电力系统分析博士入学考试习题及答案华电.pdf

华北电力大学（北京） 2005 年博士研究生入学考试试题（B） 解答下列各题（每题 10 分，共 100 分） 1、 近几年我国多数地区出现了“电荒”现象，各地不得不采取拉闸限电措施，而 10 年前 我国的电力还是供大于求，你如何分析这种现象？对电力的规划和发展有何良策？ 答案 1：出现电荒的原因：在“九五”期间特别是电力供应过剩之后，人们对电力 工业是否应成为先行工业，有了不同的看法和不同的声音，这成为导致 2002 年开始出现较 大范围缺电的重要原因之一。再加上多年来只高度重视电源，对电网协调发展有所忽视。即 既有电源容量不足、又有电网结构薄弱问题，造成了电力短缺。 建议措施包括：建立电力安全危机管理机制，确保电网运行安全；进一步加强需求管 理； 深化电价改革， 尽快形成分环节电价机制； 完善宏观调控， 深化电力项目审批制度改革， 解决无序建设难题；加强协调，确保电煤供应；合理安排机组检修，提高设备健康水平；协 调好水力调运与发电关系，提高水能利用率等。 答案 2：产生电荒的原因：(1)煤电价格冲突，凸显体制困局；(2)高耗能行业告诉 增长，使电力供应对经济增长的支撑能力下降；(3)电力投资连年偏低，造成电力供应能力 不足；(4)持续高温、干旱和水电不足，增加了随机性缺电；(5)省间电力壁垒困扰电力供应。 建议措施：加快电力建设同时抑制不合理需求；开发和节约并举；加大结构调整力度， 租金产业升级；西电东送以资源换市场；发展循环经济，实行清洁生产；多元化开发电力资 源。 2、 什么是电力系统的可靠性？有哪些主要的研究内容？ 答案： 电力系统可靠性是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用 户供应电力和电能量之能力的度量。电力系统可靠性包括充裕度和安全性两个方面。 充裕度是指电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总的电能量的能力，同时考虑 到系统元件的计划停运及合理的期望非计划停运。 充裕度又称静态可靠性， 也就是在静态条 件下，电力系统满足用户对电力和电能量的能力。 安全性是指电力系统承受突然发生的扰动，例如突然短路或未预料到的短路或丢失系 统元件现象的能力。安全性也称动态可靠性，即在动态条件下电力系统经受住突然扰动，并 不简短地向用户提供电力和电能量的能力。 电力系统规模很大，习惯上将电力系统分成若干子系统，可根据这些子系统的功能特 点分别评估各子系统的可靠性。可分为： (1)发电系统可靠性：是对统一并网后的全部发电机组按可接受标准及期望数量，满足 电力系统负荷电力和电能量需求之能力的度量。 (2)发输电系统可靠性：是由统一并网后运行的发电系统和输电系统综合组成的发输电 系统按可接受标准和期望数量向供电点供应电力和电能量之能力。 其可靠性包括充裕度和安 全性两方面。 (3)输电系统可靠性：是对从电源点输送电力到供电点按可接受标准及期望数量满足供 电负荷电力和电能量需求之能力的度量。其可靠性包括充裕度和安全性两方面。 (4)配电系统可靠性：是对供电点到用户，包括配电变电所、高低压配电线路及接户线 在内的整个配电系统及设备按可接受标准及期望数量满足供电电力和电能量需求之能力的 度量。 (5)发电厂变电所电气主接线可靠性：是对在组成主接线系统的元件（断路器、变压器、 隔离开关、母线）可靠性的指标已知和可靠性准则给定的条件下，评估整个主接线系统可靠 性准则满足供电电力和电能量需求之能力的度量。 电力系统可靠性是通过通过定量的可靠性指标来度量的。 一般可以由故障对电力用户造 成的不良影响的概率、频率、持续时间、故障引起的期望电力损失及期望电能量损失等指标 描述，不同的子系统可以有专门的可靠性指标。 3、 电力系统的潮流计算有哪些常规算法？有哪些扩展算法？ 答案 1：常规算法有：高斯-赛德尔法、牛顿-拉夫逊法、快速解耦法。