《电力系统分析》课件

电力系统分析电力系统分析是电气工程中的核心课程，旨在研究复杂电力网络的行为、特性及运行状态本课程将带领学生深入理解电力系统的组成、运行原理、数学建模、潮流计算、故障分析、稳定性评估以及保护措施等关键内容通过系统学习，学生将掌握电力系统的基本理论与分析方法，为未来从事电力系统规划、设计、运行与控制等工作奠定坚实基础本课程结合理论与实践，帮助学生培养解决实际电力系统问题的能力课程目标与内容掌握基础理论培养分析能力12学习电力系统的基本概念、组熟练掌握潮流计算、故障分析成部分及其相互关系，建立电、稳定性分析等电力系统分析力系统的数学模型，理解电力的基本方法，能够应用这些方系统的基本运行原理和特性法分析和解决实际问题培养工程应用3学习电力系统的经济运行、电压调整、频率调整、继电保护等实际应用知识，培养学生解决工程实际问题的能力电力系统的基本概念电力系统是由发电、输电、变电、配电电力系统的基本任务是保证用户获得质电力系统是一个动态系统，其运行状态和用电等环节组成的复杂大系统，目的量合格、可靠且经济的电能质量合格随时间变化系统必须在各种扰动下维是将电能从发电厂输送到各类用户它指电压、频率等指标满足标准；可靠指持稳定运行，这就需要各种控制和保护是现代社会重要的基础设施，支撑着国供电连续性好；经济指以最低成本向用措施来确保系统安全民经济的发展户提供电能电力系统的组成部分发电环节包括各类发电厂，如火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、风力发电厂、太阳能发电厂等，负责将一次能源转换为电能输电环节包括高压输电线路、变电站等，负责将电能从发电厂输送到负荷中心区域，通常采用高电压以减少损耗配电环节包括中低压配电网络、配电变压器等，负责将电能分配给各类终端用户，是连接电力系统与用户的最后环节用电环节包括各类用电设备和系统，如工业、商业、农业和居民生活用电，是电力系统服务的对象和目标发电厂的类型与特点水力发电厂火力发电厂利用水能发电，清洁环保，运行成本低利用煤炭、石油、天然气等化石燃料，，但受地理条件限制大，初期投资高2具有建设周期短、调节性能好、受地理1条件限制小的特点，但会产生环境污染核能发电厂利用核裂变反应释放的能量，单位燃料3产能高，运行稳定，但安全要求极高，5投资大太阳能发电厂风力发电厂利用太阳辐射能，清洁可再生，分布广4泛，但发电效率较低，受天气影响大利用风能，清洁可再生，但出力波动大，受气象条件影响严重输电网络的结构超高压和特高压输电系统1电压等级为500kV及以上，用于长距离大容量输电，连接大型发电厂与负荷中心高压输电系统2电压等级为110kV~330kV，形成区域电网骨架，连接中型发电厂与区域负荷中心中压输电系统3电压等级为35kV~66kV，连接小型发电站和大型用户低压配电系统4电压等级为10kV及以下，直接向终端用户供电输电网络通常采用环形或网状结构，以提高供电可靠性主要设备包括输电线路、变压器、断路器、隔离开关等输电线路可分为架空线路和电缆线路两种形式配电系统的特征供电可靠性1直接关系终端用户体验电压质量2需满足用户设备要求网络拓扑3多为放射状或树形结构自动化程度4配电自动化系统普及率逐步提高分布式电源接入5面临新型分布式能源接入挑战配电系统是连接输电系统与用户的桥梁，负责将电能分配给各类终端用户现代配电系统正向智能化、自动化方向发展，逐步实现配电网络的智能感知、自愈重构、柔性互动等