電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電、用電等設備和相應的輔助系

統(tǒng)，按規(guī)定的技術和經濟要求組成的一個統(tǒng)一系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的基本任務

是安全、可靠、優(yōu)質、經濟地生產、輸送與分配電能，滿足國民經濟和人

民生活的需要。

一個現(xiàn)代電力系統(tǒng)是由極寬闊的地域內的大量電力設備互聯(lián)在一起形

成的。如我國就有華東、東北、華北、華中、J川渝、西北、南方四省等

區(qū)域電網和部分省網，規(guī)劃到2015年實現(xiàn)全國聯(lián)網。聯(lián)網的優(yōu)越性表現(xiàn)

在：

①能更經濟合理地開發(fā)利用各種一次能源，能解決能源資源與負荷分

布地區(qū)間的不平衡問題；

②可以錯開用電高峰低谷，減少裝機和備用；

③有利于采用標準化大型設備，節(jié)省投資和提高運行經濟性；

④便于故障時相互支援，提高運行安全性;⑤便于集中管理，實現(xiàn)經

濟調度和電力合理分配。

發(fā)電、變電、輸電、配電、用電等設備稱為電力主設備，主要有發(fā)電

機、變壓器、架空線路、電纜、斷路器、母線、電動機、照明設備、電熱

設備等。山土設名構成的系統(tǒng)稱為主系統(tǒng)，也稱為一次系統(tǒng)。測量、監(jiān)視、

控制、繼電保護、安全自動裝置、通信，以及各種自動化系統(tǒng)等用于保證

主系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、正常運行的設備稱為二次設備。二次設備構成的系統(tǒng)

稱為輔助系統(tǒng)，也稱為二次系統(tǒng)（因為它們連接于互感器的二次側或電力

主設備的操作控制接口上）。

為了充分發(fā)揮電力系統(tǒng)的功能和作用，應滿足以下基本要求：

（1）滿足用戶需求（數(shù)量和質量要求）電力系統(tǒng)應有充足的備用容

量，能實現(xiàn)快速控制。出力不足時才考慮計劃限電。事故緊急情況下可有

選擇地切除部分負荷，以保證交通、通信、保安系統(tǒng)、醫(yī)院等重要負荷的

供電和全系統(tǒng)的安全性。監(jiān)測供電質量的指標主要是全網的頻率和各供電

點的電壓。隨著用戶對供電質量要求的提高，現(xiàn)在還提出了電壓和電流波

形、三相不對稱度和電壓閃變等質量指標。

（2）安全可靠性要求一個安全可靠的系統(tǒng)應具有經受一定程度的干

擾和事故的能力。即當出現(xiàn)預計的干擾或事故時，系統(tǒng)憑借本身的能力

（合理的備用和網架結構）、繼電保護裝置和安全自動裝置等的作用，以

及運行人員的控制操作，仍能保持繼續(xù)供電。但當事故嚴重到超出預計時,

則可能使系統(tǒng)失去部分供電能力，這時應盡量避免事故擴大和大面積停電,

盡快消除事故后果，恢復正常供電。

（3）經濟性要求以最小發(fā)電（供電）成本或最小燃料消耗為目標的

經濟運行，進行并列發(fā)電機組間出力的合理分配。還需要考慮線損影響：

對負荷變化進行相應的開、停機，以減少燃料消耗;水、火電混合系統(tǒng)中

充分發(fā)揮水電能力，有效利用水資源，使發(fā)電成本最小等。

（4）環(huán)保和生態(tài)要求控制溫室氣體和有害物質的排放，控制冷卻水

的溫度和速度，防止核輻射污染，減少輸電線的高壓電磁場、變壓器噪聲

及其影響等。做到能源的可持續(xù)利用和發(fā)展，保護環(huán)境與生態(tài)。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特點

電力系統(tǒng)技術上發(fā)展的特征可用〃大機組、大電網、高電壓〃來描述,

可靠性也已成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、設計、運行考慮的首要因素。20世紀60

年代以來，以控制、通信和計算機技術的引入與廣泛應用為標志，數(shù)字化、

網絡化、信息化、智能化技術日益提高了電力系統(tǒng)的自動化水平。以電力

中電子技術為基礎.直流輸電技術成為成孰技術。靈活交流輸電技術也得

到1了重視和發(fā)展。以上這些構成了現(xiàn)代電力系統(tǒng)技術發(fā)展的新特征。現(xiàn)

