第1章电力系统基本概念Word文件下载.docx

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图动力系统、电力系统和电力网示意图

（锅炉

汽轮机

（火电厂）

动力部分<

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水库

水轮机

（水电厂）

1核反应堆

（核电厂）

动力系统«

（发电机

电力系统<

电力网

I负荷

电力系统和电力网之间的关系电力系统的地理结线图反映并发电厂、变电所的相对地理位置以及电力线路的路径，如图1-1所示为某一简单电力系统的地理结线图。

地理结线图不反映各元件之间的电气联系,因此，两类结线图常常配合使用，互为补充。

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图1-2电力系统的地理结线图

电力系统的结线图反映了电力系统的结线方式。

由于电力系统大小不一，结构不一，而且处在不断发展中，因而结线方式也多种多样。

一般可将英分为简单结线方式和复杂结线方式两大类。

简单结线方式又分放射式、干线式、链式、环形和两端供电方式，如图1-3所示。

其中前三种结线方式：

放射式、干线式和链式，称为开式网络，其特点是每个负荷只能从一

个方向取得电能；

后两种方式：

环形和两端供电方式，称为闭式网络，其特点是每一个负荷可以从两个方向取得电能。

图1-3电力系统的简单结线方式

复杂结线方式可由上述齐种结线方式组成。

实际电力系统的结线方式均属复杂结线方式。

电力线路还可釆用双回路方式，以增大传输能力和提高供电的安全可靠。

各种不同结线方式都有自己的优点和缺点。

选择结线方式时，应根据负荷的性质和要求对多种方案进行技术经济比较后择优选左。

1.2电力系统运行的特点和要求

1.2.1电力系统运行的特点

电能的生产、输送、分配、消费与其他工业不同，电力系统运行具有下列三个特点：

（1）与国民经济各部门、各行业和人民生活密切相关。

由于电能与其他能量之间的转换方便，宜于大量生产、集中管理、远距输送、自动控制等，使用电能较其他能量有许多显著的优点，所以各部门、各行业都广泛使用电能。

电能供应的中断和减少，将直接影响到国民经济各部门、各行业和人民生活。

（2）过渡过程非常短。

发电机、变圧器、电力线路、电动机等元件的投入和退岀都在一瞬间完成。

电能从一处输送到另一处，仅需要千分之几至百万分之几秒。

电力系统从一种运行方式过渡到另一种运行方式的过渡过程非常短。

（3）电能不能大量储存。

电能的生产、输送、分配、消费等实际上是同时进行的，即发电厂任何时刻生产的电能必须等于该时刻用电设备消费与输送、分配过程中消费电能之和。

1.2.2电力系统运行的要求

电力系统运行的基本要求可以简单地概括为：

“安全、可靠、优质、经济”。

（1）保证供电的安全可靠性

保证供电的安全可靠性是对电力系统运行的基本要求。

为此，电力系统的各个部门应加强现代化管理，提髙设备的运行和维护质疑。

应当指出，目前要绝对防止事故的产生是不可能的，而各种用户对供电可靠性的要求也不一样。

因此，应根据电力用户的重要性不同，区别对待，以便在事故情况下把给国民经济造成的损失限制到最小。

通常可将电力用户分为三类：

（1）一类用户。

指由于中断供电会造成人身伤亡或在政治、经济上给国家造成重大损失的用户。

一类用户要求有很髙的供电可靠性。

对一类用户通常应设置两路以上相互独立的电源供电，其中每一路电源的容量均应保证在此电源单独供电的情况下就能满足用户的用电要求。

确保当任一路电源发生故障或检修时，都不会中断对用户的供电。

（2）二类用户。

指由于中断供电会在政治、经济上造成较大损失的用户。

对二类用户应设专用供电线路，条件许可时也可采用双回路供电，并在电力供应岀现不足时优先保证其电力供应。

（3）三类用户。

一般指短时停电不会造成严重后果的用户，如小城镇、小加工厂及农村用电等。

当系统发生事故，岀现供电不足的情况时，应当首先切除三类用户的用电负荷，以保证一、二类用户的用电。

（2）保证良好的电能质量

频率、电压和波形是电能质量的三个基本指标。

当系统的频率、电压和波形不符合电气设备的额左值要求时，往往会影响设备的正常工作，危及设备和人身安全，影响用户的产品质量等。

因此要求系统所提供电能的频率、电压及波形必须符合其额左值的规左。

其中，波形质量用波形总畸变率来表示，正弦波的畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根值占基波有效值的百分比。

