电力系统详解

电力系统

1.电力系统的组成及其作用

电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统。输电网和配电网统称为电网，是电力系统的重要组成部分。发电厂将一次能源转换成电能，经过电网将电能输送和分配到电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程。电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、安全自动装置、调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统(一般称为二次系统)。

输电网是电力系统中最高电压等级的电网，是电力系统中的主要网络(简称主网)，起到电力系统骨架的作用，所以又可称为网架。在一个现代电力系统中既有超高压交流输电，又有超高压直流输电。这种输电系统通常称为交、直流混合输电系统。

配电网是将电能从枢纽变电站直接分配到用户区或用户的电网，它的作用是将电力分配到配电变电站后再向用户供电，也有一部分电力不经配电变电站，直接分配到大用户，由大用户的配电装置进行配电。

在电力系统中，电网按电压等级的高低分层，按负荷密度的地域分区。不同容量的发电厂和用户应分别接入不同电压等级的电网。大容量主力电厂应接入主网，较大容量的电厂应接入较高压的电网，容量较小的可接入较低电压的电网。

配电网应按地区划分，一个配电网担任分配一个地区的电力及向该地区供电的任务。因此，它不应当与邻近的地区配电网直接进行横向联系，若要联系应通过高一级电网发生横向联系。配电网之间通过输电网发生联系。不同电压等级电网的纵向联系通过输电网逐级降压形成。不同电压等级的电网要避免电磁环网。

电力系统之间通过输电线连接，形成互联电力系统。连接两个电力系统的输电线称为联络线。

2.电力系统的负荷

电力系统中所有用电设备消耗的功率称为电力系统的负荷。其中把电能转换为其他能量形式(如机械能、光能、热能等)，并在用电设备中真实消耗掉的功率称为有功负荷。电动机带动风机、水泵、机床和轧钢设备等机械，完成电能转换为机械能还要消耗无功。例如，异步电动机要带动机械，需要在其定子中产生磁场，通过电磁感应在其转子中感应出电流，使转子转动，从而带动机械运转。这种为产生磁场所消耗的功率称为无功功率。变压器要变换电压，也需要在其一次绕组中产生磁场，才能在二次绕组中感应出电压，同样要消耗无功功率。因此，没有无功，电动机就转不动，变压器也不能转换电压。无功功率和有功功率同样重要，只是因为无功完成的是电磁能量的相互转换，不直接作功，才称为“无功”的。电力系统负荷包括有功功率和无功功率，其全部功率称为视在功率，等于电压和电流的乘积(单位千伏安)。有功功率与视在功率的比值称为功率因数。电动机在额定负荷下的功率因数为0.8左右，负荷越小，其值越低;普通白炽灯和电热炉，不消耗无功，功率因数等于1。

电力系统负荷随时间而不断变化，具有随机性，其变化情况用负荷曲线来表示。通常有曰负荷曲线、月负荷曲线(国外多用周负荷曲线)、年负荷曲线。图7—2所示为年、曰负荷曲线图。年负荷曲线表示的是每月的最高负荷值。曰负荷曲线是将电力系统每曰24h的负荷绘制成的曲线。曰负荷曲线中负荷曲线的最高点为曰最大负荷(又称为高峰负荷)，负荷曲线的最低点为最小负荷(又称为低谷负荷)，它们是一天内负荷变化的两个极限值，高峰负荷与低谷负荷之差称为峰谷差。峰谷差越大，电力调峰的难度也就越大。根据负荷曲线可求出曰平均负荷。曰平均负荷与最高负荷的百分比值，称为负荷率。负荷率高，则设备利用率高。最小负荷水平线以下部分称为基荷;平均负荷水平线以上的部分为峰荷;最小负荷与平均负荷之间的部分称为腰荷。为了满足系统负荷的需要，应进行负荷预测工作，绘制不同用途的负荷曲线。

二、电力系统互联

电力系统互联可以获得显著的技术经济效益。它的主要作用和优越性有以下几个方面：

(1)更经济合理开发一次能源，实现水、火电资源优势互补。

各地区的能源资源分布不尽相同，能源资源和负荷分布也不尽平衡。电力系统互联，可以在煤炭丰富的矿口建设大型火电厂向能源缺乏的地区送电，可以建设具有调节能力的大型水电厂，以充分利用水力资源。这样既可解决能源和负荷分布的不平衡性，又可充分发挥水电和火电在电力系统运行的特点。

