1、1,电力系统稳态分析,重庆大学电气工程学院电力系 主讲老师 赵渊教授,2,课程简介,电力专业一门重要的专业基础课 先修课程:电路原理、电机学、电磁场，等 “电力系统及其自动化”方向后续专业课：电力系统故障分析、电力系统稳定分析、电力系统继电保护、电力系统规划、电力系统可靠性、发电厂电气部分、电力系统运行与控制、电力市场，等,3,课程内容,电力系统分析：稳态分析、暂态分析 稳态：电力系统正常的、相对静止的运行状态 发电功率与负荷功率相等 所有运行设备的电流、电压、频率、波形在允许范围 所有发电机在负荷正常变动和小扰动时保持同步 暂态：从一种运行状态向另一种运行状态过渡的过程。 本质区别：电力系统
2、稳态中运行变量的变化特性与时间无关，描述其特性的是代数方程；电力系统暂态中的运行变量与时间有关，描述其特性的是微分方程。,4,课程内容,稳态分析的主要内容： 电力系统的基本知识（第一章） 电力系统各元件的特性和数学模型（第二章） 电力系统的正常运行状态的分析和计算潮流计算（第三、四章） 电力系统的运行调节和优化（第五、六章）,5,课程特点,涉及电力系统正常运行状态下的各种计算、分析和优化控制 理论性强、计算多 内容随新理论、新技术的发展不断丰富、充实,6,课程考试及答疑,平时成绩 20平时作业及课堂表现出席情况 答疑安排： 时间待定 地点待定 考试安排：初步定在5月19日（课程结束后1周考试）
3、。,7,教材及参考资料,陈珩，电力系统稳态分析，中国电力出版社 华智明，电力系统稳态计算，重庆大学出版社 何仰赞等，电力系统分析（上、下册），华中理工大学出版社,8,9,10,11,第一章 电力系统的基本概念,第一节 电力系统概述 第二节 我国电力工业和电力系统简介 第三节 电力系统运行应该满足的要求 第四节 电力系统的结线方式和电压等级 学时：5 本章作业： 电力系统稳态计算 25页：思考题1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6 23页：习题1-1,12,第一节 电力系统概述,电力系统的形成和发展 电力系统的组成 电力系统的基本参量和结线图,13,第一节 电力系统概述,电力系统的形成
4、和发展 1831年 电磁感应和电磁力定律的发现奠定了发电机和电动机的理论基础。此后很快出现原始的交流发电机、直流发电机和直流电动机。 1882年 第一次出现了高压输电（直流15002000V，57km，1.5kW）。 1885年 在制成单相变压器的基础上，实现单相交流输电。 1891年 制成三相变压器和三相异步电动机的基础上，实现三相交流输电（2.5kV），形成近代电力系统的雏形。电力系统的发展经历了： 直流交流 单相三相 低压高压,14,第一节 电力系统概述,近代电力系统（超/特高压、远距离、大容量） 在输电电压、输送距离、输送功率等方面有了千百倍的增长 在电源构成、负荷成分等方面也有很大的
5、变化 在运行管理上实现了高度自动化 当前世界上交流输电线路的输电电压已超过1000kV，输送距离已超过1000km，输送功率已超过5000MW。个别跨国电力系统中发电设备的总容量则已超过400GW 为解决交流输电同步发电机并联运行的稳定性问题，直流输电又得到应用，800kV，距离1000km以上,15,第一节 电力系统概述,电力系统的组成,发电厂：生产电能的工厂，将其它各种形式的一次能源（煤、石油，天然气等的化学能、核能、水的势能、风能、潮汐、地热、太阳能等）转换为电能。,16,第一节 电力系统概述,升压变：将发电机的机端电压升高到输电电压 设置升压变的理由： 减小远距离输电的损耗 实现大容量
6、输电 由于运送一次能源与输送电能相比不经济（铁路40和水运的1/3） ，发电厂多建于能源基地，例如坑口火电厂； 由于发电机的设计、制造原因，发电机机端额定电压一般小于20kV。,17,第一节 电力系统概述,输电网络：将发电厂生产的电能输送到配电系统 输电电压：与输电距离和输送功率有关 输电方式：三相交流、高压直流,18,第一节 电力系统概述,配电网络：将高压电能逐级降压后分配给电力用户，在电力网中主要起分配电能作用的网络就称为配电网络。 高压配电电压：35kV、63kV 、110kV 中压配电电压：10kV、6kV 低压配电电压：380V/220V 电力用户：有消耗电能的设备，电力系统的服务对
7、象,19,第一节 电力系统概述,几个基本概念 电力系统：由生产、变换、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、变换器、电力线路和各种用电设备（一次设备）以及测量、保护、控制、通讯等智能装置（二次设备）组成的统一整体。 电力网络：由变压器、变换器 、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分常称电力网络，即电力系统中除发电机和电力用户以外的部分。 动力系统：电力系统和动力部分的总和。其中，动力部分，包括火电厂的锅炉、汽轮机、热力网和用热设备；水电厂的水库、水轮机等；核电厂的核反应堆等。 广义电力系统,20,Single Line Diagram,21,第一节 电力系统概述,三者的关系：,22,
