電力系統簡介

電力系統的功能與作用

電力系統是由發電、變電、輸電、配電、用電等設備和相應的輔助系統，按規定的技術和經濟要求組成的一個統一系統。電力系統的基本任務是安全、可靠、優質、經濟地生產、輸送與分配電能，滿足國民經濟和人民生活的需要。

一個現代電力系統是由極寬闊的地域內的大量電力設備互聯在一起形成的。如我國就有華東、東北、華北、華中、J川渝、西北、南方四省等區域電網和部分省網，規劃到 2015年實現全國聯網。聯網的優越性表現在：

①能更經濟合理地開發利用各種一次能源，能解決能源資源與負荷分布地區間的不平衡問題;

②可以錯開用電高峰低谷，減少裝機和備用;

③有利于采用標準化大型設備，節省投資和提高運行經濟性;

④便于故障時相互支援，提高運行安全性;⑤便于集中管理，實現經濟調度和電力合理分配。

發電、變電、輸電、配電、用電等設備稱為電力主設備，主要有發電機、變壓器、架空線路、電纜、斷路器、母線、電動機、照明設備、電熱設備等。由主設備構成的系統稱為主系統，也稱為一次系統。測量、監視、控制、繼電保護、安全自動裝置、通信，以及各種自動化系統等用于保證主系統安全、穩定、正常運行的設備稱為二次設備。二次設備構成的系統稱為輔助系統，也稱為二次系統（因為它們連接于互感器的二次側或電力主設備的操作控制接口上）。

為了充分發揮電力系統的功能和作用，應滿足以下基本要求：

（1）滿足用戶需求（數量和質量要求） 電力系統應有充足的備用容量，能實現快速控制。出力不足時才考慮計劃限電。事故緊急情況下可有選擇地切除部分負荷，以保證交通、通信、保安系統、醫院等重要負荷的供電和全系統的安全性。監測供電質量的指標主要是全網的頻率和各供電點的電壓。隨著用戶對供電質量要求的提高，現在還提出了電壓和電流波形、三相不對稱度和電壓閃變等質量指標。

（2）安全可靠性要求 一個安全可靠的系統應具有經受一定程度的干擾和事故的能力。即當出現預計的干擾或事故時，系統憑借本身的能力（合理的備用和網架結構）、繼電保護裝置和安全自動裝置等的作用，以及運行人員的控制操作，仍能保持繼續供電。但當事故嚴重到超出預計時，則可能使系統失去部分供電能力，這時應盡量避免事故擴大和大面積停電，盡快消除事故后果，恢復正常供電。

（3）經濟性要求 以最小發電（供電）成本或最小燃料消耗為目標的經濟運行，進行并列發電機組間出力的合理分配。還需要考慮線損影響∶對負荷變化進行相應的開、停機，以減少燃料消耗;水、火電混合系統中充分發揮水電能力，有效利用水資源，使發電成本最小等。

（4）環保和生態要求 控制溫室氣體和有害物質的排放，控制冷卻水的溫度和速度，防止核輻射污染，減少輸電線的高壓電磁場、變壓器噪聲及其影響等。做到能源的可持續利用和發展，保護環境與生態。

現代電力系統的特點

電力系統技術上發展的特征可用"大機組、大電網、高電壓"來描述，可靠性也已成為電力系統規劃、設計、運行考慮的首要因素。20世紀60年代以來，以控制、通信和計算機技術的引入與廣泛應用為標志，數字化、網絡化、信息化、智能化技術日益提高了電力系統的自動化水平。以電力申電子技術為基礎.直流輸電技術成為成孰技術。靈活交流輸電技術也得到l了重視和發展。以上這些構成了現代電力系統技術發展的新特征。現代電力系統的目標是更加可靠、更加有效及更加開放。

由于人類社會需求日益增長目不斷變化、提高，隨著世界經濟、科技的發展，現代電力工業更注重能源開發與環境保護的協調，追求更高的申能質量標準，重視電源結構的優化面配置，建設基于高新技術的現代能量管理系統，構建體現公平章爭和多元利益的電力市場。潔凈煤技術、水電開發、核電的發展將越來越得到重視。新能源的開發利用，特別是可再生能源的開發利用也是現代電力技術的發展趨勢。

