《电力系统教学资料》课件

《电力系统教学资料》欢迎学习电力系统课程本课程将系统介绍电力系统的基本原理、结构组成、运行特性以及关键技术从发电、输电到配电，从基础理论到前沿技术，我们将全面探讨支撑现代社会运行的电力系统通过本课程，您将了解电力系统的基本构成要素、工作原理，掌握电力系统分析计算方法，理解电力系统的稳定性控制、保护机制，并探索智能电网与电力市场的发展趋势无论您是电气工程专业的学生，还是对电力系统感兴趣的工程技术人员，本教学资料都将为您提供全面而深入的知识体系目录基础知识第一章电力系统概述1第二章电力系统的基本参数系统分析第三章电力系统的潮流计算2第四章电力系统的经济运行第五章无功功率与电压调整系统稳定与保护第六章电力系统的稳态稳定性第七章电力系统的暂态稳定性3第八章电力系统的短路计算第九章电力系统的继电保护现代技术与应用第十章电力系统的自动控制4第十一章智能电网技术第十二章电力市场第一章电力系统概述电力系统的定义和组成电力系统的发展历史电力系统是由发电、输电、变电、从爱迪生年建立的珍珠街电1882配电和用电等环节组成的电能生站开始，电力系统经历了从直流产和消费系统这一复杂系统将到交流，从孤立运行到互联网络，电能从发电源输送到各类用户，从手动控制到智能化的演变过程，保障社会生产和生活的电力需求见证了电气技术的飞速发展现代电力系统的特点现代电力系统具有规模庞大、结构复杂、运行参数多、安全要求高等特点同时，随着新能源的大量接入，系统呈现出分布式、智能化和交互性的新特征电力系统的基本结构发电将一次能源煤炭、水能、核能等转换为电能，主要设备包括锅炉、汽轮机和发电机发电厂按能源类型可分为火电、水电、核电、风电、光伏等多种类型输电通过高压输电线路将电能从发电厂输送到负荷中心，输电电压等级通常为至输电网络构成电力系统的骨干，保证电能的远距离经济传110kV1000kV输变电通过变电站中的变压器调整电压等级，实现不同电压等级网络的连接变电站还配备开关、保护和控制设备，保障系统安全可靠运行配电与用电配电系统将电能从变电站分配到各类用户，电压等级通常为及以下用10kV电设备将电能转换为最终用户需要的各种能源形式，如光、热、动力等电力系统的运行特点电力生产与消费的同步性负荷的波动性和季节性电力系统中的发电量必须时刻与用电量保持平衡由于电能无法电力负荷具有日波动、周波动和季节性变化特点典型日负荷曲大规模经济储存，发电必须实时跟踪负荷变化，保持系统频率稳线呈双峰谷特性，峰谷差可达不同季节的用电特性30%-40%定也有明显差异这一特性要求电力系统具备灵活的调节能力，能够应对负荷的随负荷特性的多样性对电力系统规划和运行提出了挑战系统需要机波动和计划变化各类发电机组协调配合，共同维持系统的功合理配置各类资源，兼顾高峰负荷供应能力和经济性，同时保持率平衡足够的备用容量以应对意外情况电力系统的主要设备发电机电力系统的主要电源，将机械能转换为电能同步发电机是最常用的发电设备，其特点是转子磁场随转子一起旋转，转速与电网频率同步大型发电机容量可达以上，效率可1000MW达以上98%变压器通过电磁感应原理改变交流电压的设备，是实现不同电压等级网络互联的关键设备变压器分为升压、降压、联络等不同类型，大型变电站的主变压器容量可达数百MVA输电线路连接电力系统各部分的通道，包括架空线和电缆超高压和特高压输电线路采用分裂导线结构，以减小电晕损失现代特高压输电线路电压等级可达交流或直流1000kV±800kV断路器和开关设备用于控制和保护电力系