第四章電力系統(tǒng)及其自動化技術一、電力系統(tǒng)的組成

圖1第一節(jié)電力系統(tǒng)的基本概念一、電力系統(tǒng)的組成發(fā)電機把機械能轉變?yōu)殡娔?，電能?jīng)變壓器和電力線路傳送并分配到用戶，在那里經(jīng)電動機、電爐、電燈等用電設備又將電能轉變?yōu)闄C械能、熱能、光能等。由這些生產、變換、傳送、分配、消耗電能的電氣設備(發(fā)電機、變壓器、電力線路及各種用電設備等)聯(lián)系在一起組成的統(tǒng)一整體就是電力系統(tǒng)，如圖1所示。與“電力系統(tǒng)”一詞相關的還有“電力網(wǎng)”和“動力系統(tǒng)”。前者指電力系統(tǒng)中除去發(fā)電機和用電設備外的部分；后者指電力系統(tǒng)和發(fā)電廠動力部分的總和。所以，電力網(wǎng)是電力系統(tǒng)的一個組成部分，而電力系統(tǒng)又是動力系統(tǒng)的一個組成部分，三者的關系也示于圖l中。

二、發(fā)電廠發(fā)電廠是生產電能的核心，擔負著把不同種類的一次能源轉換成電能的任務。依據(jù)使用的一次能源不同，發(fā)電廠可分為許多類型。例如：燃燒煤、石油、天然氣發(fā)電的火力發(fā)電廠；利用水力能發(fā)電的水力發(fā)電廠；利用核能發(fā)電的核動力發(fā)電廠。二、發(fā)電廠

1、火力發(fā)電廠火電廠的主要發(fā)電設備包括鍋爐、汽輪機和發(fā)電機，其輔助設備有冷凝器、給水加熱器、各種水泵、磨煤機、除氧器、煙囪及各種量測與控制設備。凝汽式燃煤火電廠的生產過程如圖2所示。

圖2凝汽式火電廠生產過程示意圖二、發(fā)電廠1、火力發(fā)電廠原煤從煤礦運到電廠后，先存入原煤倉，隨后由輸煤皮帶運進原煤斗，從原煤斗落入球磨機中被磨成很細的煤粉，再由排粉機抽出，隨同熱空氣送入鍋爐的燃燒室進行燃燒。燃燒放出的熱量一部分被燃燒室四周的水冷壁吸收，一部分加熱燃燒室頂部和煙道入口處的過熱器中的蒸汽，余下的熱量則被煙氣攜帶穿過省煤器、空氣預熱器傳遞給這兩個設備內的水和空氣。煙氣經(jīng)過除塵器凈化處理，由吸風機導入煙囪，被排入大氣。燃燒時生成的灰渣和由除塵器收集下來的細灰，用水沖進沖灰溝排出廠外。二、發(fā)電廠1、火力發(fā)電廠燃燒用的助燃空氣，經(jīng)送風機進入空氣預熱器中加熱，加熱后，一部分被送往磨煤機作為干燥和運送煤粉的介質，大部分送入燃燒室參與助燃。水、蒸汽是把熱能轉化成機械能的重要介質。凈化后的給水，先送進省煤器預熱，繼而進入汽包，由汽包降入水冷壁管中吸收燃燒室的熱能后蒸發(fā)成蒸汽。蒸汽通過過熱器時，再次被加熱，變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸汽。過熱蒸汽經(jīng)主蒸汽管道進入汽輪機膨脹做功，推動汽輪機轉子轉動，將熱能轉變?yōu)闄C械能。做完功的蒸汽在凝結器中被冷卻凝結成水。凝結水經(jīng)除氧器去氧、加熱器加熱后再用給水泵重新送入省煤器預熱，便可作為工質繼續(xù)循環(huán)使用。二、發(fā)電廠

1、火力發(fā)電廠凝結器需要的冷卻水由循環(huán)水泵送入，冷卻水在凝結器中吸熱之后，流回冷卻塔散熱，然后，再經(jīng)循環(huán)水泵供給凝結器。汽輪機轉子轉動帶動發(fā)電機轉子旋轉，在發(fā)電機中又把機械能轉換成電能。發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過變壓器升高電壓后送入高壓電力網(wǎng)。二、發(fā)電廠

2、水力發(fā)電廠水力發(fā)電廠是利用河流所蘊藏的水力能資源來發(fā)電，水力能資源是最干凈、價廉的能源。水力發(fā)電廠的容量大小決定于上下游的水位差(簡稱水頭)和流量的大小。因此，水力發(fā)電廠往往需要修建攔河大壩等水工建筑物以形成集中的較高水位差，并依靠大壩形成具有一定容積的水庫，以調節(jié)河水流量。根據(jù)地形、地質、水能資源特點等的不同，水力發(fā)電廠的形式是多種多樣的。

2、水力發(fā)電廠水力發(fā)電廠的生產過程要比火力發(fā)電廠簡單，如圖3所示。由攔河壩維持在高水位的水，經(jīng)壓力水管進入螺旋形蝸殼，推動水輪機轉子旋轉，將水能變?yōu)闄C械能。水輪機轉子再帶動發(fā)電機轉子旋轉，使機械能變成了電能。而做完功的水則經(jīng)過尾水管排往下游。發(fā)電機發(fā)出的電，經(jīng)變壓器升壓后由高壓輸電線送至用戶。圖3水電廠生產過程示意圖二、發(fā)電廠

2、水力發(fā)電廠水利發(fā)電廠的優(yōu)勢：首先，水利發(fā)電廠的生產過程較簡單，故所需的運行維護人員較少，且易于實現(xiàn)全盤自動化。其次，水力發(fā)電廠不消耗燃料，故電能成本要比火力發(fā)電廠低得多。此外，水力機組的效率較高，承受變動負載的性能較好，故在系統(tǒng)中的運行方式較為靈活。水力機組啟動迅速，在事故時能有力地發(fā)揮其后備作用。再者，隨著水力發(fā)電廠的興建往往還可以同時解決發(fā)電、防洪、灌溉、航運等多方面的問題，從而實現(xiàn)河流的綜合利用，使國民經(jīng)濟取得更大效益。水力發(fā)電廠的另一個優(yōu)點是不像火力發(fā)電廠、核能發(fā)電廠那樣存在環(huán)境污染問題。二、發(fā)電廠

2、水力發(fā)電廠水利發(fā)電廠的劣勢：由于水力發(fā)電廠需要建設大量的水工建筑物，所以相對于火電廠來說，建設投資大，工期較長，使用勞力也較多。特別是水庫還將淹沒一部分土地，給農業(yè)生產帶來一定不利影響。水力發(fā)電廠的運行方式還受到氣象、水文等條件的影響，有豐水期、枯水期之別，發(fā)電出力不如火電廠穩(wěn)定，也給電力系統(tǒng)的運行帶來一定不利因素。

二、發(fā)電廠3、核能發(fā)電廠核能是一種新的能源，也是可望長期使用的能源。所以，自1954年世界上第一座核電廠投入運行以來，許多國家紛紛建設核電廠。核電廠建設的速度最快。核能發(fā)電的基本原理：核燃料在反應堆內產生核裂變，即所謂鏈式反應，釋放出大量熱能，由冷卻劑(水或氣體)帶出，在蒸汽發(fā)生器中將水加熱為蒸汽。然后，同一般火力發(fā)電廠一樣，用蒸汽推動汽輪機，再帶動發(fā)電機發(fā)電。冷卻劑在把熱量傳給水后，又被泵打回反應堆里去吸熱，這樣反復使用，就可以不斷地把核裂變釋放的熱能引導出來。核能發(fā)電廠與火力發(fā)電廠在構成上最主要區(qū)別是前者用核一蒸汽發(fā)電系統(tǒng)來代替后者的蒸汽鍋爐，所以核電廠中的反應堆又被稱為原子鍋爐

