《電力系統(tǒng)分析》課件第1章

第1章電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)1.1電力系統(tǒng)概述1.2現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)及要求1.3“電力系統(tǒng)分析”課程的主要內(nèi)容

本章主要講述了電力系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史，電力系統(tǒng)的基本概念、表征電力系統(tǒng)的基本參數(shù)、電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等。電力系統(tǒng)的基本運(yùn)行特征是電能不能大量?jī)?chǔ)存，電力系統(tǒng)暫態(tài)響

應(yīng)時(shí)間短，電力系統(tǒng)運(yùn)行安全要求高等。根據(jù)這些特點(diǎn)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求包含四個(gè)層次：正常、安全、經(jīng)濟(jì)性和高質(zhì)量。為了達(dá)到這些運(yùn)行特點(diǎn)和要求，需要對(duì)電力系統(tǒng)的狀態(tài)實(shí)施實(shí)時(shí)的監(jiān)視和控制。本章還論述了“電力系統(tǒng)分析”這門課在電力系統(tǒng)工程領(lǐng)域的地位和作用，以及這門課所講授的主要內(nèi)容。

1.1電力系統(tǒng)概述

1.1.1電力系統(tǒng)的發(fā)展歷史電力系統(tǒng)是在電工學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。在電工學(xué)日益發(fā)展成熟的19世紀(jì)末期，雅克比發(fā)明了第一臺(tái)實(shí)用電動(dòng)機(jī)，隨后西門子發(fā)明了第一臺(tái)實(shí)用的自激式發(fā)電機(jī)，愛(ài)迪生發(fā)明了白熾燈，電力系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上誕生了。

1.早期直流輸電階段

第一個(gè)商業(yè)化的完整的電力系統(tǒng)是由托馬斯·愛(ài)迪生(ThomasEdison)于1882年9月在紐約城的皮埃爾大街站建成的一個(gè)直流輸電系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)、電纜、負(fù)荷、熔斷絲、

電表等(即包含發(fā)電、輸電、用電、保護(hù)和測(cè)量等環(huán)節(jié))。這個(gè)直流輸電系統(tǒng)由一臺(tái)蒸汽機(jī)拖動(dòng)的直流發(fā)電機(jī)供給1.5km范圍內(nèi)的59個(gè)白熾燈用戶。到1886年直流輸電系統(tǒng)的不足就充分顯示出來(lái)了，直流輸電在當(dāng)時(shí)的電壓下無(wú)法輸送更遠(yuǎn)的距離。為了提高輸電距離，減少輸電損耗，長(zhǎng)距離的直流輸電必須采用高電壓，而這樣的高電壓無(wú)論是發(fā)電機(jī)還是用戶都無(wú)法接受，因此必須采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)對(duì)電壓進(jìn)行變換。

2.高壓交流輸電階段

L.Gaulard和J.D.Gibbs分別開(kāi)發(fā)出了變壓器和交流輸電技術(shù)。GeorgeWestingHouse(西屋)取得了交流輸電技術(shù)在美國(guó)的應(yīng)用權(quán)。1886年，西屋的助手WilliamStanley發(fā)明了商

業(yè)用的電力變壓器，并由此組建了第一個(gè)交流配電系統(tǒng)。

1888年，

NikolaTesla進(jìn)入西屋電氣公司，開(kāi)始研究交流電，并持有交流電動(dòng)機(jī)、變壓器和交流輸電系統(tǒng)的多項(xiàng)專利。

1889年，北美洲的第一個(gè)單相交流輸電系統(tǒng)在維拉穆特瀑布(WillametteFalls)和波特蘭(Portland)之間建成并投入運(yùn)行，引發(fā)了電力發(fā)展史上著名的“交直流大戰(zhàn)”。