電力市場的引入，可以提高效率、降低成本，促進電力資產的合理利用與發展，并降低電價，使用戶受益。引進市場競爭機制對電力行業的沖擊，從管理上就面臨著體制變革的要求，從行業壟斷的縱向一體化管理，轉向放松控制（Deregulation）、開放上網等更加靈活的橫向協調的機制。廠網分開，獨立經營，出現了獨立發電人IPP（Independent Power Producer）和獨立電網管理中心ISO（Independent System Operator）等新的獨立實體。3.2.3 電力資源與負荷

我國用于發電的一次能源蘊藏量較為豐富，深埋在1000米以內的煤炭總資源量為2.6萬億噸，列世界第2位；我國水力資源蘊藏量有6.76×10°kW，居世界首位，其中可供開發利用的就有3.7×10°kW，居世界首位，70%以上的水能資源集中在西南地區；其他如石油、核燃料、風能、太陽能、地熱等能源也比較豐富，這些都為我國電力工業的發展奠定了雄厚的物質基礎。中國資源的分布（西部為主）、中國能源的結構（水、煤為主）、中國經濟的發展格局（東部領先）決定了中國電網的發展格局∶西電東送、南北互供、全國聯網。

工業、農業、交通運輸等國民經濟各部門以及人民生活用電組成電力系統的負荷。按供電可靠性分類，電力負荷分為三級。

（1）一級負荷 對一級負荷中斷供電，將可能造成生命危險、損壞設備、破壞生產過程，使大量產品報廢，給國民經濟造成重大損失，使市政生活發生混亂。

（2）二級負荷 對二級負荷停止供電，將造成大量減產、交通停頓，使城鎮居民生活受到影響等。

（3）三級負荷 不屬于一、二級負荷的其他負荷。

電力負荷是電力系統規劃、設計、運行、發電、送電、變電站布局、布點的主要依據。除上述定性分類外，近年來還開展了以概率統計為基礎的定量分析研究。

為了有效利用資源，滿足電力用戶的需求，需要做好電力系統的規劃。電力系統規劃的原則是∶要在國家經濟發展計劃的指導下，對能源進行合理開發利用，協調發展發、輸、變、配、用電系統，以盡可能少的投資滿足用戶需求，適當安排備用以保證運行靈活性和安全可靠性，要有足夠的抗干擾能力。

由于電力建設周期較長，大型水電和核電廠8-10年，大型火電廠3~5年，因此需擬訂15-30年的電力系統長遠發展規劃，并在其具體指導下，制定5~15年的中期發展規劃。前者進行電力負荷需求預測，掌握可開發動力資源、新技術的發展趨勢、電力系統對社會發展的適應性等資料，然后充分考慮原有系統的條件，提出電源的構成與配置、輸電網的電壓等級和結構，以及配電網的發展原則等。后者則是對規劃期內系統的發展進行調研、計算、分析、方案比較，提出具體分階段的電源和電網規劃建設項目和進度等。

電力系統構成

電力系統主要由發電廠、輸配電系統及負荷組成，通常覆蓋廣闊的地域。發電廠將一次能源轉換為電能，經過輸電線路進行遠距離輸送，在變電站內進行電壓等級轉換和線路的投切、保護，送至負荷所在區域的配電系統，再由配電變電站和配電線路把電能分配給負荷（用戶）。由輸電線路、配電線路、變電站組成的輸配電系統稱為電力網絡。由發電廠、輸配電系統及負荷組成的統一整體稱為電力系統。如果將發電廠內的原動機部分也計入其中，則稱為動力系統。

電站中的鍋爐將化學能轉變為熱能，核反應堆將核能轉變為熱能，汽輪機將熱能轉變為機械能，燃氣輪機將化學能直接轉變為機械能，水輪機將水位能轉化為機械能，發電機將機械能轉變為電能。輸電線使發電廠與配電系統以及與其他系統實行互聯。配電系統連接由輸電線供電的局域內的所有單個負荷。電力負荷包括電燈、電熱器、電動機（感應電動機、同步電動機等）、整流器、變頻器和其他裝置。在這些設備中電能又將轉變為光能、熱能、機械能等。

