电力系统潮流计算机辅助分析.docx
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电力系统潮流计算机辅助分析
电力系统潮流计算机辅助分析（牛顿－拉夫逊法）
1．1电力系统及其发展概述
1．1．1电力系统概述
电力工业发展初期，电能是直接在用户附近的发电站（或称发电厂）中生产的，各发电站孤立运行。
随着工农业生产和城市的发展，电能的需要量迅速增加，而热能资源（如煤田）和水能资源丰富的地区又往往远离用电比较集中的城市和工矿区，为了解决这个矛盾，就需要在动力资源丰富的地区建立大型发电站，然后将电能远距离输送给电力用户。
同时，为了提高供电可靠性以及资源利用的综合经济性，又把许多分散的各种形式的发电站，通过送电线路和变电所联系起来。
这种由发电机、升压和降压变电所，送电线路以及用电设备有机连接起来的整体，即称为电力系统。
电力系统加上发电机的原动机（如汽轮机、水轮机），原动机的力能部分（如热力锅炉、水库、原子能电站的反应堆）、供热和用热设备，则称为动力系统。
电力系统中，由升压和降压变电所和各种不同电压等级的送电线路连接在一起的部分，称为电力网。
电力系统在技术和经济上都可以收到很大的效益，主要的有：
1、减少系统中的总装机容量
由电力系统供电的各用户的最大负荷并不是同时出现的，因此，系统中综合最大负荷总是小于各用户最大负荷的总和。
由于系统综合最大负荷的降低，也就可以相应地减少系统的总装机容量。
为了保证对用户可靠地供电，无论是孤立电站还是电力系统，都需要检修和事故备用容量。
在孤立电站中，备用容量不应小于电站最大机组容量（可能达到电站总容量的30一40％）。
而在电力系统中，所有发电站连接在一起并列运行，备用容量只需系统总容量的20％，其中：
负荷备用2～5％，事故备用10％左右，检修备用8％左右。
显然，此时电力系统的备用容量比各孤立电站备用容量的总和为少，即总装机容量又可以减少。
2、可以装设大容量机组
组成电力系统后，由于总负荷的增大，因此可以装设大容量机组。
大容量机组效率高，每千瓦投资以及维护费用都比多台小机组经济得多。
但是，电力系统中所采用的最大机组容量，以不超过总装机容量的15～20％为宜。
3、能够充分利用动力资源
建成电力系统后，就可以将发电站建造在动力资源产地，如在煤矿附近建立巨型坑口电站，在水能资源集中的地方建立大型水力发电站等。
同时，有些形式的电站，如热电站，水电站、风力电站、原子能电站等，如果不与系统并列，就很难保证持续正常供电以及发挥其最佳经济效益。
例如，热电站的抽汽机组的出力是由热负荷确定的，而热负荷与电负荷的需要往往不能互相配合。
水电站的出力则是由水能及其综合利用要求来决定的，也往往与电负荷的需要不相配合：
一般在夏季丰水期，水量多而用电量较少；冬季枯水期，水量少而用电量反而多，因此，就可能或由于水库调节库容不够而弃水，或对电力负荷不能保证供应。
如果把水电站连接在电力系统中，由于有火电站和其它形式电站的互相配合和调节，水能资源就能得到充分利用，供电也能得到保证。
4、提高供电可靠性
在电力系统中，由于是多电源联合供电，机组的台数较多，即使个别机组或电源发生故障，其它机组或电源仍可以在出力允许的情况下多带负荷，因此可以提高供电可靠性。
5、提高电能质量
电能质量用频率和电压来衡量，其数值，应根据规程要求保持在一定的允许变动范围内。
由于电力系统容量大，因而负荷波动时所引起的频率和电压波动就会减小，电能质量可以提高。
6、提高运行的经济性
建立电力系统后，除了充分利用动力资源可以提高运行的经济性外，在系统中还可以经济合理的分配各发电站或各机组的负荷，使运行经济、效率高的机组多带负荷，效率低、发供电成本高的机组少带负荷，从而降低生产电能的成本。
电能的生产与其它工业生产有着显然不同的特点：
1、电能不能大量储藏
电力系统中发电站负荷的多少，决定于用户的需要，电能的生产和消费时时刻刻都是保持平衡的。
