电力系统分析(完整版)

电力系统分析电气工程系2024/5/121课程简介什么是电力系统？电力系统工程学科包括哪些内容？学习《电力系统分析》课程要能完成什么工作？三大计算：潮流

短路稳定2024/5/122课程简介课程内容教学进度考查方式联系方法2024/5/123课程内容电力系统的基本概念电网等值电力系统潮流计算电力系统运行方式的调整和控制电力系统故障分析电力系统稳定性分析2024/5/124课程内容先修课程电路原理电磁场电机学2024/5/125教学进度总学时数：56~64课堂教学：48~52实践环节：8~12学时分配电力系统的基本概念：2~3电网等值：8~10电力系统潮流计算：10~12电力系统运行方式的调整和控制：10电力系统故障分析：10~12电力系统稳定性分析：8~102024/5/126考查方式教学部分作业：10%考勤：10%闭卷考试：60%实践部分：20%2024/5/127联系方法授课教师：江宁强办公室：基础实验楼338电话：84315147Email:2024/5/128目录第一章电力系统的基本概念第二章电网等值第三章电力系统潮流计算第四章电力系统运行方式的调整和控制第五章电力系统故障分析第六章电力系统稳定性分析2024/5/129第一章电力系统的基本概念1.1电力系统概述1.2我国的电力系统小结2024/5/12101.1电力系统概述1.1.1电力系统的形成和发展1.1.2电力系统的组成1.1.3电力系统的特点和运行的基本要求1.1.4电力系统的基本参量和接线图1.1.5电力系统的接线方式和中性点接地方式2024/5/12111.1.1电力系统的形成和发展电磁感应定律

法拉第，1831世界上第一个完整的电力系统

1882，法国三相变压器和三相异步电动机

1891直流电力系统和交流电力系统

爱迪生和西屋2024/5/12121.1.2电力系统的组成电力系统

发电厂、输电和配电网络、用户电网、电力系统和动力系统一次设备和二次设备2024/5/12131.1.3电力系统的特点和运行

的基本要求电力系统的特点

1电能与国民经济各部门、国防和日常生活之间的关系都很密切

2对电能质量的要求比较严格

3电能不能大量储存

4电力系统中的暂态过程十分迅速运行的基本要求

1可靠性可以满足用户的用电需求：不断电，频率、电压、波形

质量符合要求

负荷按供电可靠性要求分为三类

2安全性保证系统本身设备的安全。

要求电源容量充足，电网结构合理

3经济性

%%4减小对环境的不利影响2024/5/12141.1.4电力系统的基本参量、

接线图衡量电力系统规模的基本参量

总装机容量——额定有功功率之和

年发电量

最大负荷

最高电压等级接线图

地理接线图、电气接线图2024/5/12151.1.5电力系统的接线方式和中性点接地方式接线方式无备用接线特点：简单、经济、运行方便灵活。

供电可靠性差，电能质量差有备用接线特点：供电可靠，电能质量高

运行操作和继电保护复杂，经济性差中性点接地方式（小接地方式和大接地方式）不接地供电可靠性高，绝缘成本高。<35kv电网经消弧线圈接地减小接地电流。采用过补偿方式直接接地供电可靠性低，绝缘成本低。>110kv电网2024/5/12161.2我国的电力系统（1）4个发展阶段

195x：城市电网

196x：省网

1970~1990：区域电网

1990~：区域电网互联电力系统的规模

2004400GW

2010535GW

2020790GW2024/5/12171.2我国的电力系统（2）电压等级（KV）发电机

3.15,6.3,10.5,15.75,23.0用电设备

3,6,10,35,110,220,330,500,750(60,154已不再发展）

3企业内部6、10配电电压（6用于高压电机负荷）

110、220:高压。110：区域网，中小电力系统主干线

220：大电力系统主干线

330、500、750:超高压>750:特高压提高输电电压的利弊：减小载流截面和线路电抗，利于提高线路功率极限和稳定性，增加绝缘成本2024/5/12181.2我国的电力系统（3）电力系统的电压与输电容量和输电距离

线路电压(kv)输送容量(MV)输送距离(km)60.1~0.24~15100.2~2.06~20352~1020~5011010~5050~150220100~500100~300330200~800200~6005001000~1500250~8502024/5/12191.2我国的电力系统（4）额定电压：发电机、变压器、用电设备等正常运行时最经济的电压在同一电压等级中，电力系统的各个环节（发电机、变压器、电力线路、用电设备）的额定电压各不相同。某一级的额定电压是以用电设备为中心而定的。用电设备的额定电压是其他元件的参考电压。

