电力系统分析 黄琦 教授 电子科技大学.

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1 电力系统分析 黄琦 教授 电子科技大学

2 1.8 电力系统的基本概念 电力系统的运行特点 电能的生产、传输及消费几乎同时进行，因为 发电设备任何时刻生产的电能必须与消耗的电 能相平衡。 电能与国民经济各部门之间的关系密切。 电能的中断或减少直接影响国民经济生产各部门及 人们的生活。

3 电力系统的暂态过程非常短暂。 对电能质量的要求颇为严格。
电力设备的投入和退出都在一瞬间完成。故障的发生及发展非常短促，电力暂态过程非常迅速。速度为30万km/s。 对电能质量的要求颇为严格。 任一个参数不满足要求都将造成不良的影响，甚至造成产品不合格，损坏设备或大面积停电等。

4 供电中断的原因 电力系统的运行要求 1)电力元件发生故障； 2)电力系统中的误操作； 3)电力系统继电保护的误动作；
保证供电的可靠性。 供电中断，将给国民经济造成极大损失。 供电中断的原因 1)电力元件发生故障； 2)电力系统中的误操作； 3)电力系统继电保护的误动作； 4)运行管理水平低，维修质量不合格等。

5 电力负荷分级: 一级负荷：必须保证不间断供电。 二级负荷：应尽力保证不间断供电。 三级负荷：所有不属于一、二级负荷的负荷

6 思考题 电力系统的运行要求 保证良好的电能质量(电压、频率和波形等)。 保证系统运行的经济性。 还有哪些电能质量指标？
一般规定，电压偏移不应超过额定电压的±5%，频率偏差不超过士0.2~0.5Hz等。 保证系统运行的经济性。 两个重要指标：煤耗率和网损率。 思考题 提高电力系统运行经济性的措施： 1)采用高效节能的发电设备。 2)合理调度各发电厂所承担的负荷。 3)优化网络结构，合理发展电网。 还有哪些电能质量指标？ 提示：三相不平衡度、闪变等

7 现代电力系统的特征 大机组 大电厂 大系统 超高压交直流输电 高度自动化 电力系统是有史以来人类建造的最大机器！

8 未来规划 “一特四大”—全国范围内资源配置 一特：特高压电网 大水电 （西南水电） 大核电 四大 大火电（13个亿吨级煤电基地，大容量
四大 大火电（13个亿吨级煤电基地，大容量 高效率机组） 大可再生能源(8个千万千万级风电基地) “智能电网”——电网智能化 “电力市场”——采用市场的方式配置资源 长远未来——发展100%可再生能源系统

9 动力系统=动力部分+电力系统。 电力系统=发电机+电力网+用电设备。是生产、输送、分配与消费电能的系统。 电力网（简称电网）：电力系统中输送与分配电能的部分。

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11 同步发电机的运行控制 比较项目 闭环一 闭环二 可控输入量 原动机机械功率 发电机励磁电流 输出量 有功功率 无功功率 电参数 频率 电压
P-f Q-U

12 电力系统为什么要互联并网运行呢？ （1）提高电力系统供电的可靠性 多个电厂同时发生事故的概率远较单一电厂发生事 故的概率小得多。
（2）减少系统备用容量的比重 各子系统的备用容量是可通用的，系统容量愈大， 备用容量占总装机容量的百分比就愈小。 （3）可采用高效率的大容量机组 联合电力系统的容量很大，为大容量高效率机组的 使用创造了条件。大容量机组效率高，节省材料， 占地少，运行经济。

13 （4）可减少总负荷的峰值 由于不同地区用电负荷间的生产、生活及时差等条 件的差异，使联合后的电力系统的最大负荷小于联 合前子系统最大负荷之和。可减少总的装机容量。 （5）可充分利用水电厂的水能资源 水火互补，丰水期可充分利用水能，减少弃水，减 少煤耗量。