發電機經過升壓變壓器將電壓升高至輸電電壓220~500 kV），在受端通過降壓變壓器將電壓降至配電電壓（10~110 kV、380/220V），在降壓變電站大型用戶的配電電壓為35~110kV，而中小型用戶的配電電壓為6~10kV、380/220V。

電力系統設備

電力系統的設備分為電力主設備（一次設備）和二次設備。

一次設備又可分為發電設備、輸電設備、變電設備、配電設備、用電設備等。發電廠內的發電機是最主要的發電設備，通過發電機實現其他形式能源向申能的轉換。架空輸電線路和地下（海底）輸電電纜是主要輸電設備，它們把電能從發電廠送到負荷中心地區的配電系統。變電所內的變壓器是主要的變電設備，用以實現電壓的變換，以利于電能的遠距離輸送和應用。另外，母線.斷路器，開關、刀閘.避雷器、調相機、電容器、互感器也是變電所的重要設備。配電設備則包括面配電變壓器和配電線路，使電能按需要送到電力用戶.提供給用電設備使用。用電設備則把電能變換成用戶需要的能量形式，主要有電燈等電照明設備、電動機等電力拖動設備、電爐等電熱設備、空調及冰箱等電制冷設備，以及各種需要用電力能源的設備。

二次設備是指電力系統中用來實現測量、監視、控制、繼電保護、安全自動裝置，通信，以及各種自動化功能，用于保證主系統安全、穩定、正常運行的設備。

交流系統與直流系統

電力系統的電大致可分為直流電和交流電。直流電的大小相對于時間是恒定的，方向也不改變。以干電池為例，它的極性（正端與負端）是不變的，因而直流電方向也不變。而交流電則與此不同，其大小及方向隨時間做周期性變化，與直流電相比，其變化比較復雜。所謂方向變化也就是表示極性的變化。若用示波器觀測直流電與交流電的波形。

電力系統的發展首先是從直流開始的。為了照明的目的，原始的直流發電機連接到電力線路上采用110~220 V 直流電供給串聯的弧光路燈，供電距離在1~2km 以內。隨著生產的發展，要求增大輸送功率與輸電距離.提高輸電效率，這就要求提高輸電電壓，而發電機電壓因避免出現電暈不可能提得很高，且直流高壓輸電與用戶低壓用電之間存在著難以克服的矛盾，使得當時的直流輸電制遇到很大的挑戰。

而交流輸電制卻可使用變壓器，從而簡單、經濟、可靠地解決了高輸電電壓的問題，使得直流輸電系統逐漸被新興的三相交流輸電制所代替。

1885年匈牙利工程師吉里等研究出封閉磁路的單相變壓器，由此實現了單相交流輸電。但由于單相交流由動機起動困難 不能保證增加發電廠的容量和擴大電網的伸展長度。

1888年俄國工程師多利沃—多勃羅沃利斯基先后發明了三相異步電動機、三相變壓器和三相交流制。

1891年德國工程師奧斯卡拉·馮·密勒主持建立了最早的三相輸電系統。由勞芬鎮輸電至法蘭克福，輸送距離是175 km，輸送功率約為130 kW。工程的建成標志著歷史上輸電技術的重大突破，由此奠定了現代電力系統的輸電模式。三相交流電的出現克服了原來直流供電容量小、距離短的缺點，也比單相交流電更加經濟，實現了遠距離供電。電力不再僅僅用于照明，而且在工業、生活中也得到了廣泛應用。

為了減少線路輸電損耗，不斷地提高線路電壓。隨著電壓的提高，輸送功率和輸送距離便不斷增大。提高線路電壓與線路的絕緣有著密切的關系，隨后線路的絕緣成為輸電發展的制約因素。交流系統中的同步發電機并聯運行的穩定性問題也是一個重要的技術問題。

為徹底解決交流輸電中同步發電機并聯運行的穩定性問題，工程師的思想又轉向直流輸電。當今的直流輸申系統已經不同干早年的直流系統.現代高壓直流輸電是將一相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過高壓直流輸電線路送往另一個換流站逆變成三相交流電的輸電方式。它基本上由兩個換流站和直流輸電線路組成，兩個換流站與兩端的交流系統相連接。即由交流發電機經整流器、高壓直流輸電線路及逆變器后接入受端交流系統。我國目前的直流輸電電壓已達到 ±800 kV.輸送距離已超過1700 km，輸送功率已超過6400 MW，居世界領先水平。

