电力系统工程

1.3.1 电力系统的组成

电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统，按规定的技术和经济要求组成的一个统一系统。电力系统主要由发电厂、电力网和负荷等组成，组成结构如图1.3.1所示。发电厂的发电机将一次能源转换成电能，再由升压变压器把低压电能转换为高压电能，经过输电线路进行远距离输送，在变电站内进行电压升级，送至负荷所在区域的配电系统，再由配电所和配电线路把电能分配给电力负荷（用户）。

电力网是电力系统的一个组成部分，是由各种电压等级的输电、配电线路以及它们所连接起来的各类变电所组成的网络。由电源向电力负荷输送电能的线路，称为输电线路，包含输电线路的电力网称为输电网；担负分配电能任务的线路称为配电线路，包含配电线路的电力网称为配电网。电力网按其本身结构可以分为开式电力网和闭式电力网两类。凡是用户只能从单个方向获得电能的电力网，称为开式电力网；凡用户可以从两个或两个以上方向获得电能的电力网，称为闭式电力网。

动力部分与电力系统组成的整体称为动力系统。动力部分主要指火电厂的锅炉、汽轮机，水电厂的水库、水轮机和核电厂的核反应堆等。电力系统是动力系统的一个组成部分。

发电、变电、输电、配电和用电等设备称为电力主设备，主要有发电机、变压器、架空线路、电缆、断路器、母线、电动机、照明设备和电热设备等。由主设备按照一定要求连接成的系统称为电气一次系统（又称为电气主接线），第3章将对其作基础知识介绍。为保证一次系统安全、稳定、正常运行，对一次设备进行操作、测量、监视、控制、保护、通信和实现自动化的设备称为二次设备，由二次设备构成的系统称为电气二次系统，二次系统基础知识在第4章作详细介绍。

图1.3.1 复杂电力系统组成示意图

1.3.2 电力系统运行的特点

1.电能不能大量存储

电能生产是一种能量形态的转变，要求生产与消费同时完成，即每时每刻电力系统中电能的生产、输送、分配和消费实际上同时进行，发电厂任何时刻生产的电功率等于该时刻用电设备消耗功率和电网损失功率之和。

2.电力系统暂态过程非常迅速

电是以光速传播的，所以，电力系统从一种运行方式过渡到另外一种运行方式所引起的电磁过程和机电过渡过程是非常迅速的。通常情况下，电磁波的变化过程只有千分之几秒，甚至百万分之几秒，即为微秒级；电磁暂态过程为几毫秒到几百毫秒，即为毫秒级；机电暂态过程为几秒到几百秒，即为秒级。

3.与国民经济的发展密切相关

电能供应不足或中断供应，将直接影响国民经济各个部门的生产和运行，也将影响人们正常生活，在某些情况下甚至造成政治上的影响或极其严重的社会性灾难。

1.3.3 对电力系统的基本要求

1.保证供电可靠性

保证供电的可靠性，是对电力系统最基本的要求。系统应具有经受一定程度的干扰和故障的能力，但当事故超出系统所能承受的范围时，停电是不可避免的。供电中断造成的后果是十分严重的，应尽量缩小故障范围和避免大面积停电，尽快消除故障，恢复正常供电。

按负荷对供电可靠性的要求可以将负荷分为三级（或三类）。

（1）一级负荷。对这一级负荷中断供电，将造成政治或经济上的重大损失，如导致人身事故、设备损坏、产品报废，使生产秩序长期不能恢复，人民生活发生混乱。

（2）二级负荷。对这类负荷中断供电，将造成大量减产，将使人民生活受到影响。

（3）三级负荷。所有不属于一、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。

对一级负荷由两个独立电源供电，要保证不间断供电；对二级负荷，应尽量做到事故时不中断供电，允许手动切换电源；对三级负荷，在系统出现供电不足时首先被断电，以保证一、二级负荷供电。

2.保证良好的电能质量

电能质量主要从电压、频率和波形三个方面来衡量。检测电能质量的指标主要是电压偏移和频率偏差。随着用户对供电质量要求的提高，谐波、三相电压不平衡度、电压闪变和电压波动均纳入电能质量监测指标。

3.保证系统运行的经济性

电力系统运行有三个主要经济指标，煤耗率（即生产每kW·h能量的消耗，也称为油耗率、水耗率），自用电率（生产每kW·h电能的自用电），线损率（供配每kW·h电能时在电力网中的电能损耗）。保证系统运行的经济性就是使以上三个指标最小。

