系统中所有发电机组全年实际发出的电能的总和。以兆瓦•时(MW•h)、吉瓦•时(GW•h)、太瓦•时(TW•h)计。

1GW•h=1000MW•h1TW•h=1000GW•h最大负荷。最大负荷一般指规定时间，如一天、一月或一年内，电力系统总有功功率负荷的最大值。以千瓦（kW）、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)计。也可以用万千瓦表示.额定频率。按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定频率均为50Hz。国外则有额定频率为60Hz或25Hz的电力系统。最高电压等级。指系统中最高电压等级电力线路的额定电压，以千伏（kV）计。电力与电量用户对电能的需求包括电力和电量。电力是指用电能力、容量、（有功）功率。一般单位用千瓦（KW），兆瓦(MW)、吉瓦(GW)表示。电量是指用电量、电能，一般单位用千瓦时（kW•h）,兆瓦•时(MW•h)、吉瓦•时(GW•h)、太瓦•时(TW•h)表示。电量是电力在时间上的积分。本章重点电能生产、输送、消费的特点对电力系统运行的基本要求衡量电能质量的指标电网有几种接线方式，各自的特点变压器额定电压的选择电力系统中性点不同接地方式，发生单相短路接地故障后，各有何现象华北地区污染物现状

北京市主要空气污染物年均浓度天津市主要空气污染物年均浓度

河北省主要空气污染物年均浓度由图表可见，在经历了2006-2008年奥运前空气污染物年均浓度的快速下降后，三地污染物年均浓度下降速度均有所趋缓，天津和河北的污染物浓度近两年甚至出现大幅上升。根据环保部公布的2013年全年空气质量排名，京津冀地区的空气污染最为严重，京津冀13个城市中有11个排在污染最严重城市前20名。

华北地区污染物现状2013年京津冀主要空气污染物年均浓度与国标对比污染物种类2013年京津冀主要污染物年均浓度国标（2012）北京天津河北一级二级PM2.5（微克/立方米）89.5961081535SO2（微克/立方米）26.559742060NO2（微克/立方米）5654514040PM10（微克/立方米）108.11501904070

2012年，环保部发布了更严格的环境空气质量标准。2013年，各地政府首次公布了对人体危害更大的PM2.5的监测数据。由表可见，2013年，除北京和天津的SO2年均浓度达到要求较低的新国标二级外，三地其余指标均超出国标二级，其中，PM2.5和PM10的超标尤为严重。中国、美国和欧盟排放标准对比

新建燃煤电厂大气污染物排放限值与欧美排放限值对比十二条重点输电通道

项目名称计划投产时间受电比例送电功率送电量（按利用小时