(2)降低系统总的负荷峰值，减少总的装机容量。由于各电力系统的用电构成和负荷特性、电力消费习惯性的不同，以及地区间存在着时间差和季节差，因此，各个系统的年和曰负荷曲线不同，出现高峰负荷不在同时发生。而整个互联系统的曰最高负荷和季节最高负荷不是各个系统高峰负荷的线性相加，结果使整个系统的最高负荷比各系统的最高负荷之和要低，峰谷差也要减少。电力系统互联有显著的错峰效益，可减少各系统的总装机容量。

(3)减少备用容量。各发电厂的机组可以按地区轮流检修，错开检修时间。通过电力系统互联，各个电网相互支援，可减少检修备用。各电力系统发生故障或事故时，电力系统之间可以通过联络线互相紧急支援，避免大的停电事故，提高了各系统的安全可靠性，又可减少事故备用。总之，可减少整个系统的备用容量和各系统装机容量。

(4)提高供电可靠性。由于系统容量加大，个别环节故障对系统的影响较小，而多个环节同时发生故障的概率相对较小，因此能提高供电可靠性。但是，个别环节发生故障，如果不及时消除，就有可能扩大，波及相邻的系统，严重情况下会导致大面积停电。因此，互联电力系统要形成合理的网架结构，提高电力系统自动化水平，以保证电力系统互联高可靠性的实现。

(5)提高电能质量。电力系统负荷波动会引起频率变化。由于电力系统容量增大，供电范围扩大，总的负荷波动比各地区的负荷波动之和要小，因此，引起系统频率的变化也相对要小。同样，冲击负荷引起的频率变化也要小。

(6)提高运行经济性。各个电力系统的供电成本不相同，在资源丰富地区建设发电厂，其发电成本较低。实现互联电力系统的经济调度，可获得补充的经济效益。

电力系统互联，由于联系增强也带来了新问题。如故障会波及相邻系统，如果处理不当，严重情况下会导致大面积停电;系统短路容量可能增加，导致要增加断路器等设备容量;需要进行联络线功率控制等。这些都要求研究和采取相应技术措施，提高自动化水平，才能充分发挥互联电力系统的作用和优越性。

由于发展电力系统互联能带来显著的效益，相邻地区甚至相邻国家电力系统互联是电力工业发展的一个趋势。如曰本9个电力系统形成了互联电力系统。美国形成了全国互联电力系统，并且与加拿大电网连接。西欧各国除各自形成全国电力系统外，互联形成了西欧的国际互联电力系统，并正在通过直流背靠背与东欧国家电力系统相连。埃及能源部长在1994年巴黎国际大电网年会开幕式上还提出了非洲、欧洲和阿拉伯地区实现跨洲联网的设想，得到与会者重视。我国已形成东北、华北、华东、华中、西北和南方联营等6大跨省(区)电力系统，其中华东和华中电网通过葛—上±500kV直流输电线实现了跨大区电网的互联。世界最大的水电站——三峡水电站将安装26台70万kw机组，已于1994年12月开工建设，2009年将建成发电，其强大的电力将送往华东、华中和四川电网。它的建成发电将推动全国跨大区电网的互联。

四、电力系统运行与控制

(一)电力系统的运行状态

电力系统是由发电机、变压器、输配电线路和用电设备按一定方式连接组成的整体。其运行特点是发电、输电、配电和用电同时完成。因此，为了向用户连续提供质量合格的电能，电力系统各发电机发出的有功和无功功率应随时随刻与随机变化的电力系统负荷消耗的有功功率和无功功率(包括系统损耗)相等，同时，发电机发出的有功功率和无功功率、线路上的功率潮流(视在功率)和系统各级电压应在安全运行的允许范围之内。要保证电力系统这种正常运行状态，必须满足两点基本要求：

(1)电力系统中所有电气设备处于正常状态，能满足各种工况的需要。

(2)电力系统中所有发电机以同一频率保持同步运行。

现代电力系统的特点是大机组、高电压、大电网、交直流远距离输电、电网互联，因而其结构复杂，覆盖不同环境的辽阔地域。这样，在实际运行中，自然灾害的作用、设备缺陷和人为因素都会造成设备故障和运行条件发生变化，因而电力系统还会出现其他非正常运行的状态。