4.电力工业优先发展

电力工业必须优先于国民经济其他部门的发展，只有电力工业优先发展了，国民经济其他部门才能有计划、按比例地发展，否则会对国民经济的发展起到制约作用。

5.满足环保和生态要求

控制温室气体和有害物质的排放，控制冷却水的温度和速度，防止核辐射，减少高压输电线的电磁场对环境的影响和对通信的干扰，降低电气设备运行中的噪声等。开发绿色能源，保护环境和生态，做到能源的可持续利用和发展。

1.3.4 电力系统的电能质量指标

电力系统电能质量检测指标有电压偏移、频率偏差、谐波、三相电压不平衡度、电压波动和闪变。

1.电压偏移

电压偏移是指电网实际运行电压与额定电压的差值（代数差），通常用其对额定电压的百分值来表示。35kV及以上供电系统和对电压质量有特殊要求的用户电压偏移不应超过额定值的±5％；10kV及以下三相供电电压偏移不应超过额定值的±7％；220V单相供电电压偏移为＋7％～－10％。

2.频率偏差

我国电力系统的标称频率为50Hz，俗称工频。频率的变化，将影响产品的质量，如频率降低将导致电动机的转速下降。频率下降得过低，有可能使整个电力系统崩溃。我国电力系统国家标准规定，正常频率偏差允许值为±0.2Hz，对于小容量系统，偏差值可以放宽到±0.5Hz。

3.电压波形

供电电压（或电流）波形为较为严格的正弦波形。波形质量一般以总谐波畸变率作为衡量标准。所谓总谐波畸变率是指周期性交流量中谐波分量的方均根值与其基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。110kV电网总谐波畸变率限值为2％，35kV电网限值为3％， 10kV电网限值为4％。

4.三相电压不平衡度

三相电压不平衡度表示三相系统的不对称程度，用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比表示。国家标准规定，电力系统公共连接点三相电压不平衡度允许值为2％，短时不超过4％。接于公共接点的每个用户，引起该节点三相电压不平衡度允许值为1.3％。

5.电压波动和闪变

电压波动是指负荷变化引起电网电压快速、短时的变化，变化剧烈的电压波动称为电压闪变。为使电力系统中具有冲击性功率的负荷对供电电压质量的影响控制在合理的范围，标准规定，电力系统公共供电点，由冲击性功率负荷产生的电压波动允许值：220kV及以上的为1.6％，35～110kV的为2％，10kV及以下的为2.5％。电压闪变ΔU10（等值10Hz闪变值）允许值：对照明要求较高的白炽灯负荷为0.4％，一般性照明负荷为0.6％。

1.3.5 电力系统的基本参数

除了电路中所学的三相电路的主要电气参数，如电压，电流，阻抗（电阻、电抗、容抗），功率（有功功率、无功功率、复功率、视在功率），频率等外，表征电力系统的基本参数有总装机容量、年发电量、最大负荷、年用电量、额定频率、最高电压等级等。

（1）总装机容量。电力系统的总装机容量是指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）和吉瓦（GW）计，它们的换算关系为

1GW＝103MW＝106kW

（2）年发电量。年发电量是指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以兆瓦时（MW·h）、吉瓦时（GW·h）和太瓦时（TW·h）计，它们的换算关系为

1TW·h＝103GW·h＝106MW·h

（3）最大负荷。最大负荷是指规定时间内，如一天、一月或一年，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）和吉瓦（GW）计。

（4）年用电量。年用电量是指接在系统上的所有负荷全年实际所用电能的总和，以兆瓦时（MW·h）、吉瓦时（GW·h）和太瓦时（TW·h）计。

（5）额定频率。按照国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定频率均为50Hz。日本交流电力系统的额定频率则为60Hz。

（6）最高电压等级。最高电压等级是指电力系统中最高电压等级电力线路的额定电压，以千伏（kV）计，目前我国电力系统中的最高电压等级为1 000kV。

（7）电力系统的额定电压。电力系统中各种不同的电气设备通常是由制造厂根据其工作条件确定其额定电压，电气设备在额定电压下运行时，其技术经济性能最好。为了使电力工业和电工制造业的生产标准化、系列化和统一化，世界各国都制定有电压等级的条例。我国三相交流电力网和电气设备的额定电压如表1.3.1所示。其中，1 000kV为特高压，330～750kV为超高压。我国高压直流输电额定电压有±500kV（1989年建成的葛洲坝—上海）和±800kV两种。

表1.3.1 我国三相交流电力网和电气设备的额定电压

注：“／”左边数字为线电压，右边数字为相电压。

用电设备的额定电压与同级的电力网的额定电压是一致的。电力线路的首端和末端均可接用电设备，用电设备的端电压允许偏移范围为额定电压的±5％，线路首末端电压损耗不超过额定电压的10％。于是，线路首端电压比用电设备的额定电压不高出5％，线路末端电压比用电设备的额定电压不低于5％，线路首末端电压的平均值为电力网额定电压。

