电力系统分析第6章

1、本章提示本章提示6. 1 电力系统的负荷和负荷曲线电力系统的负荷和负荷曲线6. 2 电力系统有功功率负荷的经济分配电力系统有功功率负荷的经济分配6.3 6.3 电力网中的电能损耗电力网中的电能损耗6.4 6.4 降低电力网电能损耗的措施降低电力网电能损耗的措施小小 结结l电力系统常用负荷曲线的意义；电力系统常用负荷曲线的意义；l等微增率准则；等微增率准则；l最大负荷损耗时间法计算电力网的电能损耗；最大负荷损耗时间法计算电力网的电能损耗；l常用的降低网损措施。常用的降低网损措施。6.1.1 负荷分类负荷分类6.1.2 负荷曲线负荷曲线 电力系统的负荷是指电力系统所有用电设电力系统的负荷是指电力系

2、统所有用电设备消耗功率的总和备消耗功率的总和(电力系统的综合用电负荷电力系统的综合用电负荷)。 负荷定义负荷定义负荷分类负荷分类负荷按物理性能划分负荷按物理性能划分有功负荷有功负荷无功负荷无功负荷 综合用电负荷综合用电负荷：指工业、农业、交通运输、市政：指工业、农业、交通运输、市政生活等各方面消耗的功率之和。生活等各方面消耗的功率之和。负荷按电能可分为负荷按电能可分为: 供电负荷供电负荷：电力系统的综合用电负荷加上网损，即：电力系统的综合用电负荷加上网损，即发电厂供出的负荷，称为电力系统的供电负荷。发电厂供出的负荷，称为电力系统的供电负荷。 发电负荷发电负荷：供电负荷再加上发电厂：供电负荷再加

3、上发电厂厂用电厂用电就是发电就是发电机应发出的功率，称为发电负荷。机应发出的功率，称为发电负荷。负荷曲线：负荷曲线： 表示电力系统的负荷随时间变化的规律的曲线。表示电力系统的负荷随时间变化的规律的曲线。负荷曲线的分类：负荷曲线的分类： 按负荷种类分为按负荷种类分为有功功率负荷有功功率负荷和和无功功率无功功率负负 荷曲线；荷曲线； 按描述的负荷范围可分为按描述的负荷范围可分为用户的负荷用户的负荷、地区地区的负荷的负荷以及以及电力系统的负荷电力系统的负荷曲线。曲线。 按时间长短可分为日负荷和按时间长短可分为日负荷和年负荷年负荷曲线；曲线；有功日负荷曲线有功日负荷曲线 表明电力负荷在一天表明电力负荷

4、在一天24小时内随时间的变化情况小时内随时间的变化情况 有功日负荷曲线有功日负荷曲线 阶梯形有功日负荷曲线阶梯形有功日负荷曲线 是安排日发电是安排日发电计划，确定各计划，确定各发电厂任务发电厂任务,确确定系统运行方定系统运行方式等的重要依式等的重要依据。据。maxPminP有功日负荷曲线有功日负荷曲线 日负荷曲线的最大值称为日负荷曲线的最大值称为日最大负荷日最大负荷（峰荷峰荷）最小值称为最小值称为日最小负荷日最小负荷（谷荷谷荷）日平均负荷为日平均负荷为24024124PdtwPav负荷率负荷率反映负荷曲线的起伏情况反映负荷曲线的起伏情况：maxPPav负荷率小表明负荷曲线起伏负荷率小表明负荷曲

5、线起伏大，发电机的利用率较差大，发电机的利用率较差 240Pdtw日负荷曲线下的面积就是负荷一天所消耗的电能。即：日负荷曲线下的面积就是负荷一天所消耗的电能。即： 把一年内每月（或每日）的最大负荷抽取出来绘成曲线，把一年内每月（或每日）的最大负荷抽取出来绘成曲线，称为称为年最大负荷曲线年最大负荷曲线有功年最大负荷曲线有功年最大负荷曲线图图6.3 有功年最大负荷曲线有功年最大负荷曲线 这条曲线主要用来安这条曲线主要用来安排发电设备的检修计排发电设备的检修计划，同时也为制订发划，同时也为制订发电机组或发电厂的扩电机组或发电厂的扩建计划提供依据。建计划提供依据。按一年中系统负荷的数值大小及其持续小时