。

二、發(fā)電廠

3、核能發(fā)電廠核能發(fā)電廠的特點和問題：核能發(fā)電廠的主要優(yōu)點之一是可以大量節(jié)省煤、石油等燃料。核能發(fā)電廠的另一個特點是燃燒時不需要空氣助燃，所以核能電廠可以建設在地下、山洞里、水下或空氣稀薄的高原地區(qū)。核能發(fā)電廠的主要問題是放射性污染。但隨著科學技術的發(fā)展，將會變得越來越安全。

二、發(fā)電廠

3、核能發(fā)電廠目前大多數(shù)商業(yè)運行的核電廠屬于水堆型，包括壓水堆、沸水堆和重水堆。正在研究開發(fā)中的有快中子增殖堆和高溫氣冷堆核電廠。壓水堆核電廠的構成和生產過程如圖4所示。

(a)壓水堆核電廠(b)壓水堆核電廠系統(tǒng)示意圖

圖4核電廠第一節(jié)電力系統(tǒng)的基本概念

二、發(fā)電廠4、其他能源發(fā)電新能源發(fā)電主要有風能發(fā)電、太陽能發(fā)電、地熱能發(fā)電、潮汐能發(fā)電等。風力發(fā)電：風力發(fā)電是通過風力發(fā)電機組將風能轉化成機械能，再轉化為電能。太陽能發(fā)電：太陽能發(fā)電方式主要可分為光熱發(fā)電和光電發(fā)電兩種方式。光熱發(fā)電是用反光鏡集熱產生蒸汽，再用汽輪機來發(fā)電；光電發(fā)電是用光電池直接把太陽能轉化為電能。地熱能發(fā)電：通過熱流體將地下熱能攜帶到地上，經(jīng)過專門的裝置將熱能轉換為電能。潮汐發(fā)電：利用潮汐具有的能量轉變成機械能，再轉化成電能。此外還有生物能、波浪能、海洋溫差能等。從遠景發(fā)展來看，還有聚變能、氫能等。

三、輸配電系統(tǒng)（一）三相交流輸配電系統(tǒng)1、電力網(wǎng)的結構圖5電力網(wǎng)結構電力網(wǎng)由輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)組成。大型電力網(wǎng)的結構通常以電壓等級進行分層見圖5。

三、輸配電系統(tǒng)（一）三相交流輸配電系統(tǒng)1、電力網(wǎng)的結構輸電網(wǎng)的作用：輸電網(wǎng)主要是將遠離負載中心的發(fā)電廠的大量電能經(jīng)過變壓器升高電壓，通過高壓輸電線，送到鄰近負載中心的樞紐變電站。同時，輸電網(wǎng)還有聯(lián)絡相鄰電力系統(tǒng)和聯(lián)系相鄰變電站的作用，或向某些容量特大的用戶直接供電。輸電網(wǎng)的額定電壓通常為220～750kV或更高，它的結構與電力系統(tǒng)運行的安全性及經(jīng)濟性關系極大，是整個電力系統(tǒng)的骨架或主干電網(wǎng)。

三、輸配電系統(tǒng)（一）三相交流輸配電系統(tǒng)

1、電力網(wǎng)的結構

配電網(wǎng)的作用：配電網(wǎng)可分為高壓、中壓和低壓配電網(wǎng)。高壓配電網(wǎng)的電壓一般為35～110kV或更高，中壓配電網(wǎng)的電壓一般為6～20kV，它們將來自變電站的電能分配到眾多的配電變壓器，以及直接供應中等容量的用戶，低壓配電網(wǎng)的電壓為380/220V，用于向數(shù)量很大的小用戶供電

。電力網(wǎng)的結構與電壓等級、電源和負載點的容量和數(shù)目、它們之間的地理位置以及可靠性要求等因素有關。

三、輸配電系統(tǒng)1、電力網(wǎng)的結構

放射式a是一種最簡單的電網(wǎng)結構，運行調度和控制最為方便，但單回線路供電可靠性不高。

鏈式b結構是放射式的擴展，但可靠性低于放射式。

環(huán)式c結構有較好的可靠性與經(jīng)濟性，但當某一線路退出運行后，電壓質量可能較差。

圖6電力網(wǎng)基本結構

三、輸配電系統(tǒng)1、電力網(wǎng)的結構具有多個電源的電力網(wǎng)有環(huán)式d和串鏈式e兩種常用的結構，兩者均有很高的可靠性。但多個閉環(huán)結構電力網(wǎng)的調度和控制(包括繼電保護)比較復雜，短路電流水平也較高。輸電網(wǎng)通常采用這兩種結構或它們的組合，其中環(huán)式結構對各發(fā)電廠間聯(lián)系較強，運行穩(wěn)定性一般較好；串鏈式結構對各發(fā)電廠間聯(lián)系較弱，運行穩(wěn)定性相對較差。

圖6電力網(wǎng)基本結構

三、輸配電系統(tǒng)1、電力網(wǎng)的結構

干線式f投資最省但可靠性很差，只適用于負載密度小、可靠性要求不高的配電網(wǎng)。

網(wǎng)格式

g結構適用于負載密度很大，電壓質量和可靠性要求很高的城市配電網(wǎng)

。

圖6電力網(wǎng)基本結構

三、輸配電系統(tǒng)1、電力網(wǎng)的結構

電力網(wǎng)結構的設計：（1）電力網(wǎng)結構對電力系統(tǒng)運行的安全性、經(jīng)濟性、電能質量以及調度控制的方便性和靈活性等均有很大的影響。特別是主干網(wǎng)絡，要采用電氣聯(lián)系強的結構，包括采用較高的電壓等級，以提高穩(wěn)定性，保證各種運行方式下主干線路有足夠的輸電能力。同時，要盡量簡化結構，提高調度控制的方便性和靈活性，還要注意限制短路電流水平。對于交流遠距離輸電線路，如果輸電能力受到限制，還可考慮直流輸電方案。當穩(wěn)定性有問題或調度控制有困難或短路容量太大時，也可考慮應用直流聯(lián)絡線分隔交流電力網(wǎng)。

三、輸配電系統(tǒng)1、電力網(wǎng)的結構

電力網(wǎng)結構的設計：（2）當穩(wěn)定性有問題或調度控制有困難或短路容量太大時，也可考慮應用直流聯(lián)絡線分隔交流電力網(wǎng)。對于低一級電壓的電力網(wǎng)，應力求采用簡單的結構，實行分片供電，限制短路容量。同時，要避免高、低壓線路經(jīng)過變壓器形成環(huán)網(wǎng)，以簡化繼電保護，加強穩(wěn)定性。通常要針對具體的電力系統(tǒng)，提出若干個電力網(wǎng)結構方案，逐個進行潮流、穩(wěn)定、保護控制和短路電流研究以及經(jīng)濟分析，經(jīng)過技術經(jīng)濟比較，最后確定最佳的結構。

三、輸配電系統(tǒng)

（一）三相交流輸配電系

2、電力系統(tǒng)電壓等級電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電、配電以及用電等設備都是按一定的標準電壓設計和制造的，在這一標準電壓下運行，設備的技術性能和經(jīng)濟指標將達到最好，這一標準電壓稱為額定電壓。我國國家標準規(guī)定的電力網(wǎng)絡的額定線電壓為：0.38、3、6、10、35、63、110、220、330、500、750（kV）。電網(wǎng)電壓及合理的電壓系列選擇是—個涉及面極廣的綜合性問題，除應考慮送電容量、距離、運行方式等多種因素外，還應根據(jù)動力資源的分布及工業(yè)布局等遠景發(fā)展情況，進行全面的技術經(jīng)濟比較。