8、第一节 电力系统概述,电力系统的基本参量和结线图 总装机容量（有功功率） 电力系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和 以千瓦（1kW=103W）、兆瓦（1MW=106 1MW0.1万千瓦）、吉瓦（1GW= 109W）为单位 年发电量（电度量）： 系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和 以兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）、太瓦时（TWh）为单位,23,第一节 电力系统概述,最大负荷（有功）一般指规定时间内，如一天、一个月或一年内，电力系统有功功率负荷的最大值，以千瓦、兆瓦、吉瓦为单位。 额定频率：我国所有交流电力系统的额定频率为50Hz。国外存在额定频率为60Hz、25Hz的电力系统。
9、最高电压等级：电力系统中最高电压等级电力线路的额定电压，以千伏（kV）为单位,24,第一节 电力系统概述,地理结线图：显示电力系统中各发电厂、变电站的地理位置，电力线路的路径及其相互间的联结。 电气结线图：显示系统中发电机、变压器、母线、断路器、电力线路等主要电机、电器、线路之间的电气连接。,25,华中电网,26,第二节 我国电力工业及电力系统简介,我国电力工业概况 我国主要电力系统 我国电力工业发展前景,27,第二节 我国电力工业及电力系统简介,我国电力工业概况 1882年 英国商人开办的上海电光公司所属的乍浦路电灯厂（12kW） 1911 上海杨树浦电厂，12.1万kW(1924年)，远东
10、第一发电厂 1949年 全国发电装机容量185万kW，世界第21位 1987年 全国发电装机容量突破1亿kW 1995年3月 全国发电装机容量达到2亿kW 1996年 装机容量和发电量跃居世界第2位 2000年4月 全国发电装机容量突破 3亿kW 2004年5月全国发电装机容量突破 4亿kW 2005年12月27日全国发电装机容量突破 5亿kW 2006年底达到62200万千瓦，全国发电装机容量突破6亿千瓦 2007年底突破7亿千瓦（71329万千瓦） 2008年底为7.92亿千瓦 2009年底为8.74亿千瓦 2010年底为9.62亿千瓦,同比增长10.07%（5年年均增长13.22%） 2
11、011年底为10.56亿千瓦,新增容量9041万千瓦(连续6年超过9000万千瓦) 2012年底为11.44亿千瓦,新增容量8020万千瓦,28,三峡 （长江，1820/2240万千瓦，世界第一） 溪洛渡 （金沙江第3个梯级电站，1260万千瓦，中国第二，世界第三） 白鹤滩 （金沙江第2个梯级电站，1250万千瓦） 乌东德 （金沙江第1个梯级电站，760万千瓦） 龙滩 （红水河，630万千瓦 ） 向家坝 （金沙江第4个梯级电站，600万千瓦 ） 二滩 （雅砻江 ，330万千瓦） 2004年9月26日，位于黄河上游的公伯峡水电站首台机组投产，使我国水电装机容量突破1亿千瓦大关，处于世界第一 20
12、10年5月份，随着中国华能集团公司云南澜沧江小湾水电站4号机组建成投产，全国水电装机容量突破2亿千瓦； 2011年，全国水电装机容量达到2.3亿千瓦，居世界第一,大型水电站建设,29,电网建设,1972年，我国第一条330kV刘天关线路将陕、甘、青电网互联形成西北电网 1981年底，我国第一项自行施工设计的500kV平武输变电工程建成投产。现在500kV线路已构成我国电网的骨干网络。1990年 葛上线500kV直流输电线路双极运行，实现华中和华东两大区电网非同期联网，标志着我国进入大电网、大机组、交直流超高压输电的新阶段 除西北电网330kV外，其它跨省电网和山东电网已建成500kV主网架,3
13、0,特高压输电,西北电网青海官亭至兰州东750千伏输变电工程截至2006年9月26日零时已安全稳定运行一周年，按照“十一五”期间电网规划要求，西北电网将新增750kV输电线路4900km。 国家电网公司：晋东南至荆门特高压交流试验示范工程起于山西长治，经河南南阳，南至湖北荆门，跨越黄河、汉江，全长约653.8千米，额定电压1000kV，最高运行电压1100kV，自然输送功率500万千瓦。 07年5月21日，四川上海800千伏特高压直流输电示范工程在上海奠基，额定输送功率640万千瓦，最大输送功率700万千瓦。全长约2000公里，工程动态投资估算约180亿元，计划于2011年建成投运。 南方电网
14、公司：云南昭通广西桂林广东惠东1000kV交流线路，全长1200km，输电能力400500万千瓦；云南广东800kV直流线路，全长1600km，输电容量500万千瓦,31,第二节 我国电力工业及电力系统简介,我国电力工业概况（经济发展，电力先行） 目前基本上进入大电网、大电厂、大机组、特高电压输电、高度自动化的新时代；每年增长超过10%（2007年装机容量同比增长14.36% ），但仍面临缺电，能源强度高（单位产值消耗的能源高，能源利用率低）；基于绿色可再生能源的分布式发电和智能电网是今后的发展方向,32,第二节 我国电力工业及电力系统简介,今后我国发展电力工业的方针： 继续发展燃煤火电厂（煤