6、数顺序而绘制的。按一年中系统负荷的数值大小及其持续小时数顺序而绘制的。 年持续负荷曲线包围年持续负荷曲线包围的面积，即为负荷全年的面积，即为负荷全年的耗电量，为：的耗电量，为：87600Pdtw 图图6.4年持续负荷曲线年持续负荷曲线 如果负荷始终等于最大值，如果负荷始终等于最大值，经过经过 小时后所消耗的电能小时后所消耗的电能恰好等于全年的实际耗电量，恰好等于全年的实际耗电量，则称则称 为最大负荷使用时间，为最大负荷使用时间，也叫也叫最大负荷利用小时数最大负荷利用小时数。年持续负荷曲线年持续负荷曲线 maxTmaxT87600maxmaxmax1PdtPPwT 不同性质的用户、不同的生产班次

7、，不同性质的用户、不同的生产班次， 值不同，根据电力系值不同，根据电力系统的运行经验，各类负荷的的统的运行经验，各类负荷的的 数值有一个大致的范围，如数值有一个大致的范围，如表所示。表所示。maxTmaxThTmax负荷类型负荷类型照明及生活用电照明及生活用电20003000一班制企业一班制企业15002200二班制企业二班制企业30004500三班制企业三班制企业60007000农业用电农业用电10001500各类用户的最大负荷利用小时数各类用户的最大负荷利用小时数 6.2.1 发电机组的耗量特性发电机组的耗量特性6.2.2 等微增率准则等微增率准则6.2.3 火电厂间有功功率负荷的经济分配

8、火电厂间有功功率负荷的经济分配6.2.4 计及网损时水、火电厂间有功功率计及网损时水、火电厂间有功功率 负荷的经济分配负荷的经济分配 发电机组在单位时间内，消耗的能源与发出的发电机组在单位时间内，消耗的能源与发出的有功功率的关系称为机组的有功功率的关系称为机组的耗量特性耗量特性，耗量特，耗量特性常以曲线表示。性常以曲线表示。 火电机组的耗量特性火电机组的耗量特性 水电机组的耗量特性水电机组的耗量特性火电机组的耗量特性火电机组的耗量特性耗量微增率曲线耗量微增率曲线耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，即输入与输耗量特性曲线上某点的纵坐标和横坐标之比，即输入与输出之比称为出之比称为比耗量比耗量

9、。耗量特性曲线上某点切线的斜率称为该点的耗量特性曲线上某点切线的斜率称为该点的耗量微增率耗量微增率PFu dpdF)()(2211GGPFPFFLDGGPPP21两台机组为例两台机组为例目标函数目标函数有功负荷最优分配的有功负荷最优分配的目的目的：在供应同样大小负荷有：在供应同样大小负荷有功功率的前提下，单位时间内消耗的能源功功率的前提下，单位时间内消耗的能源最少最少。目标函数目标函数就是就是总耗量最少总耗量最少等式约束条件等式约束条件 00222111 GGGGdPPdFdPPdF)()( 21)(21LDGGPPPFL)()()(212211LDGGGGPPPPFPF用拉格朗日乘数法求解用

10、拉格朗日乘数法求解建立拉格朗日函数建立拉格朗日函数0, 021GGPLPL极值条件极值条件12等微增率准则等微增率准则不计网损不计网损maxminGiGiGiPPP).,()(nidPPdFGiGii，31 多个火电厂之间有功功率负荷经济分配的等微增率准则多个火电厂之间有功功率负荷经济分配的等微增率准则不等式约束条件不等式约束条件有功功率值越限时，按其限值（上限或下限）分配负有功功率值越限时，按其限值（上限或下限）分配负荷，剩余功率在其他机组间重新按等微增率准则分配荷，剩余功率在其他机组间重新按等微增率准则分配maxminGiGiGiQQQmaxminiiiUUU计及网损计及网损niLDGiP