主張直流輸電的愛(ài)迪生和主張交流輸電的西屋之間發(fā)生了激烈的爭(zhēng)論。直到1888年，俄國(guó)勃羅沃爾斯基發(fā)明了效率更高的三相異步電機(jī)和三相輸電技術(shù)以后，三相交流輸電才逐步取代直流電。1895年，尼亞加拉大瀑布(NiagaraFalls)水力交流發(fā)電站建立，并成功地將電力輸送到35km以外的布法羅(Baffalo)，這是當(dāng)時(shí)直流輸電不可能做到的。從此，電力系統(tǒng)進(jìn)入了高壓交流輸電的階段。在“交直流大戰(zhàn)”中，交流輸電勝利的主要原因在于交流系統(tǒng)的電壓水平可以靈活地轉(zhuǎn)換，另一原因就是交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)的成本更低，效率更高。

3.超(特)高壓交流輸電階段

進(jìn)入20世紀(jì)，為了滿足電力工業(yè)的發(fā)展，將電力輸送到更遠(yuǎn)的距離，使輸電效率更高，電力系統(tǒng)的輸電電壓水平也越來(lái)越高。1936年，美國(guó)建成鮑爾德水閘水電站到洛杉磯的287kV輸電線路(長(zhǎng)430km，輸送容量250MW~300MW，雙回線路)的投運(yùn)標(biāo)志著電力系統(tǒng)超高壓輸電時(shí)代的到來(lái)。20世紀(jì)50年代，隨著大型水電站的開(kāi)發(fā)和大型火電廠的興建，超高壓輸電技術(shù)迅速發(fā)展。

1952年，瑞典首先建成一條330kV超高壓輸電線路，長(zhǎng)954km。1954年，美國(guó)首條354kV輸電線路投運(yùn)。1956年，蘇聯(lián)古比雪夫水電站至莫斯科400kV雙回超高壓輸電線路投入運(yùn)行，南北線路各長(zhǎng)815km和890km，共輸電1.15GW。1959年，該雙回線進(jìn)行升壓，世界上首條500kV超高壓線路出現(xiàn)。1965年，加拿大建成735kV超高壓線路。1969年，美國(guó)又把輸電電壓等級(jí)提高到765kV。1981年，蘇聯(lián)開(kāi)工興建自車?yán)镅刨e斯克至庫(kù)斯坦奈的1150kV特高壓輸電線路，并于1985年投入運(yùn)行，這是目前世界上已運(yùn)行的最高交流輸電線路，標(biāo)志著電力系統(tǒng)進(jìn)入特高壓輸電時(shí)代。

4.超(特)高壓交直流混合輸電階段(現(xiàn)代電力系統(tǒng))

隨著汞弧閥的出現(xiàn)，高壓直流輸電(HVDC)在超遠(yuǎn)距離輸電方面更為經(jīng)濟(jì)，而且HVDC可以實(shí)現(xiàn)非同步并網(wǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的好處。第一條商業(yè)用的100kV直流輸電(HVDC)線路于1954年在瑞典建成，它通過(guò)96km的海底電纜將瑞典本與格特蘭島(Gotland)互聯(lián)起來(lái)。特別是晶閘管的發(fā)展，使得HVDC變得更加有吸引力。第一條采用晶閘管的HVDC系統(tǒng)于1972年在加拿大投運(yùn)，這為魁北克省和新布倫瑞克省之間提供非同步互聯(lián)。從此，電力系統(tǒng)進(jìn)入了交直流混聯(lián)的時(shí)代。

電力系統(tǒng)從誕生到現(xiàn)在經(jīng)歷了四個(gè)重要階段，進(jìn)入了特高壓、大電網(wǎng)、交直流混聯(lián)的時(shí)代，現(xiàn)代電力系統(tǒng)是具有電源多樣化、多電壓等級(jí)、極端復(fù)雜的互聯(lián)大系統(tǒng)。

1.1.2電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等設(shè)備連接組成的一個(gè)復(fù)雜的多層次的電力網(wǎng)絡(luò)，包括發(fā)電廠、電力網(wǎng)和負(fù)荷三大部分，如圖11所示。