15、炭世界第三），并提高这类电厂的效率。（环保问题） 加速水力资源的勘察和水电厂建设（水能资源世界第一）。（生态问题） 加紧建设高压输电线路和电力系统。（资金、占地问题) 及早掌握核能发电技术，以创造条件建设更多核能发电厂。（安全问题，必由之路） 因地制宜，利用其它再生能源发电。（依赖技术进步）2012年中国陆上风电新增装机容量1590万千瓦，占全球新增容量三分之一以上，,33,第二节 我国电力工业及电力系统简介,我国主要的电力系统,2011年12月9日，青藏联网工程正式投入试运行，结束了西藏电网长期孤网运行的历史 ，实现了除台湾之外的全国电网互联 。,2009年6月30日，亚洲第一、世界第二的超
16、高压、大长度、大容量琼州海峡500kV跨海联网工程正式投运，结束了海南“电力孤岛“的历史。,34,第二节 我国电力工业及电力系统简介,我国电网组成 国家电网公司：东北电网公司、华北电网公司、华东电网公司、华中电网公司（含重庆、四川、湖北、河南、湖南、江西 ）、西北电网公司、西藏电力有限公司（国网公司控股）南方电网公司：由广东、广西、云南、贵州、海南五个省级电力公司组成。,35,电网主网架示意图,36,第二节 我国电力工业及电力系统简介,我国的主要发电公司 五大发电集团：中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集团公司。 四小豪门：华润电力、国华电力、
17、国投电力、中广核,37,第三节 电力系统运行应满足的要求,电力系统运行的特点 对电力系统运行的基本要求 单一电力系统的联合,38,第三节 电力系统运行应满足的要求,电力系统运行的特点 与国民经济关系密切 电能一般不能大量储存 生产、输送、消费电能各环节所组成的统一整体不可分割 电力系统的暂态过程非常短促 对电能质量的要求严格 电能质量的指标：电压、频率和波形,39,第三节 电力系统运行应满足的要求,对电力系统运行的基本要求 ：可靠、优质、经济 保证可靠地持续供电 （可靠）按对供电可靠性的要求，将负荷分为三级： 一级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成人身事故，设备损坏，使生产秩序长期不能恢复，人
18、民生活发生混乱等。需保证不间断供电、独立的双电源。 二级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成大量减产、使人民生活受到影响。对这一级负荷，需要具体论证是否需要独立的双电源。 三级负荷：所有不属于第一、二级的负荷，如工厂的附属车间、小城镇等。在不增加备用设备的情况下，尽量保证可靠性。 特殊重要负荷：要求绝对可靠地不间断供电。,40,2003年8月14日北美大停电,美加大停电的的经验教训。,41,美加大停电,时间：2003年8月14日 事件：美国东北部和加拿大东部联合电网停电 影响范围：美国中西部和东北部大部分地区，以及加拿大安大略省，影响人口约5000万，停电负荷约6180万kW 停电损失 ：美国
19、40-100亿美元 ，加拿大23亿加元 内在原因 ：美加电网缺乏统一规划 ；电力市场的唯利性可能导致牺牲可靠性来换取经济利益 教训：必须强调统一规划、科学规划,2003年重庆电网最大负荷435 万kW（2011年1188万kW ）,42,第三节 电力系统运行应满足的要求,良好的电能质量（优质） 电压质量：以电压偏移（ ）是否超过给定值来衡量。允许电压偏移对35kV及以上的电压等级为额定值的5%，10kV及以下电压级为7% 。 频率质量：频率质量：以频率偏移（f-fN）是否超过给定值来衡量。我国的额定频率（工频）为50Hz，正常运行时允许的偏移为0.20.5 Hz。 波形质量：以正弦波形畸变率是
20、否超过给定值来衡量。,43,第三节 电力系统运行应满足的要求,波形畸变率：正弦波形畸变率我国规定，610kV的系统，正弦波形畸变率不超过4%，380V系统，不超过5。,44,第三节 电力系统运行应满足的要求,保证电力系统运行的经济性（经济） 一次能源耗量：例如煤耗率（每生产1度电所消耗的标准煤重）。标准煤：每kg含热量为29.31MJ的煤。 线损率：电网中损耗的电能与向电力网络供应电能的百分比 。厂用电率：每生产1度电能发电厂内部生产设备所消耗的电能 变电站的站用电,45,第三节 电力系统运行应满足的要求,电力系统运行的几个技术指标： 发电设备利用率（或发电设备平均利用小时数）：发电设备全年所
21、发电能与发电设备容量之比。 负荷率 ：全年平均负荷与最大负荷的百分比。 电压合格率：系统中所有电压监视点定时测得的合格电压次数与全部测量次数的百分比。 频率合格率：系统频率合格的时间长度与全年时间长度的百分比。,46,第三节 电力系统运行应满足的要求,互联系统的优点： 大大提高供电的可靠性，减少事故备用容量 可更合理地利用系统中各种类型的发电厂，从而提高运行的经济性 由于个别负荷在系统总负荷中所占比重的减小，其波动对系统电能质量的影响也将减小 联合电力系统容量很大，个别机组的开停甚至故障，对系统的影响将减小，从而可采用大容量、高效率的机组,47,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,典型结线方