我国规泄电力系统的额定频率为50Hz,大容量系统允许频率偏差±

0.2Hz,中小容量系统允许频率偏差±

0.5Hz»

35kV及以上的线路额左电压允许偏差±

5%；

10kV线路额左电压允许偏差±

7%,电压波形总畸变率不大于4%：

38OV/220V线路额左电压允许偏差±

7%,电压波形总畸变率不大于5%。

（3）保证电力系统运行的稳定性

当电力系统的稳左性较差，或对事故处理不当时，局部事故的干扰有可能导致整个系统的全面瓦解（即大部分发电机和系统解列），而且需要长时间才能恢复，严重时会造成大面积、长时间停电。

因此稳泄问题是影响大型电力系统运行可靠性的一个重要因素。

（4）保证人员和设备工作的安全

保证运行人员和电气设备工作的安全是电力系统运行的基本原则。

这一方面要求在设计时，合理选择设备，使之在一龙过电压和短路电流的作用下不致损坏：

另一方面还应按规程要求及时地安排对电气设备进行预防性试验，及早发现隐患，及时进行维修。

在运行和操作中要严格遵守有关的规章制度。

（5）保证电力系统运行的经济性

电能成本的降低不仅会使各用电部门的成本降低，更重要的是『省了能量资源，因此会带来巨大的经济效益和长远的社会效益。

为了实现电力系统的经济运行，除了进行合理的规划设计外，还须对整个系统实施最佳经济调度，实现火电厂、水电厂及核电厂负荷的合理分配，同时还要提髙整个系统的管理技术水平。

13电网调度的基本概念和要求

1.3.1基本概念

电网调度机构是一个负责保障电网安全、优质、经济运行的组织机构，是发电、输电、配电、用电的运行组织、指挥、指导和协调中心。

调度机构既是生产运行单位，又是电网经营企业的职能机构。

我国电网运行实行统一调度、分级管理原则。

凡并入电网的各发电、供电、用电单位，必须服从统一调度管理，遵守调度纪律。

电网调度机构遵循上、下级管理模式，下级调度机构必须服从上级凋度机构的调度。

各级调度机构按照分工在其职能范用内实施调度管理，依靠法律、经济、技术并辅之以必要的行政手段，指挥和保证电网安全稳定经济运行。

1.3.2基本要求

电网调度管理应满足下列基本要求：

（1）按照最大范围优化配置能源资源的原则，实现优化调度，充分发挥发电、输电、供电设备能力，最大限度地满足用电的需要。

（2）按照电网运行的客观规律和相关规立，保障电网连续、稳立、正常运行、使得电能质虽（频率、电压和谐波分量等）指标符合国家规定的标准。

（3）遵循“三公”（公开、公平、公正）的原则，依据有关合同或协议，保护发电、供电、用电等各方的合法权益。

（4）根据电网的实际情况，充分合理利用一次能源，使全网在供电成本最低或者发电能源消耗率及网损率最小的条件下运行。

1.4电网调度的基本工作

1.4.1电网调度计划

电力系统经济调度是指在满足安全和电能质莖的前提下，合理利用能源和设备，以最低

的发电成本或燃料费用保证对用戸可靠地供电的一种调度方法。

而调度计划的制左是实现电力系统经济调度的首要环盯。

调度计划是指根据负荷预测，在满足功率平衡的前提下，结合各机组出力上下限、各机组最大爬坡功率等约束条件，考虑各机组的启停以及最小停机时间等实际情况，而提前编排的各机组的发电功率。