11、PP10)()(11niLDGiniGiiPPPPFL0)1 ()(GiGiGiiGiPPPPFPL等式约束条件等式约束条件拉格朗日函数拉格朗日函数极值条件极值条件计及网损计及网损iGiGiiGiGiGiidPPdFPPdPPdF)()1 (1)( nn2211网损微增率网损微增率网损修正系数网损修正系数不计网损不计网损).,()(nidPPdFGiGii，31 首先按多个火电厂间有功功率负荷经济分配的等微增率准则进行分配。首先按多个火电厂间有功功率负荷经济分配的等微增率准则进行分配。 然后再按下边的不等式约束条件进行校验，即：然后再按下边的不等式约束条件进行校验，即：)10. 6()9 .

12、6()8 . 6(maxminmaxminmaxminiiiGiGiGiGiGiGiUUUQQQPPP对于有功功率值越限的发电厂，可按其限值（上限或下限）分配对于有功功率值越限的发电厂，可按其限值（上限或下限）分配负荷，然后再对其余的发电厂分配剩下的负荷功率。负荷，然后再对其余的发电厂分配剩下的负荷功率。计及网损计及网损(6.12),.,1,2(i.)()()(ndPPdFPPdPPdFnniGiGiiGiGiGii 221111按计及有功功率网损时的等微增率准则进行分配。按计及有功功率网损时的等微增率准则进行分配。 式中，式中， 称为网损修正系数，称为网损修正系数， 称为网损微增率。称为网损

13、微增率。iGiPP 例例6.16.1：同一发电厂内两套发电设备共同供电，：同一发电厂内两套发电设备共同供电， 它们的耗量特它们的耗量特性及有功功率上下限分别为性及有功功率上下限分别为 F F1 12.52.50.25P0.25PG1G10.0014P0.0014PG1G12 2（T/hT/h） F F2 25.05.00.18P0.18PG2G20.0018P0.0018PG2G22 2（T/hT/h） 试求：当试求：当 时，负荷的最优分配方案。时，负荷的最优分配方案。MWPMWG100202 MWPMWG100201 MWPLD100计及网损时，水、火电厂有功功率负荷经济分配的计及网损时，水

14、、火电厂有功功率负荷经济分配的条件，既协调方程式为条件，既协调方程式为: SjsjjjHiHiiPPdPdWPPdPdF1111例例6.2系统中有水、火电厂各一个，并联运行，火系统中有水、火电厂各一个，并联运行，火电厂的燃料消耗特性同水电厂的耗水量特性为电厂的燃料消耗特性同水电厂的耗水量特性为 设水电厂给定的日用水量，设水电厂给定的日用水量，系统的日负荷曲线为系统的日负荷曲线为 08时时 负荷为负荷为450MW 818时时 负荷为负荷为850MW 1824时时 负荷为负荷为450MW 求火电厂容量为求火电厂容量为800MW，水电厂容量为，水电厂容量为500WM时，在给时，在给定的日用水量条件下

15、，水、火电厂的经济功率分配。（忽略网定的日用水量条件下，水、火电厂的经济功率分配。（忽略网损）损）)(.sTPPFHH200203 )(.smPPWSS3200203 3710 mWT6.3.16.3.1电力网电能损耗和网损率电力网电能损耗和网损率6.3.26.3.2电力网中电能损耗的计算方法电力网中电能损耗的计算方法在给定的时间（日、月、季或年）内，系统中所有发电厂在给定的时间（日、月、季或年）内，系统中所有发电厂的总发电量同厂用电量之差，称为的总发电量同厂用电量之差，称为供电量供电量。供电量供电量电力网损耗电量电力网损耗电量网损率网损率100 网损率是衡量电力网损率是衡量电力系统运行经济性