22、式 电力系统的额定电压 电力系统中性点的运行方式,48,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,典型结线方式 按可靠性分为无备用和有备用两类 无备用结线： 单回路放射式 单回路干线式 单回路链式 有备用结线 双回路放射式、干线式、链式 环网 双端供电网络,49,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,特点： 每一个负荷都只能沿唯一的路径获取电能 简单、经济、运行方便 缺点是供电可靠性差,图1-16,50,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,特点：供电可靠性高，电压质量高，但可能不够经济，环网的调度复杂。,图1-17,51,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,开式网络和闭式网络 开式网络： 负荷
23、只能从一个方向获取电能的网络。如放射式、干线式、链式网络。 辐射型网络、树状网络 闭式网络：负荷能从两个及两个以上不同的方向获取电能的网络。如环网、双端供电网络。 结线方式的选择：技术经济分析,52,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,电力系统的额定电压（Rated Voltage） 额定电压：国家标准规定的标准电压 为什么要规定额定电压？ 对应一定的输送功率和输送距离有一最合理的线路电压 生产的系列性、标准化和互换性的要求 电气设备均按照额定电压设计，运行在额定电压时具有最好的技术经济性,53,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,54,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,同一电压等级下
24、各电气设备所处电压不一致，存在电压配合问题 原因：沿功率输送方向，存在电压降落 用电设备UN 电力线路ULN 发电机 UGN 变压器 UTN,nominal voltage,generator,line,transformer,55,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,电力线路的额定电压,56,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,电力线路的额定电压 线路的额定电压同级用电设备的额定电压 称为网络的额定电压或系统的额定电压 发电机的额定电压 发电机一般接在线路始端，考虑到沿线的电压降落，取UGN105% UN,57,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,变压器的额定电压： 变压器一、二次绕组
25、的规定 一次绕组：接受功率一侧的绕组，受电端，相当于用电设备 二次绕组：输出功率一侧的绕组，送电端，相当于发电机 注意： 变压器一、二次绕组与高、低压绕组的区别 功率的接受和输出是针对变压器外部而言,58,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,变压器的额定电压,59,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,变压器的额定电压 一次绕组额定电压 一次侧是受电端，相当于用电设备 UTN-1UN（同级电网的额定电压） 二次绕组额定电压 二次侧是送电端，相当于发电机 二次绕组的额定电压规定为主抽头的空载电压，当负载时，变压器内部的电压降落约为5% UTN-2110%UN（比同级电网的额定电压高10%）,6
26、0,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,特殊情况： 当变压器直接和发电机相联时，一次侧额定电压UTN-1 105%UN 当变压器漏抗较小（小容量变压器，短路电压百分数7%）或变压器二次侧直接与负荷相联或电压等级特别高时，二次侧额定电压UTN-2 105%UN,61,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,62,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,例：如图所示，图中标明的电压为系统的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。,10.5kV,10.5kV/121kV,110kV/11kV,注意：同一电压等级的升压变和降压变的额定电压不同。,63,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,变压器的抽头
