电力系统稳态

电力系统稳态分析东南大学电气工程学院SOUTHEASTUniversity东南大学电气工程学院电力系统基础徐青山[e-mail]雪灾•2008年伊始，暴风雪席卷全国，低温雨雪冰冻灾害已造成21个省（区、市、兵团）不同程度受灾，170多个市、县停电•降雪在高压输电线路上形成覆冰，坠断电线，并使一些铁塔失去平衡而倒塌。•城市断电、断水。规划正常运行故障处理规划网络设计发电厂、变电站设计规划预测电源规划网络规划规划设计建设运行维护扩展认识引论电能系统的定义电力系统得形成和发展电力系统的组成电力系统工程学科的范畴课程的内容电能传输电能系统、电力系统、电力网示意图阳城电厂东明三堡徐厂扩建彭城二期徐塘阚山双湖三汊湾上河伊芦核电盐都泰兴江都扬二厂三官殿龙王山东善桥当涂镇江上党晋陵利港武南岷珠瓶窑斗山梅里张家港熟二厂石牌车坊华苏浏河昆太徐行黄渡吴江长江地理接线锅炉汽轮机火电厂动力部分水库水轮机水电厂核反应堆汽轮机核电厂发电机动力系统升压变压器输电网输电线路电力系统电力网降压变压器配电网配电线路负荷电能系统与电力系统的定义•电能系统：在动力系统中，生产、输送、转换的能量主要部分是电能的，称为电能系统。•电力系统：电能系统中的电气部分称为电力系统。•电力网：在电力系统中通常把发电机和用电之间属于输电和配电的环节称为电力网。电力系统的形成和发展1820年奥斯特证实了电流的磁效应1831年法拉第发现了电磁感应定律，促进电动机和发电机的发明1882年实现了较高电压的直流输电远距离、大功率传输困难1885年实现了单相交流输电，1889年发明了三相异步电动机、三相变压器和三相交流制1891年建立了最早的三相交流输电系统电力系统的发展输电技术发展的初期:减少线路损耗，提高电压针式绝缘子使电压提高到80kV1906年悬式绝缘子使电压提高到110～120kV20世纪20年代采用均压环电压可做到220kV解决交流输电同步发电机并联运行的稳定性问题，直流输电又得到应用±800kV，距离1000km以上，容量3000MW•现代电力系统由三大系统组成–能量变换、传输、分配和使用的一次系统。发电机、变压器、电力线路和负荷这四大元件构成了电力系统的主体（躯干）。也可称为物流系统。–为了保证电力系统可靠、稳定、安全和经济运行的监控、保护、自动控制、调度等系统称为二次系统。如：继电保护装置、通讯装置和能量管理系统等。也可称为信息流系统。–电能量交易系统，也可称为货币流系统。我国电力工业发展概况(2)•国家电网公司已经启动了特高压电流示范工程的设计工作，具体路线为：陕北－晋东南－南阳－荆门－武汉，•荆门1000kV特高压变电站是该示范工程的第一个建设项目。在2年内，国家电网公司还将开工第二项特高压交流工程，具体路线为：淮南——皖南——浙北——上海线。1.我国有丰富的煤炭、石油和水力资源，这为我国电力工业的发展提供了条件.2.新中国成立以来，我国电力工业取得了长足的发展。3.我国今后电力工业发展方向：我国电源结构要坚持优化火电结构、优先发展水电、适当发展核电、积极利用新能源的方针。江苏电网现状•江苏电网是华东电网重要组成部分，2004年全省全社会最高用电负荷27100MW，用电量为1820.1亿kW·h.•2004年江苏全社会500kW及以上机组的总装机容量28447.75MW（不含阳城、天荒坪、秦山），机组190台，总装机容量23979.2MW。至2004年底，江苏电网拥有：500kV变电所（含开关站）17座，变压器25台（组），主变压器总容量19000MVA;500kV线路52条，总长度5279.67km（含省际联络线和阳城送出专线）；220kV变电所（含开关站）198座，变压器355台,主变压器总容量47314MVA;220kV线路507条，总长度11007.53km。电力系统工程学科的范畴•电力系统工程学科是衍生于电路、电磁场、电机学，并随着电力系统的发展而发展形成的一门工程学科。