电力系统的运行状态可分为3种：正常状态、紧急状态(事故状态)和恢复状态(事故后状态)。图7-3画出了3种运行状态及其相互间的转化关系。

1.正常状态

在正常运行状态下，电力系统中总的有功和无功功率出力能和负荷总的有功和无功功率的需求达到平衡;电力系统的各母线电压和频率均在正常运行的允许偏差范围内;各电源设备和输配电设备均在规定的限额内运行;电力系统有足够的旋转备用和紧急备用以及必要的调节手段，使系统能承受正常的干扰(如无故障开断一台发电机或一条线路)，而不会产生系统中各设备的过载，或电压和频率偏差超出允许范围。

在正常运行状态下，电力系统对不大的负荷变化能通过调节手段，可从一个正常运行状态连续变化到另一个正常运行状态。在正常运行状态下，还能在保证安全运行条件下，实现电力系统的经济运行。

2.紧急状态

电力系统遭受严重的故障(或事故)，其正常运行状态将被破坏，进入紧急状况(事故状态)。

电力系统的严重故障主要有：

(1)线路、母线、变压器和发电机短路。短路有单相接地、两相和三相短路。短路又分瞬间短路和永久性短路。在实际运行中，单相短路出现的可能性比三相短路多，而三相短路对电力系统影响最严重。当然尤其严重的是三相永久性短路，这是极其稀小的。在雷击等情况下，有可能在电力系统中若干点同时发生短路，形成多重故障。

(2)突然跳开大容量发电机或大的负荷引起电力系统的有功功率和无功功率严重不平衡。

(3)发电机失步，即不能保持同步运行。

电力系统出现紧急状态将危及其安全运行，主要事故有以下几个方面：

(1)频率下降。在紧急状态下，发电机和负荷间的功率严重不平衡，会引起电力系统频率突然大幅度下降，如不采取措施，使频率迅速恢复，将使整个电厂解列，其恶性循环将会产生频率崩溃，导致全电力系统瓦解。

(2)电压下降。在紧急状态下，无功电源可能被突然切除，引起电压大幅度下降，甚至发生电压崩溃现象。这时，电力系统中大量电动机停止转动，大量发电机甩掉负荷，导致电力系统解列，甚至使电力系统的一部分或全部瓦解。

(3)线路和变压器过负荷。在紧急状态下，线路过负荷，如不采取相应技术措施，会连锁反应，出现新的故障，导致电力系统运行进一步恶化。

(4)出现稳定问题。在紧急状态下，如不及时采取相应的控制措施或措施不够有效，则电力系统将失去稳定。所谓电力系统稳定，就是要求保持电力系统中所有同步发电机并列同步运行。电力系统失去稳定就是各发电机不再以同一频率，保持固定功角运行，电压和功率大幅度来回摇动。电力系统稳定的破坏会对电力系统安全运行产生最严重后果，将可能导致全系统崩溃，造成大面积停电事故。

60年代以来，国际上出现过多次大面积停电事故。例如，1977年7月13曰，美国纽约电力系统由于遭受雷击，保护装置不正确动作，调度中心掌握信息不足以及通信困难等原因，造成事故的连锁发展和扩大，致使全系统瓦解。事故前后延续25h，影响900万居民供电，直接和间接经济损失达3.5亿美元。

电力系统进入紧急状态后，应及时依靠继电保护和安全自动装置有选择地快速切除故障，采取提高安全稳定性措施，避免发生连锁性的故障，导致事故扩大和系统的瓦解。

3.恢复状态

在紧急状态后，借助继电保护和自动装置或人工干预，使故障隔离，事故不扩大，电力系统大体可以稳定下来。这时，部分发电机或线路(变压器)仍处于断开状态，部分用户仍然停电，严重情况下电力系统可能被分解成几个独立部分，电力系统进入恢复状态。这时，要采取一系列操作，采取各种恢复出力和送电能力的措施，尽快恢复对用户的供电，使系统恢复到正常状态。

(二)电力系统稳定性和提高稳定的基本措施

1.电力系统稳定性

电力系统稳定性可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定。

(1)电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。

(2)电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。

(3)电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。

远距离输电线路的输电能力受这3种稳定能力的限制，有一个极限。它既不能等于或超过静态稳定极限，也不能超过暂态稳定极限和动态稳定极限。在我国，由于网架结构薄弱，暂态稳定问题较突出，因而线路输送能力相对国外来说要小一些。