16、的系统运行经济性的一项重要指标。一项重要指标。 所有送电、变电和配电环节损耗的电量，称为所有送电、变电和配电环节损耗的电量，称为电力网的损耗电力网的损耗 电量电量。简称网损。简称网损。 在同一时间内，电力网损耗电量占供电量的百分比，称为在同一时间内，电力网损耗电量占供电量的百分比，称为 电力网的网损率电力网的网损率，即，即 输电线路和变压器中的电能损耗可分为两部分：输电线路和变压器中的电能损耗可分为两部分：变动的电能损耗变动的电能损耗：在元件电阻上产生的电能损耗，这部分：在元件电阻上产生的电能损耗，这部分损耗与通过元件的功率有关损耗与通过元件的功率有关固定的电能损耗固定的电能损耗：与施加于元件

17、的电压有关的变压器铁芯：与施加于元件的电压有关的变压器铁芯损耗和线路损耗和线路 产生电晕消耗的电量，如忽略电压变化对铁芯产生电晕消耗的电量，如忽略电压变化对铁芯损耗的影响，忽略电晕消耗的电量，这部分损耗可看作是损耗的影响，忽略电晕消耗的电量，这部分损耗可看作是固定的。固定的。变动的电能损耗的计算，通常有两种变动的电能损耗的计算，通常有两种常用的方法，即最大负荷损耗时间法常用的方法，即最大负荷损耗时间法和等值功率法。和等值功率法。 最大负荷损耗时间法最大负荷损耗时间法 一段时间一段时间t内，线路电阻中的电能损耗为内，线路电阻中的电能损耗为 ttthKWdtUSRdtIRpdtW0023023)(

18、)(10103线路向一个集中负荷供电线路向一个集中负荷供电. .,8760ht 式中，式中，S的单位为的单位为KVA，U的单位为的单位为KV。 若时间若时间 则则 为一天的电能损耗；为一天的电能损耗； 若若 则则 为全年的电能损耗。为全年的电能损耗。,24ht WW28760323max20233maxmax2210()101010 ()cosSSWRdtRUUPRPkwhU 最大功率损耗时间 的意义义 设如果面积设如果面积 与一矩形与一矩形面积相等，并令矩形的高面积相等，并令矩形的高等于等于 ，则矩形的底用，则矩形的底用 表示，电能损耗可表示表示，电能损耗可表示为为abcS02maxS 最大

19、负荷损耗时间法最大负荷损耗时间法线路向一个集中负荷供电线路向一个集中负荷供电. . 称为称为最大负荷损耗时间最大负荷损耗时间，也叫，也叫最大功率损耗时间，最大功率损耗时间，其意义为：线路中输送的功率一其意义为：线路中输送的功率一直为最大负荷功率直为最大负荷功率 ，在，在 小时内的电能损耗恰等于线路全小时内的电能损耗恰等于线路全年的实际电能损耗。年的实际电能损耗。maxS28760323max20233maxmax2210()101010 ()cosSSWRdtRUUPRPkwhU 最大功率损耗时间 的意义 最大负荷损耗时间法最大负荷损耗时间法线路向一个集中负荷供电线路向一个集中负荷供电. .m

20、axTcos（h/年）0.80.850.90.951（h/年）20002500300035004000450050005500600065007000750080001500170020002350275032003600410046505250595066507400120015001800215026003000350040004600520059006000735010001250160020002400290034003950430051005800655073508001100140018002200270032003750435050005700650073007009501250

21、1000200025003000360042004850560064007250maxT 最大负荷损耗时间法最大负荷损耗时间法332322221121 RUSRUSRUSWcba)()()( 线路上有几个集中负荷时线路上有几个集中负荷时线路总的电能损耗等于各线段电能损耗之和，即线路总的电能损耗等于各线段电能损耗之和，即图图6.10有有3个集中负荷的供电网络个集中负荷的供电网络式中式中: 分别为线路各段的最大负荷功率；分别为线路各段的最大负荷功率； 分别为各线段的最大负荷损耗时间。分别为各线段的最大负荷损耗时间。321SSS、321、ccbccbbcbaccbbaaTTPPTPTPTPPPTPT