功能，以适应新能源并网和用户多样化需求电力负荷的特性负荷分类按用途可分为工业、商业、农业和居民生活负荷；按性质可分为照明、电动机、电炉、电子设备等负荷不同类型负荷具有不同的特性和要求负荷变化规律负荷随时间变化呈现日变化、周变化和季节变化等规律日负荷曲线通常有谷、平、峰三个时段了解负荷变化规律对系统运行和规划至关重要负荷预测通过历史数据和各种影响因素，预测未来负荷变化趋势，分为短期、中期和长期预测负荷预测是系统规划和运行的基础电力系统的运行特点发电与用电同时性高度互联性复杂的控制系统电能不易大规模储存，现代电力系统是一个高为确保系统安全稳定运要求发电与用电在任何度互联的整体，各部分行，需要多层次、多目时刻都必须保持平衡，紧密相连、相互影响标的控制系统，包括一这是电力系统最基本的一个区域的故障可能传次调频、二次调频、电运行特点系统必须时播到其他区域，引起连压调整、稳定控制等，刻维持有功功率平衡和锁反应这要求系统具形成一个复杂的控制体无功功率平衡有足够的安全裕度系电力系统的主要技术指标频率中国大陆为50Hz，允许偏差±

0.2Hz；美国、日本部分地区为60Hz电压各电压等级有标准值，允许偏差通常为±5%~±10%供电可靠性用户平均停电时间、停电频率等指标，如SAIDI、SAIFI电能质量谐波含量、电压波动与闪变、三相不平衡度等指标电网损耗率线损率通常控制在6%~8%之间，是评价电网运行效率的重要指标备用容量系统备用率通常为15%~20%，确保在设备故障或负荷突增时系统安全这些技术指标是衡量电力系统运行质量的重要标准，也是电力系统分析的重要研究对象系统运行必须确保这些指标符合标准要求，才能向用户提供优质可靠的电能电力系统的数学模型物理模型1基于电力系统实际物理结构和元件特性建立的模型，包括发电机、变压器、线路、负载等各部分的物理特性和数学描述数学表达2通过电路理论和电磁场理论，将物理模型转化为代数方程、微分方程等数学表达式，形成电力系统的数学模型分析方法3根据研究问题的不同，采用不同的分析方法，如稳态分析、暂态分析、小信号分析等，对数学模型进行求解和分析计算机仿真4利用计算机对数学模型进行数值计算和仿真，是现代电力系统分析的主要手段电力系统的等值电路单线图表示阻抗图表示导纳矩阵表示单线图是电力系统最常用的表示方法，将将系统中各元件用其等值阻抗表示，元件用矩阵形式表示系统各节点之间的导纳关三相平衡系统简化为单相表示，用简单的之间按照电路连接关系连接，形成系统的系，主要用于潮流计算系统的导纳矩阵符号表示各种电气设备，清晰直观地反映阻抗图，主要用于短路计算和稳定性分析是一个稀疏对称矩阵，具有很好的计算特系统的拓扑结构性发电机的等值电路与参数发电机是电力系统的关键元件，通常用电势源和阻抗串联的等值电路表示同步发电机的主要参数包括同步电抗Xd、暂态电抗Xd、亚暂态电抗Xd、时间常数等发电机参数通过试验确定，包括空载特性试验、短路特性试验、甩负荷试验等在不同分析中采用不同精度的模型，如稳态分析中用稳态模型，暂态分析中用暂态或亚暂态模型现代发电机模型还需考虑调速器、励磁系统、稳定器等控制系统的影响，形成更复杂的动态模型变压器的等值电路与参数等值电路主要参数特殊考虑变压器通常用丁形或Y形等值电路表变压器的主要参数包括变比、漏抗、激在系统分析中，还需考虑变压器的联结示，包括漏抗、励磁支路和理想变压器磁电流、空载损耗、短路损耗等这些组、抽头调整、相位移动等因素自耦三部分在有些分析中可以忽略励磁支参数