發(fā)電廠的作用是將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能。在目前的電力系統(tǒng)中，主要的發(fā)電廠是以煤、石油和天然氣為燃料的火力發(fā)電廠，利用水力發(fā)電的水力發(fā)電廠，利用核能發(fā)電的核電站等。進(jìn)入21世紀(jì)，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的電源呈現(xiàn)出了多樣化趨勢(shì)，如風(fēng)力發(fā)電、太能發(fā)電、熱能發(fā)電、潮汐能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等多種發(fā)電形式。

電力網(wǎng)的作用是將發(fā)電廠發(fā)出的電能輸送給各個(gè)負(fù)荷。根據(jù)不同功能，電力網(wǎng)劃分為輸電網(wǎng)、次輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。輸電網(wǎng)(TransmissionPowerSystem)連接系統(tǒng)中的主要發(fā)電廠和主要的負(fù)荷中心，它形成整個(gè)系統(tǒng)的主干網(wǎng)(

BulkPowerSystem)，且運(yùn)行于最高電壓水平，通常為220kV及以上電壓等級(jí)。次輸電網(wǎng)(Sub-transmissionPowerSystem)則是將電力從輸電變電站輸送到配電變電站，通常較大的工業(yè)負(fù)荷用戶也直接由次輸電系統(tǒng)直接供電。配電網(wǎng)

DistributedPowerSystem)則是電力送往用戶的最后一級(jí)，將電力分配到每一個(gè)用戶，因此稱為配電網(wǎng)。

不同大小的電廠連接的網(wǎng)絡(luò)不同，主力大電廠通常通過(guò)變壓

器升壓后直接連在輸電網(wǎng)上，較大電廠則通常連接在次輸電網(wǎng)中，靠近負(fù)荷的小發(fā)電廠則直接連接到配電網(wǎng)中。因此小型的發(fā)電廠，諸如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等由于發(fā)電容量很

小，通常直接連接在配電網(wǎng)中，這些形式的發(fā)電也稱為分布式發(fā)電或分散式發(fā)電。圖1-1典型電力系統(tǒng)接線圖

我國(guó)電力系統(tǒng)的劃分只有輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)兩部分，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離輸送電能的稱為輸電網(wǎng)，通常為220kV及以上網(wǎng)絡(luò)，次輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)統(tǒng)稱為配電網(wǎng)。因此，我國(guó)電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)通常又分為高壓配電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)。高壓配電網(wǎng)通常是35kV及以上電壓等級(jí)形成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；而中壓配電網(wǎng)通常為10kV等級(jí)形成的輻射型網(wǎng)絡(luò)，城市中壓配電網(wǎng)通常為了保證供電可靠性而采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是開(kāi)環(huán)運(yùn)行。對(duì)于具有較高供電可靠性要求的負(fù)荷，有可能采用自母線環(huán)網(wǎng)，即網(wǎng)絡(luò)環(huán)接于同一個(gè)10kV母線，這主要是為了避免電磁環(huán)網(wǎng)。

所謂電磁環(huán)網(wǎng)，就是兩個(gè)不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)環(huán)接在一起。電磁環(huán)網(wǎng)的弊端是顯而易見(jiàn)的，當(dāng)高壓線路斷開(kāi)時(shí)，潮流將轉(zhuǎn)移至低壓線路，從而在低壓線路產(chǎn)生較大的電流。我國(guó)配電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2我國(guó)配電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)

1.1.3電力系統(tǒng)的額定電壓和頻率

眾所周知，電力系統(tǒng)的頻率是與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系的，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度就是電網(wǎng)的角頻率。因此正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)要求所有的發(fā)電機(jī)都必須按照同一個(gè)

轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，即同步運(yùn)行。這個(gè)同步運(yùn)行的角速度即為電網(wǎng)的頻率。

電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備都是按照指定的電壓和頻率來(lái)設(shè)計(jì)的，在這個(gè)指定的電壓和頻率下，電氣設(shè)備具有最佳的運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)效果，這個(gè)電壓和頻率稱為額定電壓和額定頻率。為了在電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的兼容性，各國(guó)都制定了電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)額定電壓和額定頻率。我國(guó)的額定頻率為50Hz，歐美地區(qū)和日本電力系統(tǒng)額定頻率為60Hz。我國(guó)制

