电力系统潮流分析Word格式.docx
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在现代社会中，电能早已成为社会生产力的重要基础，为工业、农业、交通、国防等各行各业提供着不可缺少的动力，它已经像粮食、空气一般，成为支掠现代社会文明的物质基础之一。
社会文明越发达，我们人类的生产和生活就越离不开电能。
因此，电力工业作为国民经济的一项基础产业，其发展水半已经成为反映国家经济发达程度的重要指标。
所谓电力系统，就是将分散在各个地区的发电厂通过电力网与分散在各负荷中心的用户连接起来组成的系统，从而使发电、供电和用电成为了一个整体，并在技术和经济上具备了一系列突出的优点。
（1）合理利用了资源，同时提高了系统运行的经济效益。
（2）可以减少总负荷的峰值，充分地利用了系统的装机容量，从而减小了备用容帚:
。
（3）可以大大地提高供电可靠性和电能质量。
（4）可以采用高效率的、大容最的发电机组。
电力系统的潮流分析是针对具体的电力网络结构，根据给定的负荷功率和电源母线电床，分析网络中各节点的电床和各支路中的功率及功率损耗等相关方面的问题。
在电力系统的设计和运行中都要用到潮流分析与计算的结果，例如电力网规划设计时，要根据潮流计算与分析的结果选择导线的截面积和电气设备，确定电力网主接线方案，计算网络中电能的损耗和运行费用，进行方案的经济性比较；
电力系统运行时，要根据潮流分析与计算的结果制订检修计划，校验电能质最采取调频和调圧措施，从而最终确定最佳的运行方式，整定继电保护和自动装置。
本次设计主要是利用THLDK-2型电力系统监控实验平台和THLZD-2型电力系统综合门动化实验平台，通过在实验中设置投切负荷、原动机转速扰动、励磁改变、缺相运行、进相运行及三相相间短路，利用设备得到上述状况发生时的电力系统潮流分布图，并对其进行分析对比，验证复杂电力系统潮流分布的影响因素，最终达到锻炼对复杂电力系统潮流分析进行实验的能力（包括对实验方案的设计，仪器、仪表的选择与应用的、能力和对实验电路的接线与操作、数据处理与误差分析等方面的能力）的目的。
第一章电力系统运行稳定性的基本概念
判别电力系统是否正常运行的一个重耍的标志就是系统中的同步电机（主要是发电机）都处于同步运行的状态。
这电所说的同步运行状态就是指所有并联运行的同步电机都具有相同的角速度。
在这种情况下，表征运行状态的参数接近于不变的数值，故通常将这种情况称作稳定运行状态。
随着电力系统的口益发展和扩大，往往会出现一些这样的情况：
在长距离的的交流输电中，当输送的功率达到一定的数值之后，电力系统中微小的扰动都有可能出现电流、电圧、功率等运行参数的剧烈变化和振荡的现象，这就表明系统屮的发电机Z间已经失去了同步，电力系统已经不能保持稳定的运行状态了：
乂比如，当电力系统中的某些个元件发生故障时，虽然自动保护装置已经将故障元件切除，但是，电力系统在受到这种大的扰动后，也有可能出现上述运行参数的剧烈变化和振荡现象：
此外，共至对于运行人员的某些正常操作，例如切除输电线路、发电机等，也有可能会导致电力系统稳定运行状态的破坏。
通常，人们一般把电力系统在运行中受到干扰后能否继续保持系统中同步电机（主耍是指同步发电机）间同步运行的问题,称之为电力系统同步稳定性问题。
电力系统同步运行的稳定性是根据受到干扰之后系统屮并联运行的同步发电机转子之间的相对位移角（或者是发电机电势之间的相角差）的变化规律来判断的,因此，这种性质的稳定性乂被称为功角稳定性。
电力系统稳定性如果遭受到破坏，将会造成人量用户的供电中断，决至会导致整个系统的瓦解，所产生的后果极为严重。
因此，保持电力系统运行的稳定性，对于保持电力系统的安全可靠运行，具有非常重要的现实意义。
1.1同步发电机的机电特性
同步发电机的机电特性是由同步发电机转子的运动特性及其电磁功率的变化特性共同决定的。
1.1.1同步发电机的功角特性
对于一般的简单电力系统如图1・1・1所示，图中所示的发电机G的出口电压
图1・1・1简单电力系统示意图
（a）系统图；
（b）,（c）等值电路图
经过升床变床器T1•双回输电线路1及降床变用器T2向系统S输送功率。
此时.
