电力系统概述

电力系统概述由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。电力系统的主体结构有电源、电力网络和负荷中心。电源指各类发电厂、站，它将一次能源转换成电能；电力网络由电源的升压变电所、输电线路、负荷中心变电所、配电线路等构成。它的功能是将电源发出的电能升压到一定等级后输送到负荷中心变电所，再降压至一定等级后，经配电线路与用户相联。电力系统中网络结点千百个交织密布，有功潮流、无功潮流、高次谐波、负序电流等以光速在全系统范围传播。它既能输送大量电能，创造巨大财富，也能在瞬间造成重大的灾难性事故。为保证系统安全、稳定、经济地运行，必须在不同层次上依不同要求配置各类自动控制装置与通信系统，组成信息与控制子系统。它成为实现电力系统信息传递的神经网络，使电力系统具有可观测性与可控性，从而保证电能生产与消费过程的正常进行以及事故状态下的紧急处理。系统的运行指组成系统的所有环节都处于执行其功能的状态。系统运行中，由于电力负荷的随机变化以及外界的各种干扰（如雷击等）会影响电力系统的稳定，导致系统电压与频率的波动，从而影响系统电能的质量，严重时会造成电压崩溃或频率崩溃。系统运行分为正常运行状态与异常运行状态。其中，正常状态又分为安全状态和警戒状态；异常状态又分为紧急状态和恢复状态。电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移。各种运行状态之间的转移需通过不同控制手段来实现。电力系统在保证电能质量、实现安全可靠供电的前提下，还应实现经济运行，即努力调整负荷曲线，提高设备利用率，合理利用各种动力资源，降低燃料消耗、厂用电和电力网络的损耗，以取得最佳经济效益。火电：锅炉一汽轮机一发电机水电：水库一水轮机一发电机

核电：核反应堆一汽轮机一发电机其它：如风能、地热能、太阳能、潮汐等例题：如图所示为一简单的电力系统，额定电压为110kv的双回路输电线路，长度为80km,采用LGJ-150导线，其单位长度参数为：R=0.21欧姆/千米，X=0.416欧姆/千米。变电所装有两台110/11KV的变压器，每台的容量为15MVA，其参数为△Po=40.5kw,△Ps=128kw,Vs%=10.5,Io%=3.5。母线A的实际电压为117kv,负荷SLDb=30+j12MVA,SLDC=20+j15MVA。当变压器抽取住抽头时，求取C点电压。计算过程：解：计算参数并作出等值电路：Rl=O.5*80*0.21=8.4Xl=0.5*80*0.416=16.6Bc=2*80*2.74*10"(-6)=4.38*10"(-4)线路产生的充电功率：-0.5*4.38*10"(-4)*110"2=-2.65两台变压器并联运行时：Rt=△PsVn*Vn/2*1000Sn*Sn=3.4Xt=Vs%Vn*Vn/2*100*Sn=42.4△PO+j^QO=2*(0.0405+j3.5*15/100)=0.08+j1.05节点b的总负荷：SB=30+j12+0.08+j1.005-j2.65=30.08+j10.4节点c的总负荷：Sc=20+j15计算由母线A的输出功率：先按电力网的额定电压计算电力网中的功率损耗为：△ST=(Sc/VN)*(Sc/VN)*(RT+jXT)=0.18+j2.19SC=20.18+j17.19S1=50.26+j27.59△Sl=(Si/Vn*Vn)(Rl+jXl)=2.28+j4.51

于是可得：S2=52.54+j32.1由母线A输出的功率：SA=52.54+j29.45计算各节点电压：线路中电压降落的横分量：△Vl=(PiRi+QvXl/Va)=8.3因此B点电压为：VB=117-8.3=108.7同理可得：VC=10.14电力系统潮流计算是研究电力系统稳定运行情况的一种基本电气计算。它的任务是根据给定的运行条件和网路结构确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压幅值及相角，网络中的功率分布以及功率损耗等。电力系统潮流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。电力系统潮流计算属于稳态分析范畴，不涉及系统元件的动态特性和过渡过程。因此其数学模型不包含微分方程，是一组高阶非线性方程。非线性代数方程组的解法离不开迭代，因此，潮流计算方法首先要求它是能可靠的收敛，并给出正确答案。随着电力系统规模的不断扩大，潮流问题的方程式阶数越来越高，目前已达到几千阶甚至上万阶，对这样规模的方程式并不是采用任何数学方法都能保证给出正确答案的。这种情况促使电力系统的研究人员不断寻求新的更可靠的计算方法。在用数字计算机求解电力系统潮流问题的开始阶段，人们普遍采用以节点导矩阵为基础的导纳法。这个方法的原理比较简单，要求的数字计算机的内存量也比较小，适应当时的电子数字计算机制作水平和电力系统理论水平，于是电力系统计算人员转向以阻抗矩阵为主的逐次代入法。阻抗法改善了电力系统潮流计算问题的收敛性，解决了导纳法无法解决的一些系统的潮流计算，在当时获得了广泛的应用，曾为我国电力系统设计、运行和研究作出了很大的贡献。但是，阻抗法的主要缺点就是占用计算机的内存很大，每次迭代的计算量很大。当系统不断扩大时，这些缺点就更加突出。为了克服阻抗法在内存和速度方面的缺点，后来发展了以阻抗矩阵为基础的分块阻抗法。这个方法把一个大系统分割为几个小