定的三相交流3kV及以上電壓等級(jí)的額定電壓如表1-1所示。

我國(guó)電力系統(tǒng)3kV及以上的電壓等級(jí)包括：3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV和750kV。電壓等級(jí)指的是電力系統(tǒng)的額定線電壓。110kV及以下稱為高壓(HighVoltage，HV)，

220~750kV稱為超高壓(ExtraHighVoltage，EHV)，

1000kV以上稱為特高壓(UltraHighVoltage，UHV)。

在同一個(gè)電壓等級(jí)下，電力設(shè)備的額定電壓不盡相同，這是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)在傳輸電能的時(shí)候有電壓損耗。為了使得電力系統(tǒng)的所有電力設(shè)備都能在額定電壓下運(yùn)行，各個(gè)電氣設(shè)備的額定電壓需要有一個(gè)配合的問(wèn)題。配合的原則是：送電設(shè)備的額定電壓要比系統(tǒng)額定電壓高5%~10%，受電設(shè)備的額定電壓應(yīng)與系統(tǒng)額定電壓一致。

發(fā)電機(jī)的額定電壓要比系統(tǒng)的額定電壓高5%。變壓器的一次繞組相當(dāng)于用電設(shè)備，因此與系統(tǒng)電壓一致，如果變壓器直接連接發(fā)電機(jī)，則與發(fā)電機(jī)的額定電壓相同。二次繞組相當(dāng)于送電設(shè)備，因此要比系統(tǒng)額定電壓高10%，但如果直接與用戶相連或者其短路電壓小于7%(意味著其漏抗較小，電壓損耗較低)，則比系統(tǒng)額定電壓高5%。

另外，為了電力系統(tǒng)調(diào)壓的需要，很多變壓器的高壓側(cè)具有分抽頭。同一電壓等級(jí)下，即使分抽頭的百分比相同，但由于升壓變壓器和降壓變壓器的額定電壓不同，其分抽頭的電壓也不同。對(duì)于升壓變壓器，其高壓側(cè)為二次側(cè)，相當(dāng)于送電設(shè)備，其主抽頭的額定電壓UN比系統(tǒng)額定電壓高10%，而降壓變壓器其高壓側(cè)在一次側(cè)，相當(dāng)于用電設(shè)備，其主抽頭額定電壓UN與系統(tǒng)額定電壓相同。以220kV等級(jí)為例，系統(tǒng)額定電壓為220kV，升壓變壓器高壓側(cè)主抽頭額定電壓為242kV，降壓變壓器高壓側(cè)的額定電壓為220kV。

1.1.4表征電力系統(tǒng)的參數(shù)

表征電力系統(tǒng)的規(guī)模和大小的參數(shù)主要有總裝機(jī)容量、年發(fā)電量、最大負(fù)荷、最高電壓等級(jí)等。

電力系統(tǒng)總裝機(jī)容量指系統(tǒng)中實(shí)際安裝的發(fā)電機(jī)的額定功率的總和，既包括正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，也包括停止運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，其單位為千瓦(kW)、兆瓦(MW)和吉瓦(GW)。

電力系統(tǒng)年發(fā)電量指系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)組全年實(shí)際發(fā)出電能的總和，其單位為兆瓦·時(shí)(MW·h)、吉瓦·時(shí)(GW·h)和太瓦·時(shí)(TW·h)。

年最大負(fù)荷指電力系統(tǒng)總有功負(fù)荷在一年以內(nèi)的最大值，用kW、MW或GW表示。

年發(fā)電量與年最大負(fù)荷之比稱為最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)。

最高電壓等級(jí)指電力系統(tǒng)中最高電壓等級(jí)電力線路的額定電壓，用kV計(jì)。

1.1.5電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式

電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式有兩大類：一類是中性點(diǎn)直接接地，另一類是中性點(diǎn)不接地或者經(jīng)過(guò)大的阻抗接地。前者稱為大電流接地系統(tǒng)，后者稱為小電流接地系統(tǒng)或中性點(diǎn)

