1、走进电世界（6）,武汉大学电气工程学院,引 言,在上世纪震撼世界的蒸汽统治时代已经结束了，代之而起的不可估量的巨大革命力量是电气火花。马克思,6 电力系统简介,要 点,电力系统及其组成,发电厂,变电站,6-1,6-2,6-3,6-4,智能电网,61 电力系统及其组成 电力系统是由发电厂、变电站、输电网、配电网和电力用户等环节组成的电能生产与利用系统。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，经输电系统、变电系统将电能输送到负荷中心，再由配电变电站向用户供电，也有一部分电力不经配电变电站，直接分配到大用户，由大用户的配电装置为用户进行供电。,电力系统构成图,输电系统、变电系统和配电
2、系统称为电力网（简称电网），是电力系统的重要组成部分。在电力系统中，电网按电压等级的高低分层，按负荷密度的地域分区。不同容量的发电厂和用户应分别接入不同电压等级的电网。大容量主力电厂应接入主网，较大容量的电厂应接入较高压的电网，容量较小的可接入较低电压的电网。由于电能无法大量储存，电能的生产与利用必须时刻保持平衡。因此，电能的集中生产与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就对电力系统的结构和运行方式提出了更高要求。,电力系统要实现其功能，需在各个环节和不同管理层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和传输过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以确保用户获得优质、可靠、安全
3、、经济的电能。,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1000万平方公里的土地。到2005年底，电力系统装机容量为5.19亿千瓦，年发电量为24747亿千瓦时，均居世界第二位。输电线路以330千伏、500千伏和750千伏为网络骨干，国家电网公司（下属5个跨省区域电网公司）、南方电网公司分管全国电网经营管理；五大发电公司及地方发电企业分管全国电源建设与经营管理。各大区之间的联网工作也已开始，全国联网正在逐步实现。,2002年前我 国 电 网 分 布 图,2002年后我国电网分布图,电力系统的主体结构：电源、电力网和负荷中心。电源
4、指各类发电厂、站，它将一次能源转换成电能；电力网由电源的升压变电站、输电线路、负荷中心变电站、配电线路等构成。它的功能是将电源输出的电压升高到一定等级后，通过高压输电线路将电能输送到负荷中心变电站，再降压至一定等级后，经配电线路与用户相联。为确保系统安全、稳定、经济地运行，必须在不同层次上按技术要求配置各类自动控制装置与通信系统，组成信息与控制子系统。,612 电力系统构成与运行,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
5、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。,由于电能无法大规模储存，它的生产、传输、使用是在瞬间同时完成的，并要保持产、消平衡。因此，它需要有一个统一的调度指挥系统。这一系统实行分级调度、分层控制。其主要工作有：预测用电负荷；分配发电任务，确定运行方式，安排运行计划；对全系统进行安全监测和安全分析；指挥操作，处理事故。完成上述工作的主要工具是电子计算机。,613 电力系统调度,电力系统的建设不仅耗资大，费时长，而且对国民经济的影响极大。制订电力系统规划必须注意
6、其科学性、前瞻性。根据历史数据和规划期间的电力负荷增长趋势做好电力负荷预测。按照能源布局制订好电源规划、电网规划、网络互联规划、配电规划等。电力系统的规划问题需要在时间上展开，从多种可行方案中进行优选。电力系统规划是一个多约束条件的具整数变量的非线性问题，需利用系统工程的方法和先进的计算技术。,614 电力系统规划,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信息、控制和系统理论以及计算机技术起了推动作用。反之，这些科学技术的进步又推动着电力系统现代化水
7、平的日益提高。,615 电力系统研究与开发,621 火力发电,利用煤、石油、天然气等自然界蕴藏量极其丰富的化石燃料发电称为火力发电。按发电方式，它可分为汽轮机发电、燃气轮机发电、内燃机发电和燃气蒸汽联合循环发电，还有火电机组既供电又供热的“热电联产”。火力发电厂由三大主要设备锅炉、汽轮机、发电机及相应辅助设备组成，它们通过管道或线路相连构成生产主系统，即燃烧系统、汽水系统和电气系统。,6.2 发电厂,火力发电厂原理图,（1）燃烧系统。燃烧系统括锅炉的燃烧部分和输煤，除灰和烟气排放系统等。燃烧系统的功能是将煤的化学能转换成热能，把锅炉里的水加热变为蒸汽。（2）汽水系统。汽水系统包括锅炉，汽轮机，
8、凝汽器及给水泵等组成的汽水循环和水处理系统，冷却水系统等。新中国成立后，政府对电力工业发展非常重视，但年均增长速度都处于世界前列。到1996年百万千瓦以上容量的电厂已有19座，还建设了大亚湾和秦山两座核电站。（3）电气系统。电气系统包括发电机，励磁系统，厂用电系统和升压变电站等。发电机的机端电压和电流随其容量不同而变化，其电压一般在1020千伏之间，电流可达数千安至20千安。,火力发电厂的三大系统,622 水力发电,水力发电是利用江河水流从高处流到低处存在的位能进行发电。当江河的水由上游高水位，经过水轮机流向下游水位时，以所具流量和落差做功，推动水轮机旋转，带动发电机发出电力。水轮发电机发出的