通过空载试验和短路试验确定三变压器和移相变压器有特殊的等值电路路，简化为串联阻抗模型绕组变压器的参数计算更为复杂输电线路的等值电路与参数短线模型线路长度小于80公里时，可以忽略对地电容，只考虑串联阻抗，用串联的电阻和电抗表示中长线模型线路长度在80-240公里之间，需要考虑对地电容，用π型等值电路表示，包括串联阻抗和两端对地电容长线模型线路长度大于240公里，需要考虑分布参数效应，用分布参数模型或多π型等值电路表示参数计算线路参数与导线材料、几何结构、环境条件有关，通过理论计算或现场测量获得负载的等值电路与参数恒定阻抗模型负载功率与电压平方成正比，用固定阻抗表示，适用于照明负荷和电阻加热设备最简单的负载模型，在系统稳态和暂态分析中广泛使用恒定电流模型负载电流与电压无关，功率与电压成正比，适用于某些工业负荷在电压稳定性分析中，这类负载模型影响系统电压崩溃点恒定功率模型负载功率不随电压变化，适用于感应电动机和电子设备这类负载在电压下降时会增加电流，对系统稳定性不利综合负载模型实际系统中通常采用ZIP模型，即恒阻抗Z、恒电流I和恒功率P的组合，更准确地描述实际负载特性标么值系统基本概念基准值选择12标么值系统是将系统中各种量通常选择系统的额定容量、额用基准值归一化的方法，使计定电压作为基准值基准阻抗算简化并提高精度标么值等、基准电流等通过基准容量和于实际值除以基准值，是一个基准电压计算得出在统一的无量纲数标么值系统中，欧姆定律和功率计算公式得到简化变换方法3不同电压等级的部分用变比转换到同一基准下不同基准系统之间的标么值转换需要考虑基准值之比标么值系统大大简化了电力系统分析的计算电力系统的潮流计算概述计算目标输入数据解决方法潮流计算的目标是确定潮流计算需要系统的网由于潮流方程的非线性系统在给定运行条件下络参数阻抗或导纳、特性，通常采用迭代方的稳态运行点，求得各节点类型和已知数据如法求解，如高斯-赛德节点电压幅值和相角PV节点的有功功率和电尔法、牛顿-拉夫森法和线路功率流向及大小压、PQ节点的有功无、快速解耦法等现代，是电力系统分析最基功功率、平衡节点的电电力系统分析软件都包本也是最重要的计算压等含高效的潮流计算模块节点导纳矩阵自导纳矩阵定义对角元素Yii为节点i与所有其他节点之间节点导纳矩阵Y是描述电力系统网络结2的导纳之和1构的基本数学工具，反映各节点之间的电气连接关系互导纳非对角元素Yij为节点i与节点j之间导纳3的负值形成方法5矩阵特点可通过检查电路直接形成，也可由支路原始数据自动生成4对称、稀疏、奇异矩阵，需去掉参考节点行列后使用节点导纳矩阵是电力系统潮流计算的基础，通过它可以建立节点电压与节点注入电流的关系I=YV在系统规模很大时，节点导纳矩阵的稀疏性可以大大减少计算存储需求和计算量功率方程已知量未知量功率方程是潮流计算的核心，表示节点注入功率与节点电压和网络参数之间的关系对于节点i，有功功率方程为Pi=Vi∑VjGij cosθij+Bij sinθij无功功率方程为Qi=Vi∑VjGij sinθij-Bij