东南大学电气学院复试电能系统1讲诉

东南大学电气学院复试电能系统1讲诉第1页/共76页课程的地位、作用及任务

本课程是“电气工程及自动化”专业类的专业基础课之一，即包括原电力系统及其自动化、电机电器及其控制、电气技术、高电压工程等电力类专门方向的公共专业课程之一。它的先修课程主要是《电路》、〈电磁场〉、〈电机学〉、〈工程数学〉等.本课程的主要任务是使电气专业类学生对发电厂、变电所、电力网及电能系统有较全面的了解，使学生掌握电能系统规划设计与运行管理的基本理论与基本方法，为今后进一步学习该领域的理论及从事该领域的生产实际工作奠定坚实的基础。第2页/共76页教学内容和基本要求

1、电能系统概论学生应建立电能系统的基本概念，使学生了解电能系统的重要性和整体性。电能系统运行特点及要求，电能系统负荷，电力系统的运行方式及电压等级。2、电力系统元件及基本参数分析研究电力系统各元件的参数及等值电路、标幺制。它们是分析研究电力系统的基础。学生应掌握发电机、变压器、线路及负荷的数学模型，考试重点在标幺值计算和多电压等级网络的等值电路的建立。第3页/共76页教学内容和基本要求3、电力系统稳态分析讲授了电力系统潮流分布的计算方法，培养学生的计算能力，加深学生对电力系统各元件以及各电气量之间关系的了解。考试重点是简单电力网的前推回推潮流计算，电力网潮流计算的计算机模型，导纳矩阵的形成与修改，节点阻抗矩阵与节点导纳矩阵的关系及各自的特点，电力网节点性质的分类，牛顿—拉夫逊潮流计算及快速解耦潮流算法。第4页/共76页教学内容和基本要求4、电力系统故障分析讲授三相短路电流的计算，电力系统复合序网建立以及应用对称分量法分析计算不对称故障时故障处的电压和电流，使学生对电力系统中故障情况有所了解，掌握分析和计算系统简单故障的基本方法。考试重点是故障分析的目的，三相对称短路的基本分析，冲击电流的定义，三相短路电流周期分量的实用算法，对称分量法，电力系统元件的不对称参数，简单不对称短路故障时的电流与电压的计算方法。第5页/共76页5、电力系统的电气接线本章讲授高压输电网和配电系统的电气联接方式以及发电厂变电所的电气主接线的基本形式，电气主接线的特点与选择的基本原则。考试重点在各种电力网的接线方式、特点，发电厂、变电所电气主接线的基本形式，断路器与隔离开关的操作顺序，主变压器台数与容量的确定，电能系统电气接线图的选择。第6页/共76页6、电能系统的规划设计本章讲授电能系统规划设计的基本内容，其中有技术经济比较的基本方法，电网规划的数学模型与计算方法，发电厂电气部分设计的基本内容。并结合工程特点训练和指导学生运用前面所学的理论知识分析解决实际问题。考试重点在发电厂与变电所电气设计的基本内容，电气设备的选择。第7页/共76页教学内容和基本要求7、电能系统的运行管理讲授电力系统有功功率与频率调整，无功功率与电压调整的关系，以及电能系统中有功功率与无功功率的经济分配。另外为了拓宽学生的知识面，介绍了电能系统运行稳定性的基本概念，能量管理系统，配电管理系统，直流输电和灵活交流输电等方面的基本知识。考试重点在有功功率与频率调整，无功功率与电压调整，有功功率与无功功率的经济分配。第8页/共76页书目教材：《电能系统基础》 单渊达 机械工业出版社参考书目：《电力系统稳态分析》陈珩中国电力出版社《电力系统分析》陈怡等中国电力出版社《现代电力系统分析》王锡凡科学出版社第9页/共76页第一章电能系统概论１．１概述１．２电能系统负荷与负荷曲线１．３电能系统的电压等级１．４输电线路１．５发电厂、变电所电气设备１．６电能系统的电气连接方式１．７三相电能系统中性点运行方式１．８电能系统的运行特点和基本要求１．９电能系统的运行监视、控制与保护１．１０安全接地第10页/共76页1.1概述1.1.1能和能源