14 电力系统的接线方式 1、无备用接线 优点：简单、经济、运行方便 缺点：供电可靠性差 适用范围：二级负荷
（a）放射式 （b）干线式样 （c） 链式 优点：简单、经济、运行方便 缺点：供电可靠性差 适用范围：二级负荷

15 (a)放射式样 (b)干线式 (c)链式 (d)环式 (e)两端供电网络
电力系统的接线方式 2、有备用接线 (a)放射式样 (b)干线式 (c)链式 (d)环式 (e)两端供电网络 优点：供电可靠性和电压质量高 缺点：不经济 适用范围：电压等级较高或重要的负荷

16 电力系统的电压等级 经济电压： 标称电压 制定标准电压，以便实现互联 最高电压：正常运行时，系统中出现的电压最高值 kV 高压 超高压
电压高，损耗小 经济电压： 绝缘水平高，投资大 标称电压 制定标准电压，以便实现互联 最高电压：正常运行时，系统中出现的电压最高值 kV 高压 超高压 特高压 交流 110,220 330,500,750 1000 直流 ±500,±600 ±800

17 高压直流输电 交流电 直流电 整流器 逆变器 优点： 缺点： ★线路造价低，年运行费用省 ★换流装置价格昂贵 ★没运行稳定问题
★消耗大量无功功率 ★能限制短路电流 ★产生谐波影响 ★缺乏直流断路器 ★调节速度快，运行可靠

18 各级电压架空线路的输送能力 （1）直流输电好还是交流输电好？ （2）输电电压越高越好？ 思考题

19 线路平均额定电压：指电力线路首、末端所连接电气设备额定电压的平均值。

20 电气设备的额定电压 用电设备:等于系统的额定电压 线路:等于系统的额定电压 发电机：规定比系统的额定电压高5% 变压器： 一次侧：
相当于用电设备，其额定电压与系统相同； 与发电机直接相连时，则与发电机相同 二次侧： 相当于电源，其额定电压应比系统高5%，考虑变压器内部 的电压损耗（5%），实际应定为比线路高10％; 漏抗很小、与电动机直接相连时或电压特别高时，比线路 高5％

21 用线电压表示的抽头额定电压 ？ 220kV 升压变压器 降压变压器

22 (2)若T1工作于+2.5%抽头，T2工作于主抽头，T3工作于-5%抽头， 求各变压器的变比。
典型例题: (1)确定各设备额定电压； (2)若T1工作于+2.5%抽头，T2工作于主抽头，T3工作于-5%抽头， 求各变压器的变比。 10.5kV 10.5kV 121kV 110kV 38.5kV 35kV 11kV

23 用电设备及电力线路的额定电压 电力线路的平均额定电压（1.05倍额定） 同步发电机的额定电压 （1.05倍） 变压器的额定电压
一次绕组（输入） （1.0倍/1.05倍） 二次绕组（输出） （1.1倍） 3 3.15 6 6.3 10 10.5 15 15.75 35 37 38.5 60 63 66 110 115 121 220 230 242 330 345 500 525 1000 1050 1100

24 10.5/242 接于发电机端口的升压变压器 例题，试根据变压器变比，判断变压器是升压变压器还是降压器
10.5/ 接于发电机端口的升压变压器 11/ 接于线路末端的降压变压器 10.5/220 接于线路末端的降压变压器，且线路末 端直接接有用电设备 变压器一次侧电压为线路额定电压， 可据此判断一次侧和二次侧电压

25 发电机和变压器额定电压特殊的原因 要求：用电设备电压偏差允许范围为±5%； 条件：输电时，沿线路的电压降落一般为10%；
目的：使得正常运行时末端电压不低于95% 结果：就必须使得供电线路首端电压为额定值的105% 满足±5%电压偏差要求 相当于电源 相当于用电设备 10kV 220kV