不直接接地系統(tǒng)。

根據(jù)三相電路理論可知，三相系統(tǒng)電源對(duì)稱且參數(shù)平衡的情況下，全系統(tǒng)的電氣量才是對(duì)稱的。所謂對(duì)稱，是指三相電氣量大小相等，相位相差120°；參數(shù)平衡是指系統(tǒng)的自阻抗和自導(dǎo)納相等，三相互阻抗和互導(dǎo)納也相等。只有在這種情況下，全系統(tǒng)的電氣量才是對(duì)稱的，三相系統(tǒng)才可以用“單相法”來(lái)分析。(為什么?請(qǐng)讀者自己思考。)

在三相對(duì)稱平衡的情況下，中性點(diǎn)接地與否不會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，因?yàn)榇藭r(shí)中性點(diǎn)的電位為零。

如圖1-3所示，對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，三個(gè)電源EA、EB、EC均為對(duì)稱電源。忽略系統(tǒng)的阻抗，根據(jù)KVL定律有

(1-1)

在三相對(duì)稱平衡的情況下，三相電源對(duì)稱，三相電壓也對(duì)稱。將式(1-1)中三個(gè)式子相加，可知

(1-2)

可見(jiàn)，在正常三相對(duì)稱運(yùn)行的情況下，中性點(diǎn)接地與不接地沒(méi)有任何影響。圖1-3中性點(diǎn)不接地三相系統(tǒng)

假設(shè)A相發(fā)生短路接地，則A相的對(duì)地電壓為零，此時(shí)中性點(diǎn)的電壓

(1-3)

則根據(jù)式(1-1)可知，A相接地短路后的三相電壓為：

(1-4)

根據(jù)公式(1-1)可以得到中性點(diǎn)的電壓UN=-UA，B相的對(duì)地電壓是B相對(duì)A相的電壓，C相的對(duì)地電壓則是C相對(duì)A相的電壓。A相短路后三相電壓相量圖如圖1-4所示。圖1-4中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)A相接地時(shí)電壓相量圖

由于實(shí)際系統(tǒng)中三相對(duì)地電容(線路具有分布電容，母線具有雜散電容)的作用，單相短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生電容性短路電流，對(duì)于短路后電弧的熄滅不利。為了快速熄滅短路電弧使得系統(tǒng)恢復(fù)正常，通常在中性點(diǎn)連接消弧線圈，使得電容性的短路電流得到補(bǔ)償，或者中性點(diǎn)連接一個(gè)大電阻，減少電容電流的幅值。

雖然小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相短路后可以不必立即跳閘，能夠在一定程度上提高電力系統(tǒng)的可靠性，但非故障相電壓升高到原來(lái)的3倍，不利于電氣設(shè)備的絕緣，因此小電流接地系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于60kV及以下配電系統(tǒng)中。在110kV及以上輸電系統(tǒng)中，由于電壓等級(jí)較高，非故障相過(guò)電壓將使得絕緣承受更高的電壓，因此在輸電網(wǎng)中通常采用中性點(diǎn)直接接地方式。由于中性點(diǎn)直接接地在發(fā)生單相接地短路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，因此，又稱為大電流接地系統(tǒng)。

1.2現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)及要求

1.2.1現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)電力系統(tǒng)是生產(chǎn)、輸送、分配和使用電能的所有電力設(shè)備連接而成的系統(tǒng)，電能是電力系統(tǒng)的產(chǎn)品。與普通意義上的商品相比，電力系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)電能不能大量?jī)?chǔ)存。電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用必須是同步進(jìn)行的。也就是說(shuō)，發(fā)電設(shè)備在某個(gè)時(shí)刻生產(chǎn)的總電能必須嚴(yán)格地和這個(gè)時(shí)刻負(fù)荷消耗和輸送損耗的總電能相等。正是因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，一旦電力系統(tǒng)發(fā)出的電能和消耗的電能不匹配，輕則導(dǎo)致電力系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)，例如電壓、頻率將發(fā)生變化，導(dǎo)致電力系統(tǒng)不能正常安全地運(yùn)行，重則導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰和瓦解。