能量是物质运动的量度，能量有许多形式，如机械能、热能、化学能。电能是相应于电磁运动的能量形式。不同形式的能量可相互转换。第11页/共76页1.1.1能和能源(1)1.电能的特点：⑴电能可以方便地由其它能量形式转化而来，也可以简便地转化成其他形式的能量。⑵电能便于大规模生产、输送、分配、并且价格低廉。⑶电能的生产、输送、分配、控制及测量等各环节容易实现自动控制。第12页/共76页1.1.1能和能源(2)2.能源的分类：一次能源：指以现成的形式存在于自然界的能源。二次能源：指由一次能源直接或间接转换而来的其它形式的能源或人工制造的能源。电能属于二次能源。常用的用来发电的一次能源有：燃料化学能、水能、核能等。还可继续开发的发电能源，如潮汐发电、太阳能发电、风力发电等。第13页/共76页电能系统发展简史1831年电磁感应定律1882年高压输电（法国人德普勒、水电、慕尼黑、直流、1500～2000V、57km、2kW）1885年单相变压器－－单相交流输电1891年三相异步电动机、三相变压器－－三相交流输电（德国人奥斯卡.冯.密勒、拉芬镇－法兰克福、水轮发电机230kVA电压95V、升压25kV、4毫米铜线、降压112V、负荷：白炽灯和异步电动机）交流：最高线路电压>1000kV、最远输送距离>1000km、最大电力系统容量>20000万kW直流：电压>±500kV、输电距离>1000km、输送功率>150万kW第14页/共76页第15页/共76页我国电力工业发展概况1.我国有丰富的煤炭、石油和水力资源，这为我国电力工业的发展提供了条件。2.1882年上海建立第一个发电厂，容量12kW。3.新中国成立以来，我国电力工业取得了长足的发展。形成了华北、东北、华东、华中、西北和南方互联等6个跨省大网发电机装机容量和年发电量居世界第二位，但人均用电量只有世界平均水平的1/3。第16页/共76页第17页/共76页第18页/共76页第19页/共76页第20页/共76页特高压电网是1000千伏交流和正负800千伏直流输电网络，具有远距离、大容量、低损耗输送电力和节约土地资源等特点。1、1000千伏晋东南—南阳—荆门特高压交流输电工程于2009年1月6日投入商业运行。2010年8月12日通过国家验收。2、2010年6月18日世界上第一个±800千伏直流输电工程——云广特高压直流输电工程竣工投产。3、2010年7月8日，向家坝—上海±800千伏特高压直流输电示范工程投入运行。第21页/共76页特高压电网建设2015年，国家电网公司“三华”特高压电网形成“三纵三横一环网”，还将建成11回特高压直流输电工程。按照“西电东送、南北互供”要求，规划合理的特高压网架结构，将形成坚强的网状结构，明显提高电网的稳定水平和输电能力。2020年，国家电网将建成以“三华”特高压同步电网为中心，东北特高压电网、西北750千伏电网为送端，联结各大煤电基地、大水电基地、大核电基地、大可再生能源基地，各级电网协调发展的坚强智能电网。第22页/共76页2020年特高压电网规划图第23页/共76页1.1.2电能系统与电力系统的定义(1)1．

动力系统：转化、分配和应用电能及热能的全部环节称为动力系统，包括锅炉、汽轮机、发电机、核反应堆、输电线、热力管道、电力变压器、电动机、电热装置、换流装置及电动机传动机械等等。第24页/共76页1.1.2电能系统与电力系统的定义(2)2．电能系统：在动力系统中，生产、输送、转换的能量主要部分是电能的，称为电能系统。3．电力系统：

电能系统中的电气部分称为电力系统。4．电力网：在电力系统中通常把发电机和用电之间属于输电和配电的环节称为电力网。第25页/共76页第26页/共76页电力系统是一个由大量各种元件组成的复杂系统，发电机、变压器、电力线路和负荷是电力系统的四大主要元件。发电机、变压器、电力线路和负荷这四大元件构成了电力系统的躯干，称为一次系统。此外，为了保证其安全正常运行，电力系统还装备有相当于其神经的继电保护、通讯和调度控制系统等，称为二次系统。第27页/共76页为满足生产需要，发电厂中安装有各种电气设备。通常将直接在发、输、配、用的主系统上使用的设备称为一次设备。如：开关设备、电能生产和转换装置、载流导体、接地设备等。对一次设备的工作进行测量、控制、监视、调节、保护以及为运行维护人员提供运行工况或生产指挥信号所用的设备称为二次设备。如测量、计量仪表、继电保护及自动装置、直流设备、信号设备及控制电缆等。一、二次设备之间的联络元件称为互感器。包括电流互感器和电压互感器，它们分别向测量仪表、继电器的电流线圈和电压线圈供电，保证这些设备能够正确反映系统的运行状况。第28页/共76页电能系统、电力系统、电力网示意图第29页/共76页