三、輸配電系統(tǒng)2、電力系統(tǒng)電壓等級

選擇電力網(wǎng)電壓等級的原則是：（1）選定的電壓等級應符合國家標準。（2）根據(jù)我國電力工業(yè)發(fā)展迅速的特點，電壓等級不宜過多，以便減少變電重復容量，同一地區(qū)、同—電網(wǎng)內，應盡可能簡化電壓等級。但電壓級差也不宜太小。根據(jù)國外經(jīng)驗，110kV以下(或稱電網(wǎng)配電電壓等級)，電壓差一般在3倍以上；110kV及以上(或稱電網(wǎng)輸電電壓等級)，電壓差—般在2倍左右。（3）我國現(xiàn)有電網(wǎng)的電壓等級配置大致分為兩類，即110／220／500kV或110／330kV。220kV以下的電壓等級的配置為10／63／220kV及10／35／110／220kV兩種系列

三、輸配電系統(tǒng)2、電力系統(tǒng)電壓等級下表給出了電網(wǎng)額定電壓與相應傳輸功率和傳輸距離的關系電力系統(tǒng)額定電壓/kV輸送方式傳輸功率/MW傳輸距離/km0.38架空線0.10.250.38電纜0.1750.353架空線0.1~13~16架空線0.2~210~36電纜3小于810架空線0.2~320~510電纜5小于1035架空線2~1050~20110架空線10~50150~50220架空線100~500300~100330架空線200~1000600~200500架空線1000~1500850~250750架空線2000~2500500以上

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線

什么是變電站？變電站是電力網(wǎng)中的線路連接點，是用以變換電壓、交換功率和匯集、分配電能的設施。變電站中有不同電壓的配電裝置，電力變壓器，控制、保護、測量、信號和通信設施，以及二次回路電源等。有些變電站中還由于無功平衡、系統(tǒng)穩(wěn)定和限制過電壓等因素，裝設有并聯(lián)電容器組、并聯(lián)電抗器、靜止無功補償裝置、串聯(lián)電容補償裝置、同步調相機等

。

變電站的分類：按變電站在電力系統(tǒng)中的位置、作用及其特點劃分，變電站的主要類型有樞紐變電站、區(qū)域變電站、地區(qū)變電站、終端變電站、用戶變電站和地下變電站。變電站的名稱通常是按其最高一級電壓來命名的，例如某500kV變電站等

。

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線什么是變電站電氣主接線？變電站的電氣主接線是由變電站內的電氣設備按照電能輸送和分配的要求連接組成的電路。什么是電氣主接線圖？電氣主接線圖用以表示電氣設備相互之間的連接關系，以及本變電站(或發(fā)電廠)與電力系統(tǒng)的電氣連接關系，通常以單線圖表示。主接線圖中表示的主要電氣設備有哪些？發(fā)電機、電力變壓器、斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、接地裝置以及各種無功補償裝置等。

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線常用的電氣主接線方式有：單母線接線，單母線分段接線，單母線分段帶旁路母線接線，橋形接線，雙母線接線，雙母線分段接線，雙母線帶旁路母線接線，雙母線分段帶旁路母線接線，一個半斷路器接線，三分之四斷路器接線，雙斷路器接線，多角形接線等。

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線

圖7單母線接線圖8橋型接線

(a)內橋(b)外橋

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線

圖9雙母線分段接線圖10雙母線帶旁路母線接線

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線電氣主接線中有時還包括發(fā)電廠或變電站的自用電部分，常稱作自用電接線

。電氣主接線形式主要根據(jù)變電站或發(fā)電廠在電力系統(tǒng)中的地位和作用予以選定，應滿足電力系統(tǒng)的安全運行與經(jīng)濟調度的要求，根據(jù)規(guī)劃容量、供電負載、電力系統(tǒng)短路容量、線路回路數(shù)以及電氣設備特點等條件加以確定，并應具有相應的可靠性、靈活性和經(jīng)濟性。

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線下面以單母線接線方式為例來說明斷路器、刀閘等元件的操作原理，并舉例說明發(fā)電廠及變電站的電氣主接線。（1）單母線接線單母線接線如圖，進線是電源，出線指線路，如WL1，WL2，WL1，WL1，進線和出線統(tǒng)稱回路。匯流母線W是進線和出線之間的中間環(huán)節(jié)，起匯集和分配電能的作用，進出線在母線上并列工作。每條線路一般裝有斷路器QF，因為斷路器具有滅弧裝置，可以斷開、閉合負荷電流和故障電流。

單母線接線

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線（1）單母線接線斷路器兩側裝有隔離開關QS，緊靠母線側的隔離開關稱為母線隔離開關，靠線路側的稱為線路隔離開關。隔離開關由于沒有滅弧結構，不能開斷負荷電流和短路電流。安裝隔離開關的目的是在線路停運后用隔離開關隔開電源，這樣當檢修線路或斷路器時，形成一個檢修人員也能看見的、明顯的“斷開點”。這樣萬一斷路器的合分閘指示器失靈，對檢修人員也是安全的。

QF1靠發(fā)電機側可以不裝隔離開關，這樣QF1檢修，發(fā)電機需停機。QS4又稱接地刀閘，在隔離電源，檢修線路或設備前將其合上使線路與地等電位，防止忽然來電，確保檢修時的人身安全。

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線（1）單母線接線運行操作必須嚴格遵守操作順序：如WL1送電時，在QS4斷開的情況下，先合上QS2和QS3，再投入斷路器QF2；如欲停止對WL1供電，須先斷開QF2，如線路或斷路器QF2需檢修，再斷開QS3和QS2。待線路對方停電后，再合上QS4接地刀閘

。單母線接線的特點：單母線具有簡單、清晰、設備少的優(yōu)點，但當母線故障或檢修或隔離開關檢修時，整個系統(tǒng)全部停電，因此這種接線只適用于單電源的發(fā)電廠和變電所，且出線回路數(shù)少，用戶對供電可靠性要求不高的場合。對重要的供電用戶一般采用雙母線接線或者帶旁路的接線方式。

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線（2）發(fā)電廠及變電站的電氣主接線舉例

圖11大型火電廠電氣主接線圖

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線（2）發(fā)電廠及變電站的電氣主接線舉例發(fā)電廠及變電站的電氣主接線是由基本接線形式，再考慮一些因素綜合而成的。圖11是某大型火電廠的主接線。該廠裝了6臺300MW大型機組，發(fā)電機與雙繞組變壓器組成單元接線，分別與220kV、500kV升高電壓母線連接，220kV側采用具有專用旁路斷路器的雙母帶旁母接線，500kV側是一臺半斷路器接線，在兩個升高電壓間設有一臺有載調壓的聯(lián)絡變壓器，其第三繞組作為廠用啟動備用電源

。

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線（2）發(fā)電廠及變電站的電氣主接線舉例圖12熱電廠主接線圖

三、輸配電系統(tǒng)3、變電站及其電氣主接線（2）發(fā)電廠及變電站的電氣主接線舉例圖12是一熱電廠主接線，發(fā)電機電壓母線采用雙母分段，帶分段電抗器，每一分段接一臺發(fā)電機，發(fā)電機電壓等級可直接供近區(qū)地方用戶。發(fā)電機電壓母線上的剩余功率經(jīng)兩臺三繞組變送入35kV和110kV系統(tǒng)，35kV側僅兩進兩出，故采用橋型接線。廠內3號機采用單元接線與110kV母線相連，使發(fā)電廠接線簡單清晰。

三、輸配電系統(tǒng)（一）三相交流輸配電系

4、變電站的主要設施變電站的主要設施包括：配電裝置，電力變壓器，控制設備，保護自動裝置，通信設施，補償裝置等

。

三、輸配電系統(tǒng)4、變電站的主要設施（1）配電裝置：它是交換功率和匯集、分配電能的電氣裝置的組合設施。它包括有母線、斷路器、隔離斷路器、電壓互感器、電流互感器和避雷器等。配電裝置是按照變電站電氣主接線的要求進行布置的，其布置方式有屋外式和屋內式兩種，屋外式布置中又有中型、半高型和高型等不同型式。

