电力系统的构成及电力生产环节

电力系统的构成及电力生产环节一、电力系统的构成电力系统是由电力生产各个环节的设备与电力顾客的用电设备（电力消费环节），以及对应的辅助系统，按规定的技术和经济规定构成的，从而完毕电能从生产、输送、分派直至使用整个过程的统一系统。电力系统中涉及发电、变电、输电和配电、用电设备，他们构成电力系统的一次系统，实现电能的生产和消费全过程。电力系统还涉及继电保护和安全自动装置，调节自动化设备和通信设备，以及计算机和电子信息化设备等对应的辅助设备，它们构成了二次系统，以确保整个电力系统的安全可靠运行和经济运行。电力系统中将一次能源转换成电能（即从事电能生产）的部分称发电厂，根据采用的一次能源不同分别为火力发电厂、水力发电厂和核电厂等。电力系统中从事电能输送、变换和分派的部分称为电力网，它涉及输电网和配电网。输电网和配电网有不同的电压等级，不同容量的发电厂和电力顾客应分别接入不同电压等级的输电网和配电网。大型发电厂应接入超高压输电网（330kV和500kV），大中型发电厂可接入高压输电网（220kV），小型发电厂可直接接入配电网。配电网也分为高压配电网、中压配电网和低压配电网，电力顾客也按其容量的大小分别接入不同电压等级的配电网。电力系统构成的示意图以下图所示。超高压输电网超高压输电网高压输电网高压配电网低压配电网低压电力顾客中压配电网低压配电网中型发电厂小型发电厂高压电力顾客中压电力顾客大型水电厂大型火电厂核电厂高压输电网高压配电网低压配电网低压电力顾客中压配电网中型发电厂小型发电厂高压电力顾客中压电力顾客低压配电网电力网电力系统构成示意图（一）电力系统的构成和基本特性电力系统是由发电厂、电力网、用电设备和对应的辅助系统（继电保护、安全自动、测量、调度自动化和通信等装置），按规定的技术和经济规定构成的整体。火力发电厂、水力发电厂和核电厂发出的电力，按其容量的不同和所需输送距离的不同，分别接入110、220kV和500kV交流电力网以及高压直流输电线路。在电力网的构成中，不同电压的输电线路和配电线路通过对应电压等级的变电所互相连接，在配电网的低压侧接有动力负荷和证明负荷等多个用电设备。这就形成了发电、输电和配电设备，以及用电设备在内的统一的电力系统。电力系统的基本特性涉及电力系统电压等级、电力系统频率、电力网构造和电力系统流量等。1、电力系统频率电力系统频率是电力系统中发电厂的同时发电机所产生的交流正弦基波电压的频率。频率质量是电能质量的一种重要指标。在稳态运行的条件下，各发电机同时运行，整个电力系统的频率是相等的。它是电力系统一致的运行参数。世界上，电力系统采用的额定频率有50Hz和60Hz这两种。我国和世界多数国家均采用50Hz电力系统，只有美国、加拿大、古巴、朝鲜等少数国家采用60Hz电力系统，日本的东部地区为50Hz电力系统，中部和西部地区为60Hz电力系统，两种不同频率的电力系统以直流变频站互联。电力系统中的发电和用电设备，都是按照额定频率设计和制造的，只有在额定频率附近运行时，才干发挥最佳的功效。只有当电力系统中全部发电设备发出的有功功率之总和与电力网中电力负荷吸取和消耗的有功功率相等时，系统频率才干保持不变。2、电力系统的电压等级电压等级是电力系统及电力设备的额定电压级别系列，额定电压是指电力系统及电力设备规定的正常工作电压。电力系统各个结点的实际运行电压允许在一定程度上偏离额定电压。在上述允许偏离的电压范畴内，多个电力设备和整个电力系统仍能正常运行。我国国标规定的电力系统额定电压等级为分3、6、10、35、63、110、220、330、500、750kV。普通认为，在一种电力系统中，相邻两级电压之比取1.7~3.0是比较合理的，并且在上述电压等级中，35kV与63kV，63kV与110kV不适宜在同一地区性用电力系统中并存。3、电力网构造电力网构造与电压等级、电源和负荷点的容量和数目，以及他们之间的地理位置及供电可靠性规定等因素有关。