供配电系统第一章.docx

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供配电系统第一章

第一章概述

◆本章学习目标

1、了解电力系统的结构、工作原理与联网运行。

2、初步掌握电力系统结构与运行状态的表述方法；掌握常用电气参量的西文符号及下标的应用。

3、掌握电力系统标准电压体系及其在电力工程中的应用。

4、深刻理解电力负荷；在理解城网的基础上，从技术原理与工程现状两个方面理解供配电系统。

◆本章教学内容

1、电能与电力系统。

2、电力系统的表达。

3、电力系统的标准电压。

4、电力负荷及其对供电可靠性的要求。

5、城市电网与供配电系统。

◆本章重点

1、电力系统联网运行特点。

2、电力系统标准电压体系的形成与应用。

3、城市电网的结构、供配电系统的定义。

◆本章难点

1、参量符号下标的应用。

2、系统标称电压与设备额定电压、系统运行电压之间的关系。

3、对城网的理解。

◆本章学习方法建议及参考资料

学习方法：

1、熟记110kV及以下标准电压，在熟记的基础上理解标准电压体系。

2、结合本专业另一门课程《电力系统稳态分析》，以城网的送电网为界，向上理解输变电系统，向下理解供配电系统，将电力系统的概念具体化。

3、参量符号识读常成为学习的障碍，下标表述是难点，应学会区分属性与对象。

以变压器额定电压为切入点，掌握多属性、多对象的下标表述方法。

参考资料：

1、《城市电网规划与改造》．蓝毓俊主编．中国电力出版社．2004年6月

2、《标准电压》（GB156-2007）．中国计划出版社．2008年1月

1.1.1电力系统结构及各环节功能

一、电力系统的结构

电力系统由发电、输变电、变配电和用电等四个环节组成，简称“发、输、配、用”四环节，如图1.1.1。

电力系统不包含发电机的部分叫做电力网络，简称电网；电力系统连同为发电机提供动力的原动机统称为动力系统。

二、电力系统各构成环节功能

（1）发电。

其作用是将其他形式的能转换成电能。

这些其他形式的能主要有煤、油等矿物的化学能，水、风、潮汐等流体的机械能，地热资源中的热能，以及核能和太阳能等，这些能量均为自然界自身所蕴藏，我们称之为一次能源，相应地将电能称为二次能源。

发电厂一般以其所使用的一次能源特征冠名，如火力发电厂、水力发电厂、核电厂等。

（2）输变电。

其作用是将电能集中地从一处输送到另一处，一般来说传输的功率大、距离长。

因长距离大功率输送电能所产生的损耗较大，一般需要使用比较高的电压，但发电机因制造和运行等方面的原因，输出电压不可能很高，因此必须在传输前将电压升高，这就使得升压变电成为输电的一个必不可少的环节，统称输变电。

（3）变配电。

其作用是将集中的电能分配给散布的用户。

输变电环节传输来的电能电压一般较高，而用户由于安全等诸多方面的原因不能使用很高的电压，因此需要先将电压降低后再进行分配，统称变配电。

（4）用电。

其作用是将电能转化为其他形式的能，如机械能、光能、声能等。

三、电力系统构成形式的工程背景

电力系统为什么会是这样的结构形式，它背后的原因到底是什么？

这主要缘于以下因素。

（1）自然界不存在足量的可控制使用的原生电能，工程实用的电能都是二次能源，发电环节因此是必不可少的。

（2）发电厂与用电负荷中心通常相距甚远，输电环节由此产生。

或问：

为什么不将电厂建在负荷中心呢？

这是有原因的。

负荷中心通常是大、中城市，水电厂受地理条件的限制，通常修建在高山峡谷处，这些处所一般都远离大、中城市；火电厂由于环保和燃料运输等原因，很多修建在城市外围或煤矿处（即坑口电站），距大、中城市都有一定的距离。

因此，以现有技术来看，长距离输电不可避免。

（3）即使在城市、厂矿等负荷中心，负荷一般也是分布在不同地点的，且类别多样、数量庞大、权属又各有不同，无法将它们集中在一个地点来使用电能，因此必须将电能进行分配。