电网调度计划的核心业务是安排月（周）、日前、日内等不同周期的电力电量平衡，安排机组的电量计划、启停机汁划和岀力计划。

电网调度发电计划的编制原则是：

（1）应以贯彻国家能源战略、实现电力资源优化配置、保护投资者回报.发电节能

环保为优化目标，以电网母线负荷预测为依据，并满足电网的静态安全约束和动态安全

约束。

（2）能够充分利用信息感知能力，精确把握电网安全边界。

（3）能够根据外界环境的变化对发电计划进行持续滚动动态优化。

（4）能够实现各级调度信息及时共享和一体化协调运作。

（5）能够将计划与实际调度结果的偏差闭环反馈，实现发电讣划制定环肖和自学习。

图调度讣划动态优化框图

1.4.3.1短期调度计划

调度计划从时间尺度上分为短期调度计划和长期运行计划，其中，短期调度汁划主要指未来数小时、一日、一周或数周的发电计划。

（1）火电调度计划。

火电部分逐时段的经济调度il•划，在满足系统负荷和安全约束条件下使发电费用降至最低，为了核电厂运行的安全与经济，多使英带基本负荷并尽量减少英出力波动。

（2）机组经济组合。

确定某一周期旧或周）内各时段机组起停计划，在满足负荷、备用、机组、系统和环境等约束条件下。

使整个周期发电和起动费用（或成本）降至最低。

（3）水火电调度讣划.在水火电联合系统中。

对某周期中各时段进行负荷经济分配，除满足负荷及英他限制条件外，还要满足各水电站发电用水条件，使整个周期内系统总发电费用（或成本）降至最低。

根据系统情况可分为定水头、变水头、梯级和抽水蓄能等类型的水电站的调度。

纯水电系统的经济调度目标为:

发电用水疑最少、弃水最最少、售电价值最高或购电费用最少等。

（4）燃料约束调度。

在发电调度计划中考虑某些发电厂在调度周期内（日或周）消耗规定的撚料量或发岀规定的电量。

（5）交换功率计划。

确立某一周期内各时段与其他系统（或公司）交换电能汁划.满足某些约束（如功率或电量限制）条件下获得最大经济效益。

1.4.3.2长期运行计划

长期运行讣划周期为数周、数月或数年，时段为数日、周或月的运行计划。

根据系统发电与输电设备、负荷、来水和燃料情况预测，编制设备检修和资源利用汁划。

使计划周期内总发电成本降至最低。

（1）检修计划。

编制一年或数年发电设备检修计划应考虑设备状态和检修周期，备件、维修、人力和机修场地的可能性及时间上的配合（如枯水期检修水电机组，丰水期检修火电机组，补充核燃料时检修核电机组。

（2）长期水火电计划、也称水库调度计划，即提出一年或数年内逐周逐月的发电用水策略，考虑负荷，来水和姗料供应情况的不确定性，维持电力系统运行成本的期望值最低。

对纯水电系统目标函数为:

保证电能供应，销售过剩电能获利最大，不足电能外购费用最少或限制负荷损失最小等。

（3）长期交换计划。

确立与其他系统（或公司）长期最优交换电能策略（或合同），通常按季度确定购销电量。

（4）长期燃料il•划。

确左一年或数年内逐周或逐月的然料购买、运输、存储和消费计划（或合同），使计划周期内发电燃料费用最少。

1.4.2运行方式安排

在电力系统调度计划特别是发电汁划的基础上，调度部门进一步安排相应的电网运行方式，以满足电能供给和资源配置的要求。

运行方式安排的目标主要包括：

（1）保证电网的安全运行和髙质量供电：

（2）提高电网整体效益，使电网尽可能运行在其物理极限而又不发生冒险的状态，从而推迟新投资和降低造价；

（3）不断降低电能生产和电能传输费用：

（4）适应电力市场运营中不断岀现的要求。

以上四个目标，从更髙的层而来讲，就是要保持电网运行的安全性和经济性。

在电网调度运行的生产流程中，运行方式分析的主要工作正是園绕这些目标展开的。

在电网调度的日前工作流程中，运行方式安排的过程实际上是在预测的负荷分布条件下,对设备检修汁划和发电讣划反复调整、反复计算的过程。

这个过程的首要目标，是要使电网在预测的负荷分布、设定电网拓扑和发电计划条件下，能够承受预想事故的打击，即保证电网在计划工况下，遇到各个预想事故的打击，仍能保持安全稳定运行。

在安全性和用电需求得到满足的条件下，还要对当日运行方式做进一步优化汁算，在尽可能满足电网设备检修按需检修的条件下，最大限度地发挥电网的整体效益，挖掘电网输电潜力，提髙输电能力，最大限度地解放富余电力。

进而，在时间允许的情况下，继续优化计算，降低电能传输费用。

中、短期电网运行方式分析计算的工作流程与日前运行方式分析计算流程基本相似，工作目标也不外以上四点要求。

两者的区别在于中、短期预计工况的获得方式:

日前预计工况是根据前日已发生的工况预计，中、短期预计工况则是根据己过去的一段时间的实际工况综合得到的。

除此之外，日前方式安排工作中，方式人员可控的因素主要是设备的检修汁划和发电计划，这个因素决定了次日的网络拓扑;