（二）电力系统容量电力系统容量是指系统中各类发电厂机组额定容量的总和，也称为系统装机容量。电力系统装机容量和覆盖的地区大小反映了电力系统的规模。终究，我国已形成了覆盖全国大部分省区的统一调度或联合调度的6个跨省区域电力系统，即东北、华北、华东、华中、西北和南方电力系统，其中华东、华北、华中和南方电力系统的装机容量超出了40000MW（三）电力系统的负荷电力负荷是指连接在电力系统上的一切用电设备所消耗的功率，分为有功负荷和无功负荷。有功功率是指用电设备在把电能转化为其它能量形式（机械能、光能、热能等）的过程中真实消耗掉的功率，例如电灯（电能转换为光能）、电炉（电能转换为热能）以及电动机用来带动水泵、风机、车床及轧钢设备等机械（电能转换为机械能）所消耗的功率就是有功功率。无功功率是指电动机、变压器运行时，在电池能量转换过程中建立磁场合消耗的功率。因此，无功功率和有功功率同等重要，没有无功功率，电动机就转不动，变压器也不能变压。因此，为了满足有功负荷和无功负荷的需要，电力系统要供应足够的有功功率和无功功率。发电厂的发电机即发有关功率，又发无功功率。装在大型变电所里的同时调相机、严禁无功赔偿器等是只能提供无功功率的无功电源。按照用电重要程度不同，我国国家建设原则将电力不好分为一、二、三级。一级负荷是指中断供电将造成人身伤亡或将在政治、经济上造成重大损失的负荷，如：造成重大设备损坏，有害物溢出污染环境，或重要交通枢纽无法工作，以及造成经惯用于国际活动的场合秩序混乱等；二级负荷是指中断供电将在政治、经济上造成较大损失的负荷，如造成重要设备损坏，产品大量报废或大量减产以及造成人员集中的公共场合秩序混乱等；三级负荷是指不属于一、二级负荷的其它负荷，对于一级负荷都要有两个独立电源供电，以确保对其供电的持续性。由于现在电能还不能大规模储存，因而电力系统中发电机发出的功率与用电设备消耗的功率要始终保持平衡。系统负荷是随时间不停变化的，这种变化普通用负荷曲线来表达。为了满足系统负荷的需要，除做好负荷预测工作外，电力系统还应含有一定数量的发电备用容量，方便随时保持电力的供需平衡。（四）电力系统的优越性随着国民经济的发展，发电厂和电力网的不停建设以及供电范畴的逐步扩大，电力系统的规模越来越大，某些电力系统之间还通过网络线并网，形成联合电力系统。电力系统和联合电力系统的重要好处以下：1、更经济合理的开发运用大型动力资源大型矿口火电厂、大型水电厂和核电厂普通都离负荷中心较远，送电容量又大，往往需要建设330kV及以上的超高压输电线路，并规定受端是较大容量的电力系统。由于在受灾容量较大的条件下，送端电场安装大型机组，在接入电力系统后，运行比较安全。2、减少装机容量和备用容量由于不同供电地区存在的时差、季节差以及电力消费习惯的差别，形成大型电力系统和联合电力系统后来，能够错开负荷高峰，全系统总的日负荷高峰或季节负荷高峰都比各地区系统的日负荷高峰或季节负荷高峰之和要小。另外，系统中各发电厂的机组能够按地区系统轮流检修，错开检修时间，当机组故障时，各地区系统能够互相增援，因而全系统总的检修或事故备用容量都比各地区系统的检修或事故备用容量之和要小。因此，系统能够减少总的装机容量和备用容量。3、有助于采用大容量发电机组和发展大容量电厂安装大机组和建设大型发电厂是节省基建投资、加紧建设速度、减少发电成本和燃料消耗量以及提高劳动生产率的重要方法。但对于较小容量的电力系统，大机组会造成系统运行和检修困难。普通认为，单台机组流量不适宜超出系统总容量的10%~20%。因此，系统容量增大，按照比例，可装设较大容量机组，提高投资效益和运行经济性。4、提高供电安全可靠性电力系统流量增大，系统发生故障时，不仅各地区系统的电力能够互相增援，并且对整个系统的影响也较小，从而能提高系统的供电可靠性。但是，电力系统的个别环节发生故障，如果不及时消除，就有可能使故障扩大，造成电力系统的大面积停电事故。因此，为确保供电可靠性，电力系统必须构造合理，提高各个环节的安全可靠性，提高整个系统的自动化水平。