电能的生产、分配和消费过程的同时性，使电力系统的各个环节形成了一个紧密的有机联系的整体，其中任一台发、供、用电设备发生故障，都将影响电能的生产和供应。
2、电力系统的电磁变化过程非常迅速
电力系统中，电磁波的变化过程只有千分之几秒，甚至百万分之几秒；而短路过程发电机运行稳定性的丧失则在十分之几秒或几秒内即可形成。
为了防止某些短暂的过渡过程对系统运行和电气设备造成的危害，要求能进行非常迅速和灵敏的调整及切换操作，这些调整和切换，靠手动操作不能获得满意的效果，甚至是不可能的，因此必须采用各种自动装置。
3、电力工业和国民经济各部门之间有着极其密切的关系
电能供应不足或中断，将直接影响国民经济各个部门的生产，也将影响人们的正常生活，因此要求电力工业必须保证安全生产和成为国民经济中的先行工业，必须有足够的负荷后备容量，以满足日益增长的负荷需要。
根据以上电能生产的特点，电力系统的运行必须满足下列基本要求：
1、保证对用户供电的可靠性
在任何情况下，都应该尽可能的保证电力系统运行的可靠性。
系统运行可靠性的破坏，将引起系统设备损坏或供电中断，以致造成国民经济各部门生产停顿和人民生活秩序的破坏，甚至发生设备和人身事故。
电力用户，对供电可靠性的要求并不一样，即使一个企业中各个部门或车间，对供电持续性的要求也有所差别。
根据对供电持续性的要求，可把用户分为三级。
一级负荷：
如停止供电，将会危害生命、捐坏设备、产生废品和使生产过程混乱，给国民经济带来重大损失，或者使市政生活发生重大混乱。
二级负荷：
如停止供电，将造成大量减产，城市大量居民的正常活动受到影响。
三级负荷：
指所有不属于一级及二级的负荷，如非连续生产的车间及辅助车间和小城镇用电等。
对于一级负荷，至少要由两个独立电源供电，其中每一电源的容量，都应在另一电源发生故障时仍能完全保证一级负荷的用电；对于三级负荷，不需要备用电源；对于二级负荷是否需要备用电源，要进行技术经济比较后才能确定。
2、保证电能的良好质量
即要求供电电压（或电流）的波形为较严格的正弦波，保证系统中的频率和电压在一定的允许变动范围以内。
我国规程规定：
10～35kV及以上电压供电的用户和对电压质量有特殊要求的低压用户电压允许偏移为±5％；频率允许偏移为±0.5Hz。
3、保证运行的最大经济性
电力系统运行有三个主要经济指标，即生产每度电的能源消耗（煤耗率、油耗率、水耗率等），生产每度电的自用电（自用电率），以及供配每度电在电力网中的电能损耗（线损率）。
提高运行经济性，就是在生产和供配某一定数量的电能时，使上列三个指标达到最小。
为了实现电力系统的经济运行，必须对整个系统实施最佳经济调度。
1．1．2电力系统运行的特点与要求
1）电力系统运行的特点
电力系统发电与用电之间的动态平衡：
由于电能目前还不能大容量储存，导致电能的生产和使用是同步进行的。
因此，这避免造成系统运行的不稳定，电力系统必须保持电能的生产、输送、分配和使用处于一种动态平衡的状态。
（1）电力系统的暂态过程十分迅速：
由于电能的传输具有极高的速度，电力系统中开关的切换、电网的短路等暂态过渡过程的持续时间十分短暂，以10-6一10-3S计。
因而，在设计电力系统的自动化控制、测量和保护装置时，应充分考虑其灵敏性。
（2）电力系统的地区性特色明显：
不同地区的能源结构具有一定的差异。
因此，需要因地制宜，充分利用地方资源，尽量减少能源的运输工作量，降低电能成本。
（3）电力系统的影响重要：
随着社会的进步和电气化程度的提高，电能对国民经济和人民生活具有重要影响，任何原因引起的供电中断或供电不足都有可能造成重大损失。
2）对电力系统运行的要求
（1）安全在电能的生产、输送、分配和使用中，应确保不发生人身和设备事故。
（2）可靠在电力系统的运行过程中，应避免发生供电中断，满足用户对供电可靠性的要求。
（3）优质就是要满足用户对电压和频率等质理的要求。