发电机接在电网的首端，其额定电压比同级电力网额定电压高5％，用于补偿电力网上的电压损耗。

变压器的额定电压分为一次绕组额定电压和二次绕组额定电压。变压器的一次绕组直接与发电机相连时，其额定电压等于发电机额定电压；当变压器接于电力线路末端时，则相当于用电设备，其额定电压等于电力网额定电压。变压器的二次绕组额定电压，是绕组的空载电压，当变压器为额定负载时，在变压器内部有5％的电压降，另外，变压器的二次绕组向负荷供电，相当于电源作用，其输出电压应比同级电力网的额定电压高5％，因此，变压器的二次绕组额定电压比同级电力网额定电压高10％。当二次配电距离较短或变压器绕组中电压损耗较小时，二次绕组额定电压只需比同级电力网额定电压高5％。

电力网额定电压的选择又称为电压等级的选择，要综合电力系统投资、运行维护费用、运行的灵活性以及设备运行的经济合理性等方面的因素来考虑。在输送距离和输送容量一定的条件下，所选的额定电压越高，线路上的功率损耗、电压损失、电能损耗会减少，能节省有色金属。但额定电压越高，线路上的绝缘等级要提高，杆塔的几何尺寸增大，线路投资增大，线路两端的升、降压变压器和开关设备等的投资也相应要增大。因此，电力网额定电压的选择要根据传输距离和传输容量经过全面技术经济比较后才能选定。根据运行经验得到的电力网额定电压与传输功率和传输距离的关系如表1.3.2所示，此表可作为设计时选择电力网额定电压的参考。表1.3.2中给出了750～1 000kV线路的大致参考值。

表1.3.2 电力网的额定电压与传输功率和传输距离之间的关系

1.3.6 电力系统的接线方式

1.电力系统的接线图

电力系统的接线方式是用来表示电力系统中各主要元件相互连接关系的。对电力系统运行的安全性与经济性影响极大。电力系统的接线方式用接线图来表示，接线图有电气接线图和地理接线图两种。

（1）电气接线图。在电气接线图上，要求表明电力系统各主要电气设备之间的电气连接关系。电气接线图要求接线清楚，一目了然，而不过分重视实际的位置关系、距离的比例关系。

（2）地理接线图。在地理接线图上，强调电厂与变电站之间的实际位置关系及各条输电线的路径长度，这些都按一定比例反映出来，但各电气设备之间的电气联系、连接情况不必详细表示。

2.电力系统的接线方式

选择电力系统接线方式时，应保证与负荷性质相适应的足够的供电可靠性；深入负荷中心，简化电压等级，做到接线紧凑、简明；保证各种运行方式下操作人员的安全；保证运行时足够的灵活性；在满足技术条件的基础上，力求投资费用少，设备运行和维护费用少，满足经济性要求。

（1）开式电力网。开式电力网由一条电源线路向电力用户供电，分为单回路放射式、干线式、链式和树枝式等，其简明接线如图1.3.2所示。开式电力网接线简单、运行方便，保护装置简单，便于实现自动化，投资费用少，但供电的可靠性较差，只能用于三级负荷和部分次要的二级负荷，不适于向一级负荷供电。

图1.3.2 开式电力网简明接线图

（a）放射式；（b）干线式；（c）链式；（d）树枝式

由地区变电所或企业总降压变电所6～10kV母线直接向用户变电所供电时，沿线不接其他负荷，各用户变电所之间也无联系，可选用放射式接线，如图1.3.3所示。

图1.3.3 放射式接线

（2）闭式电力网。闭式电力网由两条及两条以上电源线路向电力用户供电。分为双回路放射式、双回路干线式、双回路链式、双回路树枝式、环式和两端供电式，简明接线如图1.3.4所示。闭式电力网供电可靠性高，运行和检修灵活，但投资大，运行操作和继电保护复杂，适用于对一级负荷供电和电网的联络。

图1.3.4 闭式电力网简明接线图

（a）放射式；（b）干线式；（c）链式；（d）树枝式；（e）环式；（f）两端供电式

对供电的可靠性要求很高的高压配电网，还可以采用双回路架空线路或多回路电缆线路进行供电，并尽可能在两侧都有电源，如图1.3.5所示。

图1.3.5 两侧电源供电的双回路高压配电网

1.3.7 电力系统运行

1.电力系统分析

电力系统分析是用仿真计算或模拟试验方法，对电力系统的稳态和受到干扰后的暂态行为进行计算、考查，做出评估，提出改善系统性能的措施的过程。通过分析计算，可对规划设计的系统选择正确的参数，制定合理的电网结构，对运行系统确定合理的运行方式，进行事故分析和预测，提出防止和处理事故的技术措施。电力系统分析分为电力系统稳态分析、故障分析和暂态过程的分析。电力系统分析的基础为电力系统潮流计算、短路故障计算和稳定计算。