扩展算法有：保 留非线性潮流算法、最小化潮流算法、最优潮流算法。 高斯-赛德尔法（G_S 法） 。算法特点：在系统病态的情况下，收敛困难；计算速度缓慢； 程序编制简便灵活。 牛顿-拉夫逊法（N_L 法） ，其实是非线性方程或非线性方程组的多次线性逼近。算法特 点：平方收敛；对初值很敏感，需要其他算法为其提供初值；对函数的平滑性敏感，所处理 的函数越接近线性，收敛性越好；对以节点导纳矩阵为基础的 G_S 法呈病态的系统，N_L 法一般都能可靠收敛。 快速解耦法（PQ 分解法） ：用两个阶数几乎减半的方程组来代替原方程组，显著减少了 内存量和计算量；迭代矩阵为常数阵，只需形成求解一次，大大缩短每次迭代所需时间；迭 代矩阵对称，可形成上下三角存储，减少内存量和计算量；基于以上原因，PQ 法内存所需 量是 N_L 法的 60%，每次迭代所需时间为 N_L 法的 20%；线性收敛，收敛次数多于 N_L 法，但总的计算速度仍能大幅度提高；对于 R/X 过大的病态条件以及线路特别重载的情况 下，可能不收敛，一般适用于 110kv 及以上的电网；由于算法的精确程度取决于 e，PQ 分 解法的近似处理只影响计算过程，并不影响结果的精度。 保留非线性潮流算法。特点及性能：采用恒定雅克比矩阵；修正量总是相对于初始估计 值；对初值敏感；计算速度比 N_L 法快，比 PQ 分解法慢；内存耗量较大。 最小化潮流算法。 基于数学规划的潮流计算在内存需要量和计算速度方面都大大逊色于 各种常规潮流计算法。 最优潮流算法：就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，通过控制变量的优选，所找 到的能满足所指定的约束条件， 并使系统的某一个性能指标或目标函数达到最优时的潮流分 布。最优潮流与基本潮流的不同点：基本潮流的控制变量是给定的，而最优潮流中的控制变 量通过优选得到； 最优潮流除了要满足潮流等式约束外， 还必须满足大量的不等式约束条件； 基本潮流计算是求解非线性代数方程组， 而最优潮流是一个非线性规划问题； 基本潮流仅仅 完成计算功能， 而最优潮流可以根据实际需要自动优选控制变量， 具有指导系统进行优化调 整的决策功能。 直流潮流法。 随即潮流法。 三相潮流法。 4、 电力市场中通常采用可用输电能力（ATC）来衡量输电线的有功传输能力，请解释一下 什么是 ATC？ 答案 1：ATC 是指在现有的输电合同基础上，实际物理输电网络中剩余的、可用于商业 使用的传输容量。 答案 2：ATC 是在已有的协议基础上，在实际输电系统中可以用于进一步商业活动的富 余输电能力。 数学上， ATC 可以表示为线路最大输电能力 TTC 减去输电可靠性裕度 TRM， 减去容量 效益裕度 CBM，再减去现存输送协议 ETC。 5、 用户电力技术（Customer Power）是应用电力电子技术解决用户电能质量问题的一种方 法，请简单说明之。 答案 1： 用户电力技术就是在配电系统应用电力电子控制器对用户提供增值的、 可靠地、 高质量的电力。 答案 2：用户电力技术应用大功率电力电子器件解决用户电力中的电能质量、节约用电 和安全用电等问题。 用户电力技术可以使电力用户在供电可靠性和电能质量上得到的益处主要有： (1) 无（或极少有）电力中断。 (2) 电压降临的幅度和持续时间在允许范围内。 (3) 过电压的幅度和持续时间在允许范围内。 (4) 电压谐波含量低。 (5) 相间不平衡度小 (6) 在允许范围内的负荷波动、非线性和低功率因数对母线电压无明显影响 用户电力技术的核心是能够对供应的电力进行控制、 变换， 为用户或负荷提供满足电能 质量指标及安全、经济、可靠运行等要求的电能。完成这种控制与变换的关键是各具特色的 电力电子器件及其控制电路。 用户电力技术包括用户配电系统测试评估技术、电能质量控制技术、电能转换技术、 固态开关技术。 6、 请解释什么是电力系统的低频振荡？ 