（4）经济降低电力系统的投资和运用，尽可能节约有色金属的消耗量，通过合理规划和高度，减少电能损耗，实现电力系统的经济运行。
1．1．3电力系统发展概述
从1831年法拉第发现了电磁感应定律，到1875年巴黎北火车站发电厂的建立，电真正进入了实用阶段。
火力发电时钟在所有的电能中占最大的比重，按照热力学原理，用不断提高蒸气温度和压力的途径来提高蒸气的热效率。
水电的发展是水能开发的结果。
近二三十年来，由于超高压输电技术和水轮发电机制造水平的提高，水电厂的建设规模越来越大。
核电的发展经历了三各阶段：
50年代中期到60年代初为试验阶段，这一阶段主要是反应堆选型。
第二阶段（1961－1968年），核电的经济性可以与常规火电竞争，进入商业实用阶段。
1969年后，核电进入工业推广阶段。
发电技术的发展促进了输电技术的发展。
第一次高压输电技术出现与1882年，德普勒用装在米斯巴赫煤矿德功率为3HP德直流发电机，以1500－2000V电压，沿57KM的电报线（直径为4.5MM的钢线），把电能输送到慕尼黑国际博览会，供电给一台电动机，使装饰喷泉的水转动。
这个输电系统虽小，却可以认为是世界上第一个电力系统。
早期采用的是直流输电，要提高效率，必须提高电压，可是高压直流发电机和电动机的制造面临难以解决的困难。
进入19世纪80年代以后，随着电力变压器的实际应用，昔日直流技术的地位受到交流的挑战，并被其代替。
最早形成的交流电力系统出现在伦敦。
为了减少线路的功率损失，提高输电电压是一个有效的方法。
因此输电技术的发展，始终伴随输电电压的不断提高。
随着大容量水电厂、矿口火电厂和核电厂的建设，从50年代开始，330KV及以上超高压输电线路得到了很快的发展。
1969年，美国第一条765KM长的线路投入运行；前苏联哈萨克的埃基巴撕图兹火电厂至乌拉尔的1150KV特高压输电线已投入运行，线路长1300KM，开创了输电电压的新纪录。
由于交流输电在海底电缆送电，运行稳定性等方面的局限性，直流输电在30年代又东山再起，在50年代中期进入工业应用阶段。
这时已不用原来的直流发电机，而是在始端将交流整流为直流，在终端又将直流逆变为交流。
大型发电厂的建设和高压输电线路的架设使电力系统的规模也日益扩大。
初期发展的分散的、孤立的小系统逐渐发展，合并成统一的或联合大系统。
这些系统有的甚至跨越国界和州界，如原苏联统一电力系统与部分欧亚国家的电力系统互联，这些国家包括波兰、捷克。
保加利亚、罗马尼亚、德国、匈牙利、蒙古、苏兰，挪威、土耳其、希腊等。
这个电力系统横跨欧亚大陆，跨越距离东西7000KM，南北3000KM，使目前世界上最大的联合电力系统。
电力系统大发展还体现在自动化水平的提高。
目前世界上已有约300个装备有电子计算机的电力系统监视和控制中心，它们具有对系统进行自动监视、安全分析和安全控制，实行经济调度和调度员培训等功能，保证了系统运行的安全性和经济性。
1882年7月26日，我国第一座火电厂开始发电，这是由英国人在上海投资兴办的，机组容量12KM。
到1949年，中华人民共和国成立时，全国发电装机容量为184万千瓦，年发电量约43亿千瓦时，居世界第25位。
自1949年以来，我国的电力工业有很大的发展，至1990年第底，全国发电装机容量达13576万千瓦时，年发电量为6180亿千瓦时，均居世界第4位。
发电容量超过50万千瓦的发电厂有54个，其中11个超过100万千瓦（2个水电厂，9个火电厂）。
目前全国最大的火力发电厂时江苏谏壁发电厂，装机容量162.5万千瓦，最大的水力发电厂时葛洲坝水电厂，装机容量246.5万千瓦。
我国自己设计和制造的浙江秦山核电厂（第一期单机30万千瓦）已于1991年12月并网发电，从国外引进设备的广东大亚湾核电厂（2台90万千瓦机组）不久将投入运行。
在输电线路建设方面，1981年从平顶山到武汉的我国第一条500KV线路投入运行以来，500KV线路已逐渐成为各大电力系统的骨架。