5、提高运行经济性电力系统中的各个发电厂并列运行，按最低供电成本或最少燃料消耗量的准则，实施水、火、核电厂之间的经济调度与电力的合理分派，能够获得系统运行的最大经济效益。在联合电力系统中，由于各个电力系统的供电成本不同，实施经济调度，能够获得额外的经济效益。二、电力生产的重要环节电力生产过程涉及电能的生产、输送和分派，因此严格地讲，电力生产应涉及发电、输电和配电三个重要环节。然而，在诸多状况下，人们把变电和用电也作为电力生产的重要环节。由于从发电到输电和配电，电力需要通过多次的电压变化，变电就成为了电力生产过程中必不可少的环节，但变电环节是存在于发电、输电和配电三个重要环节之中的。用电本应是电能使用和消费的过程，但由于电力的特点是供、产、销瞬时完毕的，因此用电需求的变化和对用电需求的控制会时时影响着电力生产的过程。1、发电电力生产的发电环节是运用电能生产设备将多个一次能源或其它形式的能转换为电能。生产电能的重要方式有火力发电、水力发电、核能发电、地热发电、风力发电、太阳能发电、潮汐能发电、生物智能发电和燃料电池发电等。除太阳能发电的光伏电池技术和燃料电池发电外，绝大部分发电方式的电能生产设备都是由动力部分和发电部分构成。动力部分将多个发电用能源转化成机械能，发电部分则将传递过来的机械能通过电磁感应作用转换为电能。现在世界各国电力工业发广泛采用的发电方式是火力发电、水力发电和核能发电，而火力发电则涉及燃煤发电、燃油发电和天然气发电。在上述发电方式中，其发电部分大多采用交流发电机生产频率为50Hz或60Hz的交流电，在某些特定条件下用直流发电机生产的直流电能，多就地用作控制用电源，紧急备用电源和其它专用电源。在多个发电方式中，火力发电存在着污染物排放问题，其中粉尘、灰渣、氮氧化物和硫化物都能够通过采用一定的技术方法加以防治，但二氧化碳的排放问题是火力发电无法解决的。二氧化碳是使全球气候变暖的“温室效应”之本源。相比之下水力发电和核能发电尽管有其它方面的环保问题，但不存在二氧化碳的排放问题。近年来随着环保意识的不停增强，清洁发电技术发展快速，如整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术、加压流化床联合循环发电技术，以及风力发电技术等新能源发电技术已经开始走向商业化。为了提高能源运用效率，减少对环境的影响，采用微型燃气，轮机和燃料电池发电的绿色分布是电源系统越来越受到人们的重视。2、输电电力生产的输电环节是把电能从其生产之处传输到其使用和消费处，集成发电厂和发电中心把电能输送到电力顾客或电力负荷中心。由于发电厂发出的电力是三相交流电，因此输电大多采用三相交流输电方式，输电采用的电压越高，则可输送的距离就越远，可输送的电功率（容量）就越大，电力工业出现的早期，发电厂建在电力顾客附近，以发电机电压直接向顾客送电。随着电力生产规模和负荷中心规模的扩大，发电中心，如大型火电基地、水电基地和核电基地均远离电力工作中心，并且输电容量也越来越大，致使输电电压不停提高，陆续出现了高压输电220kV,超高压输电（330、380、500、750kV）和特高压输电（1000kV及以上）。3、配电电力生产的配电环节是从输电环节接受电能，并根据各类顾客的不同需求，将电能分派到各行各业的顾客，以最少的消耗向顾客提供持续可靠、质量合格且价格合理的电能，配电环节应根据顾客的重要性和对电力的依赖程度分门别类加以看待。有些顾客对电力可靠性规定很高，电力中断会造成重大经济损失，甚至危及人的生命和国家安全。有些顾客则对电能质量规定很高。电能质量涉及电压质量，频率质量和波形质量，配电环节提供应顾客的电力，其电压和频率、波动应在允许的范畴之内，波形的畸变也应符合原则。配电环节必须要有可靠的配电网络，采用先进的配电自动化技术、电能质量控制技术和当代电能计量技术，方便向顾客提供充足可靠、质量合格和价格合理的电能。4、变电变电是电力生产的重要构成