答案 1：电力系统中发电机经输电线并列运行时，在扰动下会发生发电机转子间的相对 摇摆，并在缺乏阻尼时引起持续振荡，此时输电线上功率也会发生相应振荡。由于机组的惯 性时间常数，其振荡频率很低，一般为 0.22.5Hz，故称为低频振荡（又称功率振荡，机电 振荡） 。 答案 2：整个原动机、发电机组的转子，相对与电力系统发生振荡时，其振荡频率通常 在每分钟几个周波至几十个周波范围内。 原因：弱阻尼或负阻尼。重负荷、长距离送点、有强励磁的大机组。 解决措施：减负荷、PSS 电力系统稳定器（励磁） 、GPSS 调速侧 PSS、其他 7、 简述高压直流输电（HVDC）系统的概念、特点、和主要应用。 答案 1： HVDC 的优点：(1)线路造价低、损耗少；(2)不存在稳定问题（没有电抗） ；(3)可以实 现交流系统非同步联网；(4)调节速度快，运行可靠；(5)限制短路电流；(6)可方便地进行分 期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益 HVDC 的缺点：(1)换流站造价高；(2)换流器消耗的无功多；(3)产生大量的谐波；(4) 换流装置几乎没有过载能力；(5)缺乏高压直流开关；(6)直流输电利用大地（或海水）为回 路而带来的一些技术问题；(7)直流输电线路难于引出分支线路，绝大部分只用于端对端送 电。 HVDC 应用场合：(1)远距离大容量输电（等价距离） ；(2)非同步联网；(3)海底电缆送 电；(4) 用地下电缆向大城市供电；(5)交流系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的 措施之一；(6)配合新能源的输电。 8、 等面积定则是判断暂态稳定的基本准则，请简述其内容和物理意义。 答案： 9、 电力市场条件下，电力生产和运行部门的辅助服务包含哪些主要内容？ 答案 1： 辅助服务是电网的安全稳定运行所必需的， 分为基本辅助服务和有偿辅助服务。 基本辅助服务按照有关规则的规定，是发电公司的义务，必须提供，有偿辅助服务由市场运 行部门有偿购买使用。 发电辅助服务包括：(1)有功频率控制（AGC） ；(2)旋转备用；(3)非旋转备用；(4)替代 备用；(5)无功及电压支持；(6)恢复及黑启动，即调峰、调频、调压、黑启动。 答案 2：辅助服务是为保障电力系统安全稳定运行和电力供应质量必不可少的一种服 务，指除正常电能生产外所提供的频率控制、备用容量、无功支持、黑启动等服务。 辅助服务是相对于电能生产、 输送和交易的主市场而言的。 目前辅助服务并没有一个公认的 统一定义， 不同的学者对辅助服务的定义和内容的划分有所不同， 现将有关辅助服务的定义 和主要内容总数如下：(一）从输电的角度将辅助服务定义为: 为完成输电的主要功能将 电能从发电厂输送到用户, 并保证安全和质量所需要采取的所有辅助措施。认为辅助服务的 主要内容有: (1) 负荷跟踪与频率控制; (2) 旋转备用; (3) 运行备用; (4) 无功备用和电压控制; (5) 发电再计划; (6) 处理能量不； (二) 认为辅助服务是指那些为满足输电的可靠性和经济性要求 而必须提供的服务, 包括调度、电压和无功功率控制、频率控制、各种系统备用、稳定控制 等；(三) 从发电侧考虑, 认为辅助服务是发电厂为保证电力系统安全可靠运行而采取的必要 措施。电厂的辅助服务包括: (1) 发电厂失去厂用电时机组启动能力; (2) 发电机调节特性 系统频率控制; (3) 发电机无功能力系统电压控制；(四) 也从发电侧角度来考虑, 认为辅助 服务是发电厂为保证电力系统安全可靠运行能力而采取的必要措施。