自行设计的和建造的第一条100Kv直流高压输电线路已于1988年投入运行，该线路从浙江镇海到舟山岛，全长1080KM，它将华中和华东两大电力系统连接起来。
装机容量在1000万千瓦以上的电力系统有东北、华东、华中和华北电力系统，此外，100千瓦以上的系统还有华南、西北、西南、山东、福建和云南电力系统。
1．1．4国内电力系统发展现状
1995年全世界的发电装机总容量为30.0亿kW，1998年为32.5kW。
全世界人均用电量为2400kW·h。
预计在1995～2020年的25年中，世界能源消耗将增加50%，电能消耗将翻一番，装机总容量达到60.0亿kW。
这期间，电力建设投资需要330000亿美元。
这就意味着每增加1kW电力，需要投资900美元。
20世纪70年代以前，世界电力处于大发展时间，那时电力年增长速度达7%。
在这之后电力发展开始减慢，特别是发达国家，电力增长速度降为1%~3%，而发展中国家电力增长速度加快，达到3%~5%，特别是中国和印度。
世界电力发展速度并不平衡，现在还有20亿人口未用上电。
中国电力工业始于1882年，至1999年已有117年历史。
在此百余年中，中国电力工业的状况无不与当时的历史背景和时代特点紧密联系。
旧中国67年的电力工业史，道路坎坷，步履蹒跚，至1949年全国装机容量仅为184.86万千瓦，年发电量为43.10亿千瓦时。
新中国成立后，中国政府一直把电力工业作为国民经济的先行基础产业，并制定了一系列发展电力工业的方针政策。
经全国电业职工的不懈努力，一座座火电厂拔地而起，一座座水电站横波卧浪，一条条输电线路纵横中国大地。
到1998年底，全国发电装机容量已达2.77亿千瓦，年发电量已达11580亿千瓦时，分别由1949年的世界第21位和第25位均跃升为世界第2位，形成了一个较为完整的初步现代化的电力工业体系，为中国经济的发展和人民生活水平的提高作出了卓越的贡献。
其发展标志主要是：
—电源结构不断改善。
从80年代开始，火电建设就进入了大机组、大容量、高参数阶段。
至今全国已投入运行的60万千瓦及以上的大机组已有17台，正在建设的有27台，其中绥中电厂80万千瓦机组即将投产；水电建设，以浙江新安江水电站为起点，随着刘家峡、龙羊峡、二滩、天生桥一级和广州抽水蓄能电站等大型水电站的建成投产，全国水电装机容量已达6300万千瓦。
占全国发电总装机容量的23.5％；以秦山和大亚湾核电站的建成投入运行为标志；中国从此结束了无核电的历史；同时，风能、地热、潮汐和太阳能等新能源发电有了较大发展。
—电网规模不断扩大。
在加快电源建设的同时，加强了电网的同步建设。
到1998年底，中国已拥有500千伏输电线路20093公里、330千伏输电线路7291公里，220千伏及以上变电设备容量达31958万千伏安，形成了东北、华北、华东、华中、西北六个跨省（区、市）电网和6个各自独立的省（区、市）电网，覆盖了全国所有城市和绝大部分乡镇农村。
随着长江三峡工程的兴建和建成，中国电网即将进入大区电网互联，形成全国统一联合电网，实现全国范围内资源优化配置的新阶段。
—电力技术和管理水平明显提高。
目前，中国已掌握30万、50万和超临界60万千瓦火电机组的设计、制造、安装运行技术和百万千瓦级核电机组的安装运行技术；掌握了180米级各类大坝的建筑技术。
全国百万千瓦以上的大型发电厂已有68座。
新中国成立50年来，在大力发展电力工业的同时，中国政府十分重视环境保护和电力国际科技与经济合作交流。
1997年颁布了《中国电力工业的发展与环境》白皮书，进一步确立了电力工业可持续发展战略，全面推进电力工业快速、持续、健康发展；中共十一届三中全会实行对外开放政策后，电力工业的国际合作范围逐步扩大，从引进国外技术、管理经验和发电设备，到利用国外资金办电，有力地促进了自身的发展。
根据中国2010年电力发展远景规划，到2010年全国发电装机总容量将达到5亿千瓦左右，实现全国联网，全国农村基本实现电气化。