26 电力系统地理接线图 主要显示系统中发电厂、变电所的地理位置，电力线路的路径，以及它们相互间的联结。

27 线路 变电站 电厂

28 2010年川渝电网500KV主线地理接线图

29 “十二五”初特高压电网初步方案 东北 华北 西北 西藏 华中 华东 台 湾 南方 蒙西 450 北京东 蒙西煤电III 蒙西煤电I 陕北
陕北煤电 陕北 石家庄 北京东 华中 280 460 340 100 豫北 徐州 淮南煤电 徐州煤电 南京 330 320 170 无锡 南阳 300 265 150 上海 华东 浙北 皖南 220 440 长沙 荆州 恩施 乐山 360 川西水电 蒙西煤电I × 武汉 270 重庆 晋城电厂一二期 三峡地下电站 晋东南 蒙西 蒙西煤电III 450 西宁 拉西瓦 官亭 白银 银川东 兰州东 宜宾 图例 500kV交流 ±800kV级直流 百万伏级交流 750kV交流 哈密煤电 安西 张掖 永登 “十二五”初特高压电网初步方案 呼盟煤电 溪洛渡 向家坝 平凉 乾县

30 2020年特高压电网规划 东北 华北 西北 西藏 华东 华中 台 南方 湾 × 中俄背靠背 蒙古 图例 500千伏交流 750千伏交流
陕北煤电1、2 陕北 蒙西煤电3 石家庄 北京东 华中 济南 豫北 200 300 240 470 340 100 360 晋东南 徐州 淮南煤电 徐州煤电 362 280 雅龙江梯级 金沙江I期 金华 川西水电 164 无锡 南阳 283 170 328 150 上海北 华东 杭北 芜湖 400 长沙 荆门 恩施 乐山 330 蒙西煤电4 天津 南昌 唐山 青岛 120 250 福州 南京 沿海核电 沿海电源 蒙西煤电1 宁夏煤电2 蒙西煤电2 晋中煤电 驻马店 武汉 260 270 锡盟煤电I 锡盟煤电II 480 210 晋中 重庆 450 晋东南煤电 金沙江II期 铁岭 地下电站 上海西 蒙西 锡盟 图例 500千伏交流 ±660千伏直流 1000千伏交流 750千伏交流 雅安 渭南东 靖边 蒙西煤电6 俄罗斯 滁州 泰州 140 70 130 赣州 泉州 410 西藏水电 温州 蒙古 绵阳 万县 ±800千伏直流 宝清 × 440 榆林 锡盟煤电III 430 蒙西煤电5 宁夏煤电1 阜新 本溪 哈尔滨 吉林 220 西北 安西 永登 拉西瓦 白银 西宁 官亭 银川东 哈密煤电二 平凉 乾县 渭南 羊曲 宝鸡 兰州东 天水 榆横 延安 哈密煤电一 哈密变 奇台变 吐鲁番变 西山变 东郊变 乌北变 玛纳斯 奎屯变 皇宫变 伊宁变 库尔勒变 霍林河 90 80 180 390 230 160 278 141 189 79 257 215 344 中俄背靠背 西安南 彬长 至冯屯 50 30 60 呼盟3 呼盟5 鄂温克 伊敏 新左旗 满洲里 国华 海拉尔 哈密开关站 460 350 连云港 盐城 酒泉 西藏 敦煌 安康煤电 陕南 金昌 嘉酒 380 40 西宁北 格尔木 安康 北京西 准东煤电二 准东煤电一 呼盟2 伊敏西 20 呼盟7 呼盟4 呼盟1 呼盟6 班多 茨哈峡 呼盟8 德令哈 474 晋北 湘南 成都 ±500千伏直流 晋北煤电 2020年特高压电网规划

31 电力系统电气接线图 主要显示系统中发电机、变压器、母线、断路器、电力线路等主要电机、电器、线路之间的电气接线。

32 因三相对称 单线图

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35 水电厂电气主接线

36 联络变压器 主变压器 厂用变压器 发电厂电气主接线

37 智能电网 传统电网和智能电网的比较 目前电网 智能电网 通讯 没有或单向 双向 与用户交互 很少 很多 仪表型式 机电的 数字的 运行与管理
人工的设备校核 远方监控 功率的提供与支持 集中发电 集中和分布式发电并存 潮流控制 有限的 普遍的 可靠性 倾向于故障和电力中断 自适应保护和孤岛化 供电恢复 人工的 自愈的 网络拓扑 辐射状的 网状的