电能系统的运行特点与基本要求1.电能系统的运行特点重要性（电能和国民经济各部门及人民生活密切）：电能在国民经济和人民生活中起着极其重要的作用，电能供应的中断或减少将影响国民经济的各个部门，造成巨大的损失。快速性（暂态过程十分短暂）：由于电能的传播速度接近光速，因而它从一处传至另一处所需的时间极短，电力系统从一种运行方式转变到另一种运行方式的过渡过程非常快，电力系统中的事故从发生到引起严重后果所经历的时间常以秒，甚至毫秒计，以至人们往往来不及作出反应。第30页/共76页电能系统的运行特点与基本要求同时性（电能不易贮存）：电能的生产、传输、分配和消费实际上是同时进行的，即所有发电厂任何时刻生产的电能必须与该时刻所有负荷所需的电能与传输分配中损耗的电能之和相平衡。这代表电力系统运行时必须满足的一类等约束条件：有功功率平衡和无功功率平衡。

第31页/共76页电能系统的运行特点与基本要求2.对电能系统的基本要求为用户提供充足的电能

当今，电能是社会生产和人民生活活动中的主要能源之一。它的供应情况直接影响国民经济增长的速度。因此，首先应按照电能先行的原则作好电能系统发展的规划设计，认真搞好电能工业建设，以确保电能工业的建设优先于国民经济的其它部门的建设。第32页/共76页电能系统的运行特点与基本要求保证电能系统供电的安全和可靠性供电中断将使生产停顿、生活混乱，甚至危及人身和设备安全，给国民经济造成的损失远超过电力系统本身的损失。因此，电能系统运行首先要满足可靠、持续供电的要求。

安全性：指电力系统承受突然发生的扰动时保持不间断供电的能力，例如突然短路或失去系统元件。在实用中常用正常供电情况下，是否能保持潮流及电压模值在允许的范围以内表示（静态安全分析）。电力系统的安全性表征电力系统短时间内在事故情况下维持持续供电的能力，属电力系统实时运行中要考虑的问题。

第33页/共76页电能系统的运行特点与基本要求可靠性（充裕度）指电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总的电能量的能力，同时考虑系统元件的计划停运及合理的期望非计划停运。常用向用户长时间不间断持续供电的概率指标表示，如失负荷概率（LOLP）、失负荷频率（LOLF）、系统期望输送能力（ETC）、年电量不足期望（EENS）等。可靠性属电力系统规划设计的范畴。郭永基，电力系统可靠性分析，清华大学出版社第34页/共76页电能系统的运行特点与基本要求保证电能的质量（电压、频率和波形）

电压偏移一般不得超过额定电压的±5%。；

频率偏移不得超过±0.2Hz

；

谐波电压的畸变率（各次谐波有效值平方和的方均根值与基波有效值的百分比）的极限值：0.38kV为5%、6kV或10kV为4%、35kV或63kV为3%、110kV为1.5%。第35页/共76页电能系统的运行特点与基本要求保证电能系统运行的经济性电能生产的规模很大，消耗的一次能源在国民经济一次能源总消耗中占的比重约为1/3，而且电能在变换、输送、分配时的损耗绝对值也相当可观。因此降低每一度电所消耗的一次能源和输送分配时的损耗都具有重要意义。为此，要首先采用高效、节能的发﹑输、配电设备；优化电源配置和电力网络；大力开展电能系统中的经济运行工作；充分利用水电资源，合理调配水、火电厂的出力等。煤耗率：每生产1千瓦时电能所消耗的标准煤重线损率或网损率：电力网络中损耗的电能与向电力网络供应的电能的百分比（中国6.4%、日本3.85%、德国4.8%、美国6%）第36页/共76页电能系统的运行特点与基本要求加强环境保护，防止环境污染电力工业中的火力发电厂是一个污染源。在运行过程中会产生相当数量的固体与气体废料，造成对大气与水源的严重污染，所以要控制发电厂的排放。对于核电站要控制其放射污染。在输变电设备方面要求考虑输电线对通信及周围环境的影响，如电磁场对人体及周围设备的影响，输电杆塔对绿化地带或自然景观的影响以及变压器噪声对周围环境的影响等等。第37页/共76页1.1.3发电厂、变电所、电力网概述１.发电厂发电厂是电能系统的电源，它的作用是把不同种类的一次能源转换成电能。根据一次能源的不同，可分为火力发电厂、水力发电厂、核动力发电厂和利用其它能量发电的电厂。第38页/共76页用于发电的一次能源消耗第39页/共76页发电类型：