抚今追昔，展望未来，我们豪情满怀。
让我们继续努力，实现电力工业与国民经济和社会进步的协调发展，迎来更加光辉灿烂的新世纪
1．1．5国外电力发展现状
日本电力在１９５１年５月以后，放开实行民营化，就形成了区域垄断的９家电力公司，这９家电力公司在区域都是实行发、输、配垂直一体化的管理体制。
由于日本的一次能源基本都是依赖进口，９大电力公司之间电源结构趋同，因此在国内不存在北电南送、西电东送问题和电源结构调整的问题。
９大电网之间是弱联系，交换的电力和电量很少。
日本政府由通产省负责对电力实施管制。
管制的主要内容是：
电价、环境保护和规划。
电价管制的原则：
一是成本主义原则——按完全成本作为核定电价的基础；二是共同报酬的原则——合理的利润，最早的总资本报酬率为８％；三是公平负担的原则——采用成本加利润的办法。
对环境保护的管制主要是限制二氧化碳的排放和对核电建设的环境评价；对规划的管制主要是对长期供求规划和核电建设规划要与电力公司共同讨论。
１９９９年出台的新电力法是为了促进竞争，实现电力自由化。
它的主要内容：
一是放开占市场份额３０％的特别高压用户（２万伏，用电２０００千瓦以上），允许这些用户自主选择电力公司，直接参与电力零售；二是新建电源项目实行招标。
新电力法的施行，虽然放开了３０％的电力市场，但到目前只有２％至３％的用户更换了供电商。
从２０００年３月电力市场放开，实行自由化。
政府计划到２００４年对现行开放作一个回顾：
首先要检查的是自由化以来的实际情况；第二，了解海外自由化发展状况；第三是要检查电力作为公用性事业，在保持其公用性方面做得如何，在此基础上再考虑自由化的范围是否要继续扩大，是不是要全面自由化。
美国电力改革的核心是放松管制，引入竞争，提高效率，降低电价。
１９７８年公用事业管制政策法出台，允许企业建立电厂并出售电力给地方公用事业公司。
１９９２年能源政策法案出台，同意开放电力输送领域，并要求在电力批发市场引入竞争。
１９９６年，联邦能源管制委员会要求开放电力批发市场。
厂网分开只明确必需进行功能性分离，分开核算。
美国在放松电力管制过程中，出现了加州大停电和电价飞涨、电力公司申请破产保护这样的重大问题，令政府惊惶失措，令世人震惊。
美国的电力改革是从加州开始的，由于充分相信市场的力量，“市场能解决一切问题”，大部分照搬英国改革模式，改革方案中存在固有的缺陷：
一是强迫电力公司出售５０％的发电容量，而同时没有要求电力公司和发电商之间签订长期稳定的供购电合同。
二是要求电力公司必须１００％从现货市场购电，没有期货市场，市场无法提供反映长期供求关系的价格信号。
三是缺乏科学合理的价格传导机制，对最终用户的零售价格冻结，而批发市场价格可以大幅波动和上涨，使得处于中间环节的电力公司无所适从，价格倒挂，最终申请破产保护。
四是保证电网用电增长需要的供电责任不落实，将这一重大责任寄托于市场的自我调节。
另外，环保主义者对环境保护的不切实际的苛求，也是造成加州十年没有建发电机组，投产新的输电线路的原因之一。
美国出现了加州这样的问题，但美国最大的东部PJM&127;电网根据实际情况选择了纵向整合电力改革模式，获得了成功。
具体做法是：
１．将各电力公司发电、输电、配电、供电进行功能性分离，财务分开核算。
将输电分离交给系统独立运行者管理，不要求强制出售发电厂，引入竞争机制，逐步放开供电，用户有权选择供电商。
２．PJM负责输电系统经营，进行职能管理，&127;提出输电计划对发电厂进行调度，不拥有输电资产，公平为市场参与者提供输电服务和电力交易市场。
３．电力公司及供电商分别对用户供电负责，供电负荷要有发电容量保证并有必要的备用容量，不足将受处罚。
４．发电容量来源由三部分组成：
（１）本公司电厂；（２）双边交易合同；（３）现货市场和一天期货市场。
电力市场交易容量约占１５％左右。
５．为反映电网内部能力限制和拥堵，电力市场实行分区边际定价机制。