22、PTPTmax3maxmaxmax2maxmaxmaxmax1max线路上有几个集中负荷时线路上有几个集中负荷时 如果已知各点负荷的最大负荷利用小时数如果已知各点负荷的最大负荷利用小时数 ，各点最大负荷，各点最大负荷同时出现，则同时出现，则 最大负荷损耗时间法最大负荷损耗时间法 说明说明：tPRUStPPWNT 020 )(maxmax 输电线路变动的电能损耗的计算，同样适用于变压器输电线路变动的电能损耗的计算，同样适用于变压器; 即变压器的电能损耗为即变压器的电能损耗为:)()(maxhkwPnSSnPWNST 876002 如果电网中接有如果电网中接有n台同容量的变压器并联运行时台同容量的

23、变压器并联运行时, 则在一年中则在一年中的电能损耗为的电能损耗为最大负荷损耗时间法计算电能损耗最大负荷损耗时间法计算电能损耗,由于由于 值的确值的确定是近似的，准确度低定是近似的，准确度低,一般用于电网的规划阶段。一般用于电网的规划阶段。对于已运行电网的电能损耗计算对于已运行电网的电能损耗计算,常采用等值功率法。常采用等值功率法。、maxP 6.3 6.3 有一电力网负荷曲线如图所示，已知有一电力网负荷曲线如图所示，已知 ，R=12R=12，平均功率因数，平均功率因数 , ,试用最大功率损耗时间试用最大功率损耗时间法计算一年内的电能损耗。法计算一年内的电能损耗。例例6.3的电的电力网负荷力网负

24、荷曲线曲线KVUN109 . 0cos 例例6.4 变电所低压母线上的功率为变电所低压母线上的功率为40MW， . 试求线路及变压器中全年的电能损试求线路及变压器中全年的电能损耗。线路和变压器的参数如下：耗。线路和变压器的参数如下： 线路（每回）：线路（每回）： 变压器（每台）：变压器（每台）： kmSbkmxkmr/.,/.,/.60001082240901650 5108014853800.%,.%,. SSUIkWPkWP例例6.4的输的输电系统及电系统及其等值电其等值电路路hT4500, 8 . 0cosmax6.4.1 6.4.1 提高负荷的功率因数提高负荷的功率因数6.4.2 6.

25、4.2 提高电力网运行的电压水平提高电力网运行的电压水平6.4.36.4.3 改变电力网的运行方式改变电力网的运行方式6.4.4 6.4.4 对原有电网进行技术改造对原有电网进行技术改造电力网的电能损耗不仅耗费一定的动力资源，电力网的电能损耗不仅耗费一定的动力资源，而且占用部分发电设备容量。而且占用部分发电设备容量。因此降低网损是电力企业提高经济效益的一因此降低网损是电力企业提高经济效益的一项重要任务。项重要任务。电力系统的负荷中，异步电动机占相当大的比重，它所电力系统的负荷中，异步电动机占相当大的比重，它所需的无功功率与有功功率的关系为需的无功功率与有功功率的关系为: 200200 )()(

26、QQQPPQQQQNNND 异步电动机所需的无功功率由两部分组成异步电动机所需的无功功率由两部分组成:受载系数降低，使得功率因数降低。受载系数降低，使得功率因数降低。DQ第一部分是建立磁场所需的空载无功功率，约为第一部分是建立磁场所需的空载无功功率，约为 的的6070，与受载系数无关；，与受载系数无关；第二部分为绕组漏抗中消耗的无功功率，与受载系第二部分为绕组漏抗中消耗的无功功率，与受载系数的平方成正比。数的平方成正比。 提高负荷的功率因数的措施：提高负荷的功率因数的措施： 使异步电动机与所拖动的机械功率配套，使异步电动机与所拖动的机械功率配套，避免避免“大马拉小车大马拉小车”的现象。的现象。