我们设系统S的容最比发电机的容量大很多，即无论发电机G向系统侧输送多大的功率，系统S的母线电压U的大小和相位都保持不变。
在等值电路中，若发电机G的电势为E,同步电抗用&
来表示，如果忽略变圧器的励磁电抗、线路电容和各元件的电阻，即认为在功率传输过程中没有用功功率的损耗，则电力系统的总电抗&
（即为发电机G和系统母线之间的转移电抗）为
+Xt2
图中的（b）、（c）为（a）的等值电路。
假设不计发电机励磁调节器的作用，即发电机的励磁电势片被认为是常数,
而其相位角可变。
设发电机向系统输送的有功功率P为
P=^sin6（1-1-2）
由式（1-1-2）可以看出，在发电机电势E和系统电压U恒定时，在给定的转移阻抗下，发电机输出的功率P是发电机电势E和系统电压U之间的夹角§
的正弦函数，如图1・1・2所示。
发电机输送的功率极限出现在6=90°
时，其值为聲。
因为功率P直接由5决定，所以称＜5为功率角，简称为功角，故称P=/（5）为功率特性或者是功角特性。
图1・1・2功角特性
1.1.2同步发电机的转子运动特性
由于发电机G的励磁电势£
是由其转子的主磁通血决定的，假设发电机的转子只有一对磁极，则励磁电床与磁通之间的关系如图1・1・3所示。
E和U间的夹角也就是并列运行的两台发电机转子轴线间的夹角，表征系统两端发电机转子位置的特性，在这个意义上，功角乂可称为“位置角”。
图1・1・3励磁电床与磁通之间的关系图
在电力系统稳态运行时，系统中所有的发电机的转子都是以同步转速运转的，即所有发电机转子都具有机械角速度当传输的功率恒为Pe时，此时的功角将恒为％，两端发电机转子轴线间的夹角也会保持不变。
此时由原动机产生的机械转矩Mt（带动转子转动）与发电机输出有功功率所形成的电磁转矩Me是相平衡的，并且原动机提供的有功功率PT和发电机输出的电磁功率Pe也是相互平衡的，即为
Mt=Me（1-1-3）PT=Pe（1-1-4）并且功率和转矩之间满足下列关系
PT=MtQn=My器（1-1-5）
Pe=MenN=Mg器（1-1-6）在式中：
0“和3“分别为转子的同步（或额定）机械角速度和同步（或额定）电角速度。
如果原动机的出力被增大到马，形成功率增MAP=PT-化，则在发电机转子上也会形成转矩增SAM=Mt—Me，从而使得发电机的转子加速。
根据旋转刚体的力学定律可以得出
]a=AM（1-1-7）在式中：
J为转了的转动惯量,（kg*m:
）；
Q为转了•的机械角加速度,（rad/s'
AM为转轴上的净加速转矩，（N*m）o
将AM=Mt-Me和器代入式（1-1-7），可以得出描述发电机转子运动特性的方程为
丿着“丁-Me（1-1-8）
综上可以得出：
发电机的加速会使得功角§
增大。
由图1・1・2的功角特性可知，当功角从况增大到总，发电机输出的电磁功率由&
增大到厶=Pt时，功率和转矩将会再次达到平衡，此吋，功角将不再增大，系统将在增大后的功角&
下稳定的运行。
1.2电力系统的静态稳定
电力系统的静态稳定性，一般指的是电力系统在正常运行中受到微小的扰动之后，独立恢复到原來的运行状态的一种能力。