9、功率P与上下游水位的落差H和单位时间流过水轮机的水量Q成正比。为了有效地利用天然水能，需要用人工修建集中落差和能调节流量的水工建筑，如筑坝形成水库，建设引水建筑物和厂房等，以构成水电站。水电站的构成：水电站由水工建筑物，厂房，水轮发电机组以及变电站和送电设备组成。,水力发电示意图,623 核能发电,核能指原子能，是原子结构发生变化时放出的能量。目前，核能指的是一些重金属元素铀、钚的原子核发生分裂反应(又称裂变)或者轻元素氘、氚的原子核发生聚合反应(又称聚变)时，所放出的巨大能量，前者称为裂变能，后者称为聚变能。通常所说的核能是指受控核裂变链式反应产生的能量。核能的特点是能量高度集中。一吨铀23
10、5(U235)在裂变反应所放出的能量约等于一吨标准煤在化学反应中所放出能量的240万倍。,沸水式核反应器示意图,压水式核反应器示意图,631 变电站,变电站是电力网的重要组成部分，它的任务是汇集电源、变换电压、分配电能。它通过变压器将各级电压的电网联系起来。变电站若按其变换电压的功能划分可分为：升压变电站、降压变电站；若按其容量和重要性划分可分为：枢纽变电站、中间变电站和终端变电站。枢纽变电站一般容量比较大，电压等级比较高，处于电能系统各部分的中枢地位；中间变电站处于发电厂与负荷中心之间，从这里可以转送或分配一部分电能；终端变电站一般是降压变电站，它只负责向某一局部地区用户输送电能，有时也称为
11、配电站。,6.3 变 电 站,美国某230/69 kV 变电站,变压器,变压器,632 配 电,配电是指电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节。配电系统由配电变电所（通常是将电网的输电电压降为配电电压）、高压配电线路（即1千伏以上电压）、配电变压器、低压配电线路（1千伏以下电压）以及相应的控制保护设备组成。配电电压通常有3560千伏和310千伏等。,配电系统中常用的交流供电方式有：（1）三相三线制。分为三角形接线（用于高压配电，三相220伏电动机和照明）和星形接线（用于高压配电、三相380伏电动机）。（2）三相四线制。用于380220伏低压动力与照明混合配电。（3）三相二线一地制。多用
12、于农村配电。（4）单相二线制。主要供应居民用电。配电系统的直流供电方式有：二线制。用于城市无轨电车、地铁机车、矿山牵引机车等的供电。三线制。供应发电厂、变电所、配电所自用电和二次设备用电，电解和电镀用电。,配电自动化系统,所谓智能电网，就是以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术、电力电子技术、设备制造技术、控制技术等与物理电网高度集成而形成的新型电网。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性；满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。,6.4 智能电网,
13、2005年冬天，加拿大人马克坎贝尔发明了一种新的控制技术。他根据群体行为原理，让大楼里的电器设备互相协调，减少大楼在用电高峰期的用电量。他设计了一种无线控制器，与大楼的各个电器相连，并对这些电器实现有效控制。比如，将A空调接通电源运转15分钟，以把室内温度维持在24；此时B、C两台空调可能会在保证室内温度的前提下，将其电源断开停运15分钟。这样，在不耽误每台电器设备执行个体功能的前提下，尽量让全部用电设备交替使用，整个大楼的节能目标就可以实现。,641 智能电网的发展历史,一、国外发展历史,2007年10月，我国华东电网正式启动了智能电网可行性研究项目，并规划了从2008年至 2030年的三步
14、走战略：在2010年初步建成电网高级调度中心，2020年全面建成具有初步智能特性的数字化电网，2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。该项目的启动标志着中国开始进入智能电网领域。2010年1月，国家电网公司制定了关于加快推进坚强智能电网建设的意见，确定了建设坚强智能电网的基本原则和总体目标。2011年3月，国家电网750kV延安洛川智能变电站成功投运，这是一座当时世界最高电压等级的智能变电站。,二、国内发展历史,从广义上来说，智能电网包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统、可以动态定价的智能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化、负荷平衡的智能技术系统。电能不仅从集中式发电厂流向输电网、
