电力系统

电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、优质的电能。

电力系统的主体结构有电源（水电站、火电厂、核电站等发电厂），变电所（升压变电所、负荷中心变电所等），输电、配电线路和负荷中心。各电源点还互相联接以实现不同地区之间的电能交换和调节，从而提高供电的安全性和经济性。输电线路与变电所构成的网络通常称电力网络。电力系统的信息与控制系统由各种检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调度自动化系统组成。电力系统的结构应保证在先进的技术装备和高经济效益的基础上，实现电能生产与消费的合理协调。

简介

英文：power system

建立结构合理的大型电力系统不仅便于电能生产与消费的集中管理、统一调度和分配，减少总装机容量，节省动力设施投资，且有利于地区能源资源的合理开发利用，更大限度地满足地区国民经济日益增长的用电需要。电力系统建设往往是国家及地区国民经济发展规划的重要组成部分。

电力系统的出现，使用高效、无污染、使用方便、易于控制的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电力系统的规模和技术高低已成为一个国家经济发展水平的标志之一。

发展简况

车间等供电。这已经可以把其看作是一种简单的住户式供电系统。直到白炽灯发明后，才出现了中心电站式供电系统，如1882年T.A.托马斯·阿尔瓦·爱迪生在纽约主持建造的珍珠街电站。它装有6台发电机（总容量约670千瓦），用110伏电压供1300盏电灯照明。19世纪90年代，三相交流供电系统研制成功，并很快取代了直流输电，成为电力系统大发展的里程碑。

20世纪以后，人们普遍认识到扩大电力系统的规模可以在能源开发、工业布局、负荷调整、系统安全与经济运行等方面带来明显的社会经济效益。于是，电力系统的规模迅速增长。世界上覆盖面积最大的电力系统是前苏联的统一电力系统。它东西横越7000千米，南北纵贯3000千米，覆盖了约1000万平方千米的土地。

系统构成

系统的运行指组成系统的所有环节都处于执行其功能的状态。系统运行中，由于电力负荷的随机变化以及外界的各种干扰（如雷击等）会影响电力系统的稳定，导致系统电压与频率的波动，从而影响系统电能的质量，严重时会造成电压崩溃或频率崩溃。系统运行分为正常运行状态与异常运行状态。其中，正常状态又分为安全状态和警戒状态；异常状态又分为紧急状态和恢复状态。电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移。各种运行状态之间的转移需通过不同控制手段来实现。

电力系统在保证电能质量、实现安全可靠供电的前提下，还应实现经济运行，即努力调整负荷曲线，提高设备利用率，合理利用各种动力资源，降低燃料消耗、厂用电和电力网络的损耗，以取得最佳经济效益。

根据电力系统中装机容量与用电负荷的大小，以及电源点与负荷中心的相对位置，电力系统常采用不同电压等级输电（如高压输电或超高压输电），以求得最佳的技术经济效益。根据电流的特征，电力系统的输电方式还分为交流输电和直流输电。交流输电应用最广。直流输电是将交流发电机发出的电能经过整流后采用直流电传输。

系统调度

电力系统需要依靠统一的调度指挥系统以实现正常调整与经济运行，以及进行安全控制、预防和处理事故等。根据电力系统的规模，调度指挥系统多是分层次建立，既分工负责，又统一指挥、协调，并采用各种自动化装置，建立自动化调度系统。

系统。这一系统实行分级调度、分层控制。

其主要工作有：

①预测用电负荷；

②分派发电任务，确定运行方式，安排运行计划；

③对全系统进行安全监测和安全分析；

系统规划

由11%上升到26%，90年代将超过40%。为满足用户对电能不断增长的需要，必须在科学规划的基础上发展电力系统。电力系统的建设不仅需要大量投资，而且需要较长时间。电能供应不足或供电不可靠都会影响国民经济的发展，甚至造成严重的经济损失；发电和输、配电能力过剩又意味着电力投资效益降低，从而影响发电成本。因此，必须进行电力系统的全面规划，以提高发展电力系统的预见性和科学性。

