电力系统分析课件(共12章)第一章电力系统的基本概念

1.电力系统概述

第一章电力系统的基本概念电力系统分析问题引入：电力系统概述电,阴阳激耀也。——《说文》物理学名词[electricity]。电是能的一种形式,包括负电和正电两类,它们分别由电子和质子组成,通常以静电单位(如静电库仑)或电磁单位(如库仑)度量,从摩擦生电物体的吸引和排斥上可以观察到它的存在,通常以电流的形式得到利用。早在公元前６世纪，古希腊哲学家泰勒斯就发现了摩擦后的琥珀能够吸引碎草等轻小物体的现象，即摩擦生电现象电力系统概述相比于其他的能源形式，电能具有清洁、高效、便于转换、易于控制等突出优点，因而电被广泛运用于人类生产生活的方方面面。你了解“电”吗？你知道“电”是如何发、供、用的吗？这就是本课程将要告诉你的。电力系统的形成和发展1PART电力系统的形成和发展电力系统的定义系统：由若干个相互关联，相互作用的事物组成的整体，完成某一或某些特定的功能的整体。电力系统：由发电、输电、配电、用电设备组成的整体，完成电能的生产、传输、分配、利用功能的整体系统。电力系统的形成和发展电力系统的发展历程1831年，法拉第发现了电磁感应定律1865年，麦克斯韦在法拉第等人关于电、磁现象基本规律研究工作的基础上，创立了麦克斯韦方程组1882年爱迪生在美国纽约构建了第一座直流配电系统1886年西屋公司发展交流电力系统1896年尼亚加拉大瀑布水电站发电输送到２０英里之外的布法罗，至此以威斯汀豪斯和特斯拉为代表的交流派完胜了以爱迪生为代表的直流派，第一轮交直流之争落下帷幕。现代电力系统2PART现代电力系统与100多年前电力系统的雏形相比，现代电力系统不仅在输电电压、输送距离、输送功率等方面有了千百倍的增长，而且在电源构成、负荷成分等方面也有了很大变化。2019年，我国发电量达7.325万亿ｋＷｈ，约占全球发电量的１/４；我国人均发电量约为5232kWh，大约为全球人均发电量的２倍。近几十年来，为了应对大规模利用化石能源导致的全球气候变化，大力开发太阳能、风能、潮汐能、地下热能等可再生能源发电成为新的趋势，2019年，我国风电、光伏发电装机容量都超过２亿kW，双双位列世界第一。在负荷方面，不仅电动机、电灯已经广泛应用，各种新的用电装备和器具层出不穷。锅炉和反应堆分别将化学能和核能转化为热能，再通过汽轮机转化为机械能，水轮机则直接将水能转化为机械能。发电机将机械能转化为电能变压器和电力线路则变换、输送、分配电能，电动机、电热炉、电灯等负荷使用电能。在这些负荷设备中，电能又分别转化为力、热、光等其他能量形式，满足人们生产生活中各种不同的需求。现代电力系统图现代电力系统中各主要环节及相互间的联系现代电力系统电力系统的组成

电力系统：由发电机(generator)、变压器(transformer)、电力线路(transmissionline)、负荷(load)构成的具有发电、变电、输电、用电功能的系统。

电力网络：电力系统中，由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。（根据网络电压等级的不同，又可将电力网络分为输电网络和配电网络，输电网络具有较高电压等级，承担大规模远距离电能传输任务；而配电网络具有较低电压等级，承担电能分配并送达终端用户的任务。）

动力系统：电力系统＋动力部分(锅炉、汽轮机、水轮机、大坝等)。电力系统的基本参量和接线图3PART电力系统的基本参量和接线图年发电量——指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以千瓦时（kWh）、兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）为单位计。最大负荷——指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。额定频率——按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定功率为50Hz。电压等级——电压等级是一种按标准规定的电压序列。我国交流系统的电压等级为1000kV、750kV、500kV、330kV、220kV、110kV、66kV、35kV、10kV、0.4kV。高压直流输电的电压等级有±1100kV、±800kV、±500kV等。总装机容量——电力系统的总装机容量是指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和（例如，2019年全国发电装机容量达到2010.7GW（20.107亿kW）。电力系统的基本参量和接线图地理接线图——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，以及它们相互间的连接关系。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。

某城市电网的地理接线图IEEE39节点标准算例电气接线图2.电力系统运行应满足的基本要求第一章电力系统的基本概念电力系统分析电能生产和供应的特点1PART电能生产和供应的特点电能供给与社会秩序、人民生活、国家经济建设和发展紧密相关。电能难以大规模储存，因而电能的生产、输送、分配和使用几乎在同一瞬间完成。电力系统的运行、控制、保护十分复杂，电力系统的暂态过程很快，涉及能量大。运行中要保证电能质量符合要求。电力系统运行的基本要求2PART电力系统运行的基本要求电能供给关系国计民生。电能生产、输送和消耗几乎同时完成。电力系统的运行、控制、保护十分复杂。运行中要保证电能质量符合要求。电力系统运行的基本要求要求1：保证可靠持续供电供电的意外中断特别是大面积停电不仅严重影响生产生活，也可能导致社会失序等严重后果。意外停电给国民经济和社会造成的直接或间接损失远远大于电力系统本身减少供电量的损失。因此，电力系统运行必须要满足可靠、持续供电的要求。虽然保证可靠供电是对电力系统运行的首要要求，但当电力系统受到严重事故冲击等情况时，为了保障系统安全，需要切除部分负荷。为尽量减小切除负荷造成的连带损失，电力系统中依据重要性对负荷进行了分类，必须切除负荷时，先切除重要性较低的负荷。一级负荷（医院等国计民生