cosθij其中，Vi、Vj是节点电压幅值，θij是节点电压相角差，Gij和Bij是节点导纳矩阵的实部和虚部这是一组高度非线性的方程组，需要采用数值迭代方法求解牛顿拉夫森法-基本原理牛顿-拉夫森法是求解非线性方程组的经典方法，通过线性化逼近迭代求解在电力系统潮流计算中，将功率方程在当前工作点线性化，形成雅可比矩阵迭代过程计算功率不平衡量，求解线性方程组获得电压修正量，更新电压值，重复此过程直至收敛通常采用极坐标形式，求解电压幅值和相角的修正量算法特点收敛速度快二次收敛特性，对初值要求较高，每次迭代需要重新形成雅可比矩阵和求解线性方程组，计算量大在大型系统中，需要利用雅可比矩阵的稀疏特性进行优化快速解耦法方法原理简化处理12快速解耦法是牛顿-拉夫森法忽略雅可比矩阵中的互耦项的改进，基于有功功率P主要∂P/∂V和∂Q/∂θ，并对雅可受电压相角影响，无功功率比矩阵进行常数化处理，使其θQ主要受电压幅值V影响的特在迭代过程中保持不变，大大性，将耦合的功率方程解耦为减少了计算量两组独立方程计算优势3虽然收敛速度略慢于牛顿-拉夫森法，但每次迭代的计算量显著减少，整体效率较高由于算法简单，编程实现容易，在实际工程中广泛应用直流潮流计算基本假设线性方程应用场景直流潮流是交流潮流的线性化简化模在这些假设下，有功潮流方程简化为虽然精度较低，但因其线性特性和计型，基于以下假设所有节点电压幅线性方程P=Bθ，其中B是节点电算速度快，广泛应用于系统规划、安值为

1.0标幺值；相邻节点间的相角差抗矩阵，可以直接一次解出相角θ，然全分析、市场出清、输电价格计算等较小；支路电阻远小于电抗；无功功后计算各支路潮流场合，特别是需要多次反复计算的情率不考虑况潮流计算的应用系统规划运行控制稳定性分析潮流计算是电力系统规电力调度中心通过潮流潮流计算结果是进行系划的基本工具，用于评计算监控系统运行状态统稳定性分析的起点，估新建、改扩建电网的，预测未来负荷变化下提供系统初始稳定运行必要性和可行性，分析的系统运行情况，确定点，为后续暂态稳定、不同规划方案的优劣，最佳发电调度方案，评电压稳定等分析提供基确定线路和变压器的容估系统安全裕度，制定础数据，是安全稳定分量需求，评估系统输电事故预防和处理措施析的第一步能力电力系统的经济运行经济运行目标优化变量约束条件在满足系统安全、可靠运行约束条件下主要优化变量包括各发电机组的出力分经济运行必须满足发电机组出力上下限，以最低的发电成本满足系统负荷需求配、电网运行方式、电压水平等通过、网络传输能力、节点电压范围、系统，是电力系统运行的重要目标之一优化这些变量，实现系统总运行成本最稳定性要求等多种约束条件，是一个复小化杂的约束优化问题发电机组的输入输出特性发电功率MW燃料消耗吨/小时发电机组的输入输出特性描述了燃料消耗量与发电功率之间的关系对于火电机组，通常用热耗率曲线表示，即单位发电量的燃料消耗特性曲线通常是非线性的，可以用二次或三次多项式拟合发电成本函数是经济调度的基础，包括燃料成本、启停成本、维护成本等每个发电机组都有其最经济的运行点，即增量成本最低的点火电厂的经济调度等增量原则配置计算1所有机组的增量成本相等时，系统发电总成本通过拉格朗日乘子法求解最优出力分配2最低修正调整4考虑网络约束3根据实际负荷变化进行实时调整线路输电能力限制可能改变最优方案火电厂经济调度的核心是等增量原则，即所有参与调度的机组增量成本发电功率增加一个单位所需的额外成本相等时，系统总发电成本最低计算过程考虑各机组出力上下限约束和功率平衡约束在实际应用中，还需考虑网络传输约束、机组爬坡率限制、最小开机时间等动态约束，形成更复杂的安全经济调度问题现代电力市场中，经济调度与电力现货市场出清紧密相关水火电力系统的优化运行水资源约束协调运行优化方法水电站的发电能力受水库可用水量限制，水电站调节性能好，适合担负系统峰荷；水火电优化通常采用动态规划、混合整数是一种能量