用电设备端压允许在额定电压UN的5%内波动输电线路的额定电压为线路的平均电压

[UN(1+5%)+UN(1-5%)]/2=UN2024/5/12201.2我国的电力系统（5）发电机的额定电压UN(1+5%)变压器的额定电压为变压器两侧的额定电压，以变比表示为k=U1N/U2N一次侧

直接与发电机相连：U1N

=UN(1+5%)<35kv

联络（相当于用电设备）：U1N

=UN二次侧相当于发电机

空载U2N

=UN(1+5%)

带负载U2N

=UN(1+10%)（内部压降约5%）

Us%<7.5或直接连负载时U2N

=UN(1+5%)2024/5/1221例题确定图中电力系统各元件的额定电压GMT1T2T3T410kv110kv35kv10kv6kv380vXG:10.5kvT1:10.5/121kvT2:110/38.5/11kv

T3:35/6.3kvT4:10kv/400vM:6kvL:380v2024/5/12221.2我国的电力系统（6）我国电力工业发展的指导思想继续续发展煤电厂，提高能源效率，减小环

境污染加速水力资源的开发利用和水电厂的建设发展核电技术并适度发展核电厂开发风力和潮汐等可再生能源加速建设输、配、变电工程，西电东送，促

进区域电网互联，并最终形成全国电力系统2024/5/1223第一章小结电力系统由发电机、电网和用户组成，是动力系统的一部分。由于电能不能大量储存、暂态过程迅速，为保证可靠性、安全性和经济性要求，需要合理地对电力系统进行规划、设计、运行调度和故障恢复。在同一电压等级中，电力系统的各个环节的额定电压各不相同。某一级的额定电压是以用电设备为中心而定的。电力系统分析的任务是建立电力系统

的等值模型，计算稳态潮流，并确定

故障和扰动对系统的影响。2024/5/1224第二章电网等值2.1概述2.2输电线路的等值电路2.3变压器和电抗器的等值电路2.4电力网的等值电路2.5标么制小结2024/5/12252.1概述问题：怎样将电力系统用一个电网络来

表示？本章计算电力线路和变压器的等值电路假定系统的三相结构和三相负荷都完全对称，即讨论三相电流和电压的正序分量。2024/5/12262.2输电线路的等值电路

2.2.1输电线路的种类架空线路

由导线、避雷线、杆塔、绝缘子、金具组成电力电缆

包括三部分：导体、绝缘层、保护层2.2.2架空线路的等值电路

分布参数与集中参数单回线路分裂导线2024/5/1227单回线路的等值电路（1）有效电阻

交流电阻，一般大于直流电阻。

原因：集肤效应和临近效应电力网计算中常采用较大的电阻率。

原因：绞线长度比导线长度大2~3%，

实际截面小于额定截面，

交流电阻略大于直流电阻。电阻（20℃）铜0.00382/℃铝0.0036/℃

2024/5/1228单回线路的等值电路（2）电抗导线流过交流电流时，由于导线的内部和外部交变磁场的作用而产生电抗。循环换位的三相输电线路每相导线单位长度的电抗为2024/5/1229单回线路的等值电路（3）Deq

为三相导线间的互几何间距r

为导线的计算半径μr

为导线材料的相对导磁系数，有色金属的相对导磁系数为1第一项为外电抗，第二项为内电抗2024/5/1230单回线路的等值电路（4）导线电抗与r成对数关系。对不同截面的导线，当Deq为常数时，电抗变化不大，工程上常取x0=0.4Ω/km。Ds为导线的自几何均距

非铁磁材料单股线Ds=0.779r

非铁磁材料多股线Ds=0.724~0.771r

钢芯铝线Ds=0.77~0.9r,计算中常取0.81r2024/5/1231单回线路的等值电路（5）电纳由导线间的电容和导线与大地间的电容决定。电容电纳

电缆线路的电纳比架空线路大得多2024/5/1232单回线路的等值电路（6）电导反映由电晕现象和绝缘子泄露引起的有功功率损耗电晕：导线周围的电场强度超过2.1kv/cm时，导线周围会发生空气电离现象，产生光环，发出放电声。

危害：消耗电能、干扰通信、表面腐蚀电晕产生的有功功率损耗称为电晕损耗。110kv以上线路与电压有关的有功功率损耗主要由电晕损耗引起。2024/5/1233单回线路的等值电路（7）架空线路产生电晕的临界线电压，m1:导线表面光滑系数。单股线=1，对绞线=0.83~0.87m2：气象系数。干燥晴朗=1，恶劣天气=0.8δ

：空气相对密度b：大气压力（Pa）(一个大气压为101325帕)

θ

：空气温度（℃）2024/5/1234单回线路的等值电路（8）关于电晕损耗的测量和计算是《高电压技术》讨论的内容。输电线路电晕损耗（包括泄漏损耗）对应的电导为2024/5/1235单回线路的等值电路（8）线路方程及等值电路