统的关键设备断路器能够在正常和短路状态下切断电路，保护设备安全现代高压断路器主要采用气体和真空作为灭弧介质SF6第二章电力系统的基本参数电流功率电流是电力系统中的载流参数，通常电力系统中的功率分为有功功率和无分为额定电流、运行电流和短路电流功功率有功功率反映能量转换能力，电压等短路电流是设备选择和保护整定无功功率影响电压水平功率因数是频率电力系统中的电压分为额定电压和实的重要依据，可达到额定电流的数十评价电能质量和利用效率的重要指标际电压我国电力系统的标准电压等倍我国电力系统的标准频率为50Hz级包括、、、频率是系统有功功率平衡的直接反映，110kV220kV500kV和等电压质量是衡也是系统运行质量的重要指标频率750kV1000kV量电力供应质量的重要指标允许波动范围通常为±

0.2Hz电力系统的标幺值

1.0÷基准值计算方法标幺制中的基准值，通常选择额定值或系统容量实际值除以基准值得到标幺值3主要优点简化计算、统一数量级、便于比较标幺值系统是电力系统计算中广泛采用的单位制它通过将实际物理量除以相应的基准值，将各种不同量级的参数转换为无量纲的相对值标幺制的主要优点包括简化三相系统的计算、统一不同电压等级的数值范围、变压器两侧参数可直接计算、便于比较不同容量设备的特性在标幺制中，任意物理量的标幺值等于该物理量的实际值除以选定的基准值功率、电压、电流和阻抗之间存在相互关系，只需独立选择其中两个基准值，其余基准值可通过关系式确定电力系统的等值电路发电机等值电路变压器等值电路同步发电机的等值电路通常包含内电势、同步电抗和定子电阻变压器的等值电路主要包括绕组电阻、漏抗和磁化支路在系统在稳态分析中，常用电势源串联阻抗的简化模型，忽略定子电阻分析中，通常忽略磁化支路，采用绕组电阻和漏抗的简化模型和涡流影响在暂态和亚暂态分析中，需要考虑不同时间常数下的暂态内电势三绕组变压器可以用星形等值电路表示，包含三个互不相关的漏和相应电抗暂态电抗小于同步电抗，亚暂态电抗更小，反映了抗在标幺系统中，理想变压器的变比可以并入阻抗参数中，简不同时间尺度下机器的电磁特性化计算过程自耦变压器由于共用部分绕组，其等值参数计算需要特殊处理输电线路等值电路线路参数特点型等值电路π输电线路的主要参数包括电阻、电抗、将线路的纵向阻抗集中于中间，横向导纳R X电纳和电导这些参数沿线路均匀分平均分配在两端型等值电路在中短线B Gπ布，但在分析中常采用集中参数模型简化路分析中应用广泛，计算精度较高计算分布参数模型型等值电路T对于超长线路，需考虑参数的分布特性，将线路的纵向阻抗平均分配在两端，横向3采用双口四端网络模型，引入传播常数和导纳集中于中间型等值电路在某些特T特性阻抗进行精确计算定分析中具有计算便利性第三章电力系统的潮流计算潮流计算的定义潮流计算的目的节点类型潮流计算是确定电力系通过潮流计算，可以检潮流计算中将节点分为统在稳态运行条件下，验系统的运行方式是否平衡节点θ、节点V-PV各节点电压和线路功率满足安全约束，评估系和节点不同类型节PQ分布的计算过程它是统的传输能力和电压质点具有不同的已知量和电力系统分析和规划的量，分析系统的经济性，未知量，决定了潮流方基础，为系统优化运行为继电保护装置整定和程的求解方法和稳定性分析提供必要稳定性分析提供依据信息节点导纳矩阵矩阵特点分析互导纳的形成节点导纳矩阵是一个稀疏矩阵，随着系统规模增大，自导纳的形成节点互导纳等于连接两节点间支路导纳的负值互非零元素比例迅速减小矩阵具有对称性，便于采节点自导纳等于与