它的研究领域大致包括：–（1）电力系统理论：电力系统理论是以电路、电磁场和电机理论为基础，吸收大量新兴学科的有关内容，并结合电力系统的特点而形成的面向现代电力系统的理论，是其它各个领域的理论基础。–（2）输配电技术:输配电技术主要涉及超高压输电线路、远距离交直流输电系统设计以及提高输电线路输送能力的方法等方面的研究。–（3）电力系统规划：电力系统规划主要涉及远景负荷预测、电源规划、网络规划、可靠性分析、环境保护、生态平衡等方面的问题。–（4）电力系统运行：电力系统运行主要涉及稳态运行分析、暂态过程分析、安全性分析、电能质量管理、运行方式优化等方面的内容。–（5）电力系统保护：电力系统保护主要涉及故障分析、元件保护、线路保护、系统性故障保护和过电压及其防护等方面的问题。–（6）电力系统控制：主要涉及数据采集、个别变量的调节、电能质量控制、运行优化控制、安全性控制、能量管理系统等方面的问题。•电力系统稳态：指系统正常的、相对静止的运行状态。发电量与负荷相等所有运行设备的电流、电压、频率、波形在允许范围所有发电机在负荷正常变动和小扰动时保持同步•电力系统暂态：指电力系统从一种运行状态向另一种状态过渡的过程。特指电力系统非正常的、变化较大以至引起系统从一个稳定运行状态向另一个稳定运行状态过渡的变化过程。•二者的本质差别在于：电力系统稳态中的运行变量的变化特性与时间无关，描述其特性的是代数方程；电力系统暂态中的运行变量与时间有关，描述其特性的是微分方程。电力系统暂态•电力系统暂态过程可分为三类：（1）波过程：主要与运行操作或雷击时的过电压有关，涉及电流、电压波的传播，这类过程最短暂（10-6～10-2s）。《高电压技术》（2）电磁暂态过程：主要与短路和自励磁有关，涉及电流、电压、功率角随时间的变化,分析过程中假设旋转电机的转速不变。《电力系统暂态分析》（3）机电暂态过程：主要与系统振荡、稳定性的破坏、异步运行等有关，涉及功率、功率角、旋转电机的转速等随时间的变化。持续时间长。（1～10s）。《电力系统暂态分析》课程的地位、作用及任务•本课程是“电气工程及其自动化”专业类的专业基础课之一•是电力系统及其自动化、电机电器及其控制、电气技术、高电压工程等电力类专业方向的公共专业课程之一•先修课程主要是《电路》、《电磁场》、《电机学》、《工程数学》等课程的地位、作用及任务•本课程的主要任务使电气专业类学生对发电厂、变电所、电力网及电能系统有较全面的了解，使学生掌握电能系统规划设计与运行管理的基本理论与基本方法，为今后进一步学习该领域的理论及从事该领域的生产实际工作奠定坚实的基础。教学内容和基本要求1、电力系统概论建立电力系统的基本概念，了解电能系统的重要性和整体性。电能系统运行特点及要求，电能系统负荷，电力系统的运行方式及电压等级。2、电力系统元件及基本参数分析研究电力系统各元件的参数及等值电路,标幺制；发电机、变压器、线路及负荷的数学模型；重点在标幺值计算和多电压等级网络的等值电路的建立。3、电力系统稳态分析电力系统潮流的计算方法–培养计算能力，加深对电力系统各元件以及各电气量之间关系的了解。–重点•简单电力网的前推回推潮流计算•电力网潮流计算的计算机模型•导纳矩阵的形成与修改，节点阻抗矩阵与节点导纳矩阵的关系及各自的特点，电力网节点性质的分类•牛顿—拉夫逊潮流计算及快速解耦潮流算法。4、电力系统的电气接线高压输电网和配电系统的电气联接方式以及发电厂变电所的电气主接线的基本形式电气主接线的特点与选择的基本原则•重点–各种电力网的接线方式、特点–发电厂、变电所电气主接线的基本形式–断路器与隔离开关的操作顺序–主变压器台数与容量的确定–电能系统电气接线图的选择。5、电能系统的规划设计•技术经济比较的基本方法•电网规划的数学模型与计算方法•发电厂电气部分设计的基本内容•重点–发电厂与变电所电气设计的基本内容–电气设备的选择。