这表明了配电环节的必要性。

1.1.2电力系统运行特点

电能既是电力系统的产品，又是电力系统的消费品。

与一般工业产品相比，它有其自身的特点，这些特点最终反映在对系统运行的要求上。

（1）可靠性要求非常高。

由于电能具有清洁、高效、易转化等突出的优点，使其成为大多数生产和生活活动中的首选能源，使用上的广泛性决定了电能的基础性和重要性特征。

电能供应的中断或不足，不仅会产生比较大的经济损失，还会造成诸多不便、混乱甚至严重的事故和灾难。

因此，电力系统的运行，需要很高的可靠性。

（2）生产和消费需要实时平衡。

以现有的技术，电能尚不能大量存储，因此需要生产与消费同时完成。

但电能的消费是由庞大的用户群共同确定的，用电量的大小有一定的随机性，电力系统必须具有应对这种随机性的技术措施。

（3）暂态过程非常短暂。

所谓暂态，是指电力系统从一种稳定运行状态转变到另一种稳定运行状态之间的过渡过程，这种转变一般是由系统的扰动产生的。

电力系统对扰动的响应若不及时，常常会产生比较严重的后果，因此电力系统需要有完善的自动控制手段。

1.1.3电力系统联网运行

实际的电力系统，一般不只有一个电源，而是将分布在不同地点的多个电源组成网络，共同服务于所有用户，这就叫电力系统的联网运行。

图1.1.3就是一个联网运行的电力系统，图中除了有由电源向负荷供电的单向功率传输通道外，各电源之间还有功率可双向传输的电气通道。

联网运行的理论依据可以用两个数学定理来表述，这两个定理分别是大数定理和比例尺定理，它们主要表述的是资源使用效率与服务对象数量之间的关系，在此不作详述。

从工程的角度看，联网运行主要有以下好处。

（1）提高发电设备利用率。

用电负荷并不会一直维持在一个恒定量值，而是随时间变化的，其最大值（峰值）和最小值（谷值）之间有一定的落差，称为峰谷差。

为了在峰值时满足供电需求，发电设备必须具有不小于峰值负荷的发电能力，但这些发电能力在负荷非峰值期间就会有部分处于闲置状态，使得设备利用率降低。

联网运行，相当于扩大了用户样本数量和分布区域，由于不同类别负荷（如生活照明负荷与生产动力负荷）峰、谷值出现时间不一致，不同地区间负荷峰、谷值出现的时间也可能有差异，使得总的负荷峰谷差趋于减小，有利于提高设备的利用率。

（2）优化一次能源的利用。

这一点主要体现在两个方面。

一方面，联网会使总的负荷量值增大，使得采用大容量发电机组成为可能，而大容量发电机组的效率一般要高于小容量机组；另一方面，联网可合理调配可再生与不可再生能源，如可充分利用季节优势，在丰水期多发廉价的水电，来减少煤、油等矿产的消耗。