制定电力系统规划首先必须依据国民经济发展的趋势（或计划），做好电力负荷预测及一次能源开发布局，然后再综合考虑可靠性与经济性的要求，分别作出电源发展规划、电力网络规划和配电规划。

在电力系统规划中,需综合考虑可靠性与经济性，以取得合理的投资平衡。对电源设备，可靠性指标主要是考虑设备受迫停运率、水电站枯水情况下电力不足概率和电能不足期望值；对输、变电设备，可靠性指标主要是平均停电频率、停电规模和平均停电持续时间。大容量机组的单位容量造价较低，电网互联可减少总的备用容量。这些都是提高电力系统经济性需首先考虑的问题。

电力系统是一个庞大而复杂的大系统，它的规划问题还需要在时间上展开，从多种可行方案中进行优选。这是一个多约束条件的具有整数变量的非线性问题，远非人工计算所能及。60年代以来出现的系统工程理论，以及计算技术的发展，为电力系统规划提供了有力的工具。

智能电力系统的发展目标

第一个层次：系统一次新技术和智能发电、用电基础技术，包括可再生能源发电技术、特高压技术、智能输配电设备、大容量储能、电动汽车和智能用电技术与产品等。

第二个层次：系统二次新技术，包括先进的传感、测量、通信技术，保护和自动化技术等。

第三个层次：电力系统调度、控制与管理技术，包括先进的信息采集处理技术、先进的系统控制技术、适应电力市场和双向互动的新型系统运行与管理技术等。

智能电力系统发展的最高形式是具有多指标、自趋优运行的能力，也是智能电力系统的远景目标。

多指标就是指表征智能电力系统安全、清洁、经济、高效、兼容、自愈、互动等特征的指标体现。

系统运行

月13日,美国纽约市的电力系统遭受雷击，由于保护装置未能正确动作，调度中心掌握实时信息不足等原因，致使事故扩大，造成系统瓦解，全市停电。事故发生及处理前后延续25小时，影响到900万居民供电。据美国能源部最保守的估计，这一事故造成的直接和间接损失达3.5亿美元。60～70年代，世界范围内多次发生大规模停电事故，促使人们更加关注提高电力系统的运行质量，完善调度自动化水平。

电力系统的运行常用运行状态来描述，主要分为正常状态和异常状态。正常状态又分为安全状态和警戒状态，异常状态又分为紧急状态和恢复状态。电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移(图3)。

电力系统在保证电能质量、安全可靠供电的前提下，还应实现经济运行，即努力调整负荷曲线，提高设备利用率，合理利用各种动力资源，降低煤耗、厂用电和网络损耗，以取得最佳经济效益。

安全状态 　指电力系统的频率、各点的电压、各元件的负荷均处于规定的允许值范围，并且，当系统由于负荷变动或出现故障而引起扰动时，仍不致脱离正常运行状态。由于电能的发、输、用在任何瞬间都必须保证平衡，而用电负荷又是随时变化的，因此，安全状态实际上是一种动态平衡，必须通过正常的调整控制（包括频率和电压──即有功和无功调整）才能得以保持。

研究开发

电力系统的发展是研究开发与生产实践相互推动、密切结合的过程，是电工理论、电工技术以及有关科学技术和材料、工艺、制造等共同进步的集中反映。电力系统的研究与开发，还在不同程度上直接或间接地对于信息、控制和系统理论以及计算技术起了推动作用。反过来，这些科学技术的进步又推动着电力系统现代化水平的日益提高。

从19世纪末到20世纪20、30年代，交流电路的理论、三相交流输电理论、分析三相交流系统的不平衡运行状态的对称分量法、电力系统潮流计算、短路电流计算、同步电机振荡过程和电力系统稳定性分析、流动波理论和电力系统过电压分析等均已成熟，形成了电力系统分析的理论基础。随着系统规模的增大，人工计算已经远远不能适应要求，从而促进了专用模拟计算工具的研制。20世纪20年代，美国麻省理工学院电机系首次研制成功机械式模拟计算机──微分仪，后来改进成为电子管、继电器式模拟计算机，以后又研制成直流计算台和网络分析仪,成为电力系统研究的有力工具。50年代以来,电子计算机技术的发展和应用，使大规模电力系统的精确、快速计算得以实现，从而使电力系统分析的理论和方法进入一个崭新的阶段。