6～10kV配電裝置通常采用屋內式，

35kV配電裝置可以根據(jù)具體情況采用屋內式或屋外式，

110kV及以上配電裝置通常采用屋外式。在污穢地區(qū)或場地狹窄處，110～220kV配電裝置則采用屋內式。氣體絕緣金屬封閉斷路器設備(GIS)則同時具有占地少和防污穢等優(yōu)點，它也有屋內式和屋外式兩種。

三、輸配電系統(tǒng)4、變電站的主要設施（2）電力變壓器是變換電壓的設備：它連接著不同電壓的配電裝置，習慣稱為變電站的主變壓器。變壓器的分類及應用：凡降低電壓向地區(qū)或用戶供電的變壓器稱作降壓變壓器；凡升高電壓向電力網(wǎng)送電的變壓器稱作升壓變壓器。變電站中有兩種或三種電壓的配電裝置時，則分別采用雙繞組或三繞組變壓器。當不同電壓配電裝置之間需交換功率時，可以采用聯(lián)絡變壓器。聯(lián)絡變壓器一般為自耦變壓器或雙繞組變壓器，如果需要從聯(lián)絡變壓器取得自用電電源時，則需采用三繞組變壓器，從其低壓繞組上引接自用電電源。變電站自用電源也可以直接從自耦變壓器的低壓繞組上引接

。

三、輸配電系統(tǒng)4、變電站的主要設施（3）控制、測量、信號、保護和自動裝置：它們是保證電氣設備安全運行的監(jiān)控和保護手段。各種設施介紹：

控制，有一對一控制和選線控制等方式，其電源有強電(110～220V)和弱電(48V及以下)之分。

保護，有主設備保護和線路保護、母線保護幾類。

測量，有常規(guī)測量和選擇測量兩類，可顯示各種所需電氣計量。

信號，有聲響信號和燈光信號兩種，也有強電和弱電之分。自動裝置，當電氣設備出現(xiàn)不正常運行情況時，自動裝置及時自動完成保證安全運行的操作，例如備用電源自動投入裝置和自動重合器等。

三、輸配電系統(tǒng)4、變電站的主要設施（3）控制、測量、信號、保護和自動裝置：上述各種設施一般設在變電站主控制樓(室)內?？刂坪捅Ｗo設施均由變電站二次回路電源供電。二次回路電源包括有蓄電池直流電源、復式整流電源、電容儲能電源和交流二次電源幾種。220kV及以上變電站中采用蓄電池直流電源，110kV及以下不重要的變電站中通常采用其他種類的二次回路電源

。

三、輸配電系統(tǒng)4、變電站的主要設施（4）通信設施：有微波通信、載波通信和光纖通信幾種。330kV及以上變電站中通常設置微波通信、載波通信和光纖通信，220kV及以下變電站中只設載波通信和光纖通信。在變電站中一般不建單獨的通信樓，通信設施放在主控制樓(室)的通信室內

。（5）補償裝置：電力網(wǎng)內無功功率要求就地平衡。為了平衡變電站供電范圍內的無功功率，在變電站內裝設并聯(lián)電容器組或同步調相機；為了補償遠距離輸電線路的充電功率，需要在變電站內裝設并聯(lián)電抗器；為了增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高線路輸電能力，有時還需要在變電站中裝設串聯(lián)電容器組。

三、輸配電系統(tǒng)（二）直流輸電系統(tǒng)

直流輸電的簡單介紹：直流輸電是以直流方式實現(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g。直流輸電與交流輸電相互配合，發(fā)揮各自的特長，構成現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)。在以交流輸電為主的電力系統(tǒng)中，直流輸電具有特殊的作用。除了在采用交流輸電有困難的場合必須采用直流輸電外，在電力系統(tǒng)中，它還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)運行性能并方便其運行和管理。直流輸電有兩端(也稱端對端)直流工程、多端直流工程、背靠背直流工程、交直流并聯(lián)輸電等類型。在發(fā)電和用電均為交流電的情況下，要進行直流輸電，必須解決換流問題，即在送端需將交流電變換為.直流電(整流)，由直流輸電線路送到受端，然后再將直流電變換為交流電(逆變)，送入受端交流電網(wǎng)使用。集成門極換相晶閘管(IGTA)和碳化硅等新型半導體器件的開發(fā)，給直流輸電技術的發(fā)展創(chuàng)造了更好的條件

。

三、輸配電系統(tǒng)（二）直流輸電系統(tǒng)

1、直流輸電系統(tǒng)的構成直流輸電系統(tǒng)的一次電路主要由整流站、直流線路和逆變站三部分組成。送端與受端交流系統(tǒng)與直流輸電系統(tǒng)也有密切的關系，它們給整流器和逆變器提供實現(xiàn)換流的條件，同時送端電力系統(tǒng)作為直流輸電的電源提供所傳輸?shù)墓β?，而受端則相當于負載，接受由直流輸電送來的功率。直流輸電的控制保護系統(tǒng)與交流輸電不同，它是實現(xiàn)直流輸電正常啟動和停運、正常運行、運行參數(shù)的改變和自動調節(jié)以及故障處理和保護等必不可少的組成部分。此外，為了利用大地(或海水)為回路，大部分直流輸電工程還有接地極和接地極引線。因此，直流輸電系統(tǒng)由整流站、直流輸電線路、逆變站、控制保護系統(tǒng)以及接地極及其引線等五部分組成

。

三、輸配電系統(tǒng)（二）直流輸電系統(tǒng)

2、直流輸電的基本原理

圖13直流輸電基本原理簡圖圖13是直流輸電基本原理簡圖。它包括兩個換流站，直流輸電線路及兩端交流系統(tǒng)I和Ⅱ。當系統(tǒng)I向系統(tǒng)Ⅱ送電時，換流站1運行于整流狀態(tài)，把系統(tǒng)I送來的三相交流電變換成直流電，經(jīng)直流線路送到換流站2。此時，換流站2則運行于逆變狀態(tài)，把直流電變換為三相交流電送入系統(tǒng)Ⅱ。

三、輸配電系統(tǒng)2、直流輸電的基本原理

直流輸電電壓和功率的調節(jié)：直流輸電兩端的直流電壓可以通過改變觸發(fā)角來進行快速調節(jié)。通常是由逆變站控制直流電壓，整流站控制直流電流，從而得到一定的輸送功率。為了減小直流線路損耗，取得較好的運行經(jīng)濟性，直流電壓應保持略小于最高允許值運行，而直流功率的改變由整流站控制直流電流來實現(xiàn)。因此，直流輸送功率是可控的，這一點與交流輸電有很大的不同。

三、輸配電系統(tǒng)2、直流輸電的基本原理

直流輸電的無功調節(jié)：直流輸電線路不傳輸無功功率，但整流器和逆變器在進行換流時，均需一定量的無功功率。兩端換流站消耗的無功功率與直流輸送功率和換流器的功率因數(shù)角有關。因此，當交流系統(tǒng)需要調節(jié)無功時，可以快速改變直流輸電換流器的功率因數(shù)角或直流輸送功率來實現(xiàn)無功調節(jié)

。

三、輸配電系統(tǒng)2、直流輸電的基本原理

直流輸電的潮流反轉：直流輸電系統(tǒng)可快速方便地進行輸送功率方向的反轉(或稱潮流反轉)。由于換流閥的單向導電性，直流電流的方向不能改變，直流輸電的潮流反轉是通過改變直流電壓的極性來實現(xiàn)的。若從系統(tǒng)I向系統(tǒng)Ⅱ送電時，直流電壓為正極性，從系統(tǒng)Ⅱ向系統(tǒng)I送電時則為負極性。利用兩端控制系統(tǒng)可方便快速的改變直流電壓的極性，從而實現(xiàn)潮流反轉

。

三、輸配電系統(tǒng)（二）直流輸電系統(tǒng)

3、直流輸電的特點與應用直流輸電的主要特點與其兩端需要換流和輸電部分為直流電這兩個基本點有關。直流輸電的應用范圍取決于直流輸電技術的發(fā)展水平和電力工業(yè)發(fā)展的需要