38 配电售电 需求侧管理 分时段电价——削峰填谷 阶梯电价——节能减排 电力市场改革 厂网分开：竞价上网 输售分开：开放售电市场

39 思考题 配电网能否采用直流电网？

40 用电（电力负荷） 1、负荷 2、负荷分类 系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率总和。 也称电力系统的综合用电负荷。
是所有用户的负荷总加。 2、负荷分类 按负荷性质分类：工业、农业、交通运输业、商业、生活等； 按用户对供电可靠性的要求分类：一类（要求高）、二类、三类用户（要求低）

41 3、电力系统的供电负荷：综合用电负荷加上电力网的功率损耗。
4、电力系统的发电负荷：供电负荷加上发电厂厂用电消耗的功率。

42 负荷曲线 用曲线描述某一时间段内负荷随时间变化的规律 1、日负荷曲线：制定发电计划的依据 一天的总耗电量 日平均负荷

43 负荷率km 最小负荷系数

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46 日有功负荷曲线 作用：安排调度计划 东北电网某日日发电负荷曲线

47 思考题 无调节能力的发电厂应承担哪种负荷？

48 2、年最大负荷曲线 描述一年内每月（或每日）最大有功功率负荷变化的情况 为安装新机组、安排检修计划提供依据

49 3、年持续负荷曲线 按一年中系统负荷的数值大小及其持续小时数顺序排列绘制而成 全年耗电量 最大负荷利用小时数 Tmax t1 P Pmax
8760 全年耗电量 最大负荷利用小时数 Tmax Tmax

50 思考题 全年耗电量：A=PmaxTmax 各类用户的年最大负荷利用小时数
负荷类型 Tmax/h 户内照明及生活用电 2000~3000 一班制企业用电 1500~2200 二班制企业用电 3000~4500 三班制企业用电 6000~7000 农 灌 用 电 1000~1500 全年耗电量：A=PmaxTmax 思考题 曲线中的A点表示在一年内负荷值超过P1的累计持续时间为t1小时吗？(是)

51 电力系统中性点的运行方式 中性点：电力系统三相交流发电机、变压器接成 星形绕组的公共点。 中性点运行方式不同对电力系统的影响：
1．供电可靠性； 2．电气设备和线路的绝缘水平； 3．通讯系统的干扰； 4．继电保护的正确动作。

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54 中性点接地方式分类 问：为什么不统一采用都不接地或都直接接地呢？ 中性点直线接地 直接接地系统 大电流接地系统 经小阻抗接地 中性点不接地
非直接接地系统 直接接地系统 大电流接地系统 小电流接地系统 中性点直线接地 经小阻抗接地 中性点不接地 经消弧线圈接地 中性点接地方式分类 问：为什么不统一采用都不接地或都直接接地呢？

55 中性点接地方式的确定 大部分110kV和220kV及以上电网 中性点直接接地 中性点不接地 10~66kV电网 经消弧线圈接地
经小电阻接地 中性点不接地 经消弧线圈接地 发电机

56 输电线路的三相对地电容相当于连接在系统上的 一个星形接线的负荷，这个星形负荷的中性点就 是大地。
正常运行时，系统三相电压对称，其中性点不管 接地与否，对地的电压恒为零。 当系统中任一点发生单相接地故障时，流入接地 点的电流以及各相对地电压的大小则与中性点接 地与否有关系。

57 1、中性点直接接地系统 中性点直接接地系统中，发生单相接地时，短路 点与中性点间构成短路回路，接地相电流将很大；
同时，故障相及中性点对地电压由于与大地相接 而为零，非故障相对地电压不变； 故障相与非故障相之间的线电压降低为原相对地 电压。