2.提高系统稳定的基本措施

提高系统稳定的措施可以分为两大类：一类是加强网架结构;另一类是提高系统稳定的控制和采用保护装置。

(1)加强电网网架，提高系统稳定。线路输送功率能力与线路两端电压之积成正比，而与线路阻抗成反比。减少线路电抗和维持电压，可提高系统稳定性。增加输电线回路数、采用紧凑型线路都可减少线路阻抗，前者造价较高。在线路上装设串联电容是一种有效的减少线路阻抗的方法，比增加线路回路数要经济。串连电容的容抗占线路电抗的百分数称为补偿度，一般在50%左右，过高将容易引起次同步振荡。在长线路中间装设静止无功补偿装置(SVC)，能有效地保持线路中间电压水平(相当于长线路变成两段短线路)，并快速调整系统无功，是提高系统稳定性的重要手段。

(2)电力系统稳定控制和保护装置。提高电力系统稳定性的控制可包括两个方面：①失去稳定前，采取措施提高系统的稳定性;②失去稳定后，采取措施重新恢复新的稳定运行。下面介绍几种主要的稳定控制措施。

发电机励磁系统及控制。发电机励磁系统是电力系统正常运行必不可少的重要设备，同时，在故障状态能快速调节发电机机端电压，促进电压、电磁功率摆动的快速平息。因此，充分发挥其改善系统稳定的潜力是提高系统稳定性最经济的措施，国外得到普遍重视。常规励磁系统采用PID调节并附加电力系统稳定器(PSS)，既可提高静态稳定又可阻尼低频振荡，提高动态稳定性。目前国外较多的是采用快速高顶值可控硅励磁系统，配以高放大倍数调节器和PSS装置，这样可同时提高静态、暂态和动态3种稳定性。

电气制动及其控制装置。在系统发生故障瞬间，送端发电机输出电磁功率下降，而原动机功率不变，产生过剩功率，使发电机与系统间的功角加大，如不采取措施，发电机将失步。在短路瞬间投入与发电机并联的制动电阻，吸收剩余功率(即电气制动)，是一种有效的提高暂态稳定的措施。

快关汽门及其控制。在系统发生故障时，另一项减少功率不平衡的措施是快关汽门，以减少发电机输入功率。用控制汽轮机的中间阀门实现快关汽门可有效提高暂态稳定性。但是，它的实现要解决比较复杂的技术问题，是否采用快关措施要进行研究和比较。

此外还有在送端切机，同时在受端切负荷来提高整个系统的稳定性，以保证绝大多数用户的连续供电。

继电保护及重合闸装置。它是提高电力系统暂态稳定的重要的有效措施之一。对继电保护的要求是：无故障时保护装置不误动，发生故障时可靠动作。它的正确选择、快速切除故障可使电力系统尽快恢复正常运行状态。高压线路上发生的大多数故障是瞬时性短路故障。继电保护装置动作，跳断路器，断开线路，使线路处于无电压状态，电弧就能自动熄灭。在绝缘恢复后，重新将断开的线路投入，恢复供电。这种自动重合断路器的措施称为自动重合闸。它分为单相和三相重合闸，也是一项显著提高暂态稳定性的措施。

(三)电力系统安全控制

电力系统安全控制的目的是采取各种措施使系统尽可能运行在正常运行状态。

在正常运行状态下，通过制定运行计划和运用计算机监控系统(SCADA或EMS)，实时进行电力系统运行信息的收集和处理，在线安全监视和安全分析等，使系统处于最优的正常运行状态。同时，在正常运行时，确定各项预防性控制，以对可能出现的紧急状态提高处理能力。这些控制内容包括：调整发电机出力、切换网络和负荷、调整潮流、改变保护整定值、切换变压器分接头等。

当电力系统一旦出现故障进入紧急状态后，则靠紧急控制来处理。这些控制措施包括继电保护装置正确快速动作和各种稳定控制装置。通过紧急控制将系统恢复到正常状态或事故后状态。当系统处于事故后状态时，还需要用恢复控制手段，使其重新进入正常运行状态。

各类安全控制可按其功能分为：

(1)提高系统稳定的措施有快速励磁、电力系统稳定器(PSS)、电气制动、快关汽机和切机、串联补偿、静止无功补偿(SVC)、超导电磁蓄能和直流调制等。

(2)维持系统频率的措施有低频减负荷、低频降电压、低频自起动、抽水蓄能机组低频抽水改发电、低频发电机解列、高频切机、高频减出力等。

(3)预防线路过负荷的措施有过负荷切电源、过负荷切负荷等。

电力系统安全控制的发展趋势将是计算机分层控制、控制装置微处理机化和智能化、发展电力系统综合自恢复控制。