该节点相连的所有支路导纳之和导纳位于节点导纳矩阵的非对角线位置，反映节点用高效的数值计算方法自导纳位于节点导纳矩阵的对角线位置，表示节点间的电气联系强度节点导纳矩阵是奇异的，不可直接求逆在实际计与系统其余部分的连接强度如果两节点间无直接电气连接，对应的互导纳为零算中，通常选择一个节点作为参考节点，减少矩阵自导纳的计算需考虑线路导纳、变压器导纳以及接对于有多条支路连接的节点对，互导纳为各支路导维数，使其变为非奇异矩阵地支路导纳等多种因素对于含有移相变压器的系纳之和的负值统，自导纳将包含复数项潮流方程牛顿拉夫逊法-初始值估计选择所有未知电压为∠平直启动或使用前一次计算结果作为初值热启动合理的初值选择可加速收敛过程

1.00°计算功率不平衡量根据当前迭代的电压值，计算每个节点的功率注入，与给定值比较，得到功率不平衡量Δ和ΔP Q形成雅可比矩阵计算功率对电压幅值和相角的偏导数，形成雅可比矩阵该矩阵反映系统当前状态下变量间的灵敏度关系J求解修正量解线性方程组ΔΔ，得到电压幅值和相角的修正量Δ和ΔθJ·X=Y V更新变量值将电压幅值和相角的修正量加到当前值上，得到新一轮迭代的变量值检验收敛性检查功率不平衡量是否小于预设阈值，若满足精度要求则计算结束，否则返回第二步继续迭代快速解耦法基本原理计算步骤与牛顿拉夫逊法的比较-快速解耦法基于电力系统中有功相角和无首先解有功方程组，更新各节相比牛顿拉夫逊法，快速解耦法每次迭代ΔθΔ-B=P/V-功电压的主要耦合关系，将原本耦合的潮点相角；然后解无功方程组ΔΔ，的计算量显著减少，存储需求大大降低，-B V=Q/V流方程近似分解为两组独立方程，分别求更新节点电压幅值两组方程交替求特别适合大型系统的计算PQ解解直至收敛快速解耦法迭代次数通常多于牛顿拉夫逊-该方法利用了以下几个特点电力系统中系数矩阵和仅与网络参数有关，可在法，但总体计算效率更高在重载系统或B B电压相角差较小；线路电抗远大于电阻迭代过程中保持不变，避免了重复构造雅高比系统中，收敛性可能较差现代R/X≫；节点电压接近额定值；发电机节可比矩阵的计算负担最常用的快速解耦潮流计算通常采用改进的快速解耦算法X R点无功功率对母线电压高度敏感算法包括和两种方案XB BX直流潮流法直流潮流的基本假设直流潮流法是潮流计算的一种线性化近似方法，基于以下假设所有节点电压幅值均为标幺值；线路电阻忽略不计，即仅考虑电抗；相邻节点之间的相角差较小，采

1.0用θθ的小角度近似sin≈线性化方程在上述假设下，节点功率方程简化为线性方程θΔθ，其中θ为节点电纳矩阵的虚P=B B部，Δθ为节点相角向量这使得潮流计算转化为求解线性方程组的问题适用条件和应用场景直流潮流法适用于以下场景安全约束经济调度的灵敏度分析；系统规划中的初步方案比较；输电阻塞管理和节点电价计算；需要多次重复计算的优化分析优缺点分析优点计算速度极快，不存在收敛问题；物理意义明确，便于分析系统特性缺点无法计算电压分布和无功潮流；在重载系统或高比系统中误差较大；不适用于电R/X压稳定性分析第四章电力系统的经济运行经济运行的重要性经济性与安全性的平衡电力系统的经济运行旨在以最低系统经济运行必须在满足各种安的总成本满足给定的负荷需求，全约束的前提下进行优化，包括同时考虑系统的安全约束燃料发电机出力限制、网络传输能力成本通常占火电厂总运行成本的限制、旋转备用要求、环境排放，是经济调度的主要目约束等60%-70%标优化方法经济调度问题可采用拉格朗日乘子法、梯度法、动态规划、遗传算法等多种