中、短期分析计算中，主要的变化因素则是电网的基建计划和发电计划。

从电网运行方式的工作流程可以看出，运行方式分析il•算质量的好坏，分析计算水平的髙低直接影响电网调度运行两个根本目标一一安全性和经济性，而分析计算水平的髙低一定程度上又取决于分析计算工具先进性。

因此，可以说，实现电网调度运行的基本目标，不断提高电网运行方式分析计算水平,提髙安全性和经济性运行水平这个永恒的生产需求是推动电网运行方式分析汁算工具不断发展和进步的内在因素。

1.4.3实时运行控制

电力系统实时调度控制是指按秒或分控制各机组出力和联络线功率。

考虑系统运行的安全、质量和经济性（包括机组升降出力速度限制），其主要工作包括：

（1）实时经济凋度。

某时刻分配已运行机组的出力•在满足系统负荷的条件下使发电费用最少。

主要考虑机组经济特性、厂用电、燃料费用和网损等因素。

有时考虑维护费、可中断负荷和可控负荷。

（2）运行备用调度。

确左运行机组起停及出力分配不仅要满足系统预计负荷、还要满足负荷随机变化、负荷预报误差和发电设备的非计划停运。

备用分为旋转备用和冷备用两类。

（3）安全约束调度。

调整各机组岀力（或起停），解除支路潮流过负荷。

（4）环境调度。

也称防污染调度。

即在经济调度中考虑将％发电厂对环境污染（二氧化硫等）保持在允许程度内。

从调节描施上，实时调度控制主要包括：

调蜂、调频、调压、稳定控制和继电保护。

1.4.1调峰

调稣与备用服务是电力系统的两大辅助服务。

调U金服务是指电网用电负荷出现尖U金时，为了保证电网运行的可靠性以及电能质量，对发电机组进行的有功岀力的调整。

备用服务主要是指电网中电源容量大于负荷需求的部分，作用是保证电力系统进行调唸、调频操作，发输配电设备定期检修以及电网发生故障时保i正对用户的电力供应。

在我国将备用服务于调峰服务分开考虑的运行背景下，备用服务更多的表现为静态的容量特性，调稣服务则是表现为动态的调节特性。

调峰机组的要求是启动和停止方便快捷，并网时的同步调整容易。

一般调峰机组有燃气轮机机组和抽水蓄能机组等等。

另外，通过需求侧管理机制的引导，将部分柔性负荷列为系统调峰对象，可进一步提高电力系统的调峰能力。

1.4.2调频

电力系统调频主要包括一次调频、二次调频、三次调频。

一次调频是同步机组的自然属性，依靠调速器完成，所有同步机组承担调频任务，但只能做到有差调巧。

电力系统一次调频能力的评价的通用标准是保证系统在发生单个大扰动的情况下低频减载不动作，其实质是满足N-1校核原则。

电力系统二次调频，即传统的LFC负荷跟随控制，由系统中的AGC机组承担，依靠调频器完成，同时对联络线功率进行监视和调整。

而AGC调卩容虽:

的实质是为了满足超短期系统发电计划出力与实际负荷之间的功率缺额而设置的备用容量。

根据功率缺额的正负，AGC机组向上或向下调节。

在实际运行时，常规机组的发电计划岀力根据系统负荷和风电、光伏等新能源发电功率超短期预测结果而左。

因此，在大规模新能源接入条件下，电力系统AGC调节容量需同时考虑负荷预测和新能源发电功率预测偏差造成的系统功率缺额，即净负荷预测误差导致的功率不平衡虽。

电力系统的三次调频即在线经济调度。

1.4.3调压

电网调度调压是指基于自动电压无功控制系统（AVC）保证电网运行的各节点电压水平在规左的合理范I羽以内。

AVC系统以综合自动化网络型RTU技术为支撑，根据当前地区电网的实际要求，运用分层分布控制原理实现对地区电网的电压/无功实时控制，全局协调层经过网络型RTU采集系统中的各种实时数据和运行状态，对正常和紧急运行方式下的电压无功进行全局优化，再由分布控制层执行上一层的控制指令，同时在系统异常的情况下又能独立进行当地无功控制，满足电网电压无功控制的要求，。

当前国外电压无功控制系统（AVC）按控制模式进行划分，大体可以分为两类:

一类是三级电压控制模式;

另一类是二级电压控制模式。

三级电压控制模式:

是把系统切割成为一些彼此解耦的区域，任何一个区域可以采用一个或若几个枢纽节点，由一级、二级、三级电压控制组成。

二级电压控制模式的电压无功控制系统（AVC）主站以整个地区电网设备状态进行判断，下达控制决策，与其有关的厂站是直接获得决策结果的，实行的是闭环控制的模式。

控制周期为分钟级。

14.4稳定控制

电力系统稳左是指电力系统经受扰动后能继续向负荷正常供电的状态，即具有承受扰动的能力。

电力系统运行时，有三种必须同时满足的稳定性要求：

同步运行稳左性、频率稳圮性和电压稳泄性。

电力系统的同步运行稳左性，又称功角稳左性，是指电力系统中所有发电机组能否保持同步稳泄运行的问题。

当系统在某一正常状态下运行时，系统中的所有发电机是保持同步的，它们的电气角速度一样，它们间的角度差为一常数，系统中每一点的电压、电流及功率也为常数。

当受到某种扰动时，这些运行参数会发生变化，如经过一段时间后,系统能够回到原来发电机之间的功角差®

能保持有限值而不随时间无限增大。

如果

系统失去了同步运行稳左性，就会发生振荡，引起系统中各点的电压、电流和功率大幅度周期波动，因而无法向负荷正常供电，严重时将会造成电力系统大而积停电。

电力系统的频率稳定性是指能否保持电能的频率指标正常。

频率是电能质量的一个重要指标，它反映了电力系统中有功功率的平衡水平。

由于电能不能大量贮存，所以电能的生产、传输、分配和消费是同时进行的，即系统中所有发电厂任何时刻生产的电能必须与该时刻所有负荷所需的电能及传输、分配中损耗的电能之和相等，也就是必须满足有功功率平衡的等约朿条件：

忌％+艮在这种情况下，系统的频率为泄值，且应维持在规左允许的范国之内。

如系统的有功电源不足，则频率下降，当频率下降到一立程度时，将引起系统的频率崩溃，失去频率稳左性，造成全系统停电。

电力系统的电压稳泄性是指能否保持电能的电压指标正常。

电压是电能质量的一个重要指标，它反映了电力系统中无功功率的平衡水平。

电力系统正常运行时，全系统包括每一地区的无功功率处于正常的平衡水平，从而各点的电压在规左的允许范用之内。

如全系统或某一地区的无功电源不足,将引起全系统或该地区电压水平的降低,当电压降低一左程度时，将引起电压崩溃，失去电压稳左性，造成受影响的地区停电。

1.4.5继电保护

电力系统的运行状态分为：

正常运行状态：

故障状态；

不正常运行状态。

而继电保护主要是在故障状态和不正常运行状态起作用。

继电保护是指当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。

继电保护装宜则是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

它的基本任务简单说是：

故障时跳闸，不正常运行时发信号。

继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。

1.5电力系统的调度体系

根据统一调度、分级管理的原则，目前我国电力系统已经建立了较为完备的5级调度机构：

国家级调度机构、区域级调度机构、省级调度机构、地区级调度机构、县级调度机构。

（1）国家级调度机构

国家级调度机构是我国电网的最髙级调度机构。

该机构协调各区域电网间的联络线潮流,确泄运行方式，监控枢纽电厂，监视、统计和分析全国电网运行情况，并负责为全国电网运行制定政策和指导性规定。

（2）区域级调度机构

区域级调度机构负责跨省髙压电网的安全运行并按规左的发供电汁划和监控原则进行管理，监控省间联络线潮流，监控直调电厂，编制和分析省间和区域电网的供受电量计划，制订发电计划，闭环或开环指导自动发电控制，进行区域电网安全经济分析，提高并电能质量和安全经济运行水平。

（3）省级调度机构

省级调度机构是电网监控的主要实体，负责省级电网的安全经济运行，制订发电汁划，编制省内地区间和省间有关电网的供受电量il•划，闭环或开环指导自动发电控制和自动无功电压控制，并按规泄的发供电讣划和监控原则进行管理，进行省级电网的安全经济分析，提高其电能质量和安全经济运行水平。

（4）地区级调度机构

地区级调度机构主要以省辖城市为中心,一般以220kV变电站的髙压母线作为地区电网的电源，通过对地区电网的监控来管理地区电网的负荷供电，进行有关站点（集控站点）的远方操作、变压器分接头的调节、电