。（1）直流輸電特點:①直流架空線路結構簡單(只需兩根導線)，造價低、損耗小。和交流輸電相比，輸送同樣的容量，直流架空線路可節(jié)省約1/3導體，其線路造價比交流線路低，并且在此條件下，直流的線路損耗也比交流低。②電纜耐受直流電壓的能力比交流電壓約高3倍以上。直流電纜輸送容量大，造價低，不易老化，壽命長。在直流電壓作用下，電纜無電容電流，可實現(xiàn)遠距離電纜送電。

三、輸配電系統(tǒng)（二）直流輸電系統(tǒng)

（1）直流輸電特點:③直流輸電本身無交流輸電的穩(wěn)定問題。對于遠距離大容量輸電，輸送功率不受穩(wěn)定極限的限制，具有良好的技術經(jīng)濟性能。

④采用直流輸電可實現(xiàn)電網(wǎng)間的非同步互聯(lián)，不增加被聯(lián)電網(wǎng)的短路容量，被聯(lián)電網(wǎng)可不同頻率或非同步獨立運行，增強各電網(wǎng)的獨立性和可靠性，運行管理也方便。⑤利用直流輸電的快速控制，可改善交流系統(tǒng)的運行性能。根據(jù)交流系統(tǒng)的需要，可快速改變直流輸送的有功和換流器消耗的無功，對交流系統(tǒng)的有功和無功平衡起快速調節(jié)作用，從而提高其頻率和電壓的穩(wěn)定性，提高電能質量和電網(wǎng)運行的可靠性。

三、輸配電系統(tǒng)（二）直流輸電系統(tǒng)

（1）直流輸電特點:⑥直流輸電采用大地為回路，直流電流向電阻率很低的大地深層流去，可很好地利用大地這個良導體。利用大地或海水為回路可提高直流輸電系統(tǒng)的運行可靠性和經(jīng)濟性。⑦直流輸電換流站比交流輸電的變電站增加了換流裝置及相關的配套設備。所采用的晶閘管換流閥，結構復雜，價格貴，且不具備自然關斷電流的能力，使換流器的性能受到限制。

三、輸配電系統(tǒng)（二）直流輸電系統(tǒng)

（1）直流輸電特點:

同時，換流器對交流側為諧波電流源，對直流側為諧波電壓源，在換流的過程中換流器還需要大量的無功功率(約為輸送容量的40%～60%)。因此，換流站必須配備相應的交、直流濾波器和無功補償設備。此外，直流電的滅弧問題，給直流斷路器的制造帶來困難，也使得多端直流輸電的發(fā)展緩慢。綜上所述，直流輸電的換流站比交流輸電的變電站結構復雜，造價高，損耗大，運行可靠性也相應較低，直流輸電換流技術還需要進一步的開發(fā)和完善。

三、輸配電系統(tǒng)（二）直流輸電系統(tǒng)

3、直流輸電的特點與應用（2）直流輸電的應用場合:①采用交流輸電在技術上有困難或不可能，只有采用直流輸電的場合，如：不同頻率電網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)或向不同頻率的電網(wǎng)送電；因穩(wěn)定問題采用交流輸電不能聯(lián)網(wǎng)時；長距離電纜送電采用交流電纜因電容電流太大而無法實現(xiàn)時等。②在技術上采用交流輸電或直流輸電均能實現(xiàn)，但采用直流輸電的技術經(jīng)濟性能比交流輸電好。對于第②種類型選用直流或交流一般是由對工程的技術經(jīng)濟論證結果來決定。

三、輸配電系統(tǒng)3、直流輸電的特點與應用直流輸電的應用范圍主要有：（1）遠距離大容量輸電。直流輸電線路的造價和運行費用均比交流輸電線路低，換流站造價和運行費用均比交電流互感器電站高。因此，對同樣的輸送容量，輸送距離越遠，直流的經(jīng)濟性能越好。一般定義為當直流線路和換流站的造價與交流線路和變電站的造價相等時的輸電距離為等價距離。也就是說對于一定的輸送功率，當輸電距離大于等價距離時，采用直流比較經(jīng)濟。（2）電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。用傳統(tǒng)的交流輸電方式聯(lián)網(wǎng)，將形成同步運行的大電網(wǎng)，可取得聯(lián)網(wǎng)效益，但也帶來一些大電網(wǎng)存在的問題，如穩(wěn)定問題，故障后可能引起的大面積停電，短路容量增大等。采用直流方式聯(lián)網(wǎng)，可以取得同樣的聯(lián)網(wǎng)效益，并且可避免大電網(wǎng)帶來的問題，同時還可以改善原交流電網(wǎng)的運行性能。

三、輸配電系統(tǒng)3、直流輸電的特點與應用直流輸電的應用范圍主要有：（3）遠距離海底電纜送電。由于遠距離大容量電纜送電采用直流比交流有明顯的優(yōu)勢，跨越海峽或向沿海島嶼的直流海底電纜工程也越來越多。（4）大城市地下電纜送電。大城市用電密度高，人口稠密，選擇高壓架空線路走廊比較困難，采用高壓直流地下電纜將電力送到大城市負載中心，具有較好的技術經(jīng)濟性，是值得考慮的選擇方式

。（5）輕型直流輸電。采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)電壓源換流器的輕型直流輸電，在向孤立的遠方負載區(qū)送電、小型水電或風力發(fā)電與主干電網(wǎng)的連接以及小容量遠距離的配電線路等場合有較強的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

四、負載什么是電力系統(tǒng)負載？電力系統(tǒng)的負載就是系統(tǒng)中各種用電設備消耗功率的總和。電力系統(tǒng)負載的分類？電力系統(tǒng)負載大致可以分為異步電動機負載、電熱負載、整流負載、照明負載等。用電負載的分類？根據(jù)行業(yè)用電的特點，用電負載也可分為工業(yè)負載、農業(yè)負載、交通運輸業(yè)負載和人民生活用電負載等。

四、負載（一）負荷曲線

電力系統(tǒng)負載隨時間變化的情況常用負載曲線來描述。所謂負載曲線，即是電力系統(tǒng)的負載功率(有功功率或無功功率)隨時間變化的關系曲線。按負載種類分，有有功功率負載曲線和無功功率負載曲線，按時間長短分，有日負載曲線和年負載曲線等，

按計量地點分，有用戶的負載曲線、電力線路的負載曲線、變電站的負載曲線、發(fā)電廠的負載曲線以及整個系統(tǒng)的負載曲線。

四、負載（一）負荷曲線

下面簡要介紹日負載曲線：圖a是電力系統(tǒng)典型的日負載曲線。為計算的方便，實際常把連續(xù)變化的曲線繪成階梯形，如圖b所示：

圖14電力系統(tǒng)負載曲線

(a)典型日負載曲線

(b)階梯型負載曲線

四、負載（一）負荷曲線

由于一日之內功率因數(shù)是變化的，在低負載時功率因數(shù)相對較低，而在高峰負載時，功率因數(shù)較高，因此無功負載曲線同有功負載曲線不完全相似。兩種曲線中相應的極值不一定同時出現(xiàn)。通常，無功功率的日負載曲線比較平緩，有功功率日負載曲線在24h內變化較大，一般在深夜呈現(xiàn)低谷，在上午和傍晚用電高峰時呈現(xiàn)峰值

。日負載曲線有三個具有代表性特征的數(shù)值，它們是：最大負載，又稱峰荷；最小負載

，又稱谷荷；平均負載。

四、負載（一）負荷曲線為了說明負載曲線的起伏程度，常引用負載率和最小負載系數(shù)兩個系數(shù)：值得注意的是：電力系統(tǒng)中各用戶的日最大負載、最小負載一般都不會出現(xiàn)在同一時刻。因此，全系統(tǒng)的最大負載總是小于各用戶最大負載之和，而全系統(tǒng)的最小負載總是大于各用戶最小負載之和。