●火电：汽轮机-发电机组单机容量达到100万kW（1000MW）●水电：水轮机-发电机组单机容量达到70万kW●核电：100万kW机组●新能源发电：风力发电、太阳光伏发电第40页/共76页发电厂（1）(1)火电厂：火电厂按原动机类型不同可分为汽轮机发电厂、蒸汽机发电厂、燃气轮机发电厂等。

凝汽式汽轮机发电厂电能生产过程：燃料化学能

锅炉

热能

汽轮机

机械能

发电机电能第41页/共76页(2)水电厂水电厂的基本能量转化过程：水能水轮机机械能发电机电能水电厂的装机容量可用如下公式表示：

发电厂（2）

水电厂可分为坝式水电厂、引水式电厂及混合式水电厂。第42页/共76页发电厂（3）(3)核电厂:

核电厂的基本能量转化过程:重核裂变能核蒸汽发生系统热能汽轮机机械能发电机电能第43页/共76页1000MW级超超临界火电机

第44页/共76页45最大直径10.6米、高5.06米

●三峡水电站发电机组70万kW*26台=1820万kW第45页/共76页46

核电—反应堆类型:压水堆反应堆安全壳控制棒反应堆压力容器汽轮机给水泵循环水泵第46页/共76页47风力发电技术风电场第47页/共76页48太阳能光伏发电技术第48页/共76页第49页/共76页电力网(１）2.电力网:

电力网按其供电范围的大小和电压等级高低可分为地方电力网、区域电力网以及超高压远距离输电网络。(1)地方电力网:电压不超过110kV,输送距离在几十千米内的电力网，主要指一般城市、工矿区、农村配电网络。第50页/共76页电力网（２）(2)区域电力网:电压为110～220kV级的电力网，区域电力网输电线路较长，用户类型较多。

(3)超高压远距离输电网络:由330kV和550kV的远距离输电线路组成，担负着远距离、大容量发电厂的电能输送任务，往往同时联系几个区域电力网形成大型联合系统。第51页/共76页高压交流输电——传输、分配电能第52页/共76页高压直流输电（HVDC）第53页/共76页第54页/共76页变电所变电所的任务是汇集电源、升降电压、分配电能。变电所可分为升压变电所和降压变电所，或分为户外变电所、户内变电所及地下变电所。也可按变电所容量和重要性不同分为枢纽变电所、中间变电所和终端变电所。第55页/共76页电力系统学科的范畴电力系统工程学科是衍生于电路、电磁场、电机学，并随着电力系统的发展而发展形成的一门工程学科。它的研究领域大致包括：（1）电力系统理论：电力系统理论是以电路、电磁场和电机理论为基础，吸收大量新兴学科的有关内容，并结合电力系统的特点而形成的面向近代电力系统的理论，是其它各个领域的理论基础。（2）输配电技术:输配电技术主要涉及超高压输电线路、远距离交直流输电系统、以及提高输电线路输送能力等方面的问题。第56页/共76页电力系统学科的范畴（3）电力系统规划：电力系统规划主要涉及远景负荷预测、电源规划、网络规划、可靠性分析、环境保护、生态平衡等方面的问题。（4）电力系统运行：电力系统运行主要涉及稳态运行分析、暂态过程分析、安全性分析、电能质量管理、运行方式优化等方面的内容。（5）电力系统保护：电力系统保护主要涉及故障分析、元件保护、线路保护、系统性故障保护和过电压及其防护等方面的问题。（6）电力系统控制：主要涉及数据采集、个别变量的调节、电能质量控制、运行优化控制、安全性控制、能量管理系统等方面的问题。第57页/共76页规划正常运行故障处理规划网络设计发电厂、变电站设计规划预测电源规划网络规划规划设计建设运行维护扩展第58页/共76页电力系统运行状态电力系统稳态：指系统正常的、相对静止的运行状态。电力系统暂态：指电力系统从一种运行状态向另一种状态过渡的过程。特指电力系统非正常的、变化较大以至引起系统从一个稳定运行状态向另一个稳定运行状态过渡的变化过程。二者的本质差别在于：电力系统稳态中的运行变量与时间无关，描述其特性的是代数方程；电力系统暂态中的运行变量与时间有关，描述其特性的是微分方程。第59页/共76页电力系统暂态电力系统暂态过程可分为：（1）波过程：主要与运行操作或雷击时的过电压有关，涉及电流、电压波的传播，这类过程最短暂（10-6～10-2s）。《高电压技术》（2）电磁暂态过程：主要与短路和自励磁有关，涉及电流、电压、功率角随时间的变化,分析过程中假设旋转电机的转速不变。《电力系统暂态分析》（3）机电暂态过程：主要与系统振荡、稳定性的破坏、异步运行等有关，涉及功率、功率角、旋转电机的转速等随时间的变化。《电力系统暂态分析》第60页/共76页电力系统及其自动化相关课程继电保护高电压技术电力系统自动化电力系统配网技术电力市场电力系统暂态分析电力系统基础（电力系统稳态分析）电机学、电力电子技术自动控制原理、微机接口电子技术基础、电路、电磁场数学、物理、计算机语言、网络技术软件技术、哲学、经济管理、英语专业课程电力系统专业基础电气信息类专业基础基础理论第61页/共76页１、21世纪电力面临的挑战污染严重、沙漠化,人类面临生态环境灾难…信息、通信、自动化和量测技术高速发展，各种技术高度融合成为趋势…传统能源日益短缺，新能源、可再生能源发展…环境：能源：技术：第62页/共76页远距离大容量输电、优化经济运行…电网：大规模清洁、可再生能源接入、调度、控制…分布式电源有效接入、储能技术快速发展…降低大面积停电风险、避免系统崩溃、供电可靠性更高…用户更加灵活、便利、节能、环保的服务需求…第63页/共76页EuropeanSmartGridDemonstrationProjects第64页/共76页电力企业”第65页/共76页