制超导储能装置。动力蓄电池和燃料电池等新型电源设备均已有千瓦级的产品处于试运行阶段，并正逐步进入工业应用,这些研究课题有可能实现电能储存和建立分散、独立的电源，从而引起电力系统的重大变革。

在各工业部门中，电力系统是规模最大、层次很复杂、实时性要求严格的实体系统。无论是系统规划和基本建设，还是系统运行和经营管理，都为系统工程、信息与控制的理论和技术的应用开拓了广阔的园地，并促进了这些理论、技术的发展。针对电力系统的特点，60年代以来在电力系统运行的安全分析与管理中，在电力系统规划和设计中，都广泛引入了系统工程方法，包括可靠性分析及各种优化方法。电子技术、计算机技术和信息技术的进步，使电力系统监控与调度自动化发展到一个新的阶段，并在理论上和技术上继续提出新的研究课题。

常用概念

来源

水电：水库－水轮机－发电机

核电：核反应堆－汽轮机－发电机

基本概念

电力系统——是由发电厂、变电所、输电线、配电系统及负荷组成的。是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。

电力网——是由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。

动力系统——在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（例如火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）包含在内的系统。

总装机容量——指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。

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频率为50Hz。

紧急状态

负荷预测

能源布局

可用于发电的一次能源主要有河流的水力、化石燃料(煤、石油、天然气)和核燃料等。一次能源的规划决定于各种能源的储量及开发条件。

电源规划

承担系统基荷；在枯水期因水量有限而带峰荷。

由于水电机组的造价仅占水电站总投资的一小部分，近年来多倾向于在水电站中适当增加超过保证出力的装机容量（即加大装机容量的逾量），以避免弃水或减少弃水。对有条件的水电站，世界各国均致力发展抽水蓄能机组，即系统低谷负荷时，利用火电厂的多余电能进行抽水蓄能；当系统高峰负荷时，再利用抽蓄的水能发电。尽管抽水-蓄能-发电的总效率仅2/3,但从总体考虑，安装抽水蓄能机组比建造调峰机组还是经济，尤其对调峰容量不足的系统更是如此。

配电规划

信息控制

目的

才使电能的广泛应用成为现实。

任务

信息与控制子系统的作用主要在保证电力系统安全、稳定、经济地运行。

它执行以下 3项任务。

①正常运行状态的监测、记录，正常操作与调整(自动维持频率和电压等);

②异常状态及事故状态下的报警、保护、紧急控制及事故记录；

③运行管理，进行短期负荷预测，制定发电计划，实现经济调度等。

组成与运行

提高质量

电能是国民经济和人民生活极为重要的能源， 它作为电力部门向用户提供的由发电、供电、用电三方面共同保证质量的特殊商品， 其质量的好坏越来越受到关注。电能质量的技术治理与控制是改善电能质量的有效方法， 也是优质供用电的必要条件， 但电能质量具有动态性、相关性、传播性、复杂性等特点， 对电能质量的控制和提高并不是一件轻而易举的事。为确保电能质量的有效控制， 本文从电能质量的全面质量管理的技术角度对提高电能质量的方法进行了分析与探讨，努力满足电能质量的设计要求和目标， 并和同行分享。

1电能质量控制分析概述

1. 1电能质量的衡量指标

围绕电能质量的含义， 电能质量的衡量指标通常包括如下几个方面：

( l) 电压质量

偏差应是广义的，包含了幅值、波形和相位等。这个定义包括了大多数电能质量问题， 但不包括频率造成的电能质量问题， 也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。

( 2) 电流质量

反映了与电压质量有密切关系的电流的变化， 电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与电压同相位以保证高功率因数运行。这个定义有助于电网电能质量的改善， 并降低线损， 但不能概括大多数因电压原因造成的质量问题。