四、負載（二）負荷特性什么是負載特性？電力系統(tǒng)負載取用的功率一般是隨系統(tǒng)的運行參數(shù)(主要是電壓和頻率)的變化而變化的，反映這種變化規(guī)律的曲線或數(shù)學表達式稱為負載特性。什么是負載的電壓靜態(tài)特性？當頻率維持額定值不變時，負載功率與電壓的關系稱為負載的電壓靜態(tài)特性。什么是負載的頻率靜態(tài)特性？當負載端電壓維持額定值不變時，負載功率與頻率的關系稱為負載的頻率靜態(tài)特性?！办o態(tài)”，是指這些關系是在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)下確定的。各類用戶的負載特性依其用電設備的組成情況而不同，一般通過實測確定。

四、負載

：（二）負荷特性

圖156kV綜合中小工業(yè)負載的靜態(tài)特性

(a)電壓特性；（b）頻率特性

四、負載（二）負荷特性

電力系統(tǒng)的負載特性可以用來分析有功、無功負載變化對電壓、頻率的影響，與研究調壓、調頻的措施有著直接的關系。第二節(jié)電力系統(tǒng)分析概論一、概述

電力系統(tǒng)分析是運用數(shù)字仿真計算或模擬試驗的方法，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)方式和受到擾動后的暫態(tài)行為進行考察的分析研究。對規(guī)劃、設計的電力系統(tǒng)，通過電力系統(tǒng)分析，可選擇正確的系統(tǒng)參數(shù)，制定合理的電力系統(tǒng)方案；對運行中的電力系統(tǒng)，借助電力系統(tǒng)分析，可確定合理的運行方式，進行系統(tǒng)事故分析和預想，提出防止和處理事故的技術措施。（一）電力系統(tǒng)分析的內容

電力系統(tǒng)分析包括穩(wěn)態(tài)分析、故障分析和暫態(tài)分析三方面內容。電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析主要研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行方式的性能，包括系統(tǒng)有功功率和無功功率的平衡，網(wǎng)絡節(jié)點電壓和支路功率的分布等，解決系統(tǒng)有功功率和頻率調整，無功功率和電壓控制問題。

潮流計算是進行電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的主要方法。潮流計算的結果可以給出電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行方式下各節(jié)點電壓相量和各支路功率分布。通過調整系統(tǒng)運行方式的給定條件，進行必要的潮流計算，可以研究并從中選擇經(jīng)濟上合理、技術上可行、安全可靠的運行方式，及時發(fā)現(xiàn)電力網(wǎng)元件如變壓器和線路過負載、母線電壓越限等異常工況并做出適當處理。潮流計算還是考慮負載電流的短路電流計算和穩(wěn)定計算的基礎，為這些計算提供初始運行方式。

電力系統(tǒng)故障分析電力系統(tǒng)故障分析主要研究電力系統(tǒng)中發(fā)生單一或多重故障(包括短路和非正常操作)時，故障電流、電壓及其在電力網(wǎng)中的分布。

短路電流計算是故障分析的主要內容。短路電流計算的目的，是通過計算短路電流大小，確定短路故障的嚴重程度，選擇電氣設備參數(shù)，整定繼電保護，分析系統(tǒng)中正序、負序及零序電流的分布，從而確定其對電氣設備和系統(tǒng)的影響等。

電力系統(tǒng)暫態(tài)分析

電力系統(tǒng)暫態(tài)分析主要研究電力系統(tǒng)受到擾動后的電磁和機電暫態(tài)過程，包括電磁暫態(tài)過程分析和機電暫態(tài)過程分析。

電磁暫態(tài)過程分析主要研究電力系統(tǒng)故障和操作過電壓及諧振過電壓，一次與二次系統(tǒng)相互作用的控制暫態(tài)過程，以及電力電子設備的快速暫態(tài)過程，為變壓器、斷路器等高壓電氣設備和輸電線路的絕緣配合和過電壓保護的選擇，降低或限制電力系統(tǒng)過電壓技術措施的制定，以及電力電子控制設備的設計提供依據(jù)。電力系統(tǒng)暫態(tài)分析

機電暫態(tài)過程分析主要研究電力系統(tǒng)受到大擾動后的暫態(tài)穩(wěn)定和受到小擾動后的靜態(tài)穩(wěn)定性能。其中暫態(tài)穩(wěn)定分析是研究電力系統(tǒng)受到諸如短路故障，切除或投入線路、發(fā)電機、負載，發(fā)電機失去勵磁或者沖擊性負載等大擾動作用下，電力系統(tǒng)的動態(tài)行為和保持同步穩(wěn)定運行的能力。為選擇規(guī)劃設計中電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構，校驗和分析運行中電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和穩(wěn)定破壞事故，制定防止穩(wěn)定破壞的措施提供依據(jù)。靜態(tài)穩(wěn)定分析是研究電力系統(tǒng)受到小擾動后的穩(wěn)定性能，為確定輸電系統(tǒng)的輸送功率，分析靜態(tài)穩(wěn)定破壞和低頻振蕩事故的原因，選擇發(fā)電機勵磁調節(jié)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和其他控制調節(jié)裝置的型式和參數(shù)提供依據(jù)。近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模擴大和互聯(lián)程度的提高，長過程穩(wěn)定分析和電壓穩(wěn)定分析作為機電暫態(tài)過程分析的組成部分得到了進一步發(fā)展。（二）電力系統(tǒng)分析的工具電力系統(tǒng)分析的工具主要有網(wǎng)絡分析儀、電力系統(tǒng)模擬裝置、電子數(shù)字計算機及計算分析應用軟件等。運用電子數(shù)字計算機計算分析軟件對電力系統(tǒng)進行數(shù)值計算和仿真是電力系統(tǒng)分析的主要方法。隨著計算機硬件和軟件技術的進步，用計算機對電力系統(tǒng)進行分析的方法和應用軟件得到迅速發(fā)展，在應用范圍、分析計算的規(guī)模和速度等方面都達到了前所未有的程度?？梢苑治鲇嬎憔哂袛?shù)千條甚至數(shù)萬條母線和線路的電力系統(tǒng)的大型電力系統(tǒng)分析軟件已在實際電力系統(tǒng)分析中得到廣泛應用。隨著計算機技術的進步，采用先進數(shù)字處理技術的電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真裝置于20世紀90年代后期開始得到迅速發(fā)展。然而由于計算速度和系統(tǒng)規(guī)模的限制，當前還只適合于小規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真，用于電磁暫態(tài)過程的分析和繼電保護等實際裝置性能的校驗等。（三）電力系統(tǒng)分析方法的發(fā)展

電力系統(tǒng)分析的理論研究和計算機的廣泛應用，促進了電力系統(tǒng)分析方法的進步和發(fā)展。理論研究成果為電力系統(tǒng)分析建立了堅實的理論基礎，如1918年，C.L福蒂斯丘(C.L.Fotescue)提出的對稱分量法，將三相交流電力系統(tǒng)的三個相量分解為正序、負序、零序三序對稱分量，用于三相交流電力系統(tǒng)不對稱故障和操作下電壓、電流的計算，為現(xiàn)代電力系統(tǒng)網(wǎng)絡分析提供了重要的方法依據(jù)。又如，20世紀20年代后期，R．派克(R．Park)在同步電機雙反應理論的基礎上，提出用dq0坐標系統(tǒng)表示的同步電機基本方程即派克方程。它描述了同步電機的電壓、電流、磁鏈等電磁量與轉矩、轉速等機械量之間的相互關系，奠定了同步電機暫態(tài)分析的基礎。