6、电能系统的运行管理•电力系统有功功率与频率调整•无功功率与电压调整的关系•电能系统中有功功率与无功功率的经济分配。•介绍电能系统运行稳定性的基本概念•能量管理系统，配电管理系统，直流输电和灵活交流输电等方面的基本知识•重点在有功功率与频率调整，无功功率与电压调整，有功功率与无功功率的经济分配。发电厂１.发电厂发电厂是电力系统的电源，它的作用是把不同种类的一次能源转换成电力。根据一次能源的不同，可分为火力发电厂、水力发电厂、核动力发电厂和其它能源电厂。火电厂的电能生产过程•燃烧系统——燃料的化学能在锅炉里燃烧变为热能，加热锅炉中的水——蒸汽•汽水系统——锅炉产生的蒸汽进入汽轮机，冲动汽轮机的转子旋转，将热能转变为机械能•电气系统——汽轮机旋转的转子带动发电机旋转，把机械能变为电能火电厂电气系统示意图水电厂水能水轮机机械能发电机电能(3)核电厂:重核裂变能核蒸汽发生系统热能汽轮机机械能发电机电能•一公斤的U235释放出的能量有8×1013焦,一吨标准煤释放出的能量有3×1010焦，因此，一公斤的U235释放出的能量相当于2667吨标准煤释放出的能量。•以理论计算，每千瓦时煤耗400克，一公斤的铀可发电6250000千瓦时。电力网电力网按其供电范围的大小和电压等级高低可分为地方电力网、区域电力网以及超高压远距离输电网络。(1)地方电力网:电压不超过110kV,输送距离在几十千米内的电力网，主要指一般城市、工矿区、农村配电网络。(2)区域电力网电压为120~220kV级的电力网，区域电力网输电线路较长，用户类型较多。(3)超高压远距离输电网络由330kV和550kV的远距离输电线路组成，担负着远距离、大容量发电厂的电能输送任务，往往同时联系几个区域电力网形成大型联合系统。(4)特高压电网•变电所的任务是汇集电源、升降电压、分配电能。•变电所可分为升压变电所和降压变电所，或分为户外变电所、户内变电所及地下变电所。也可按变电所容量和重要性不同分为枢纽变电所、中间变电所和终端变电所。变电所电能系统的负荷与分类1.电能系统的负荷:电能系统的负荷指从电力系统中取用功率或电能的各种用电设备。2.负荷分类:(1)一级负荷:指供电突然中断将造成人伤亡，或政治上造成极坏影响，经济上造成重大损失或引起社会混乱的负荷。(2)二级负荷指供电突然中断将造成政治上不好影响，经济上较大损失或社会生活的正常规律被打乱的负荷。(3)三级负荷指有计划停电时不会造成较大影响的负荷。•负荷曲线电力负荷随时间变化的图形。1.负荷曲线的用途(1)根据预测负荷曲线，计划和分配各发电厂的发电任务。(2)按年最大负荷曲线确定系统装机容量，安排主要设备检修计划。2.负荷曲线的绘制及其特性系数1)运行日负荷曲线指以横轴代表时间延续，以纵轴代表实测的功率变化，逐点描绘而成的曲线。该曲线下包围的面积表示一天24小时内的电能消耗。日有功负荷曲线梯形图２）年负荷曲线:运行年负荷曲线：其绘制与运行日负荷曲线相似。电力负荷全年持续曲线：选择典型夏季日负荷曲线和典型冬季日负荷曲线，冬季取213天，夏天取152天，以全年8760h为横轴，从最大功率开始，依功率递减顺序依次绘制出功率及其该功率在全年持续的时间。•负荷全年持续曲线下的面积代表一年消耗的电能:•最大负荷利用小时：•年平均负荷功率：87600PdtWa8760aavWPmaxmaxPWTa电能系统的电压等级•为使电力工业和电工制造业的生产标准化、系列化和统一化，世界各国都制定有关于额定电压等级的标准。•我国电力系统的电压等级在西北系统采用330/110/35/10kV。东北地区采用500/220/63/10kV，其它地区采用500/220/110/35/10kV，低压常用0.38/0.22kV电压等级。•运行中最高电压：kV55024212138.511•计算时或运行中经常采用的电压：5252301153710.5•规定的额定电压：500220110351