27、 变压器的高（中）压侧绕组通常设计有多个分接头（抽头） 与变压器高（中）压侧额定电压对应的抽头称为主抽头 分接头电压用百分数表示，即表示分接头电压和主抽头电压的差值与主抽头电压的百分比,64,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,65,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,不同电压等级的适用范围 电网额定电压的选择取决于输送功率和输电距离 110kV以下的电压级差应超过3倍，如110、35、10kV；110kV以上的电压级差以2倍左右为宜，如110，220，500kV 220，330，500kV：大电力系统的主干线 110kV：中小电力系统的主干线或配电网 35kV：大城市和大工业企业内部电网
28、，农网 10kV：最常用的中压配电电压 3kV、6kV：工业企业内部电网、发电机直配网络和厂用电,66,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,67,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,68,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,电力系统中性点的运行方式 电力系统的中性点：三相电力系统中，采用星形连接的电力设备，如发电机、变压器等的三相绕组公共连接点。其对地电位在电力系统正常运行时为零或接近于零三相参数和负载平衡时，不会出现中性点电位偏移，参阅“对三相四线制供电系统中性点电位偏移的研究”，罗明，电气开关，2003.3 中性点的运行方式：中性点的接地方式 分类：直接接地、不接地（中性点绝缘）和从
29、属于不接地方式的中性点经消弧线圈接地,69,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,直接接地 缺点：供电可靠性低，单相接地短路时，形成回路，接地相电流很大，必须切除故障相，甚至三相。 优点：故障时，正常相的对地电压不升高。 适用范围：110kV及以上系统,(X,Y,Z),70,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,不接地 优点：供电可靠性高，单相接地时，不形成短路回路，接地相电流不大，可不必切除非故障相 缺点：故障时，正常相的对地电压升高为相电压的 倍（线电压） 适用范围：60kV及以下系统,71,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,经消弧线圈接地 什么是消弧线圈？ 为什么要加装消弧线圈？ 什
30、么时候需要加装消弧线圈？,72,73,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,消弧线圈电抗线圈 加装消弧线圈的理由 不接地系统发生单相接地时，由于线路对地有电容，故障相接地点的电流为容性电流（等于非故障相电容电流之和） 如果接地点容性电流过大，故障消失后，接地点电弧不能自行熄灭，瞬时性故障可能发展成为持续性故障 消弧线圈的作用：向接地点提供感性电流，补偿之前的容性电流，减小接地点电流,74,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,图1-21,75,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,消弧线圈的适用范围： 是否装设消弧线圈取决于容性电流的大小 一般认为，对360kV网络，容性电流超过如下值时，中性
31、点应装设消弧线圈。36kV网络 30A10kV网络 20A3560kV网络 10A,76,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,消弧线圈的补偿方式： 根据补偿程度，分为： 过补偿：感性电流容性电流，最为常用的补偿方式 欠补偿：感性电流容性电流 全补偿：感性电流=容性电流,77,第四节 电力系统的结线方式和电压等级,低压配电系统（220V/380V）的接地方式： 一般将配电变压器中性点接地（称为工作接地），同时将电气设备外壳接地（称为保护接地）。 一般分为TN、TT、IT 系统等。 第一个字母表示电源接地点对地的关系，T 表示直接接地，I 表示不接地或通过阻抗接地 第二个字母表示电气设备的外露可导电部分与地关系，其中T 表示与电源接地点无连接的单独直接接地，N 表示直接与电源系统接地点或与该点引出的导体连接。 根据中性线与保护线是否合并的情况，TN 系统又分为TN- S、TN- C 及TN- C- S 系统,78,本章小结,电力系统的定义、基本参量、结线图 对电力系统运行的基本要求 互联电力系统的优越性 衡量电能质量的三个指标 电力系统的接线方式 电力系统额定电压的规定 电力系统中性点运行方式及其特点和适用电压等级,