電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，只有一個(gè)運(yùn)行頻率，即電力系統(tǒng)中所有的發(fā)電機(jī)必須都保持同步運(yùn)行，這就要求所有的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩相平衡。一旦這個(gè)平衡被

打破，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者重新進(jìn)入一個(gè)新的平衡，或者不能進(jìn)入平衡狀態(tài)，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的劇烈振蕩，失去同步。然而，電力系統(tǒng)的負(fù)荷是隨機(jī)變化的，因此需要對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)電進(jìn)行合理的安排和調(diào)度，并利用自動(dòng)控制裝置，實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷的變化，保持系統(tǒng)的功率平衡。同時(shí)，在電力系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)，例如發(fā)生短路故障的情況下，需要及時(shí)切除故障，并及時(shí)實(shí)施控制，保證電力系統(tǒng)功率的平衡。

(2)電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程十分迅速。所謂暫態(tài)過(guò)程，就是從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。在電力系統(tǒng)中，一旦發(fā)生擾動(dòng)，例如開(kāi)關(guān)操作、雷電沖擊、短路等，電力系統(tǒng)將從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)。這個(gè)暫態(tài)過(guò)程的時(shí)間非常短，電氣暫態(tài)過(guò)程只有數(shù)毫秒的時(shí)間，從發(fā)生故障到系統(tǒng)失去穩(wěn)定的機(jī)電暫態(tài)時(shí)間也不過(guò)只有幾秒，因事故導(dǎo)致系統(tǒng)全面崩潰瓦解的過(guò)程也只有數(shù)分鐘。這就要求電力系統(tǒng)的保護(hù)與控制裝置具有足夠快的反應(yīng)速度。

(3)電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)必須在規(guī)定范圍內(nèi)。電力系統(tǒng)的運(yùn)行是同步的，即整個(gè)電網(wǎng)只有一個(gè)額定頻率，這就意味著電力系統(tǒng)中的所有的同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速都必須運(yùn)行在額定

頻率附近，一旦頻率降低，電力系統(tǒng)就進(jìn)入不正常狀態(tài)，甚至有可能失去同步運(yùn)行。電力系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓也是有要求的，不僅僅有電能質(zhì)量的要求，而且還有系統(tǒng)正常運(yùn)行的要求，一旦某點(diǎn)的電壓降低，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的電壓崩潰。

1.2.2現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特征

電力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，特別是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力系統(tǒng)本身也發(fā)生了巨大的變化，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)現(xiàn)代電力系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入大系統(tǒng)、特/超高壓、遠(yuǎn)距離、交直流混聯(lián)的大區(qū)域互聯(lián)的新階段。為了提高供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，從簡(jiǎn)單的樹枝結(jié)構(gòu)的輻射型網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到多電源供電的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，從小區(qū)域網(wǎng)發(fā)展到大區(qū)域網(wǎng)的互聯(lián)。輸電電壓等級(jí)也越來(lái)越高，最高電壓等級(jí)從330kV發(fā)展到現(xiàn)在的750kV，甚至1000kV。輸電形式也從單一的交流輸電發(fā)展為交直流混聯(lián)，超高壓遠(yuǎn)距離直流輸電已經(jīng)成為區(qū)域電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線。

(2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使現(xiàn)代電力系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)和管理手段發(fā)生了重大變革，電力市場(chǎng)將取代傳統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)方式。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)和管理方式為計(jì)劃經(jīng)濟(jì)和計(jì)劃管理，發(fā)電、輸電和配電由電力部門統(tǒng)一管理，發(fā)電和配電由電力調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一調(diào)配。這種計(jì)劃管理體系在特定的時(shí)期提高了電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，但隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體系的不斷完善和發(fā)展，傳統(tǒng)的計(jì)劃調(diào)度模式已經(jīng)不適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展。為了適應(yīng)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)模式下，整合電力系統(tǒng)的資源，電力市場(chǎng)成為目前世界各國(guó)研究的重要課題之一，由市場(chǎng)來(lái)調(diào)控電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已勢(shì)在必行。