数学优化方法求解现代电力市场环境下，经济调度更需考虑市场规则和价格信号火电机组的特性曲线火电厂的最优负荷分配等增量率原则各机组的增量率应相等且等于系统增量率机组出力约束满足机组最大最小出力限制功率平衡约束机组总出力等于系统总负荷火电厂的最优负荷分配是指在满足总负荷需求的条件下，确定各发电机组的出力，使总燃料成本最小最优解必须满足等增量率原则，即各机组的增量率相等对于没有达到出力限制的机组计算方法通常采用迭代法首先假设一个系统增量率，根据等增量率原则计算各机组的出力；检查总出力是否满足负荷要求，若不满足λλ则调整值；反复迭代直至总出力与负荷平衡对于达到出力上限或下限的机组，固定其出力，不再参与等增量率调整λ考虑网络损耗的经济调度在实际电力系统中，输电线路的损耗不容忽视，需要在经济调度中考虑网络损耗的影响考虑损耗后，等增量率原则修正为λλ，其i1-∂PL/∂Pi=中λ为机组的增量率，为该机组出力对系统损耗的灵敏度i i∂PL/∂Pi系数法是一种常用的网络损耗计算简化方法，将系统损耗表示为发电机出力的二次函数，其中、和为损耗系数B PL=PTBP+BTP+B00B B0B00这些系数可通过基准潮流计算和灵敏度分析得到最优潮流法是更精确的考虑网络约束的经济调度方法，直接将网络潮流方程作为约束条件纳入优化模型该方法可以同时考虑发电成本、网络损耗、线路传输能力和节点电压限制等多种因素，但计算复杂度较高水火电力系统的优化运行长期规划年度计划基于历史水文数据和负荷预测，制定水库年度运行计划，确定各月水量分配目标考虑最大程度发挥水电效益，减少火电燃料消耗中期调度月度计划根据当月水情预测和电力需求，确定水库月度出力和蓄水计划结合火电机组检修安排，优化系统整体经济性短期优化周计划根据周内负荷特性和水情变化，优化水电站日发电计划通常将水电用于削峰填谷，提高系统负荷率实时调度日内平衡水火电机组协调运行，水电主要承担峰荷和调频任务，火电维持基本负荷根据实际负荷波动，调整各类机组出力，确保系统可靠经济运行第五章电力系统的无功功率与电压调整无功功率平衡的重要性无功功率平衡是维持电力系统电压稳定的关键合理的无功功率分布可降低线路损耗，提高设备利用率，保证电压质量，增强系统稳定性无功功率的局部性由于线路电抗的影响，远距离传输无功功率会导致显著的电压降和线路损耗无功电源应尽可能靠近无功负荷，实现就地平衡原则分层分区控制策略电力系统的无功电压控制通常采用分层分区策略，包括全网协调、区域控制和局部自动调节三个层次，结合考虑各类设备的调节特性和时间常数无功功率的来源与消耗电压与无功功率的关系曲线曲线PV QV曲线描述了在给定功率因数下，系统输送功率与接收端电压的曲线描述了在固定有功功率下，系统节点电压与注入无功功率PV QV关系曲线上部为稳定运行区，下部为不稳定区，曲线顶点对应的关系曲线的最低点对应临界无功功率，是电压稳定的判据最大传输功率，是电压稳定的临界点当系统负荷增加时，接收端电压逐渐下降，传输功率先增加后减曲线的斜率反映了系统的电压敏感性斜率越小，电压对无功QV小如果系统运行点超过了曲线的顶点，将进入不稳定区，可变化越敏感，系统越接近不稳定状态当曲线斜率为零或负值时，PV能导致电压崩溃表明系统已处于电压不稳定区域电压调整的基本方法发电机励磁调整通过调节发电机励磁电流，控制发电机端电压和无功输出现代发电机配备自动电压调节器，能够快速响应系统电压变化，提供动态无功支持同步发电机是系统中最重要的动态AVR无功源，对维持电压稳定性具有关键作用变压器调压通过改变变压器的变比，调整次级电压水平变压器有载调压装置可在带负荷状态下OLTC调整分接头，实现左右的电压调整范围变压器调压主要用于系统不同电压等级之间的±10%协调和配电网电压调整无功补偿通过投切并联电容器或电抗器，改变系统的无功平衡状态，从而调整电压水平现代电力系统采用静止无功补偿装置、静止同步补偿器等设备，实现连续平滑的无功调SVC