15、配电网直至用户，同时电网中还遍布各种形式的新能源和清洁能源：太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能、燃料电池等等；此外，高速、双向的通信系统实现了控制中心与电网设备之间的信息交互，高级的分析工具和决策体系保证了智能电网的安全、稳定和优化运行。,642 智能电网的结构,智能电网的目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全，电网能够实现这些目标，就可以称其为智能电网。智能电网必须更加可靠智能电网不管用户在何时何地，都能提供可靠的电力供应。它对电网可能出现的问题提出充分的告警，并能忍受大多数的电网扰动而不会断电。智能电网必须更加安全智能电网能够经受物理的和网络的攻击而不会出现大面
16、积停电或者不会付出高昂的恢复费用。它更不容易受到自然灾害的影响。,643 智能电网的建设目标,智能电网必须更加经济智能电网运行在供求平衡的基本规律之下，价格公平且供应充足。智能电网必须更加高效智能电网利用投资，控制成本，减少电力输送和分配的损耗，电力生产和资产利用更加高效。通过控制潮流的方法，以减少输送功率拥堵和允许低成本的电源包括可再生能源的接入。智能电网必须更加环境友好智能电网通过在发电、输电、配电、储能和消费过程中的创新来减少对环境的影响。进一步扩大可再生能源的接入。在可能的情况下，在未来的设计中，智能电网的资产将占用更少的土地，减少对景观的实际影响。,建立高速、双向、实时、集成的通信系
17、统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现，因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统要和电网一样深入到千家万户，这样就形成了两张紧密联系的网络电网和通信网络，只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征。,644 智能电网的关键技术,一、通信技术,参数测量技术是智能电网基本的组成部件，先进的参数测量技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。利用这些参数来评估电网设备的健康状况和电网的完整性；进行电能表计的读取、计算电费以及防止窃电、缓减电网阻塞并与用户进行沟通。未来的智
18、能电网将取消所有传统的电磁式电能表，取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态电能表。基于微处理器的智能电表将有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用的电能和应交的电费外，还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户实施什么样的费率政策。,二、测量技术,对于电力公司来说，参数测量技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括电网功率因数、电能质量、电压电流相位关系、设备健康状况和出力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费等数据。未来广域监测系统、保护和控制方案将集成数字继电保护、先进的通信技术以及计算机代理程序
19、。在这样一个集成的分布式的保护系统中，保护元件能够自适应地相互通信，这样的灵活性和自适应能力将极大地提高可靠性，因为即使部分系统出现了故障，其他的带有计算机代理程序的保护元件仍然能够保护系统。,智能电网要广泛应用先进的设备技术，极大地提高输配电系统的性能。未来的智能电网中的设备将充分应用在材料、超导、储能、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果，从而提高功率密度、供电可靠性和电能质量以及电力生产的效率。经济的柔性交流输电系装置，将利用比现有半导体器件更能控制的低成本的电力半导体器件，使得这些先进的设备可以广泛的推广应用。分布式发电将被广泛地应用，多台机组间通过通信系统连接起来形成一个可调度的虚
20、拟电厂。超导技术将用于短路电流限制器、储能、低损耗的旋转设备以及低损耗电缆。先进的计量和通信技术将使得需求响应的应用成为可能。,三、设备制造技术,从某种程度上说，先进控制技术紧密依靠并服务于其他多个关键技术领域。如先进控制技术监测基本的元件参数测量技术；提供及时和适当的响应集成通信技术；并且对任何事件进行快速的诊断先进决策技术。另外，先进控制技术支持市场报价技术以及提高资产的管理水平。先进控制技术将使用智能传感器、智能电子设备以及其他分析工具测量的系统和用户参数以及电网元件的状态情况，对整个系统的状态进行评估，这些数据都是准实时数据，对掌握电网整体的运行状况具有重要的意义，同时还要利用向量测量
21、单元以及全球卫星定位系统的时间信号，来实现电网早期的预警。,四、控制技术,智能电网通过实时通信系统和高级分析技术的结合使得执行问题检测和响应的自动控制行动成为可能，它还可以降低已经存在问题的扩展，防止紧急问题的发生，修改系统设置、状态和潮流以防止预测问题的发生。先进控制技术不仅给控制装置提供动作信号，而且也为运行人员提供信息。控制系统收集的大量数据不仅对自身有用，而且对系统运行人员也有很大的应用价值，而且这些数据将辅助运行人员进行决策。,思考题6.1 简述电力系统的组成与功能。6.2 试说明电力系统调度的主要任务。6.3 核电厂与火力发电厂的主要区别在哪里？6.4 简述变电站在电力系统中的作用和地位。,2,3,4,1,