直流輸電線路造價低于交流輸電線路，但換流站造價卻比交流變電站高得多。一般地，架空線路超過 600~800 km.電纜線路超過 40~60 km.直流輸電比交流輸電更經濟。隨著高電壓大容量電力電子元件及控制保護技術的發展，換流設備造價逐漸降低，直流輸電近年來發展較快。

概而言之，輸電技術的發展大致經歷了直流傳輸一交流傳輸一交直流傳輸的發展過程。

電力系統的運行

一、電力系統基本參量

主要的電氣參量有電壓、電流、阻抗（電阻、電抗、容抗）、功率（視在功率、有功功率、無功功率）、頻率等。其中，交流系統由于電壓、電流是隨時間交變的，其瞬時功率（電壓U電流I 的乘積UI）也是交變的，該瞬時功率在一個周期中的平均值即為有功功率P，基本單位為瓦特（W）。

在理想電感與電容電路中，一個周期內的瞬時功率平均值為零，說明理想電感和電容在穩態交流電路中不消耗功率.但存在功率的交換，該部分交換功率稱為無功功率Q.基本單位為乏（var），可用電流電壓有效值乘上功率因數角φ的正弦值來計算，即 Q=UIsin φ。相應地，有功功率P=Ucos φ，而S=U稱為視在功率，基本單位為伏·安((V-A)。

一個具體的電力系統可以用一些基本參量加以描述，分述如下:

總裝機容量——系統中所有發電機組額定有功功率的總和，以兆瓦（MW）計。

年發電量——系統中所有發電機組全年所發電能的總和，以兆瓦·時（MW·h）計。

最大負荷——指規定時間（一天、一月或一年）內電力系統總有功功率負荷的最大值，以兆瓦（MW）計。

年用電量——接在系統上所有用戶全年所用電能的總和，以兆瓦·時（MW·h）計。

額定頻率—-我國規定的交流電力系統的額定頻率為50赫茲（Hz）。

最高電壓等級——指電力系統中最高電壓等級的電力線路的額定電壓，以千伏（kV）計。

電力系統中各種不同的電力設備均有各自的額定電壓，構成電力系統的電壓等級。輸電和配電電壓的界限不易固定不變的.隨電網覆蓋的區域和容量大小而變化。我國規定的電壓等級如下∶

特高壓輸電電壓（UHV）∶1000 kV（直流為800 kV及以上）;

超高壓輸電電壓（EHV）∶330 kV、500 kV;

高壓輸電電壓（HV）∶220 kV;

高壓配電電壓（HV）∶35~110kV;

中壓配電電壓（MV）∶1~35 kV;

低壓配電電壓（LV）∶1 kV以下（380/220 V））。

二、電力系統分析

電力系統分析是用仿真計算或模擬試驗方法，對電力系統的穩態和受到干擾后的暫態行為進行計算、考查，做出評估，提出改善系統性能的措施。通過分析計算，可對規劃設計的系統選擇正確的參數，制定合理的電網結構，對運行系統確定合理的運行方式，進行事故分析和預測，提出防止和處理事故的技術措施。電力系統分析分為穩態分析和暫態分析，暫態分析又可分為電磁暫態分析和機電暫態分析。

1.穩態分析

又稱為靜態分析。研究電力系統穩態運行方式的性能，包括潮流（輸送功率）分析、靜態穩定性分析和諧波分析等。

潮流計算主要計算有功和無功功率的平衡、網絡結點電壓及支路電流或功率的分布等，解決系統有功功率和頻率調整，無功功率和電壓控制等向題。穩態分析口以給出系統運行

方下各結點電壓和支路功率分布;研究和選擇最佳運行方式，及時發現異常運行情況，并做出適當的處理;進行網損分析;為確定超高壓線路并聯補償容量，變壓器分接頭設置，發電機額定功率因數等系統規劃設計的主要參數，以及線路絕緣水平提供部分依據。

靜態穩定性分析主要分析電網在小擾動下保持穩定運行的能力，包括靜態穩定裕度計算、穩定性判斷等。為確定輸電系統的輸送功率，分析靜態穩定破壞和低頻振蕩事故的原因選擇發電機勵磁調節系統、電力系統穩定器和其他控制調節裝置的形式和參數提供依據。