对于简单的电力系统，要具有运行的静态稳定性，就必须运行在如图1・1・2所示的功角特性的上升部分，即所处点的斜率大于0。
囚为在这部分，电磁功率的增最.APe和角度的增呈具有相冋的符号。
而在如图1・1・2所示的功角特性的下降部分即所处点的斜率小于0,电
磁功率的增最APe和角度的增最A6总是具有相反的符号。
所以，通常用比值APe仏5的正负来判别系统在给定的半衡点处运行时是否静态稳定性，也是说可以用
与>
0（1-2-1）
來作为简单电力系统具有静态稳定性的依据。
写成极限形式为
学>
0（1-2-2）
GO
除被称为整步功率系数，整步功率系数大小可以说明系统静态稳定的程度。
CIO
整步功率系数值越小，静态稳定的程度越低。
整步功率系数等于0,则是稳定与个稳定的分界点，即静态稳定极限点。
在简单系统屮静态稳定极限点所对应的功角就是功角特性的最大功率所对应的功角。
提高电力系统静态稳定性的关键在于提高系统传输功率的极限值。
从式（1-1-2）可知，提高功率极限的有效途径有：
提高系统电压，提高发电机的空载电势尸和减少系统中各单元的电抗之和比。
提高电力系统静态稳定性还有许多其他的方法，例如改善原动机的调节性能,改善系统的结构等。
1.3电力系统的暂态稳定
电力系统具有静态稳定性是电力系统能够安全稳定运行的必要条件，但是具有静态稳定性的电力系统在受到大的系统扰动之后不一定能够仍然保持稳定的运行状态。
在这里所说的大扰动，是相对于静态稳定中所提到的小干扰而言的。
引起电力系统大的扰动的原因主要有下列儿种：
1负荷的突然变化，例如投入和切除大容量的用户等；
2投入或者电力系统中的主要元件，例如发电机、变压器及线路等；
3系统中发生短路故障。
其中，三相短路故障的扰动最为严重，常営以此作为检验系统是否能够满足暂态稳定性要求的依据。
电力系统的暂态稳定性，一般指的是电力系统在正常运行的时候，在受到一个较大的扰动之后，能够从原来稳定的运行状态（半衡点），在不失去同步的情况下过渡到一个新的运行状态，并且能够在这个状态下稳定的运行。
对于一个经历较大扰动的电力系统，如果功角6经过振荡之后能够稳定在某一固定的数值，就表明并列运行的发电机之间恢复了同步运行，系统具有暂态稳定性。
若电力系统受到较大的干扰之后功角不断地增大，则表明发电机之间己经不再同步，系统失去了暂态稳定。
因此，可以将电力系统受大的扰动之后功角随时间变化的特性作为一个电力系统是否具有暂态稳定性的判别依据。
提高电力线系统的暂态稳定性的主要原理为：
缩小减速加速面积，增大减速而积。
也就是说要力争减小扰动最和缩短扰动时间。
具体的措施有：
1快速切除故障：
2采用自动重合闸装置：
3采用强行励磁装置和电气制动措施；
4控制原动机输出的机械功率。
除此之外，还有很多提高暂态稳定性的方法，例如对远距离输电线路设中间开关站和采用强行串联电容补偿等。
另外，目前正蓬勃发展的灵活交流输电技术也可以大幅度地提高系统的暂态稳定性。
1.4电力系统的负荷稳定
电力系统的负荷是由国民经济各部门的用电负荷组成的。
电力系统的负荷包括各式各样的用电设备，如照明设备、异步电动机、同步电动机、电热电炉、整流设备等。
在不同行业中这些用电设备所占比重也不相同。