代電力系統(tǒng)的目標是更加可靠、更加有效及更加開放。

由于人類社會需求日益增長目不斷變化、提高，隨著世界經濟、科技

的發(fā)展，現(xiàn)代電力工業(yè)更注重能源開發(fā)與環(huán)境保護的協(xié)調，追求更高的申

能質量標準，重視電源結構的優(yōu)化面配置，建設基于高新技術的現(xiàn)代能量

管理系統(tǒng)，構建體現(xiàn)公平章爭和多元利益的電力市場。潔凈煤技術、水電

開發(fā)、核電的發(fā)展將越來越得到重視。新能源的開發(fā)利用，特別是可再生

能源的開發(fā)利用也是現(xiàn)代電力技術的發(fā)展趨勢。

電力市場的引入，可以提高效率、降低成本，促進電力資產的合理利

用與發(fā)展，并降低電價，使用戶受益。引進市場競爭機制對電力行業(yè)的沖

擊，從管理上就面臨著體制變革的要求，從行業(yè)壟斷的縱向一體化管理，

轉向放松控制(Deregulation)＞開放上網等更加靈活的橫向協(xié)調的機制。

廠網分開，獨立經營，出現(xiàn)了獨立發(fā)電人IPP(IndependentPower

Producer)和獨立電網管理中心ISO(IndependentSystemOperator)