管理和控制成本的能力通过改变使用电网电力的时间来降低电费通过监测实时家庭电器能源消耗来管理成本通过允许电网自动调节家庭电器配置来降低费用通过主动参与高峰用电节能来降低费用

提供可靠电能更少停电更信任停电时恢复预测的可靠性通过“按使用收费”的电池和备用设备来降低停电的影响

更准确的费用不再估算电力使用更信任读表准确度准确费用预测

减少环境影响通过改变用电行为而节约用电、使用清洁能源，降低能源消耗，减少CO2排放第66页/共76页智能电网智能电网涵盖了发电、输电、配电、终端使用的整个过程，是整个电网的未来演变方向。智能电网是指充分利用现代信息技术、控制技术、材料技术、新能源技术、管理技术，把发、输、配、用各个环节互联成为一个高度智能化的新型电网。它具有提高能源效率、减少对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少输电网的电能损耗等优点。第67页/共76页智能电网的特点相对传统电网，智能电网具有更高的安全性、可靠性、适应性、经济性、开放性。

智能电网具有如下八大基本特点：

1）自愈：稳定可靠，侧重网架结构和调度运行控制；

2）安全：抵御攻击，侧重电力网和通讯网；

3）兼容：发电资源，侧重分布式发电、可再生能源和储能装置；第68页/共76页智能电网的特点4）交互：电力用户，侧重智能电表、智能电器和智能楼宇；

5）协调：电力市场，侧重监管规则和交易模式；

6）高效：资产优化，侧重输送容量、损耗和资产全寿命管理；

7）优质：电能质量，侧重电力电子设备和电力电量在线实时平衡；

8）集成：信息系统，侧重集中集成和开放式共享；第69页/共76页比较内容传统电网智能电网能源型式煤炭为主（化石能源）可再生能源大量应用发电方式集中式集中式与分布式并存骨干电网超高压、常规导体为主特高压、超导电网城市电网人工抄表、监视系统；常规变电站自动抄表、监控系统；数字化变电站运行控制被动式防御为主预警、智能控制、自愈通讯网络没有或单向慢速双向、高速运行和管理系统电力企业信息的传输和集成，需人工干预；对电力客户、资产及运营的持续监视，随需应变，实现高级分析优化应用；电力市场有限的趸售市场，未很好的集成成熟、完善、高度集成的趸售市场用户单向式（仅是受电者），分时电价双向式（既是能源的受电者，又是能源的提供者），实时电价第70页/共76页中国智能电网的内涵和主要内容经济高效坚强可靠清洁环保友好互动透明开放中国智能电网1、坚强可靠的实体电网架构是中国坚强智能电网发展的物理基础。2、经济高效是对中国坚强智能电网发展的基本要求。3、清洁环保是经济社会对中国坚强智能电网的基本诉求。4、透明开放是中国坚强智能电网的发展理念。5、友好互动是中国坚强智能电网的主要运行特征。中国智能电网的五大内涵第71页/共76页引导电源集约