58 由于接地故障相对地电流很大，所以必须迅速切除故障相甚至是三相，因此将中断对用户的供电。
①供电中断（单相或三相自动重合闸） ②线路单相接地对通信线路的干扰

59 2.中性点不接地系统 单相接地故障时，没有形成短路回路，流入接地点的电流是非故障相的电容电流之和，它的大小与该电压等级所连接的出线数及线路长度有关。

60 故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高为线电压，中性点由于未接地而发生电位移，中性点对地电压升高为相电压，三相对地电压不再对称，三相线电压未变，仍保持对称。
中性点对地电压上升为相电压，方向相 反。 非接地相的对地电压将上升为线电压。 线电压不变。

61 由于这种系统单相接地故障的接地电流不大，且 线电压仍对称，因此，单相接地故障时，可不立 即切除故障，允许运行一段时间，待查出故障后， 再处理。
中性点不接地系统运行的可靠性相对较高。

62 3.中性点经消弧线圈接地系统 消弧线圈：一个带铁芯的电抗线圈。 正常运行时，由于中性点对地电压为零，消弧线 圈上无电流。

63 消弧线圈

64 单相接地故障后，接地点与消弧线圈的接地点形 成短路回路。
中性点电压升高为相电压，作用在消弧线圈上， 将产生一感性电流。 在接地故障点处，该电感电流与接地故障点处的 电容电流相抵消，从而减少了接地点的电流，使 电弧易于自行熄灭，提高了供电可靠性。

65 消弧线圈的这种补偿有3种形式，即过补偿、欠补 偿和全补偿。
过补偿：消弧线圈补偿后，流过故障点的感性电 流大于容性电流的补偿； 欠补偿：故障点处的感性电流小于容性电流的补 偿； 等补偿或全补偿：故障点处的感性电流等于容性 电流，这是不允许的，因为这时会产生谐振。

66 为达到既消弧又防止产生谐振，实践中一般都采用过补偿。

67 1.9《电力系统分析》课程介绍 两个模型： 电力系统等值电路模型 电力系统转子运动模型 三大计算： 潮流计算 短路计算 稳定计算

68 电力系统稳态分析 电力系统暂态分析 交直流混合系统动态行为分析 电力系统的优化运行 正常的、相对静止的运行状态
从一种运行状态向另一种运行状态的过渡过程 交直流混合系统动态行为分析 电力系统的优化运行

69 电力系统稳态分析 电力系统的基本知识和等值网络 电力系统正常运行状况的分析和计算 电力系统的运行控制 有功功率—频率(P—f)

70 电力系统暂态分析 波过程—操作或雷击时的过电压（过程最短） 电磁暂态过程—与短路及励磁有关(过程较短)
《高电压技术》 电磁暂态过程—与短路及励磁有关(过程较短) 涉及电压、电流 短路计算 对称分量法及序网络概念 不对称故障的分析与计算 机电暂态过程—与动力系统有关(过程较长) 涉及功率、功角—— 导致系统振荡、稳定性破坏、异步运行 静态稳定性 暂态稳定性

71 教学目的 通过本课程教学，使学生了解现代电力生产、电 力市场的基本概念和基本知识，理解现代电力系 统的基本理论和基本技术，掌握现代电力系统的 运行机理、分析方法和控制技术，具备现代电力 系统潮流计算、短路计算、稳定计算、有功平衡 及优化、无功平衡及优化能力，为学生从事电力 系统相关领域工作及进一步深入研究打下扎实的 理论与工程基础。

72 教材： 参考资料： [1] 王锡凡. 现代电力系统分析[M]. 科学出版社，2003
[2] P. M. Anderson, A. A. Fouad. Power System Control and Stability [M]. 2nd ed. U. S. A: IEEE Press, 2003 [3] 周孝信、卢强. 中国电气工程大典（第8卷）:电力系统工程 [M]. 中国电力出版社，2010 [4] 徐政. 交直流电力系统动态行为分析[M]. 机械工业出版社, [5] Prabha Kundur. 电力系统稳定与控制[M]. 中国电力出版社， 2002

73 谢谢！