等新的獨立實體。3.2.3電力資源與負荷。

我國用于發(fā)電的一次能源蘊藏量較為豐富，深埋在1000米以內的煤

炭總資源量為2.6萬億噸，列世界第2位；我國水力資源蘊藏量有

6.76X10°kW,居世界首位，其中可供開發(fā)利用的就有3.7X10°kW,居

世界首位，70%以上的水能資源集中在西南地區(qū)；其他如石油、核燃料、

風能、太陽能、地熱等能源也比較豐富，這些都為我國電力工業(yè)的發(fā)展奠

定了雄厚的物質基礎。中國資源的分布(西部為主)、中國能源的結構

級和結構，以及配電網的發(fā)展原則等。后者則是對規(guī)劃期內系統(tǒng)的發(fā)展進

行調研、計算、分析、方案比較，提出具體分階段的電源和電網規(guī)劃建設

項目和進度等。

電力系統(tǒng)構成

電力系統(tǒng)主要由發(fā)電廠、輸配電系統(tǒng)及負荷組成，通常覆蓋廣闊的地

域。發(fā)電廠將一次能源轉換為電能，經過輸電線路進行遠距離輸送，在變

電站內進行電壓等級轉換和線路的投切、保護，送至負荷所在區(qū)域的配電

系統(tǒng)，再由配電變電站和配電線路把電能分配給負荷（用戶）。由輸電線

路、配電線路、變電站組成的輸配電系統(tǒng)稱為電力網絡。由發(fā)電廠、輸配

電系統(tǒng)及負荷組成的統(tǒng)一整體稱為電力系統(tǒng)。如果將發(fā)電廠內的原動機部

分也計入其中，則稱為動力系統(tǒng)。

電站中的鍋爐將化學能轉變?yōu)闊崮?，核反應堆將核能轉變?yōu)闊崮?，?/p>

輪機將熱能轉變?yōu)闄C械能，燃氣輪機將化學能直接轉變?yōu)闄C械能，水輪機

將水位能轉化為機械能，發(fā)電機將機械能轉變?yōu)殡娔堋］旊娋€使發(fā)電廠與

配電系統(tǒng)以及與其他系統(tǒng)實行互聯(lián)。配電系統(tǒng)連接由輸電線供電的局域內

的所有單個負荷。電力負荷包括電燈、電熱器、電動機（感應電動機、同

步電動機等）、整流器、變頻器和其他裝置。在這些設備中電能又將轉變

為光能、熱能、機械能等。

發(fā)電機經過升壓變壓器將電壓升高至輸電電壓220、500kV）,在受端

通過降壓變壓器將電壓降至配電電壓（10~110kV、380/220V）,在降壓變

電站大型用戶的配電電壓為35'110kV,而中小型用戶的配電電壓為

6~10kV、380/220Vo

電力系統(tǒng)設備

電力系統(tǒng)的設備分為電力主設備（一次設備）和二次設備。

一次設備又可分為發(fā)電設備、輸電設備、變電設備、配電設備、用電

設備等。發(fā)電廠內的發(fā)電機是最主要的發(fā)電設備，通過發(fā)電機實現(xiàn)其他形

式能源向申能的轉換。架空輸電線路和地下（海底）輸電電纜是主要輸電

設備，它們把電能從發(fā)電廠送到負荷中心地區(qū)的配電系統(tǒng)。變電所內的變

壓器是主要的變電設備，用以實現(xiàn)電壓的變換，以利于電能的遠距離輸送

和應用。另外，母線,斷路器，開關、刀閘.避雷器、調相機、電容器、互

感器也是變電所的重要設備。配電設備則包括面配電變壓器和配電線路，

使電能按需要送到電力用戶,提供給用電設備使用。用電設備則把電能變

換成用戶需要的能量形式，主要有電燈等電照明設備、電動機等電力拖動

設備、電爐等電熱設備、空調及冰箱等電制冷設備，以及各種需要用電力

能源的設備。

二次設備是指電力系統(tǒng)中用來實現(xiàn)測量、監(jiān)視、控制、繼電保護、安

全自動裝置，通信，以及各種自動化功能，用于保證主系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、

正常運行的設備。

交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)

電力系統(tǒng)的電大致可分為直流電和交流電。直流電的大小相對于時間

是恒定的，方向也不改變。以干電池為例，它的極性（正端與負端）是不

變的，因而直流電方向也不變。而交流電則與此不同，其大小及方向隨時

間做周期性變化，與直流電相比，其變化比較復雜。所謂方向變化也就是

表示極性的變化。若用示波器觀測直流電與交流電的波形。

電力系統(tǒng)的發(fā)展首先是從直流開始的。為了照明的目的，原始的直流

發(fā)電機連接到電力線路上采用110'220V直流電供給串聯(lián)的弧光路燈，

供電距離在廣2km以內。隨著生產的發(fā)展，要求增大輸送功率與輸電距

離.提高輸電效率，這就要求提高輸電電壓，而發(fā)電機電壓因避免出現(xiàn)電

暈不可能提得很高，且直流高壓輸電與用戶低壓用電之間存在著難以克服

的矛盾，使得當時的直流輸電制遇到很大的挑戰(zhàn)。

而交流輸電制卻可使用變壓器，從而簡單、經濟、可靠地解決了高輸

電電壓的問題，使得直流輸電系統(tǒng)逐漸被新興的三相交流輸電制所代替。

1885年匈牙利工程師吉里等研究出封閉磁路的單相變壓器，由此實

現(xiàn)了單相交流輸電。但由于單相交流由動機起動困難不能保證增加發(fā)電廠

的容量和擴大電網的伸展長度。

1888年俄國工程師多利沃-多勃羅沃利斯基先后發(fā)明了三相異步電

動機、三相變壓器和三相交流制。

1891年德國工程師奧斯卡拉?馮?密勒主持建立了最早的三相輸電

系統(tǒng)。由勞芬鎮(zhèn)輸電至法蘭克福，輸送距離是175km,輸送功率約為130

kWo工程的建成標志著歷史上輸電技術的重大突破，由此奠定了現(xiàn)代電力

系統(tǒng)的輸電模式。三相交流電的出現(xiàn)克服了原來直流供電容量小、距離短

的缺點，也比單相交流電更加經濟，實現(xiàn)了遠距離供電。電力不再僅僅用

于照明，而且在工業(yè)、生活中也得到了廣泛應用。

為了減少線路輸電損耗，不斷地提高線路電壓。隨著電壓的提高，輸

送功率和輸送距離便不斷增大。提高線路電壓與線路的絕緣有著密切的關

系，隨后線路的絕緣成為輸電發(fā)展的制約因素。交流系統(tǒng)中的同步發(fā)電機

并聯(lián)運行的穩(wěn)定性問題也是一個重要的技術問題。

為徹底解決交流輸電中同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性問題，工程師的

思想又轉向直流輸電。當今的直流輸申系統(tǒng)已經不同干早年的直流系統(tǒng).