(3)發(fā)電形式的多樣化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力系統(tǒng)中的發(fā)電形式也呈現(xiàn)出多樣化的局面。傳統(tǒng)的發(fā)電形式是水力發(fā)電和火力發(fā)電。隨著核物理技術(shù)的發(fā)展，核能的民用技術(shù)不斷完善，利用核能的發(fā)電廠在世界各國(guó)得到了比較廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)以，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)等無(wú)污染的高效清潔能源發(fā)電成為世界各國(guó)研究的重要內(nèi)容。

(4)高度集成的電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)自動(dòng)化從傳統(tǒng)的分散自動(dòng)控制裝置發(fā)展為分層分布式的高度集成的綜合自

動(dòng)化系統(tǒng)，將監(jiān)視、測(cè)量、控制、保護(hù)以及管理功能集成在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中。從基層的變電站、電廠的綜合自動(dòng)化，到各個(gè)級(jí)別的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，電力系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了變電站無(wú)人職守，實(shí)現(xiàn)了從調(diào)度中心直接監(jiān)視和控制電力系統(tǒng)的遙信”、“遙調(diào)”、“遙控”和“遙測(cè)”的“四遙”功能。

1.2.3現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求

根據(jù)電能不能大規(guī)模儲(chǔ)存以及電力系統(tǒng)運(yùn)行的特殊性，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求可以概括為正常、安全、經(jīng)濟(jì)和高質(zhì)量四個(gè)方面的內(nèi)容。

所謂正常，就是指電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)在允許的范圍之內(nèi)。這就要求電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率和負(fù)荷消耗的功率相平衡，一旦功率不平衡，電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)就會(huì)發(fā)生變化。如果運(yùn)行參數(shù)發(fā)生了改變后，仍然不能使功率平衡，電力系統(tǒng)就會(huì)失去穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的瓦解和崩潰。電力系統(tǒng)的這一特征，要求電力系統(tǒng)必須處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

在正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上還要保證安全。所謂安全，就是電力系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，是指在合理的假想事故下，電力系統(tǒng)仍然處于正常狀態(tài)。這就要求電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)必須考慮一定的安全裕度，保證電力系統(tǒng)在受到故障等擾動(dòng)時(shí)，仍然保持正常運(yùn)行。根據(jù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行導(dǎo)則，電力系統(tǒng)必須滿足N-1原則，即系統(tǒng)即使有一條線路故障開(kāi)斷后，系統(tǒng)仍然正常運(yùn)行。

在保證電力系統(tǒng)正常安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，還要保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為了保證經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)在發(fā)電廠之間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，使得火電廠的燃料總耗量最低，還要進(jìn)行合理的

潮流分配使得電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗達(dá)到最小。隨著電力市場(chǎng)的逐步推進(jìn)，電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的任務(wù)將為由電力市場(chǎng)來(lái)進(jìn)行資源的合理配置。

最后，必須保證電能質(zhì)量。電能質(zhì)量是對(duì)供電可靠性以及電壓、頻率、波形和幅值的要求，包括諧波含量、電壓驟降、三相平衡度、電壓閃變等方面。隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，對(duì)電能質(zhì)量的需求也越來(lái)越多樣化。

1.2.4現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與控制

為了保證電力系統(tǒng)的正常、安全、經(jīng)濟(jì)和高質(zhì)量供電，在電力系統(tǒng)沒(méi)有故障發(fā)生，而只受到負(fù)荷波動(dòng)等小的擾動(dòng)的情況下，必須首先保證電力系統(tǒng)的指標(biāo)滿足要求，即頻率恒定、電壓恒定、支路功率不過(guò)載。從另外一個(gè)角度，保證上述三個(gè)基本條件就是保證電力系統(tǒng)的功率平衡和運(yùn)行參數(shù)在允許的范圍內(nèi)。前者稱為等式約束條件，后者稱為不等式約束條件。滿足上述條件的電力系統(tǒng)是正常的。