约束水资源有时间价值，今火电机组启停成本高，适合担负基荷水规划等方法，考虑水库运行约束、水电出天用掉的水就不能明天用，因此水电优化火电协调运行可以发挥各自优势，降低系力与水头关系、火电机组特性、系统负荷是时间耦合的，需要考虑长期优化统总运行成本需求等多方面因素输电损耗最小化输电损耗是电力系统运行成本的重要组成部分主要损耗来自线路电阻引起的热损耗，与电流平方成正比系统总损耗通常为总发电量的5%-8%，在大型电网中相当可观影响输电损耗的因素包括负荷分布、发电机组分布、网络拓扑结构、电压水平等损耗最小化的方法包括合理分配发电机组出力、优化无功功率和电压分布、改变网络运行方式等在经济调度中，可以将损耗视为负荷的一部分，通过系数方法或灵敏度分析将损耗分配给各发电机组，形成考虑损耗的修正增量成本，实现包含损耗因素的经济调度电力系统的无功功率与电压调整电压与无功关系1无功功率主要影响系统电压水平，两者密切相关无功特性2无功功率不能远距离传输，需要就地平衡电压稳定3适当的无功分布和电压水平是系统稳定的基础设备限制4电压过高或过低都会危害设备安全和系统稳定电力系统中的电压需要维持在额定值的±5%范围内，既要满足用户用电设备的要求，又要保证系统设备安全和经济运行电压调整主要通过调节系统无功功率分布实现，包括发电机励磁调节、投切并联电容器和电抗器、调整变压器分接头等措施无功功率平衡无功来源系统中的无功功率主要来源包括发电机组通过调节励磁电流可控制无功输出、同步调相机专门的无功补偿设备、静止无功补偿装置SVC、静止同步补偿器STATCOM、并联电容器等无功消耗无功功率主要消耗在感性负荷如电动机、变压器等、输电线路的电抗、并联电抗器等电力系统需要在任何时刻维持无功功率平衡，确保电压稳定在合理范围内平衡调节无功平衡是分区域进行的，一般按电压等级或区域划分无功控制区，在各区域内实现无功基本平衡，减少无功在网络中的远距离传输，降低线路损耗和电压波动电压调整的方法发电机励磁调节变压器调压12通过调节发电机的励磁电流，通过改变变压器的变比，调整改变发电机的无功输出，是电次级电压有载调压变压器能力系统中最主要的电压调节手在带负荷的情况下调整分接头段现代发电机配备自动电压位置，是配电网中重要的电压调节器AVR，能够根据端电调节手段在输电网中，还有压变化自动调节励磁电流移相变压器可以调整相角无功补偿设备3根据系统需要投切并联电容器、电抗器或其他无功补偿装置，如静止无功补偿器SVC、静止同步补偿器STATCOM等，灵活调节系统无功功率平衡，维持合理电压水平无功优化配置系统规划1合理配置无功补偿装置经济运行2最小化网络损耗电压支持3维持合理电压分布稳定裕度4提高系统电压稳定裕度设备保护5避免设备过电压或欠电压无功优化配置是电力系统规划和运行中的重要内容，通过合理布置无功补偿装置和优化控制策略，实现系统电压质量好、输电损耗小、设备利用率高的目标无功优化通常采用灵敏度分析、混合整数规划等方法，考虑投资成本和运行效益的平衡电力系统的频率调整频率特性频率标准调频体系电力系统频率是衡量系统运行状态的重中国电力系统的标准频率为50Hz，正常为维持系统频率稳定，建立了由一次调要指标，反映系统有功功率平衡情况运行允许的偏差范围为±