线路每相的等值参数是沿线路均匀分布的。lxdx2024/5/1236单回线路的等值电路（9）距离线路末端x处，压降和电流增量为2024/5/1237单回线路的等值电路（10）线路的传播系数

实部反映行波振幅的衰减特性，

虚部反映行波相位的变化特性线路的特征阻抗（也称波阻抗）2024/5/1238单回线路的等值电路（11）无损线路的自然功率

自然功率用来衡量线路的输电能力，一般20kv以上线路的输电能力大致接近自然功率行波波长

¼波长时（1500km），两端相位差90°2024/5/1239单回线路的等值电路（12）线路的Π

型等值电路

x=l时，2024/5/1240单回线路的等值电路（13）Z=Z1l，Y=Y1l

2024/5/1241单回线路的等值电路（14）等值电路短线路（<35kv,<100km的架空线路、短电缆线路）

中等长度线路（110~330kv,100~300km架空线路、<100km电缆线路）2024/5/1242单回线路的等值电路（15）长线路（>330kv,>300km架空线路、>100km电缆线路）2024/5/1243分裂导线采用分裂导线可增加导线的等值半径电阻减小电抗减小

电导减小2024/5/1244分裂导线电纳增大

电晕临界电压增大2024/5/12452.3变压器和电抗器的等值电路双绕组三相变压器

等值电路参数归算到变压器的一侧，用哪一侧的额定电压，结果就归算到哪一侧2024/5/12462.3变压器和电抗器的等值电路三绕组三相变压器用等值的Y/Y接线来分析，并用一相等值电路来反映三相运行情况额定容量比有三类：

100/100/100，100/100/50，100/50/100

各绕组的容量比按电压从高到低排列。三绕组变压器的容量指容量最大的绕组的容量。其他绕组的容量是相对于该绕组的容量而言。2024/5/12472.3变压器和电抗器的等值电路电阻

额定容量比为100/100/100时2024/5/12482.3变压器和电抗器的等值电路上述的Pk与额定容量相对应。额定容量比为100/100/50，100/50/100时，厂方给出的各绕组间铜耗指容量较小的绕组达到本身的额定电流时的损耗，需归算到额定容量下。2024/5/12492.3变压器和电抗器的等值电路额定容量比为

100/50/100100/100/502024/5/12502.3变压器和电抗器的等值电路电抗（厂方一般提供已折算数据）2024/5/12512.3变压器和电抗器的等值电路励磁支路导纳2024/5/12522.3变压器和电抗器的等值电路双绕阻单相变压器

铭牌给出的容量、损耗都是一相的数值，计算参数时，要乘以3，UN仍用线电压。三绕阻单相变压器

与双绕阻单相变压器一样，SN,PK，P0都乘以3，UN仍用线电压。2024/5/12532.3变压器和电抗器的等值电路自耦变压器

等值电路与三绕阻变压器相同。第三绕阻容量较小，一般短路数据未经折算。2024/5/12542.3变压器和电抗器的等值电路电抗器2024/5/12552.4电力网的等值电路基本级

多电压级网中各元件处于不同的电压等级，元件参数在所处电压等级求得，需归算到同一个电压等级——称为基本级

K:向基本级一侧的电压/待归算一侧的电压2024/5/12562.5标么制有名制与标么制

标么值=有名值/基准值基准值

线电压和三相功率

相电压和单相功率2024/5/1257第二章小结电力线路电阻、电抗、电导、电纳的物理意义和计算方法。线路电晕临界电晕电压的计算方法变压器等值电路参数的计算方法。多电压级网络参数和变量的归算方法标么值的定义和计算方法2024/5/1258第三章电力系统潮流计算3.1电力网的电压降落和功率损耗3.2输电线路的运行特性3.3简单网络的潮流计算3.4电力系统潮流的计算机算法小结2024/5/12593.1电力网的电压降落和功率损耗3.1.1电压降落

元件两端电压的相量差。

U1=U2+dU2

U2=U1-dU1纵分量和横分量2024/5/12603.1电力网的电压降落和功率损耗电压损耗两端电压的数值差

电压偏移实际电压余额定电压之差(百分比)

电压调整线路末端空载电压与负载电压之差功率损耗

阻抗支路

对地支路

线路

变压器2024/5/12613.2输电线路的运行特性空载运行特性

忽略电阻和电导时线路末端电压高于始端电压

输电线路的传输功率极限

2024/5/12623.2输电线路的运行特性因为没有有功功率损耗，所以线路输送的有功功率

无功功率（忽略第一式的横分量）2024/5/12633.2输电线路的运行特性提高线路输送能力的途径提高线路的电压等级代价大减小线路的电抗分裂导线串联电抗器2024/5/12643.3简单网络的潮流计算辐射型网络