主要内容有: (1) 发电厂 的频率偏差调整和控制; (2) 发电厂的AGC;(3) 发电厂额外增发无功容量; (4) 发电厂提高自启 动能力；(五) 从运行管理的角度出发, 把在当日的实时运行中, 由于一些不可预测和不可控 制的原因, 如交易的临时变动、 负荷的随机波动以及机组的强迫停运等, 为保证供电质量和可 行性而要求有一个有功、无功的实时平衡服务以及其它的运行服务, 称为辅助服务；(六) 提 出了辅助服务的定义: 辅助服务是由控制设备和操作员执行的有关功能,这些功能是发、控、 输、配电用以支持基本的发电容量、电能供应和电力传输服务。主要内容有:( 1) 计划和调度; (2) 负荷跟踪; (3) 旋转备用; (4) 运行备用; (5) 能量平衡; (6) 替代备用; (7) 电压控制；(七) 认为 辅助服务包括: (1) 有功备用和频率控制; (2) 无功备用和电压控制; (3) 黑启动。 10、 请写出你硕士学位论文题目，并简述主要研究内容和贡献。 华北电力大学（北京） 2005 年博士研究生入学考试试题（A） 解答下列各题（每题 10 分，共 100 分） 1. 2003 年 8 月 14 日，美加部分地区发生了大停电事故，这次事故震动了全世界，请简述 事故的起因是什么？谈谈大停电给我们的教训是什么？ 答案 1： 2. 电力系统可靠性、安全性、和稳定性各有什么含义？简述各自的主要研究内容。 答案 1：电力系统安全性：指在设备不过负荷，而且在它的网络上的变量不偏离允许范 围的条件下，满足负荷需求的能力。 3. 通过功率方程说明为什么潮流计算的数学模型是非线性的？应该采用什么样的数学方 法求解？ 4. 简述保证电力系统安全的三道防线是什么？ 答案 1： 第一道防线是指正常运行方式下的电力系统受到单一故障扰动后， 由继电保护装置准确 动作迅速切除故障，保持电力系统稳定运行和电网的正常供电。 第二道防线是指正常运行方式下的电力系统受到较严重的故障扰动后， 继电保护装置正 确动作后，由切除发电机和切除负荷等稳定运行。 第三道防线是指电力系统的稳定破坏后， 由防止事故扩大的稳定控制措施构成第三道防 线。采取解列电网等措施防止系统全部崩溃，保证部分重要用户供电，避免长时间、大面积 停电。 5. 电能质量包含哪些内容？电能质量的指标有什么特点？ 答案：电能质量的定义：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。 电能质量包括 4 个方面的相关术语和概念： 电压质量即用实际电压与额定电压间的偏差，反映供电企业向用户供给的电力是否合 格； 电流质量即对用户取用电流提出恒定频率、 正弦波形要求， 并使电流波形与供电电压同 相位，以保证系统以高功率因数运行； 供电质量包括技术含义和非技术含义： 技术含义有电压质量和供电可靠性； 非技术含义 是指服务质量包括供电企业对用户投诉的反应速度和电力价格等； 用电质量包括电流质量和非技术含义。 电能质量标准：(1)频率偏差：包括在互联电网和鼓励电网中的两种；(2)电压幅值：慢 速电压变化（即电压偏差） ；快速电压变化（电压波动和闪变） ；电压暂降（是由于系统故障 或干扰造成用户电压短时间（10ms1min）内下降到 90%的额定值以下，然后又恢复到正常 水平，会使用户的次品率增大或生产停顿） ；短时断电（又称电压中断，是由于系统故障跳 闸后造成用户电压完全丧失 3min，电压中断使用户生产停顿，甚至混乱） ；长时断电；暂时 工频过电压；瞬态过电压；(3)电压不平衡；(4)电压波形：谐波电压；间谐波电压；(5)信号 电压（在电力传输线上的高频信号，用于通信和控制） 。 电能质量的改善： (1)改善电能质量基础工作：掌握供电网络运行状态，对电能质量开展实时监测，以掌 握其动态；分析诊断其变化，即在详细分析电能质量数据的基础上，利用仿真软件对电网结 构的固有谐振特性进行计算与分析，排除虚假的谐波干扰；开展系统的合理设计和改造，变 电站的设计和投运以及新的电力用户投运之前都要进行谐波源负荷及电能质量要求等方面 的技术咨询，线路网络改造和建设也要结合运行负荷的特点和措施，以降低线损，降低设备 损失事故；开展滤波装置或无功补偿装置的研制、调试和现场测试，以了解治理后的效果， 并总结经验。 (2)VQC 装置（电压无功综合控制装置） ，其基本控制原理：把主变高压侧无功潮流量， 减去目前补偿量，作为负荷的无功潮流量。将目前测得的电压值与电压比较器定值比较，当 超出或低于两个电压比较器定值时， 通过运算器进行运算来启动主变分接开关换挡及增减补 偿电容的投切组数，从而使主变中、低压侧电压控制在标准范围内，并可以使主变高压侧的 无功潮流0（即无功不反送） 。 (3)无源滤波装置：该装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以 对某次谐波或其以上谐波形成低阻抗通路，已达到抑制高次谐波的作用。 (4)有源滤波器(APF)：利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、 相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器 相比，有以下特点：不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点， 在性价比上较为合理； 滤波特性不受系统阻抗等的影响， 可消除与系统阻抗发生谐振的危险； 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，既具有高度可控性和快速响应性等特点。 6. 对同步发电机的数学模型进行派克变换的数学和物理意义是什么？ 7. 简述高压直流输电（HVDC）系统的概念、特点、和主要应用。 8. 等面积定则是判断暂态稳定的基本准则，请简述其内容和物理意义。 答案： 暂态稳定的“等面积定则”必须满足面积 abcd=defg 的条件，转子才能再一次回到同步转 速，功角才不再继续增大。面积 abcd 成为加速面积，面积 defg 成为减速面积。因此，加速 面积与减速面积相等是保持暂态稳定的条件。 在同样的切除时间条件下，扰动越大，即 P2 越小，加速面积越大，系统暂态稳定水平 越低。另外正常运行点越高，也会造成加速面积大于减速面积，使系统不能保持暂态稳定。 加速面积=减速面积的最高正常运行点就是暂态稳定极限。即 P0在一定位置时，abcde=defk 就是暂态稳定极限。 物理意义：在上图中画出了发电机在正常运行 P1、故障 P2和故障切除 P3三种状态下的 功率特性曲线。假定机械功率 PT始终保持 P0。图中 a 点表示正常运行时发电机的运行点。 发生短路后功率特性立即降为 P2，但由于转子的惯性，转子角度不会立即发生变化，其相 对于无限大系统母线U的角度0仍然保持不变。 因此发电机的运行点由 a 点突然变至 b 点， 输出功率显著减少，而原动机机械功率 PT不变，故产生较大的过剩功率。故障情况愈严重， P2功率曲线幅值愈低（三相短路时为零） ，则过剩功率愈大。在过剩转矩的作用下发电机转 子将加速，其相对速度（相对于同步转速）和相对角度逐渐增大，使运行点由 b 点向 c 点移动。如果故障永久存在下去，则始终存在过剩转矩，发电机将不短加速，最终与无限大 系统失去同步。实际上，短路后继电保护转置将迅速动作切除故障线路。假设在 c 点时将故 障切除，则发电机的功率特性为 P3，发电机的运行点从 c 点突然变至 e 点（同样由于不能 突变） 。这时发电机的输出功率比原动机的机械功率大，使转子受到制动，转子速度逐渐减 慢。但由于此时的速度已经大于同步转速，所以相对角度还要继续增大。假设制动过程延续 到 f 点时转子转速才会到同步转速，则角不再增大。但是，在 f 点是不能持续云高兴的， 因为这时机械功率和电磁功率仍不平衡，前者小于后者。转子将继续减速，开始减小，运 行点沿功率特性 P3由 f 点向 e、k 点转移。在达到 k 点以前转子一直减速，转子速度低于同 步速。在 k 点虽然机械功率与电磁功率平衡，但由于这时转子速度低于同步转速，继续减 小。