（3）提高供电可靠性。

联网不仅使发电机的数量增加，而且使可供选择的供电路径增多，系统对发电机或供电回路故障的代偿能力因此提高，供电可靠性更有保障。

（4）提高电能质量。

由于联网使负荷波动相对减小，以及系统对局部故障的代偿能力增强，使得电压波动、频率稳定性等电能质量指标得到提高。

当然，联网运行也并非百利无弊。

大电网一旦发生稳定性故障导致系统崩溃，则会造成一个很大的区域、一个国家甚至若干个国家停电，产生严重的混乱和巨大的损失。

这种事故在国外已多次发生，在我国也曾有发生。

1.2.1对象表达的一般概念

一、什么叫对象表达

所谓表达研究对象，是指用约定的方式传达出关于对象的有用信息。

所谓对象，是指我们所针对的事物，如一台设备、一个系统、一种技术体系等。

所谓对象的有用信息，是指我们在研究、设计、制造、运行一个对象时所需要了解的内容。

二、对象表达的基本要求

（1）规范。

所谓规范，就是应该遵守共同的表达规则，就好比语言交流应遵守语法一样。

（2）简洁。

所谓简洁，就是要尽量减少无关的信息。

（3）高效。

所谓高效，就是要选择最恰当的表达方式，例如有选择性地使用图形、语言、图表、模型、公式等，使信息传达更具效率。

三、对象表达所涉及的两个方面

（1）需要表达的内容，此即目的。

（2）所使用的表达形式，此即手段。

四、电力系统需要表达的主要内容

（1）电力系统的结构，简称结构描述。

结构描述是对电力系统固有属性的静态描述。

（2）电力系统的运行状态，简称运行状态描述。

运行状态描述是对电力系统工作情况的动态描述。

五、电力系统常用的表达形式

（1）语言表达。

通过语言描述系统的属性和（或）状态。

（2）图形表达。

主要用于结构描述。

（3）公式表达。

主要用于各参量间相互关系的描述。

（4）图表表达。

主要用于参量关系的直观描述，或数据的罗列。

1.2.2结构描述

结构描述所要表达的信息，主要包括网络拓扑、设备与线缆（或统称元件）设置以及结构参数三大类。

一、一次系统与二次系统

电力系统中，电作为能源通过的部分称为一次系统，对一次系统进行测量、保护、监控的部分称为二次系统。

从控制系统的角度看，一次系统相当于受控对象，二次系统相当于控制环节，受控量主要有开关电器的开、合等数字量和电压、功率、频率、发电机功率角等模拟量。

以下主要针对一次系统进行讨论。

二、一次系统单线结线图

表达电力系统网络拓扑和元件设置的最有效方式就是电气图，GB6988-86《电气制图》和GB4728-85《电气图用图形符号》是关于电气图的两部国家标准。

电力系统的单线结线图属于GB6988中简图（diagram）的范畴。

所谓简图，是指用图形符号、带注释的围框或简化外形表达系统中各组成部分之间相互关系及其联结的一种图。

电力系统是三相系统，当我们更关心系统中各组成部分之间相互关系而不是具体的电路接线时，就可以用一根线表示三相线路、用图形符号的单线形式表示系统中的设备或设施来构成简图，习惯上将这种简图称为单线结线图，或简称结线，如图1.2.2-1所示。

按照所表达信息的侧重点不同，单线结线图又可分为电气结线图和位置结线图两类。

1、电气结线图

它属于按功能布局的简图，主要表明系统中设备与线路的电气联系，但并不考虑它们的实际位置和几何尺寸，如图1.2.2-2所示。

工程上又常将电气结线图称为系统图或网络结线图。

2、位置结线图

它属于按位置布局的简图，主要表明系统中设备、设施的位置和线路的敷设路径，如图1.2.2-3所示。

电气结线图和位置结线图都有不同的表达层次。

就电气结线图而言，可以是一个大区域电网的网络结线，也可以是一座变电所的电气主结线，甚至可以是一只配电箱的系统图；就位置结线图而言，可以是区域电网的地理结线图，也可以是一栋建筑的照明或动力配电平面图。

三、结构参数

结构参数主要有两类，一类是系统中各元件的电气参数，如额定电压、阻抗等；另一类是非电气参数，如体积、尺寸、重量等，这其中又以系统各元件的位置坐标参数较为重要。

位置参数多数时候为二维平面坐标，有时也会有三维空间坐标，如平原上架空线路的路径，是由杆塔的平面坐标确定的，但线路的弧垂（表明架空线路高差的一个参数），就是一个竖直方向上的坐标。

1.2.3运行状态描述

一、运行状态及其划分

由于各种不可控因素的存在，电力系统不可能总是运行在我们设定的理想状态。

根据系统偏离理想状态的后果，我们可以对系统的运行状态进行如下分类。

1、正常运行状态

指系统可持续工作，没有中断系统正常工作的迹象显现。

应特别说明，正常运行状态并不表明系统处于最理想的工作状态。

例如，发电机轻载并不是最理想的状况，但仍属于正常运行状态。

2、不正常运行状态

指已有中断系统工作或损坏系统的迹象出现，但还不至于立刻产生后果，系统仍可以继续运行一段时间。

如过载、小接地系统中发生单相接地等。

3、故障状态

指如不采取措施，系统就会立刻损坏或发生工作中断。

如短路，断线等。

根据状态的持续性，我们还可将运行状态分为稳态和暂态两大类。

请注意，稳态不一定是正常运行状态，暂态也不一定就是故障状态。

如系统过载运行就是一种稳态，而发电机功角或励磁电流的调整虽然是暂态过程，但仍属正常运行。

二、运行参数

1、运行参数与本构参数

运行参数与本构参数是相互对应的两类参数，属性不同，但关系紧密。

所谓本构参数，是指由对象的结构、材料、尺