STATCOM节，提高系统的电压稳定性网络拓扑调整通过改变系统运行方式，如切换线路、调整环网结构等，优化系统的无功分布和电压分布在系统重载或轻载情况下，适当的拓扑调整可以有效改善电压分布，减少无功传输损耗无功补偿设备并联电容器静止无功补偿器静止同步补偿器SVC STATCOM并联电容器是最基本的无功补偿设备，具有由晶闸管控制的电抗器和晶闸管基于电压源换流器技术，通过控SVC TCRSTATCOM投资成本低、损耗小、维护简单等优点通投切的电容器组成，通过改变晶闸管制换流器输出电压的幅值和相位，实现无功TSC常成组安装，可通过断路器进行分组投切的触发角，实现连续可调的无功输出功率的灵活调节与相比，SVC SVCSTATCOM电容器提供的无功功率与电压的平方成正比，响应速度快约，可提供动态无在低电压条件下仍能保持较高的无功输出能50-100ms在电压降低时无功输出能力也随之降低功支持，有效抑制电压波动和闪变力，响应速度更快约，但投资成10-20ms本更高第六章电力系统的稳态稳定性稳态稳定性的定义稳定性的物理机制稳态稳定性是指电力系统受到小同步发电机稳态稳定的物理机制扰动后，能够恢复到原来运行状是旋转磁场与定子磁场之间的同态或新的平衡状态的能力在小步力矩作用当转子偏离同步位扰动分析中，系统方程可以线性置时，同步力矩会自动产生使转化处理，使用线性系统理论进行子恢复同步运行的作用分析稳定性判据系统稳态稳定的充分必要条件是系统特征方程的所有特征根均具有负实部对于单机无穷大系统，稳定判据简化为功角静态稳定裕度为正，即δdP/d0单机无穷大系统的稳定性多机系统的稳态稳定性系统建模线性化处理建立反映系统动态特性的微分方程组，包在工作点附近对非线性方程进行线性化，括发电机、调速器、励磁系统等设备模型得到状态空间表达式稳定性判断特征值计算根据特征值实部判断系统稳定性，分析振计算系统状态矩阵的特征值，分析系统特荡模式和振荡频率征模式提高系统稳态稳定性的措施30%增强网架强度通过增加传输通道提高稳定裕度25%提高励磁效果快速励磁可提高系统暂态稳定性40%应用FACTS设备灵活交流输电技术显著提升系统稳定性80%综合效果多种措施协同可大幅提高系统稳定性增加系统传输容量是提高稳态稳定性的基本措施，可通过新建线路、提高电压等级、增加调相机等方式实现现代电力系统中，柔性交流输电设备如静止同FACTS步补偿器、统一潮流控制器等可有效提高系统的传输能力和稳定性STATCOM UPFC采用快速励磁调节系统对提高稳态稳定性有显著效果现代数字励磁系统响应速度快，可配置电力系统稳定器，有效抑制低频振荡此外，合理配置系统阻尼PSS设备、优化系统运行方式、应用先进控制策略等也是提高系统稳定性的重要手段第七章电力系统的暂态稳定性暂态稳定性的概念暂态稳定性是指电力系统遭受严重扰动如短路故障、大负荷突变等后，能够维持同步运行的能力与稳态稳定性不同，暂态稳定性分析中系统非线性特性不能忽略，需要考虑完整的动态过程时间尺度暂态稳定性过程通常发生在故障后的第一个摆动周期内秒，主要受同步发电机的转子动力学特性和网络特性影