諧波分析是通過諧波潮流計算研究特定諧波源作用下電網內諧波電流和電壓的分布，確定諧波源的影響程度，制定消除諧波的措施。

2.電磁暫態分析（故障分析）

故障分析主要研究電力系統中發生單一或多重故障時的電磁暫態過程，計算故障電流、電壓及其在電網中的分布。進行短路電流計算，以確定短路故障的嚴重程度，選擇電氣設備參數，整定繼電保護，分析系統中負序及零序電流的分布，從而確定其對電氣設備和系統的影響等。

電磁暫態分析還研究電力系統故障和操作過電壓，為變壓器、斷路器等高壓電氣設備和輸電線路的絕緣配合和過電壓保護的選擇以及降低或限制電力系統過電壓技術措施的制定提供依據。

3.機電暫態分析（暫態穩定性分析）

主要研究申力系統受到擾動后的機電暫態過程;研究電力系統受到大干擾后的暫態穩定;研究諸如短路故障，切除或投人線路，發申機，負荷、發申機失去勵磁.或者油沖擊負荷等大干擾作用下，電力系統的動態行為和保持同步穩定運行的能力。為規劃設計中選擇電網結構，為運行系統校驗和分析穩定性能和穩定破壞事故，制定防止穩定破壞的措施提供依據。

三、電力系統自動化

應用各種具有自動檢測、反饋、決策和控制功能的裝置，并通過信號、數據傳輸系統對電力系統各元件、局部系統、或全系統進行就地或遠方的自動監視、協調、調節和控制，以保證電力系統的供電質量和安全經濟運行。

隨著電力系統規模和容量的不斷擴大，系統結構、運行方式日益復雜，單純依靠人力監視系統運行狀態、進行各項操作、處理事故等，已是無能為力。因此，必須應用現代控制理論、電子技術、計算機技術、通信技術、圖像顯示技術等科學技術的最新成就來實現電力系統自動化。

電力系統繼電保護和安全自動裝置是在電力系統發生故障或不正常運行情況時，用干快速切除故障、消除不正常狀況的重要自動化技術和設備（裝置）。電力系統發生故障或危及其安全運行的事件時，它們可及時發出警告信號，或直接發出跳閘命令以終止事件發展。用于保護電力元件的通常稱為繼電保護裝置，用于保護電力系統安全運行的通常稱為安全自動裝置，例如自動重合閘、按周減載等。

四、電能質量

電能質量是電力系統對用戶供電的規范條件。

在個理想的交流電力系統中，電能是以一恒定的工業頻率（50 Hz或 60 Hz）和正弦的波形，按規定的電壓水平向用戶供電。在三相交流電力系統中各相電壓和電流應該是幅值相等，相位差120°的對稱狀態。所以，電能質量一般用頻率、電壓，波形、三相電壓和電流的不對稱度來衡量。

電力系統中各種發、輸、變、配電設備和用電設備一般都是按額定工業頻率和各種電壓等級的額定電壓來設計的，在這種條件下，電氣設備的運行性能最佳、效率最高。任何頻率和電壓對額定值的偏秘都將影響這些設備的運行性能和效率.同時也會統縮短各種設備的壽命。所以，各國電力系統為了保證電氣設備的正常運行，都規定了相應的頻率和電壓質量標準。

理想的電壓波形是正弦波。但由于各種非線性負荷、設備的接入，使電壓和電流波形發生畸變，出現各次諧波。在三相交流電力系統中，大容量單相負荷的出現、單相負荷在三相系統中分布的不均勻性、單相負荷投入斷開的隨機性，以及電力系統各相元件阻抗的不等，都會使對稱的一相系統變得不對稱。電力系統中的諧波和三相由流 由壓的不對稱都將影響各種電力設備和通信線路的正常運行性能，所以各國及各電力系統也都擬訂了管理電力系統諧波的規定和電力系統不對稱度的標準。

另外，電力系統頻率的波動，電壓的波動和閃變（波動的幅值和頻率），直流輸電系統中的電壓脈動，供電的連續性（年不停電時間）、可靠性等也都是考核電能質量的指標。