（三）電力系統(tǒng)分析方法的發(fā)展電力系統(tǒng)分析方法的進步與電子數(shù)字計算機在電力系統(tǒng)分析中的應用密切相關。電力系統(tǒng)是規(guī)模巨大的網(wǎng)絡系統(tǒng)，即使只計算超高壓電力網(wǎng)，其網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)也會達到數(shù)以千計的程度。因此，如何快速、準確地求解網(wǎng)絡問題的大規(guī)模方程式，是使用計算機分析電力系統(tǒng)的首要難題。20世紀60年代后期，發(fā)展了利用電力網(wǎng)絡導納矩陣的稀疏性，配合電力網(wǎng)節(jié)點編號優(yōu)化的程序技巧，既能使計算速度顯著提高，又能節(jié)省

計算機存儲容量。這一網(wǎng)絡方程的求解方法應用于電力系統(tǒng)潮流和穩(wěn)定計算后，計算速度明顯提高，解題能力大為增強，促使電力系統(tǒng)分析軟件在20世紀60年代末至70年代初期間全面更新，推動了計算機在電力系統(tǒng)分析中更為廣泛的應用。

（三）電力系統(tǒng)分析方法的發(fā)展

20世紀90年代以來，電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，給電力系統(tǒng)分析提出了若干新的課題，對電力系統(tǒng)分析方法和軟件技術的進一步發(fā)展提出了新的要求：①電力市場的發(fā)展趨勢，改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運行管理模式，要求采用新的電力系統(tǒng)分析方法，并促使電力系統(tǒng)技術分析與經(jīng)濟分析相結合。②電力電子技術在輸電和配電領域中的應用，如靈活交流輸電裝置的投入，要求電力系統(tǒng)機電暫態(tài)分析與電磁暫態(tài)分析相結合。③大電網(wǎng)連鎖反應事故的威脅，要求進行長過程穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定性分析，并與暫態(tài)穩(wěn)定分析相結合。④為實現(xiàn)大電網(wǎng)在線分析，要求研究更快速的分析方法，解決快速性與精確度的矛盾。⑤電力系統(tǒng)中一、二次控制設備和系統(tǒng)的多樣化，要求提供更精確的數(shù)學模型和自定義的建模方法。⑥隨著對電力系統(tǒng)分析準確性要求的提高，對分析所采用的模型精度和原始數(shù)據(jù)準確性的要求也越來越高。面對新的形勢和要求，對電力系統(tǒng)分析的理論和方法的研究還需要不斷深入進行。二、電力系統(tǒng)數(shù)學模型簡介

（一）電力網(wǎng)等值電路與網(wǎng)絡方程

電力網(wǎng)元件等值電路是組成電力網(wǎng)的各元件的計算用等值電路。由各元件等值電路連接組成的電力網(wǎng)等值電路用于電力系統(tǒng)各種穩(wěn)態(tài)和機電暫態(tài)過程的計算分析。輸電線路和變壓器是電力網(wǎng)的主要元件，它們的等值電路是電力網(wǎng)等值電路的主要組成部分。

1.電力線路的等值電路

三相對稱的電力線路可用單相線路來等值。線路始端(設標號為1)和末端(設標號為2)之間電壓、電流的關系可用兩端口或稱四端網(wǎng)絡方程式來描述。1.電力線路的等值電路

長度不超過100km的超高壓架空線路可視為短線路。一般短線路的線路導納可略去不計。等值電路中串聯(lián)的線路總阻抗Z＝R+jX（見圖16）。相應于四端網(wǎng)絡通用常數(shù)A、B、C和D為：

A=1；B=Z；C=0；D=1

圖16短線路等值電路

1.電力線路的等值電路

長度為100～300km的超高壓架空線路和不超過100km的電纜線路為中等長度線路。其等值電路有Π形和T形兩種形式，如圖17a,b所示。其中常用的是Π形等值電路。在Π形等值電路中，除串聯(lián)的線路總阻抗Z=R+jX外，還將線路的總導納Y=jB分為兩半，分別并聯(lián)在線路的始端和末端。在T形等值電路中，線路的總導納集中在中間，而線路的總阻抗則分為兩半，分別串聯(lián)在它的兩側。

Π形等值電路的四端網(wǎng)絡通用常數(shù)為：

A=ZY/2+1；B=Z；C=Y(ZY/4+1)；D=ZY/2+1T形等值電路的四端網(wǎng)絡通用常數(shù)為：

A=ZY/2+1；B=Z（ZY/4+1）；C=Y；D=ZY/2+1

圖17長線路的等值電路1.電力線路的等值電路

長度超過300km的超高壓架空線路和超過100km的電纜線路為長線路。其等值電路仍可用圖17a,b所示的Π形和T形等值電路圖表示。但須計入分布參數(shù)特性，電路圖中分別以、代替集中參數(shù)阻抗

、導納。對Π形等值電路：

對T形等值電路：

1.電力線路的等值電路以上兩種等值電路的四端網(wǎng)絡通用常數(shù)為：以上各式中分別為線路的特性阻抗和傳播常數(shù)；分別為單位長度線路的阻抗和導納；L為線路長度。2.變壓器等值電路

雙繞組變壓器的Γ形等值電路如圖18所示。圖中為變壓器高低壓兩個繞組的阻抗，其中為電阻，為漏電抗。為勵磁支路阻抗。圖中G-jB是以導納形式表示的勵磁支路，G為電導，B為電納。

圖18雙繞組變壓器的等值電路

三繞組變壓器的等值電路如圖19所示。圖中，，分別為3個繞組的等值阻抗，為勵磁支路的導納。

圖19三繞組變壓器的等值電路

在不計變壓器勵磁回路時，變壓器的等值電路只由繞組阻抗和串聯(lián)回路組成。考慮變壓器的非額定變比，可在串聯(lián)回路中增加一變比為K的理想變壓器，如圖a所示。相應的四端網(wǎng)絡Π形等值電路見圖b，四端網(wǎng)絡方程為：

不計勵磁回路、具有非額定變比的雙繞組變壓器等值電路（a）等值電路示意圖；（b）Π形等值電路3.電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡方程

將線路、變壓器的等值電路連接起來就形成了電力網(wǎng)絡的等值電路。用數(shù)學方法描述網(wǎng)絡各節(jié)點電壓和各節(jié)點注入電流之間關系的方程式，稱為電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡方程，其最常見的形式之一是用節(jié)點導納矩陣表示的節(jié)點電壓方程，n個節(jié)點網(wǎng)絡的方程形式如下：

式中為節(jié)點電壓；為節(jié)點注入電流；由元素組成的系數(shù)矩陣為節(jié)點導納矩陣。3.電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡方程節(jié)點導納矩陣節(jié)點導納矩陣的非對角元素

(i≠j)為節(jié)點i、j之間互導納，即支路導納的負值，其計算式為：

式中為節(jié)點i、j之間支路的導納；為支路阻抗。若i、j之間無直接支路相連，則＝0。節(jié)點導納矩陣的對角元素為節(jié)點自導納，等于與該節(jié)點相連接的各支路導納之和：

式中為節(jié)點i對地支路的導納。3.電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡方程節(jié)點導納矩陣通常電力網(wǎng)節(jié)點導納矩陣有如下特點：（1）節(jié)點導納矩陣是一個對稱的方陣，矩陣的非對角元素。（2）節(jié)點導納矩陣是一個零元素很多的稀疏矩陣。由于網(wǎng)絡中的相鄰節(jié)點之間只有通過支路才具有直接相連接的關系，而平均一個節(jié)點只與2～3個節(jié)點直接相連，因而矩陣中大量的非對角元素為零。通常大型電力網(wǎng)節(jié)點導納矩陣中的零元素可達90％以上。3.電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡方程節(jié)點阻抗矩陣節(jié)點導納矩陣的逆矩陣稱為節(jié)點阻抗矩陣。以節(jié)點阻抗矩陣表示的電力網(wǎng)絡方程的形式為：

式中為節(jié)點電壓；為節(jié)點注入電流；由元素，，，，，，，，，，組成的系數(shù)矩陣為節(jié)點阻抗矩陣。節(jié)點阻抗矩陣與節(jié)點導納矩陣的互逆關系可由下式表示：可知，任一列節(jié)點阻抗矩陣元素都可由節(jié)點導納矩陣方程解出，以第I列為例：