為了保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，我們必須對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行控制，控制的目標(biāo)取決于電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在正常的方式下，控制目標(biāo)是使電壓和頻率盡可能地接近額定值，并兼顧電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。在非正常狀態(tài)發(fā)生時(shí)，控制目標(biāo)就是使電力系統(tǒng)恢復(fù)到正常運(yùn)狀態(tài)。

電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可以分為五種：安全的正常狀態(tài)(安全狀態(tài))、不安全的正常狀態(tài)(警戒狀態(tài))、異常狀態(tài)、緊急狀態(tài)和待恢復(fù)狀態(tài)。其中，安全的正常狀態(tài)和不安全的正常狀態(tài)都屬于正常運(yùn)行狀態(tài)，緊急狀態(tài)和極端狀態(tài)屬于不正常運(yùn)行狀態(tài)。

在安全的正常狀態(tài)下，除了所有的運(yùn)行參數(shù)在額定范圍內(nèi)以外，系統(tǒng)處于安全的運(yùn)行方式下，能夠承受偶然的事故而不超出任何約束條件。如果系統(tǒng)的安全水平下降到某個(gè)適

當(dāng)?shù)慕缇€，或者由于惡劣的外部因素導(dǎo)致故障擾動(dòng)發(fā)生的可能性增加，此時(shí)故障并沒(méi)有發(fā)生，而且各個(gè)運(yùn)行參數(shù)仍然滿足要求，系統(tǒng)就進(jìn)入不安全的正常狀態(tài)，即警戒狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)雖然正常，但很脆弱，一個(gè)小的偶然事故就會(huì)造成系統(tǒng)頻率、電壓以及支路功率等指標(biāo)超過(guò)正常允許范圍，從而使系統(tǒng)進(jìn)入異常狀態(tài)。如果在異常狀態(tài)下，采取的控制措施不當(dāng)，或又發(fā)生了一個(gè)大的擾動(dòng)，那么就會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入緊急狀態(tài)。在正常狀態(tài)下，發(fā)生的擾動(dòng)很嚴(yán)重，則會(huì)讓系統(tǒng)直接進(jìn)入緊急狀態(tài)，如圖1-5所示。圖1-5電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)受到微小的擾動(dòng)，例如支路的正常操作開(kāi)斷，從安全的正常狀態(tài)運(yùn)行至不安全的正常狀態(tài)時(shí)，需要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防性控制，使之重新回到安全的正常狀態(tài)中。當(dāng)電力系統(tǒng)受到較大的擾動(dòng)，使之進(jìn)入異常狀態(tài)時(shí)，此時(shí)電壓、頻率或支路功率等指標(biāo)超出了正常運(yùn)行的范圍，需要對(duì)電力系統(tǒng)施加校正控制，如甩負(fù)荷、切機(jī)、調(diào)整發(fā)電機(jī)出力等。如果電力系統(tǒng)受到很大的擾動(dòng)，系統(tǒng)即將失去穩(wěn)定且即將進(jìn)入崩潰狀態(tài)(極端狀態(tài))，則需要對(duì)電力系統(tǒng)施加穩(wěn)定性控制，如電力系統(tǒng)解列等。

對(duì)電力系統(tǒng)采取什么類型的控制是根據(jù)擾動(dòng)的程度決定的，除了對(duì)故障元件的切除，即繼電保護(hù)以外，要保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電力系統(tǒng)控制提出了三個(gè)層次的要求，即三道防線：一是電力系統(tǒng)受到微小擾動(dòng)時(shí)，必須保證電力系統(tǒng)不失去負(fù)荷；二是當(dāng)電力系統(tǒng)受到較大擾動(dòng)時(shí)，允許失去部分負(fù)荷，盡可能地少失去負(fù)荷；三是當(dāng)電力系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)時(shí)，保證電力系統(tǒng)