現(xiàn)代高壓直流輸電是將一相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過

高壓直流輸電線路送往另一個換流站逆變成三相交流電的輸電方式。它基

本上由兩個換流站和直流輸電線路組成，兩個換流站與兩端的交流系統(tǒng)相

連接。即由交流發(fā)電機經整流器、高壓直流輸電線路及逆變器后接入受端

交流系統(tǒng)。我國目前的直流輸電電壓己達到±800kV.輸送距離已超過

1700km,輸送功率已超過6400MW,居世界領先水平。

直流輸電線路造價低于交流輸電線路，但換流站造價卻比交流變電站

高得多。一般地，架空線路超過600^800km.電纜線路超過40~60kni.直

流輸電比交流輸電更經濟。隨著高電壓大容量電力電子元件及控制保護技

術的發(fā)展，換流設備造價逐漸降低，直流輸電近年來發(fā)展較快。

概而言之，輸電技術的發(fā)展大致經歷了直流傳輸一交流傳輸一交直流

傳輸?shù)陌l(fā)展過程。

電力系統(tǒng)的運行

一、電力系統(tǒng)基本參量

主要的電氣參量有電壓、電流、阻抗（電阻、電抗、容抗）、功率

（視在功率、有功功率、無功功率）、頻率等。其中，交流系統(tǒng)由于電壓、

電流是隨時間交變的，其瞬時功率（電壓U電流T的乘積UI）也是交變

的，該瞬時功率在一個周期中的平均值即為有功功率P,基本單位為瓦特

（W）O

在理想電感與電容電路中，一個周期內的瞬時功率平均值為零，說明

理想電感和電容在穩(wěn)態(tài)交流電路中不消耗功率.但存在功率的交換，該部

分交換功率稱為無功功率Q.基本單位為乏（var）,可用電流電壓有效值

乘上功率因數(shù)角＜1）的正弦值來計算，即Q二Ulsin相應地，有功功率

P=Ucos而S=U稱為視在功率，基本單位為伏?安（（V-A）。

一個具體的電力系統(tǒng)可以用一些基本參量加以描述，分述如下：

總裝機容量一一系統(tǒng)中所有發(fā)電機組額定有功功率的總和，以兆瓦

(MW)計。

年發(fā)電量一一系統(tǒng)中所有發(fā)電機組全年所發(fā)電能的總和，以兆瓦?時

(MW?h)計。

最大負荷一一指規(guī)定時間(一天、一月或一年)內電力系統(tǒng)總有功功

率負荷的最大值，以兆瓦(MW)計。

年用電量一一接在系統(tǒng)上所有用戶全年所用電能的總和，以兆瓦?時

(MW?h)計。

額定頻率--我國規(guī)定的交流電力系統(tǒng)的額定頻率為50赫茲(Hz)o

最高電壓等級一一指電力系統(tǒng)中最高電壓等級的電力線路的額定電壓,

以千伏(kV)計。

電力系統(tǒng)中各種不同的電力設備均有各自的額定電壓，構成電力系統(tǒng)

的電壓等級。輸電和配電電壓的界限不易固定不變的.隨電網覆蓋的區(qū)域

和容量大小而變化。我國規(guī)定的電壓等級如下：

特高壓輸電電壓(UHV)：1000kV(直流為800kV及以上)；

超高壓輸電電壓(EHV):330kV、500kV;

高壓輸電電壓(HV)：220kV;

高壓配電電壓(HV)：35^110kV;

中壓配電電壓(MV)：l、35kV;

低壓配電電壓(LV)：IkV以下(380/220V))。

二、電力系統(tǒng)分析

電力系統(tǒng)分析是用仿真計算或模擬試驗方法，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和受