一般交流用电设备所消耗的功率包括有功功率和无功功率，其大小与其电源的电斥及频率有关。
这种关系成为负荷特性，它对电力系统的运行有重要影响。
电力系统负荷特性是当系统频率及电压缓他变化的时候，地区负荷的有功功率及无功功率的变化情况，因此乂叫负荷的静恃性。
通常负荷的静特性可以用电压和频率的多项式或指数函数來表示。
负荷特性的多项式如下所示
（1-4-1）
其中：
Plo,Qlo分别时电压为5时的负荷有功功率和无功功率；
Pl，Ql分别是电圧为U时的负荷有功功率和无功功率：
a,b,c,d、ef为常数，由试验确定。
负荷特性的指数表示形式为
Pl+}Ql=Plo（決+IQlo怕％（1-4-2）式中：
Npy,Nqv为常数,由试验确定。
究竟采用多项式还是指数形式表示，要根据系统的具体情况确定。
电力负荷随时间变化的关系一般用负荷曲线來表示。
根据持续的时间，负荷曲线可以分为II负荷曲线、周负荷曲线和年负荷曲线：
根据所涉及的范围，负荷曲线个别用户的负荷曲线、变电站负荷曲线、电力系统的负荷曲线等。
在电力系统负荷的主要成分工农业生产用电负荷。
在这类负荷负荷中，电动机负荷又占有主要成分。
在电动机负荷中，除一部分同步电动机负荷之外，大部分都是异步电动机负荷。
对于同步电动机负荷，同样存在受到扰动后能否继续保持同步运行的稳定性问题。
异步电动机作为一种旋转电机，同样也存在与转矩平衡相关的运行稳定性问题。
例如：
当负荷点的运行电压过低或考异步电动机的机械负荷过重的时候，会导致异步电动机迅速减速以至于异步电动机停转，从而破坏了负荷的正常运行。
在停转时，异步电动机吸收的有功功率会变得很小，这就会使电力系统中发电机输出功率发生变化，从而引起发电机转子间的用对运动，共至可能导致并列运行的发电机之间失去同步。
因此，负荷稳定的问题，也是电力系统稳定性的一个重要方面。
电力系统负荷的稳定性抬的就是负荷在正常运行中受到扰动之后能保持在某一恒定转差下继续运行的能力。
从机械转矩•转差特性（如图1・4・1所示）可以
图1-44机械转矩•转差特性
看出，当在a在运行时，转差增量As与不平衡转矩AM具有相同的方向，即AM/AsX）；
而在b点运行时两者■方向却相反，即AM仏svO。
所以，我们可以用AMiAsX）來作为电力系统负荷静态稳定的判据。
当用功率的形式表示时，机械功率与转差无关并且恒定时，极限形式的判据为
dPe/ds>
0（1-4-3）
如果电力系统的负荷稳定被破坏，将使负荷无法正常工作并从系统中被切除。
大量负荷失去稳定性，必将对电力系统的稳定运行带來严重影响。
1.5电力系统的电压稳定
发电机同步并联运行的稳定性，以发电机转子之间相对的角运动规律作为判断依据的，所以，发电机同步并联运行的稳定性也被称作是功角稳定性。
但是，在实际的电力系统中还存在另一种性质的稳定问题，及负荷节点的电斥稳定性问题。
发电厂经过一定距离的输电线向负荷中心地区供电的系统中，当电源电压和网络结构不变时，负荷节点的电丿卡•会随着负荷功率的增加而缓慢下降，如果负荷功率增加到一定的限值时，节点电压将发生不可控制的急剧下降，这就是所谓的“电床崩溃”现象。