3.電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡方程節(jié)點阻抗矩陣節(jié)點阻抗矩陣元素的物理意義可表述為：網(wǎng)絡中節(jié)點i注入單位電流時，網(wǎng)絡各節(jié)點電壓即為節(jié)點阻抗矩陣第i列值。通常電力網(wǎng)節(jié)點阻抗矩陣有如下特點：（1）節(jié)點阻抗矩陣是一個對稱的方陣。矩陣的非對角元素。（2）節(jié)點阻抗矩陣是一個沒有零元素的滿矩陣。

電力系統(tǒng)分析計算曾廣泛應用節(jié)點阻抗矩陣方程求解網(wǎng)絡。對于已知節(jié)點注入電流求解節(jié)點電壓的計算，用節(jié)點阻抗矩陣方程可迅速求出結果；用節(jié)點阻抗矩陣方程迭代求解潮流問題，收斂性好。然而由于節(jié)點阻抗矩陣是對稱的滿矩陣，對計算機的存儲量需求大，已逐漸為以節(jié)點導納矩陣為基礎的稀疏矩陣算法中的稀疏矩陣替代。采用以節(jié)點導納矩陣為基礎稀疏矩陣算法求取節(jié)點阻抗矩陣某列元素，用以進行有關計算是電力系統(tǒng)短路電流計算、復雜故障計算、暫態(tài)穩(wěn)定計算和靜態(tài)穩(wěn)定計算經(jīng)常采用的方法。（二）同步電機模型

同步電機數(shù)學模型是表示同步電機的電壓、電流、磁鏈等電磁量與轉矩、轉速等機械量之間相互關系的數(shù)學表達式。它是進行同步電機及電力系統(tǒng)動態(tài)分析的基礎。電力系統(tǒng)常用的同步電機數(shù)學模型由同步電機的電路方程及轉子運動方程兩部分組成。同步電機電路方程又分為基本方程和導出模型兩類。同步電機基本方程表示電壓、電流與各繞組磁鏈之間以及轉矩與電流、磁鏈之間的關系；導出模型為在一定假設條件下，以電動勢替換磁鏈，表示電壓、電流與電動勢之間的關系。轉子運動方程表示轉矩與轉速之間的關系。同步電機電路方程可以用不同的坐標系統(tǒng)來表示，其中最常用的是dq0坐標系統(tǒng)。在dq0坐標系統(tǒng)下可以做出同步電機的相量圖及等值電路。1.同步電機相量圖及等值電路

用復數(shù)矢量來表示隨時間正弦變化的各相電壓、電動勢、電流、磁鏈(時間相量)以及在空間作正弦分布的磁密與磁通勢(空間向量)，并把它們按一定規(guī)律畫在一起，就構成了同步電機的相量圖。它是分析同步電機運行的有力輔助工具，也叫時空相量圖。穩(wěn)定運行時，由于三相對稱，可只畫出一相的量。時空相量圖中，一般取時間參考軸與A相繞組的空間軸線重合，電流時間相量與磁通勢空間向量重合。因此，在相量圖中，定子電流的d、q軸分量反映了定子電流在d、q軸產生的磁通勢。根據(jù)磁鏈不變原理，可以用恒定模型來研究瞬變過程，用、恒定模型來研究超瞬變過程。在這些模型中，定子電壓、電流及各電動勢之間的關系可以用相量圖表示，即應用分析穩(wěn)態(tài)的方法來近似地研究瞬變及超瞬變過程。圖21（a）給出了穩(wěn)態(tài)及瞬變過程的相量關系。超瞬變過程中的相量關系也可以用類似方法得到。1.同步電機相量圖及等值電路

（b）（c）（d）

（a）圖21同步電機相量圖及等值電路

(a)相量圖；(b)用電壓源表示的等值電路；(c)用發(fā)出的功率表示的等值電路；

(d)用發(fā)出的有功功率和機端電壓表示的等值電路

1.同步電機相量圖及等值電路

當發(fā)電機d、q軸電抗相等(或可以認為相等)時，發(fā)電機等值電路如圖21(b)所示，其中及的含義視具體情況而異，分別稱它們?yōu)榘l(fā)電機的電動勢和發(fā)電機的電抗

。在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析時，發(fā)電機一般可以用兩個變量來表示，即用它發(fā)出的有功功率P和無功功率Q的大小表示；或以發(fā)電機發(fā)出的有功功率P和它的端電壓U的大小來表示，同時給出發(fā)電機允許發(fā)出的最大、最小無功功率Qmax及Qmin，如圖

21(c)和

(d)所示。暫態(tài)分析時，一般采用如圖

(b)所示等值電路。（b）（c）（d）2.轉子運動方程同步電機的轉子運動方程的形式為：

式中為機組慣性時間常數(shù)；為電角速度；Mm為機械轉矩；Me為電磁轉矩；D為機械阻尼系數(shù)；為轉子q軸與以同步速旋轉的坐標實軸(參考相位為零度的相應軸)之間的夾角。（三）負載模型

電力系統(tǒng)分析中負載模型主要考慮負載的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

負載靜態(tài)特性是指電力系統(tǒng)的負載在系統(tǒng)電壓和頻率緩慢變化時，負載有功功率和無功功率隨電壓和頻率變化的特性。在電力系統(tǒng)分析中常用二次多項式來近似表示負載電壓特性，其零次項相當于恒定功率負載；一次項相當于恒定電流負載；二次項相當于恒定阻抗負載，而負載頻率特性則通常取為線性函數(shù)。從而有：

式中分別為恒定阻抗、恒定電流、恒定功率負載的有功功率占負載總有功功率的百分比，且有；、

分別為以、為基準值的標幺值：

為以工頻為基準值下的標幺值。（三）負載模型若忽略負載頻率特性時，可簡化為：

對電力系統(tǒng)電壓和頻率變化比較緩慢的動態(tài)過程，可計及負載靜態(tài)特性。對于電壓和頻率變化較快的動態(tài)過程，由于負載的暫態(tài)過程一般很短暫，在精度要求不太高時，也可近似用以上兩式來模擬。在電力系統(tǒng)分析中還可以進一步近似地認為負載全部為恒定阻抗，并稱之為線性負載模型。在精度要求不高的情況下，采用線性負載模型可較大地加快計算速度。（三）負載模型負載動態(tài)特性是指在系統(tǒng)電壓和頻率快速變化時，電力系統(tǒng)的負載有功功率和無功功率隨電壓和頻率變化的特性。它主要用于電力系統(tǒng)動態(tài)分析。通常采用感應電動機模型作為負載動態(tài)模型，并將感應電動機的動態(tài)特性作為負載動態(tài)特性。電力系統(tǒng)分析中常用的感應電動機負載動態(tài)模型可分為三類：①考慮感應電動機機械暫態(tài)過程的負載動態(tài)特性；②考慮感應電動機機電暫態(tài)過程的負載動態(tài)特性；③考慮感應電動機電磁暫態(tài)過程的負載動態(tài)特性。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析中主要用前兩種負載動態(tài)特性。電力系統(tǒng)的負載模型與參數(shù)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的準確性關系較密切，不正確的負載模型與參數(shù)會導致分析結果和實際情況有較大偏差，因此正確地確定負載模型及其參數(shù)已成為電力系統(tǒng)分析的重要問題之一。三、電力系統(tǒng)潮流計算潮流計算的定義

潮流計算是按給定的電力系統(tǒng)接線方式、參數(shù)和運行條件，確定電力系統(tǒng)各部分穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)參量的計算。通常給定的運行條件有系統(tǒng)中各電源和負載節(jié)點的功率、樞紐點電壓、平衡節(jié)點的電壓和相位角。待求的運行狀態(tài)參量包括各節(jié)點的電壓及其相位角以及流經(jīng)各元件的功率、網(wǎng)絡