到干擾后的暫態(tài)行為進行計算、考查，做出評估，提出改善系統(tǒng)性能的措

施。通過分析計算，可對規(guī)劃設計的系統(tǒng)選擇正確的參數(shù)，制定合理的電

網結構，對運行系統(tǒng)確定合理的運行方式，進行事故分析和預測，提出防

止和處理事故的技術措施。電力系統(tǒng)分析分為穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析，暫態(tài)

分析又可分為電磁暫態(tài)分析和機電暫態(tài)分析。

1.穩(wěn)態(tài)分析

又稱為靜態(tài)分析。研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行方式的性能，包括潮流（輸

送功率）分析、靜態(tài)穩(wěn)定性分析和諧波分析等。

潮流計算主要計算有功和無功功率的平衡、網絡結點電壓及支路電流

或功率的分布等，解決系統(tǒng)有功功率和頻率調整，無功功率和電壓控制等

向題。穩(wěn)態(tài)分析口以給出系統(tǒng)運行

方下各結點電壓和支路功率分布;研究和選擇最佳運行方式，及時發(fā)

現(xiàn)異常運行情況，并做出適當?shù)奶幚?進行網損分析；為確定超高壓線路并

聯(lián)補償容量，變壓器分接頭設置，發(fā)電機額定功率因數(shù)等系統(tǒng)規(guī)劃設計的

主要參數(shù)，以及線路絕緣水平提供部分依據(jù)。

靜態(tài)穩(wěn)定性分析主要分析電網在小擾動下保持穩(wěn)定運行的能力，包括

靜態(tài)穩(wěn)定裕度計算、穩(wěn)定性判斷等。為確定輸電系統(tǒng)的輸送功率，分析靜

態(tài)穩(wěn)定破壞和低頻振蕩事故的原因選擇發(fā)電機勵磁調節(jié)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)

定器和其他控制調節(jié)裝置的形式和參數(shù)提供依據(jù)。

諧波分析是通過諧波潮流計算研究特定諧波源作用下電網內諧波電流

和電壓的分布，確定諧波源的影響程度，制定消除諧波的措施。

2.電磁暫態(tài)分析（故障分析）

故障分析主要研究電力系統(tǒng)中發(fā)生單一或多重故障時的電磁暫態(tài)過程,

計算故障電流、電壓及其在電網中的分布。進行短路電流計算，以確定短

路故障的嚴重程度，選擇電氣設備參數(shù)，整定繼電保護，分析系統(tǒng)中負序

及零序電流的分布，從而確定其對電氣設備和系統(tǒng)的影響等。

電磁暫態(tài)分析還研究電力系統(tǒng)故障和操作過電壓，為變壓器、斷路器

等高壓電氣設備和輸電線路的絕緣配合和過電壓保護的選擇以及降低或限

制電力系統(tǒng)過電壓技術措施的制定提供依據(jù)。

3.機電暫態(tài)分析（暫態(tài)穩(wěn)定性分析?）

主要研究申力系統(tǒng)受到擾動后的機電暫態(tài)過程;研究電力系統(tǒng)受到大

干擾后的暫態(tài)穩(wěn)定；研究諸如短路故障，切除或投人線路，發(fā)申機，負荷、

發(fā)申機失去勵磁.或者油沖擊負荷等大干擾作用下，電力系統(tǒng)的動態(tài)行為

和保持同步穩(wěn)定運行的能力。為規(guī)劃設計中選擇電網結構，為運行系統(tǒng)校

驗和分析穩(wěn)定性能和穩(wěn)定破壞事故，制定防止穩(wěn)定破壞的措施提供依據(jù)。

三、電力系統(tǒng)自動化

應用各種具有自動檢測、反饋、決策和控制功能的裝置，并通過信號、

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對電力系統(tǒng)各元件、局部系統(tǒng)、或全系統(tǒng)進行就地或遠方的

自動監(jiān)視、協(xié)調、調節(jié)和控制，以保證電力系統(tǒng)的供電質量和安全經濟運

行。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模和容量的不斷擴大，系統(tǒng)結構、運行方式日益復雜,

單純依靠人力監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)、進行各項操作、處理事故等，已是無能

為力。因此，必須應用現(xiàn)代控制理論、電子技術、計算機技術、通信技術、

圖像顯示技術等科學技術的最新成就來實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化。

電力系統(tǒng)繼電保護和安