在美国本土的４８个州中，现在已有２４个州正在制定和实施电力改革计划，其中弗吉尼亚和西部的一些州，已经根据加州出现的情况，决定放慢改革的步骤，内华达州已经决定将电力改革延期４年。
２０００年美国联邦能源管制委员会提出要建立区域输电机构，在跨州的一定区域范围内，创造一个中间没有隔离层、没有独断层的完整的输电经营系统。
区域输电机构的重要作用，一个是集中精力把输电基础设施建设好，一个是监督系统的运行潮流。
英国的电力市场化改革始于撒切尔时代。
１９７９年保守党赢得大选，撒切尔夫人坚信“市场万能”，减少政府对经济的直接干预，廉价出售政府拥有的企业，进行了一系列国有行业私有化改革。
并于１９８８年２月发表《电力市场民营化》白皮书，拉开了电力市场化改革的序幕。
英国电力市场化改革的核心是实行私有化和在电力市场引入竞争。
１９９０年３月３１日，按《电力法》形成新的产业结构：
国有电力企业被分解为１２个地区配电公司、３家发电公司和一家高压输电公司。
供电商包括地方供电公司和二级供电商。
英格兰和威尔士电力库开始交易，允许大于０．１万千瓦用户选择供电商。
１９９０～１９９６年上述各公司股票陆续上市，完成私有化。
１９９８～１９９９年，允许所有用户选择供电商；新电力交易规则方案（NETA）出台；２００１年３月２７日，新电力交易规则施行，以多个市场和双边合同取代强制性电力库。
自行业改革以来，由于引入竞争，加强管理，减人增效，及成本低的天然气发电比重由１％提高到２２％等因素，零售电价有较大幅度下降，居民用户价格下降２８％；中型工业用户电价下降约３１％。
此外，政府为减少持续降低电价的压力，在改革之初将电价提高了约２５％，为改革和电价降低提供了较宽松的条件和环境。
当不少国家纷纷效仿英国率先推行的电力库模式的时候，英国却又率先抛弃了这一模式，取而代之的是一些新的改革措施：
１.从２００１年３月２７日起取消强制性电力库，实行新的电力交易规则。
新电力交易规则NETA是一个由双边合同形式主导的市场，合约双方包括发电、供电及交易商和用户；供电商和发电商可就将来任何时候买卖电力订立合同；允许电力合同的时间跨度从当天到几年以后，合同需要实物交割；国家电网公司作为系统运营商，接受电力的买卖出价，以平衡１．５小时以内合同交割中出现的供给和需求的差额，并解决输电网的堵塞问题；系统运营商调度电力直到满足需求，市场价格为系统平衡时最后一个发电单位电价；对合约电量和实际电量不符的市场参与方，将按系统平衡时接受的电力买卖的价格支付费用，并且支付系统运营商使系统平衡的成本。
２.纵向整合。
供电公司购买发电商，实现发电和售电的自我平衡，目前英国五个最大的供电公司，发电和售电是基本平衡的。
３.横向整合。
供电公司之间将出现相互兼并，平均每个供电公司的用户规模将由３００万户提高到５００万户，实现规模效益。
法国电力公司在电力行业中占据绝对统治地位。
法电占全国总发电量和装机容量的９４％，拥有１００％的输电业务，自１９５８年起拥有７５年输电网的独家经营权，拥有全国９６％的配售业务，拥有１００％的电力进出口业务，２０００年全国发电量的１６％输出国外，主要对瑞士和英国出口。
在欧盟指令的推动下，法国制定并实施了《关于电力公共服务事业发展和革新的法律》，即新电力法。
新电力法明确公共服务使命及其资金来源，设立公共服务基金，加入电力价格中，由用户负担；确立供电市场开放时间表和有选择权用户；建立生产许可证制度；设立一个电力监管委员会，经费由财政负担；成立在管理上独立于发电的输电网管理机构；法国电力公司实行发、输、配账目分开；法国电力公司业务经营领域将扩大，允许对有选择权用户提供供热、供气等服务。
新电力法的实施，迈出了电力市场化改革的第一步，在２０００年用电量１６００万千瓦时以上的拥有选择权的１２００个用户中，有２
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