响如果系统在第一摆动稳定，则通常能够保持1-3后续稳定影响因素暂态稳定性受多种因素影响，包括系统初始运行状态、故障类型和位置、故障持续时间、系统参数以及控制设备的特性等其中故障切除时间是最关键的因素之一单机无穷大系统的暂态稳定性等面积法原理等面积法是分析单机无穷大系统暂态稳定性的经典方法其基本原理是转子动能与电磁能量转换过程中的能量平衡在故障期间，发电机加速吸收能量形成加速面积；故障切除后，发电机减速释放能量形成减速面积稳定判据系统暂态稳定的充分必要条件是加速面积小于等于最大可能的减速面积这一判据可以直观地在功角功率曲线上表示，提供了系统暂态稳定性的定量评估方法-临界切除角对于给定的系统和故障条件，存在一个临界切除角，如果故障在该角度前切除，系统保持稳定；如果超过该角度切除，系统将失去同步临界切除角可通过等面积法计算得到临界切除时间通过求解发电机摆动方程，可将临界切除角转换为临界切除时间，即保证系统稳定所允许的最长故障持续时间实际系统设计中通常要求故障切除时间小于临界切除时间的，以保留足够的稳定裕度50%-60%多机系统的暂态稳定性时间序列法直接法时间序列法是分析多机系统暂态稳定性最常用的方法，通过数值直接法基于能量函数理论，直接判断系统是否稳定，无需进行完积分求解系统的非线性微分方程组，得到各发电机转子角度随时整的时间域仿真其核心思想是构造系统的能量函数，将暂态稳间的变化轨迹定性问题转化为能量比较问题计算过程分为三个阶段故障前系统状态计算初始条件；故障期常用的直接法包括瞬态能量函数法和临界轨线能量函数法TEF间系统响应计算；故障切除后系统响应计算通过分析发电机间等直接法计算速度快，适合实时稳定性评估，但对复杂CUEP的相对功角变化，判断系统是否失去同步系统模型的适应性不如时间序列法提高系统暂态稳定性的措施快速切除故障缩短故障持续时间是提高暂态稳定性最有效的措施使用高速断路器和先进的保护系统，将故障切除时间控制在以内，可显著提高系统的暂态稳定性单相快50-100ms速重合闸技术能进一步减少故障对系统的影响使用快速励磁系统2现代数字励磁系统具有高励磁天花板电压和快速响应特性，可在故障期间迅速提高发电机端电压，增加同步力矩，改善系统暂态稳定性高初始响应励磁系统对暂态HIR稳定性提升尤为显著应用快速阀控制火电机组的快速阀控制技术可在系统扰动期间临时增加汽轮机的机械功率，提供附加的同步力矩，帮助系统度过暂态不稳定期这种技术对改善首摆稳定性特别有效安装设备FACTS现代柔性交流输电技术设备如静止同步补偿器、统一潮流控制器FACTS STATCOM等，能够快速调节系统的功率流和节点电压，显著提高系统的暂态稳定性能UPFC第八章电力系统的短路计算短路故障的类型不对称故障电力系统中的短路故障主要分为不对称故障包括单相接地短路占对称故障和不对称故障对称故故障总数约、两相短路约70%障指三相短路，虽然发生概率较和两相接地短路约15%10%低约，但故障电流最大，是不对称故障会导致系统三相不平5%设备选择的主要依据衡，需要使用对称分量法分析短路电流特点短路电流通常包含直流分量和交流分量交流分量又可分为稳态、暂态和亚暂态三个阶段，反映了系统不同时间常数的电磁过程短路计算需考虑不同时间段的电流特性对称短路计算系统等值将系统中各元件用相应的等值电路表示，建立故障点到电源的连接网络在标幺值系统中，不同电压等级的设备可直接连接，简化计算过程等值阻抗计算计算从故障点看入系统的等值阻抗对于三相短路，只需考虑正序阻抗网络Zf复杂网络可通过节点导纳矩阵求解或采用网络简化方法计算短路电流计算根据等值阻抗和系统电压，计算初始对称短路电流，其中为故障Ik=E/Zf