1. 2电能质量的影响因素

( 1) 电力负荷构成的变化

目前， 电力系统中存在大量非线性负荷: 大规模电力电子应用装置( 节能装置、变频设备等) ， 大功率的电力拖动设备、直流输出装置、电化工业设备( 化工、冶金企业的整流) 、电气化铁路、炼钢电弧炉( 交、直流) 、轧机、提升机、电石机、感应加热炉及其它非线性负荷。

( 2) 大量谐波注入电网

含有非线性、冲击性负荷的新型电力设备在实现功率控制和处理的同时， 都不可避免地产生非正弦波形电流， 向电网注入谐波电流， 使公共连接点( PCC) 的电压波形严重畸变， 负荷波动性和冲击性导致电压波动、瞬时脉冲等各种电能质量干扰。

( 3) 电力设备及装置的自动保护和正常运行

大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合等对电能质量的影响， 使额定电压暂时降低、产生电压波动与闪变， 对电能质量也会产生影响。

2提高电能质量的方法探讨

2. 1常用技术措施

( 1) 中枢调压

电力系统电压调整的主要目的是采取各种调压手段和方法， 在各种不同运行方式下， 使用户的电压偏差符合国家标准。但由于电力系统结构复杂、负荷众多， 对每个用电设备的电压都进行监视和调整， 既不可能也无必要。

电力系统电压的监视和调整可以通过对中枢点电压的监视和调整来实现。所谓中枢点是指电力系统可以反映系统电压水平的主要发电厂和变电站的母线， 很多负荷都由这些母线供电。若控制了这些中枢点的电压偏差， 也就控制了系统中大部分负荷的电压偏差。

除了对中枢点进行调压， 还可以进行发电机调压、调压器调压等， 实现对电力系统电压的稳定， 从而提高电能质量。

( 2) 谐波的抑制

a.增加换流装置的相数换流装置是供电系统主要谐波源之一。理论分析表明， 换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为p k+ 1 和p k( p 为整流相数或脉动数， k 为正整数) ， 当脉动数由p = 6 增加到p = 12 时， 其特征谐波次数为可以有效清除的幅值较大的低频项， 从而大大地降低了谐波电流的有效值。

b. 无源滤波法和有源滤波法为了减少谐波对供电系统的影响， 实现对电气设备的保护， 最根本的方法是从谐波的产生源头抓起， 设法在谐波源附近防止谐波电流的产生， 从而有效降低谐波电压。

防雷措施

供电部门的防雷工作是极其艰巨的，设备一旦损坏就有可能促使整个电力系统瘫痪，造成无法挽回的损失。因此，在变电站设计的过程中，要重视变电站设备的安全稳定，确保供电的可靠性。下面就主要分析一些国内电网架空线路以及变电站的主要防雷措施：

高压防雷技术

2. 间隙保护技术

间隙保护就是变压器中性点间隙接地保护装置。线路大体的两极由角形棒组成，一极固定在绝缘件上连接带电导线，另一极直接接地，间隙击穿后电弧在角形棒间上升拉长，当电弧电流变小时可以自行熄弧，间隙保护技术的优点是结构简单，运行维护量小，而缺点则是当电弧电流大到几十安以上时就没法自行熄弧，保护特性一般，而且间隙动作会产生截波，对变压器本身的绝缘也不利。

3. 避雷器保护技术

装，正常运行下处于高阻抗状态。当雷电发生时，避雷器将雷电电流迅速泄入大地，同时使大地、设备、线路处在等电位上，从而保护设备免遭强电势差的损害。避雷器技术当然也存在很多的缺点，由于避雷器的选用受安装地点的限制，其当受到雷击或者雷击感应的能量相当大，靠单一的避雷器件很难将雷电流全部导入大地而自身不会损坏。另外，间隙保护和避雷器技术都是靠间隙击穿接地放电降压来起到保护的作用，这两种防雷技术往往会造成接地故障或者相间短路故障，所以不能达到科学合理的保护作用。

保护装置

介绍

原理