例简单环形网络

循环功率的计算

例2024/5/12653.4电力系统潮流的计算机算法3.4.1网络方程式

节点电压方程：方程个数少于回路个数

节点类型：PQ,PV,平衡节点

节点导纳矩阵：n节点系统nxn矩阵

功率平衡方程：求有功、无功功率偏差

牛顿-拉夫森法：在解附近二次收敛

修正方程：求节点电压修正量2024/5/1266第三章小结本章的重点内容为电压降落、电压损耗、电压偏移、电压调整、运算负荷功率、运算电源功率等概念电力线路和变压器中电压降落和功率损耗的计算辐射型网和简单环网的潮流分布计算牛顿-拉夫森法计算复杂电力系统潮流2024/5/1267第四章电力系统运行方式

的调整和控制4.1电力系统有功功率和频率调整4.2电力系统无功功率和电压调整小结2024/5/12684.1电力系统有功功率和频率调整有功功率和频率调整的基本概念电力系统的频率特性电力系统的频率调整各类发电厂的合理组合电力系统有功功率的经济分配2024/5/12694.1.1有功功率和频率调整的基本概念频率变化对电力系统的影响频率与有功功率平衡有功负荷的变化及其调整备用容量2024/5/12704.1.2电力系统的频率特性负荷的P-f静态特性发电机组的P-f静态特性电力系统的P-f静态特性2024/5/12714.1.3电力系统的频率调整频率的一次调整频率的二次调整互联系统的频率调整2024/5/12724.1.4各类发电厂的合理组合各类发电厂的特点各类发电厂在日负荷曲线上的负荷分配2024/5/12734.1.5电力系统有功功率的经济分配发电机组的耗量特性经济分配的目标函数和约束条件等微增量准则多个发电厂间的负荷经济分配一个火电厂和一个水电厂间的有功负荷最优分配2024/5/12744.2电力系统无功功率和电压调整电压调整的必要性电力系统的无功功率平衡电力系统的电压管理与调整电力系统综合调压电力系统无功功率的最优分配2024/5/12754.2.1电压调整的必要性额定电压2024/5/12764.2.2电力系统的无功功率平衡电压水平取决于无功功率的平衡无功功率负荷和无功功率损耗无功功率电源无功功率平衡无功平衡与电压水平2024/5/12774.2.3电力系统的电压管理与调整电力系统允许的电压偏移中枢点的电压管理电力系统的电压调整2024/5/12784.2.3电力系统的电压调整改变发电机端电压调压变压器调压固定变比变压器有载调压变压器加压调压变压器无功功率补偿调压并联补偿串联补偿2024/5/12794.2.4电力系统综合调压2024/5/12804.2.5电力系统无功功率的最优分配2024/5/1281第四章小结2024/5/1282第五章电力系统故障分析故障类型：简单故障/复合故障

短路故障/断路故障5.1电力系统短路的基本知识5.2电力系统对称故障分析5.3电力系统不对称故障分析小结第五章电力系统故障分析2024/5/12835.1电力系统短路的基本知识5.1.1短路短路的类型短路的主要原因短路的危害5.1.2计算短路电流的目的选择电器设备，继电保护的设计和整定比较和选择系统主接线图确定限制短路电流的措施2024/5/12845.2电力系统对称故障分析5.2.1恒定电势源电路的三相短路暂态过程三项短路时，只有周期分量是对称的，各项短路电流的非周期分量不等。非周期分量为最大值或零值的情况只可能在一相出现。非周期电流越大，短路电流最大瞬时值越大。非周期电流有最大初值的条件：Im-Ipm在t=0时与t轴平行，且有最大可能值。2024/5/12855.2电力系统对称故障分析短路冲击电流：短路电流的最大可能瞬时值，用于检验电器设备的电动力稳定度。短路后回路阻抗角一般约90度，因此非周期电流有最大初值的条件为：空载，合闸角为0。概念：冲击系数短路电流有效值和最大有效值

用于检验电气设备的断流能力和耐力强度短路容量：用于检验开关的切断能力。常只用电流的周期分量来计算，是一个求解稳态正弦交流电路的问题。2024/5/12865.2电力系统对称故障分析5.2.2同步电机的三相短路同步电机的基本方程理想发电机电势方程和磁链方程:派克方程无阻尼绕阻同步电机的三相短路暂态电抗和暂态电势有阻尼绕阻同步电机的三相短路次暂态电抗和次暂态电势2024/5/12875.2电力系统对称故障分析5.2.3三相短路的实用计算基本假设常用变换起始次暂态电流和冲击电流的计算短路电流周期分