在实用计算中，可以采用如图1・5・1所示的P・V曲线作为分析电力系统电压稳定性的重要手段。
图1-5-1受端功率和电圧的关系
当系统在P・V曲线的右半支运行时，负荷节点的电床的下降可以换取网络送达功率的增加，系统的运行时稳定的。
但是有功功率的增加是有限度的，当功率达到最大值Pmax时，也就是电床稳定的临界点。
当系统在P・V曲线的左半支运
行时，电压的降低将会导致功率的减少，由于负荷本身所固有的动态特性，将不能稳定运行。
所以，
dP/dV<
0（1-5-1）
可以作为负荷节点静态电压稳定的一种判据。
在电力系统的实际运行中，通过监视各负荷节点的P・v曲线的变化和（IP/dV判据的计算，可以对电力系统的电压稳定性有较清楚的认识。
严格地讲，采用P・v曲线进行电床稳定性分析，并没有考虑负荷的动态特性的影响，只是把网络传送功率的极限点当作电压稳定的临界点。
应该明确的是，电力系统供电点介入的负荷代表了多种类型的用电设备和与其相关的配电网络元件的组合，要确定综合负荷的输出功率是非常不容易的。
若用一台等值电动机來代替综合负荷，当供电点电压下降过多时，虽然从综合负荷特性的角度来看仍能保持稳定，但是个别电动机或其他用电设备可能己经失去了稳定或者因电压过低而退出运行。
大负荷或者大星的负荷失去稳定时，系统的有功负荷骥然减少，使得冬发电机的有功功率发生较大的变化，从而引起发电机间的相对运动，严重时也可能导致电力系统同步运行稳定性的丧失。
第二章电力系统潮流原理分析
2.1电力系统潮流的概述
电力系统潮流分析是研究和分析电力系统的基础，主耍是指分析电力系统在某一确定的运行方式和接线方式下，系统中从电源到负荷各处的电圧、电流的大小和方向以及功率（包括有功功率和无功功率）的分布情况。
通过对电力系统口常运行的潮流进行分析，从而制定出经济、合理的运行方式。
电力系统的潮流控制，包含有功潮流控制和无功潮流控制。
在电力网络中,系统的每一种结构都有其自身的特点，因此，潮流控制对电力系统的安全与稳定、电力系统的经济运行都具有十分重要的意义。
2.2简单电力系统的运行和分析
电力系统在正常的运行情况下，运行、管理和调度人员需要清楚地了解在给定的运行方式下各母线的电压是否满足要求，系统中的功率分布是否合理，元件是否过载，系统有功损耗、无功损耗各是多少等等情况。
2.2.1简单电力网络的电压降落
电力网等值电路由线路和变床器的等值电路组成。
电力网等值电路中通过同一个电流的阻抗单元（或支路），成为一个电力网环节。
任何复杂的电力网络都可由一系列的电力网环节集合而成。
当功率（或电流）通过电力网环节时，环节的阻抗上就会产生电压降，并产生功率损耗，使电力网环节首、末端的电圧不相等，功率也不相同。
如果不考虑不考虑线路的并联支路，则线路的等值电路如图2・2・1所示。
电
久hR+M4必
图2-2-1电力线路串联支路等值电路图
压降落是首末端电压的向最差，以节点2（即受端）的相电压为参考向量。
则可
以求出节点1（即始端）的相电斥。
线路的电床向量图如图2・2・2所示。
图2-2-2电力线路串联支路向量图
d%=%（R+jX）
=討（/?
+必）=爸严（/?