27、同步电动机代替异步电动机，（因为同步电同步电动机代替异步电动机，（因为同步电动机不仅可以不需要系统供给无功功率，还动机不仅可以不需要系统供给无功功率，还可以运行在过励磁状态向系统发出无功功率，可以运行在过励磁状态向系统发出无功功率，从而提高负荷的功率因数）。从而提高负荷的功率因数）。电力网运行时，应尽量提高运行电压水平，以降低功电力网运行时，应尽量提高运行电压水平，以降低功率损耗和电能损耗。率损耗和电能损耗。对于变压器，提高电力网的运行电压，变压器绕组中的对于变压器，提高电力网的运行电压，变压器绕组中的铜损减小，但是，铁损就相应地增加。铜损减小，但是，铁损就相应地增加。对于变压器的铁损在网络总

28、损耗中所占比重小于对于变压器的铁损在网络总损耗中所占比重小于50的电力网，适当提高电力网的运行电压可以降低网损，的电力网，适当提高电力网的运行电压可以降低网损，对于变压器铁损所占比重大于对于变压器铁损所占比重大于50的电力网，情况正的电力网，情况正好相反，此时宜适当降低运行电压，如好相反，此时宜适当降低运行电压，如610KV的农的农村配电网络。村配电网络。 闭式网的经济功率分布闭式网的经济功率分布 没有施加任何调节和控制手段，由线路阻抗决定的功率分没有施加任何调节和控制手段，由线路阻抗决定的功率分布，称布，称自然功率分布自然功率分布。3213321)(ZZZZSZZSScb3211123)(Z

29、ZZZSZZSSbc图图6.13 6.13 环形网络环形网络 闭式网的经济功率分布闭式网的经济功率分布 当闭式网内功率按各段当闭式网内功率按各段电阻电阻分布时，电网内有功功率损耗分布时，电网内有功功率损耗最小，这样的功率分布，称为最小，这样的功率分布，称为经济功率分布经济功率分布。 电网内功率损耗最小时的功率分布为电网内功率损耗最小时的功率分布为: 3213321)(RRRRPRRPPcb3213321)(RRRRQRRQQcb 闭式网的经济功率分布闭式网的经济功率分布 对于均一网，网络内的自然功率分布就等于经济分布。对于均一网，网络内的自然功率分布就等于经济分布。在环形网络中，装设混合型加压

30、调压变压器（也叫在环形网络中，装设混合型加压调压变压器（也叫纵横调压变压纵横调压变压 器）器） 对于非均一电网，可以采取以下措施，将自然功率分布对于非均一电网，可以采取以下措施，将自然功率分布变为经济分布，使得电网内功率损耗最小。变为经济分布，使得电网内功率损耗最小。在闭式网内装设并联电容器，调整电力网的电抗，在闭式网内装设并联电容器，调整电力网的电抗，在以限制短路电流或满足继电保护动作选择性要求为在以限制短路电流或满足继电保护动作选择性要求为目的选择开环运行点时，应尽可能兼顾到使开环后的目的选择开环运行点时，应尽可能兼顾到使开环后的功率分布产生的功率损耗最小。功率分布产生的功率损耗最小。 组

31、织变压器的经济运行组织变压器的经济运行 变压器的经济运行主要是指：合理选择变压器容量，合变压器的经济运行主要是指：合理选择变压器容量，合理选择变压器的台数等。理选择变压器的台数等。当当n台同容量、同型号的变压器并联运行时，总的功率损台同容量、同型号的变压器并联运行时，总的功率损耗为耗为20)()(NSnTSSnPPnPn1台并联运行时，总的功率损耗为台并联运行时，总的功率损耗为 20)1()() 1() 1(NSnTSSnPPnP图图6.156.15变压器功率损耗与投入台数的关系变压器功率损耗与投入台数的关系 组织变压器的经济运行组织变压器的经济运行当当 时，时，n台变压器并联运行与台变压器并联运行与n1台变压台变压器并联运行时有功损耗相等，此时变电所的负荷功率，器并联运行时有功损耗相等，此时变电所的负荷功率，称为称为临界功率临界功率，即，即)1()(nTnTPPSNljPPnnSS0)