E前电压对于发电机附近的故障，需考虑发电机内电势和暂态亚暂态电抗/不同时刻电流值根据系统组成和故障点位置，确定不同时刻的电流衰减特性对于断路器选择，需计算断流时刻通常为故障后周波的对称分量和直流分量3-5不对称短路计算对称分量法正序网络对称分量法是分析不对称故障的基本工具，正序网络包含系统所有元件的正序阻抗，反将不平衡三相系统分解为正序、负序和零序映了与正常运行相同方向的电流和电压分量三个对称分量系统的叠加各序分量系统独正序网络包含电源，是唯一含有电动势的序立计算，最后通过变换矩阵合成得到原始相网络量零序网络负序网络零序网络包含系统各元件的零序阻抗，反映负序网络包含系统各元件的负序阻抗，反映了同相位、同幅值的电流和电压分量零序了与正常运行相反方向的电流和电压分量网络的连接受系统接地方式的显著影响，如对于静止设备，负序阻抗通常等于正序阻抗变压器接线方式和中性点接地方式各种不对称故障的计算故障类型故障概率序网络连接短路电流计算单相接地三序网络串联70%Ia=3I0=3E/Z1+Z2+Z0两相短路正负序并联15%Ib=-Ic=jE/Z1+Z2两相接地正序与负零序并联电路串联复杂表达式，需计算各序分量后合成10%三相短路仅考虑正序网络5%Ia=Ib=Ic=E/Z1单相接地故障是最常见的短路故障类型计算时，三序网络串联连接，故障相电流等于三倍的零序电流该故障的特点是零序电流显著，对电网零序阻抗和接地方式高度敏感两相短路故障计算中，正负序网络并联连接，无零序分量参与故障相电流相互等值反向，健全相无电流两相接地故障则更为复杂，需要考虑零序网络的参与，故障电流的计算需要通过各序分量的合成得到第九章电力系统的继电保护继电保护的作用继电保护是电力系统的安全卫士，其主要作用是快速检测系统故障，及时切除故障元件，防止故障扩大和蔓延，保障电力系统的安全稳定运行保护性能要求良好的继电保护装置应具备可靠性不拒绝动作、选择性只切除故障元件、快速性尽量缩短故障持续时间和灵敏性对最小故障电流也能可靠动作保护装置类型现代继电保护装置主要包括电磁式、静态式和微处理器式三种微处理器式保护具有功能强大、适应性好、可靠性高等优点，已成为主流保护形式保护系统构成完整的继电保护系统由测量单元、继电器单元、断路器跳闸回路和辅助电源CT/PT组成各部分必须协调可靠，确保保护系统在故障时正确动作电流保护过电流保护差动保护过电流保护是最基本的保护形式，基于故障时电流增大的原理差动保护基于电流守恒原理，比较保护对象两端电流的差值正根据动作时间特性，可分为定时限和反时限两种定时限保护在常运行或外部故障时，进出电流基本相等，差值接近零；内部故电流超过整定值后，延时固定时间动作；反时限保护的动作时间障时，差流显著增大，保护快速动作与电流大小成反比，电流越大动作越快差动保护具有绝对选择性，只对保护区内故障动作，对外部故障过电流保护适用于放射状配电网和简单环网，具有结构简单、价不动作对于高压母线、变压器和发电机等重要设备，通常采用格低廉的优点但在复杂网络中，由于故障电流受网络运行方式纵联差动保护作为主保护现代差动保护还具备谐波制动、相角影响大，选择性和灵敏性难以保证，通常作为后备保护使用差判别等功能，提高了其稳定性和可靠性电压保护低电压保护低电压保护用于检测系统电压异常降低的情况，主要用于保护对电压敏感的设备，如电动机、低压线路等当系统电压降低到整定值