+必）
」2<
pR*Q2<
px•P2<
px—Q2<
pR
上式中的实部成为电压降落的纵分量，一般用A切表示，其数值为
（2-2-1）
上式中的虚部称为电压降落的横分量，一般用6〃单表示，其数值为
由向最图可以求得始端电斥幅值和相位角为
电压损耗为首末端的电压幅值之差
量。
所以可以近似地认为
=+电笄注（2-2-6）
U2<
p
由此可见，可以近似地用电压降落的纵分量來表示线路始木端的电压损耗。
以上的公式是以单相功率和相电压推导得出的，在电力系统潮流分析中常用三相功率和线电压。
在式（2-2-1）~（2-2-6）中将相电压改为线电压，单相功率换成三相功率，上述关系仍然成立。
需要明确的是：
1在高压输电系统中，电压降落的纵分量主要取决于元件所输送的无功功率Q:
电压降落的横分量主要取决于元件所输送的有功功率Po
2元件两端电压的大小之差（电压损耗）主要取决于无功功率Q,相交之差主要取决于有功功率P。
2.2.2简单电力网络的功率损耗
当线路流过功率或电流时，在输电线路的电阻和电抗上就必然产生功率损耗。
在图2・2・3所示的中，所表示的就是输电线路的ri型等值电路。
图2・2・3输电线路的R型等值电路
设为串联支路三相功率损耗，S2为串联支路的末端功率，则有
LSZ=3I2（R+jX）
z2z2
=〈胛2（R+jX）（2-2-7）
设△氏2为线路末端并联支路消耗的功率，则有
A«
2=逅“2•=
価2（务席=-喝（2-2-8）
由此可见，输电线路的并联支路消耗的是容性无功功率，即为发出感性无功功率，它的大小与所加电压的平方成正比关系，而与在线路上流过的负荷没有直接关系，即使是线路空载，也会存在这一功率，所以这一功率也被称为是充电功率。
设”丫1为线路始端并联支路消耗的功率，同理则有
ASri=-jU^y（2-2-9）
P2R+Q2X昇2X-Q2R
p2+JQ2=P2+M2-屈（2-2-10）线路的功率损耗为
z2,2
A5=AP+j'
Q=卩2諾2.仇+必）_辰号一jU玮（2-2-11）
线路的电斥损耗为
=答鱼兰（2-2-12）
在高压电网中，一般R«
X,所以电压降落主要由无功功率流过电抗的时候产生。
有式（2・2・7）可以看出，即使输电线路不输送有功功率（即巧=0）,同样会存在用功功率的损耗，这就意味着有能量的损耗。
所以为了避免过大的电压降落，避免有功功率损耗的增加，在电力系统中，一般采用就地半衡的原则，从而避免远距离传送无功功率。
当输电线路轻载时，串联支路消耗的无功功率可能会小于并联支路的充电功率。
通过式（2-2-10）可以看出此时的$为负值•带入式（2-2-12）可以得至IJA〃也为负值。
也就是说，此时出现了线路始端电压低于线路末端电压的情况。
在超髙压输电线路中，线路的充电功率比较大，而输电线路输送功率的功率因数比较高,输送的无功功率通常比较小，在严重的情况下，输电线路末端电压的升高会给电力系统带来严重的危害，这是不允许的。
为了在输电线路空载或者轻载时吸收充电功率，避免线路上出现过电床的现象，常常在超高床网中线路末端接并联电抗器来解决这个问题。
通过图2-2-2可以看岀，在高压网络中，如果R«
X时，就有
〃isin6=IXcoscp
将此式的两边同时乘以〃2,即
f/i/sind=Il^coscp•X
则有
通过上式，可以说明当输电线路久，$一定时，P2的大小由久，％之间的夹角决定。
当久超前％一定的角度时，6>
0,P2>
0，即有功功率从电压向量
超前的一端流向电床向量滞后的一端。
通过图2-2-2还可以看出,
UiSinS=〃2+IXcoscp
将上式进行变换，可以得到
U2（〃1血6—〃2）=IU2cos（p-X
U2（匕一乞）
Qi=
«
X
由此可见，在输电线路上流过的Q2的大小由E和〃2的幅值所决定。
当的时候，<
?
2>
0,即无功功率从电床幅值大的一端流向电圧幅值小的一端。
对于变压器，可以按照同样的原理，利用变压器的等值电路计算变压器的电圧降落和功率损耗，假设变圧器的等值电阻为等值电抗为X"
则变圧器并
联支路功率损耗为
A'
ty=〃孑（+j）（2-2-13）
变压器的总功率损耗为
^PT-p评Rt+〃?
Gt、Qt=讐肝+舀Bt
（2-2-14）
（2-2-15）
综合上述等式可以看出，变压器的有功功率损耗和无功功率损耗是由两部分组成
的：
一部分是其与通过的负荷平方成正比的损耗；
另一部分是与负荷无关的分最。
并且，变压器的并联支路是电感性
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