的地区系统，在计算机内只需存储各个地区系统的阻抗矩阵及它们之间的联络线的阻抗，这样不仅大幅度的节省了内存容量，同时也提高了计算速度。一个大的电网，电网里各种元件相差比较大，用户情况、电源情况复杂，就要用潮流计算。所有电网都要经过潮流计算判断系统的稳定性和安全性的。1.短路1.1.1故障发生原因：电力系统在正常运行时，除中性点以外，相与相、相与地之间是绝缘的，所谓短路是指相与相或相与地之间发生短路。1.1.2短路类型：简单短路故障共有四种类型:三相短路，两相短路，单相短路接地和两相短路接地.三相短路是对称的,其他三种短路都是不对称的.在四种短路类型中，单相短路接地故障发生的概率最高，可达65%,两相短路约占10%,两相短路接地约占20%,三相短路约占5%,虽然三相短路发生的概率最小，但他对电力系统的影响最严重。1.1.3短路发生的原因：电力系统在运行过程中常常会受到各种扰动，其中，对电力系统影响较大的是系统中发生的各种故障。常见的故障有短路、断线和各种复杂故障（即在不同地点同时发生短路或断线），而最为常见和对电力系统影响最大的是短路故障。因此，故障分析重点是对短路故障的分析。电力系统短路故障发生的原因很多，既有客观的，也有主观的，而且由于设备的结构和安装地点的不同，引发短路故障的原因也不同。但是，根本原因是电气设备载流部分相与相之间或相与地之间的绝缘遭到破坏。例如，架空线路的绝缘子可能由于受到雷电过电压而发生闪络，或者由于绝缘子表面的污秽而正常工作电压下放电。再如发电机、变压器、电缆等设备中载流部分的绝缘材料在运行中损坏。有时因鸟兽跨接在裸露的载流部分，或者因为大风或在导线上覆冰，引起架空线路杆塔倒塌而造成短路。此外，线路检修后，在未拆除地线的情况下运行人员就对线路送电而发生的误操作，也会引起故障。1.1.4短路故障的危害：短路对电气设备和电力系统的正常运行都有很大的危害。在发生短路后，由于电源供电回路阻抗的减小以及产生的暂态过程，使短路回路中的电流急剧增加，其数值可能超过该回路额定电流的许多倍。短路点距发电机的电气距离愈近，短路电流越大。例如，在发电机端发生短路时，流过定子绕组的短路电流最大瞬时值可能达到发电机额定电流的10〜15倍。在大容量的电力系统中，短路电流可达几万安甚至几十万安。在短路点处产生的电弧可能会烧坏设备，而且短路电流流过导体时，所产生的热量可能会引起导体或绝缘损坏。另外，导体可能会受到很大的电动力冲击，致使其变形甚至损坏。短路将引起系统电网中的电压降低，特别是靠近短路点处的电压下降最多，使部分用户的供电受到影响。例如，负荷中的异步电动机，由于其电磁转矩与电压的平方成正比，当电压降低时，电磁转矩将显著减小，使电动机转速变慢或甚至完全停转，从而造成废品及设备损坏等严重后果。短路故障可能引起系统失去稳定，这一方向的情况。不对称接地短路所引起的不平衡电流将在线路周围产生不平衡磁通，结果在邻近的通信线路中可能感应出相当大的感应电动势，造成对通信系统的干扰，甚至危及通信设备和人身安全。1.1.5短路故障分析的内容和目的：短路故障分析的主要内容包括故障后电流的计算、短路容量的计算、故障后系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算，如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。短路电流计算与分析的主要目的在于应用这些计算结果进行继电保护设计和整定值计算，开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备的设计，制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。1.1.6限制短路故障危害的措施：电力系统设计和运行时，都要采取适当的措施来降低发生故障的概率，例如采用合理的防雷设施、降低过电压水平、使用结构完善的配电装置和加强运行维护管理等。同时，还要采取减少短路危害的措施，其中，最主要的是迅速将发生短路的元件从系统中切除，使无故障部分的电网继续正常运行。在发电厂、变电所及整个电力系统的设计和运行中，需要合理地选择电气接线、恰当地用配电设备和断路器、正确地设计继电保护以及选择限制短路电流的措施等，而这些都必须以短路故障计算结果作为依据。短路故障的计算与分析，主要是短路电流的计算和分析。短路电流的大小及其变化规律不仅与短路故障的类型有关，而且与电源特性、网络元件的电磁参数有关。1.1.7限制短路故障危害的措施：短路故障的计算与分析，主要是短路电流的计算和分析。短路电流的大小及其变化规律不仅与短路故障的类型有关，而且与电源特性、网络元件的电磁参数有关。在发电厂、