0.2Hz频率偏频、二次调频和三次调频组成的调频控当发电功率等于负荷功率时，系统频率离标准值过大会影响用电设备正常工作制体系，实现从快速响应到经济优化的保持恒定；当发电功率大于负荷功率时，严重时甚至危及系统安全全面频率控制，频率上升；反之，频率下降一次调频负荷增加百分比频率变化Hz发电机组出力增加百分比一次调频是最基本的频率控制措施，由发电机组的调速器自动完成当系统频率变化时，调速器根据转差率特性自动调整机组出力，实现频率初步稳定一次调频的特点是响应迅速几秒钟内，无需调度中心干预，但无法将频率恢复到标准值系统频率变化量与负荷变化量的比值称为调频效应，是衡量系统调频能力的重要指标二次调频频率偏差检测1自动发电控制系统AGC实时监测系统频率，当检测到频率偏离标准值时，计算需要调整的功率量控制指令生成2根据各参与AGC调节的机组特性和当前状态，生成最优的功率分配方案，形成控制指令机组响应3参与AGC的机组接收指令后，自动调整出力，直至系统频率恢复到标准值优化调整4在频率恢复的同时，AGC系统也考虑经济性，尽量按照经济调度原则分配负荷电力系统的故障分析概述电力系统故障是指系统中的元件因绝缘击穿或机械损坏等原因导致的非正常运行状态最常见的故障类型是短路故障，包括三相短路、单相接地、两相短路、两相接地等故障会导致系统电压、电流、功率分布发生异常变化，严重时危及系统安全稳定运行故障分析的目的是计算各种故障条件下系统的电压、电流分布，为继电保护装置整定和系统安全分析提供依据故障电流通常很大，可能达到正常工作电流的几十倍，必须通过保护装置迅速切除故障元件，避免设备损坏和故障扩大对称故障定义特点计算方法对称故障是指三相均匀受到影响对称故障计算相对简单，只需考的故障，最典型的是三相短路虑正序网络通常采用节点阻抗虽然在实际系统中发生概率较低矩阵或等值电源法进行计算计约5%~10%，但三相短路通常是算结果是确定断路器遮断容量和最严重的故障类型，短路电流最保护装置整定的重要依据大，对系统的冲击也最大影响因素故障点短路电流大小受系统结构、故障点位置、发电机内阻抗、变压器阻抗、线路阻抗等多种因素影响故障点距离电源越近，短路电流通常越大不对称故障单相接地两相短路1最常见的故障类型，约占总故障的70%两相间绝缘击穿，约占总故障的15%2断线故障两相接地4导线断开但可能不接地，系统失去对称3两相同时接地，约占总故障的10%性不对称故障是电力系统中最常见的故障类型，其特点是三相不均匀受到影响，系统失去三相对称性不对称故障分析通常需要采用对称分量法，将三相不对称系统分解为正序、负序和零序三个对称系统进行分析，然后通过叠加得到各相的电压和电流序网络正序网络负序网络零序网络正序网络反映系统中正序量的分布，包含负序网络反映系统中负序量的分布，包含零序网络反映系统中零序量的分布，包含所有元件的正序阻抗正序电流的相序与所有元件的负序阻抗负序电流的相序与所有元件的零序阻抗零序电流三相同相正常运行时相同，正序网络结构与原系统正常运行时相反，对旋转机械有制动和附位同幅值，受系统接地方式、变压器接线相似，是三个序网络中最复杂的一个加损耗影响大多数元件的负序阻抗与正方式影响很大，结构与正序网络差异最大序阻抗相同对称短路计算故障前状态1通过潮流计算确定系统故障前的稳态运行点，包括各节点电压和相角这些数据作为故障计算的初始条件故障期间叠加2将故障看作在故障点接入一个电压源，其电压大小与故障前电压相等但方向相反，通过叠加原理计算故障后系统状态故障电流计算3故障电流等于故障点电压除以故障点等值阻抗，考虑发电机的各种时间常数特性，计算不同时刻的短路电流系统响应分析4基于故障电流，计算系统各点的电压降和电流分布，评估故障对系统的影响范围和程度。