十分重要）二级负荷（大型的企业和工厂）三级负荷（必要时，可以停电居民用电）电力系统运行的基本要求要求2：保证系统运行的经济性电力系统运行的经济性主要与各种类型发电机的发电成本有关，在安排电力系统运行方式时，应依据发电机的成本特性，以满足负荷需求且总发电成本最小为目标优化分配各发电机承担的发电功率。电能在变换、输送、分配时不可避免产生损耗。2019年全国的线路损失率为5.9%，虽然百分数不大，但折合成电能损失的绝对值就相当可观，为4321亿kWh，超过4个三峡电站的年发电量。因此，在电力系统运行中，应该通过优化运行方式尽可能降低网络中的电能损耗。煤耗率（从发电侧考虑，电厂合理安排出力）网损率（从网侧考虑，系统的运行方式）电力系统运行的基本要求要求3：保证良好的电能质量频率额定频率：50Hz频率偏差：Δf＜±0.2Hz电压电压偏差：Δu＜±5%三相平衡度：2%波形质量波形畸变率＜5%380V4%6-10kV3%35-66kV2%110kV电力系统运行的基本要求要求4：环保电力系统的运行需要满足节能与环保要求，如实行水火电联合经济运行，最大限度地节省燃煤和天然气等一次能源。将火力发电释放到大气中的二氧化硫、二氧化氮等有害气体控制在最低水平，大力发展风力发电、太阳能发电等可再生能源发电，实现可持续发展。3.电力系统的接线方式和额定电压等级第一章电力系统的基本概念电力系统分析接线方式及其特点1PART电力系统的接线方式1、无备用接线无备用接线的网络中，每一个负荷只能靠一条线路取得电能优点：简单、经济、运行方便缺点：供电可靠性差适用范围：二级等不重要负荷电力系统的接线方式2：有备用接线优点：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电气设备的额定电压要求2PART电气设备的额定电压要求电能的输送方式直流还是交流？为什么要升压？为什么要降压？

电压等级

电气设备的额定电压要求交流输电的电压等级为了便于规范电力生产和输送个环节的质量标准，国家规定了一系列电压等级供选用。用于输电的电压等级有

1000kV750kV500kV330kV220kV电气设备的额定电压要求交流输电的电压等级交流配供电的电压等级110kV60kV35kV

10kV 6kV380V电气设备的额定电压要求不同电压等级的特点电气设备的额定电压要求交流输电线的输电能力——承载能力曲线0-80km:发热限制80-320km:压降限制

(ΔU<5%)320-960km:稳定限制

(30%裕度)电气设备的额定电压要求典型电压等级的输电功率极限（MW）：80km160km480km960km230kV42028014070500kV300020001000500电气设备的额定电压要求设备额定电压设定的基本原则用电设备额定电压＝系统额定电压Un发电机的额定电压＝105%Un变压器一次绕组＝Un~105%Un变压器二次绕组＝105%~110%Un同一标称电压下，不同电气设备的额定电压是不同的1、用电设备允许偏差±5%2、线路首末端允许偏差10%1.05UN0.95UNU2U1UN3、发电机在首端：额定电压高出接入电网电压5%电气设备的额定电压要求常见的额定电压等级4.电力系统分析课程的内容和相关研究工具第一章电力系统的基本概念电力系统分析电力系统分析课程的定位和主要内容1PART电力系统分析课程的定位和主要内容课程定位电力系统分析课程是电气工程及其自动化专业的主要专业基础课，在教学计划中起着承前启后的作用。本课程的先修课程包括“电路”“电机学”“自动控制理论”等。本课程将为后续课程“发电厂电气部分”“电力系统继电保护”以及课程设计、毕业设计奠定理论基础。本课程主要介绍电力系统分析中主要的、具有基础性的概念、理论和方法。对于当今电力系统发展的一些新动态，在部分章后编写了一些辅助阅读材料加以简要介绍。电力系统分析课程的定位和主要内容本书主要内容电力系统运行状况十分复杂。为了便于分析，需对电力系统的运行状态进行划分。在电力系统正常运行（非故障扰动）阶段，电力系统的运行状态几乎是连续变化的，在短时段内变化幅度较小，因此可以对某一时段取其平均状态来表示这一时段运行的一般特点。电力系统运行的稳态是指系统的变量保持不变的一种抽象的运行状态。在电力系统的故障阶段，由于故障的冲击和网络的切换，造成运行变量的大幅度甚至不连续变化，不能采用平均化的方式表达系统运行特点。电力系统运行的暂态是指电力系统由于故障冲击和网络切换带来的运行状态大幅度变化的过程。电力系统分析课程的定位和主要内容本书的各章内容及分类电力系统研究工具简介2PART电力系统研究工具简介《电力系统分析》课程习题用扩展计算平台（EPSCPS）简介为了帮助同学们更好地学习相关知识，更深入