但越过 k 点以后机械功率开始大于电磁功率，转子又加速，因而一直减小到转速恢复 同步转速后又开始增大。此后运行点沿着 P3开始第二次振荡。如果振荡过程中没有任何能 量损耗，则第二次又将增大至 f 点的对应角度max，以后就一直沿着 P3往复不已地振荡。 实际上，振荡过程中总有能量损耗，或者说总存在着阻尼作用，因而振荡逐渐衰减，发电机 最后停留在一个新的运行点 k 上运行。k 点即故障切除后功率特性 P3与 PT的交点。 如果故障线路切除得比较晚，这时在故障线路切除前转子加速已比较严重，因此当故 障线路切除后，在到达 f 点时转子转速仍大于同步转速。甚至在到达 k时转速还未降至同步 转速，因此就将越过 k点对应的角度k。而当运行点越过 k点后，转子又立即承受加速 转矩，转速又开始升高，而且加速度愈来愈大，将不断增大，发电机和无限大系统之间终 将视区同步。 9. 电力市场条件下，电力生产和运行部门的辅助服务包含哪些主要内容？（答案见上） 10. 请写出你硕士学位论文题目，并简述主要研究内容和贡献。 08 年有一道题是关于节能调度的。 答案：2007 年 12 月 20 号，随着贵州省正式启动节能发电调度试点，标志着将对我国 电力市场产生重大影响的节能调度政策的开始付诸实施。2007 年 8 月，由发展改革委、环 保总局、电监会和能源办联合下发的节能发电调度办法 （试行）规定了不同类型发电的 调度优先级，具体如下： 1、无调节能力的可再生能源发电机组；2、有调节能力的可再生能源发电机组满足环保 要求的垃圾发电机组；3、核能发电机组；4、按“以热定电”方式运行的燃煤热电联产机组 和资源综合利用发电机组；5、天然气、煤气化发电机组；6、其他燃煤发电机组，包括未带 热负荷的热电联产机组；7、燃油发电机组。 同类型火力发电机组按照能耗水平由低到高排序，节能优先；能耗水平相同时，按照污 染物排放水平由低到高排序。 机组运行能耗水平近期暂依照设备制造厂商提供的机组能耗参 数排序，逐步过渡到按照实例数值排序。 节能调度的提出， 旨在建立一种以能耗及排放水平为基准的发电调度方式， 在发电能源 消耗方面， 最大限度地发挥可再生能源及其他清洁能源的作用， 最大限度减少化石燃料的使 用；其核心是“改变传统的以平均利用小时数计划为指导的发电量调度方式，取而代之是在 保证电网安全的前提下，按照机组能耗水平排序，能耗低的机组多发电，能耗高的机组少发 电或不发电，实现电能生产环节的能耗最小化，从而达到节能的目的。 ” 节能调度的背景：1、节能减排是大势所趋。电力行业作为主要能源消耗型行业，节能 减排效益十分显著，理应成为优化调整的对象；2、电力供应相对富余。经过近几年来在电 源建设方面投入的增多，全国开始出现电力供应相对富余的态势，为节能调度提供了可能， 同时也是通过政策调控促进发电机组更新换代的良好时机；3、电网建设投入增多。电网建 设的投入增多， 使得实施节能调度后电网输电环节的配套投入能够保证， 避免出现在发电侧 节能调度，却因电网受阻无法实施的情况。 华北电力大学（北京） 2003 年博士研究生入学考试试题（A） 解答下列各题（每题 10 分，共 100 分） 1、 从安全角度来看，电力系统运行的五种状态是什么？简述每种状态的特点。 2、 电力系统的可靠性、安全性和稳定性各有什么含义？简述各自的主要研究内容。 3、 通过功率方程说明为什么潮流计算的数学模型是非线性的？应该采用什么样的数学方 法求解。 4、 电力系统正常运行时既要保持有功平衡，也要保持无功平衡，试从电源、负荷及管理、 控制方面说明保证有功平衡和无功平衡的主要特点。 5、 电能质量包含那些内容？电能质量的指标有什么特点？ 6、 对同步发电机的数学模型进行派克（Park）变换的数学和物理意义是什么？ 7、 简述高压直流输电（HVDC）系统的概念、特点和主要应用。 8、 等面积定则是判断暂态稳定的基本准则，请简述其内容和物理意义。 9、 电力市场条件下，电力生产和运行部门的辅助服务（Auxilia