（1）电力系统稳态分析。电力系统稳态分析主要研究电力系统稳态运行方式的性能，包括潮流计算、静态稳定性分析和谐波分析等。

电力系统潮流计算包括系统有功功率和无功功率的平衡，网络节点电压和支路功率的分布等，解决系统有功功率和频率调整，无功功率和电压控制等问题。潮流计算是电力系统稳态分析的基础。潮流计算的结果可以给出电力系统稳态运行时各节点电压和各支路功率的分布。在不同系统运行方式下进行大量潮流计算，可以研究并从中选择确定经济上合理、技术上可行、安全可靠的运行方式。潮流计算还给出电力网的功率损耗，便于进行网络分析，并进一步制订降低网损的措施。潮流计算还可以用于电力网事故预测，确定事故影响的程度和防止事故扩大的措施。潮流计算也用于输电线路工频过电压研究和调相、调压分析，为确定输电线路并联补偿容量、变压器可调分接头设置等系统设计的主要参数以及线路绝缘水平提供部分依据。

静态稳定性分析主要分析电网在小扰动下保持稳定运行的能力，包括静态稳定裕度计算、稳定性判断等。为确定输电系统的输送功率，分析静态稳定破坏和低频振荡事故的原因，选择发电机励磁调节系统、电力系统稳定器和其他控制调节装置的形式和参数提供依据。

谐波分析主要通过谐波潮流计算，研究在特定谐波源作用下，电力网内各节点谐波电压和支路谐波电流的分布，确定谐波源的影响，从而制订消除谐波的措施。

（2）电力系统故障分析。电力系统故障分析主要研究电力系统中发生故障（包括短路、断线和非正常操作）时，故障电流、电压及其在电力网中的分布。短路电流计算是故障分析的主要内容。短路电流计算的目的是确定短路故障的严重程度，选择电气设备参数，整定继电保护，分析系统中负序及零序电流的分布，从而确定其对电气设备和系统的影响等。

电磁暂态分析还研究电力系统故障和操作过电压的过程，为变压器、断路器等高压电气设备和输电线路的绝缘配合和过电压保护的选择以及降低或限制电力系统过电压技术措施的制订提供依据。

（3）电力系统暂态分析。电力系统暂态分析主要研究电力系统受到扰动后的电磁和机电暂态过程，包括电磁暂态过程的分析和机电暂态过程的分析两种。

电磁暂态过程的分析主要研究电力系统故障和操作过电压及谐振过电压，为变压器、断路器等高压电气设备和输电线路的绝缘配合和过电压保护的选择，以及降低或限制电力系统过电压技术措施的制订提供依据。

机电暂态过程的分析主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能。其中，暂态稳定分析主要研究电力系统受到诸如短路故障，切除或投入线路、发电机、负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，电力系统的动态行为和保持同步稳定运行的能力，为选择规划设计中的电力系统的网络结构，校验和分析运行中的电力系统的稳定性能和稳定破坏事故，制订防止稳定破坏的措施提供依据。

电力系统分析工具有暂态网络分析仪、物理模拟装置和计算机数字仿真三种。第5章将详细介绍电力系统分析知识。

2.电力系统继电保护和安全自动装置

电力系统继电保护和安全自动装置是在电力系统发生故障或不正常运行情况时，用于快速切除故障、消除不正常状况的重要自动化技术和设备（装置）。电力系统发生故障或危及其安全运行的事件时，它们可及时发出警告信号或直接发出跳闸命令以终止事件发展。用于保护电力元件的设备通常称为继电保护装置，用于保护电力系统安全运行的设备通常称为安全自动装置，如自动重合闸、按周减载等。第6章将详细介绍电力系统继电保护和安全自动装置基础知识。

3.电力系统自动化

应用各种具有自动检测、反馈、决策和控制功能的装置，并通过信号、数据传输系统对电力系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、协调、调节和控制，以保证电力系统的供电质量和安全经济运行。

随着电力系统规模和容量的不断扩大，系统结构、运行方式日益复杂，单纯依靠人力监视系统运行状态、进行各项操作、处理事故等，已无能为力。因此，必须应用现代控制理论、电子技术、计算机技术、通信技术和图像显示技术等科学技术的最新成就来实现电力系统自动化。第7章将详细介绍电力系统自动化基础知识。