以下持续一定时间后，保护动作切除相关设备，防止设备损坏或运行状态恶化过电压保护过电压保护用于检测系统电压异常升高的情况，保护电气设备免受过电压损坏过电压可能由系统轻负荷、负荷突然减小、调压设备失控等原因引起保护动作可控制调压设备或切除引起过电压的元件零序电压保护零序电压保护用于检测系统中的接地故障，特别是对于中性点非直接接地系统中的单相接地故障当系统出现接地故障时，零序电压显著增大，保护装置检测到这一变化后发出报警或跳闸信号应用特点电压保护通常作为辅助保护或后备保护使用，很少单独作为主保护这是因为电压信号难以提供准确的故障方向和位置信息，选择性较差现代保护中，电压元件常与电流或方向元件配合使用，提高保护性能距离保护阻抗继电器保护范围应用优势阻抗继电器是距离保护的核心元件，通过测距离保护通常设置多个保护区段，形成梯级距离保护是输电线路保护的主要形式，具有量故障点阻抗电压与电流的比值来判断故保护配合体系第一段保护范围覆盖本线路选择性好、对系统运行方式变化不敏感、可障位置根据阻抗平面上的动作特性不同，，瞬时动作；第二段覆盖全线并实现快速后备保护等优点现代数字距离保80%-85%阻抗继电器可分为圆形特性、偏置圆形特性、延伸至邻线一定比例，延时秒动作；护还具备故障定位、自适应整定、通信辅助

0.3-

0.5方向阻抗型和多边形特性等多种类型第三段作为后备保护，覆盖更远距离，具有加速等高级功能，大大提高了保护性能更长的动作时间变压器保护差动保护瓦斯保护变压器差动保护是主要的快速保护方式，瓦斯保护专门用于检测油浸式变压器内部1对绕组短路和引线故障有较高灵敏度需故障产生的气体，分为轻气信号和重气跳考虑变压器变比、相位差和励磁涌流等特闸两级动作对内部绝缘缓慢恶化特别敏殊问题感后备保护温度保护包括过电流保护、零序电流保护等，用于监测变压器油温和绕组温度，防止过载和主保护失效或外部故障未切除时的后备保散热系统故障导致的过热损伤通常设置护，通常具有较长的动作时间延迟报警和跳闸两个动作等级发电机保护发电机是电力系统中最重要的设备，其保护系统设计极为复杂全面发电机保护可分为电气保护和机械保护两大类电气保护主要包括定子绕组短路保护纵差和横差保护、定子接地保护定子接地保护、失磁保护、反功率保护、过励磁保护、不平衡负荷保护等100%机械保护包括轴承过热保护、冷却系统故障保护、润滑油系统故障保护等现代大型发电机保护系统通常采用分散布置、集中管理的微机保护装置，提供综合全面的保护功能和监测功能对于重要机组，还采用双套保护系统设计，确保保护的可靠性第十章电力系统的自动控制自动控制的重要性控制系统层次控制对象与方式电力系统自动控制是保障大规模互联电电力系统自动控制通常采用分级分层的自动控制的主要对象包括发电、输变电网安全、经济、稳定运行的关键技术结构，从设备级、站级到区域级和全网和配电各环节的多种设备控制方式根随着电网规模扩大和结构复杂化，依靠级，形成完整的控制体系不同层次具据对象特性和控制目标的不同，包括开手动控制已无法满足系统快速响应和协有不同的控制目标和时间尺度，协同工环控制、闭环控制、前馈控制和智能控调控制的需求作确保系统整体最优制等多种形式发电机组的自动控制调速系统励磁系统调速系统是控制原动机机械功率的自动装置，用于调节发电机的励磁系统控制发电机的励磁电流，调节发电机端电压和无功输出转速和输出功率现代调速系统多采用电液双通道结构，包括调现代励磁系统主要采用静止励磁和自并励结构，具有响应速度快、速器、执行机构和反馈系统，可实现转速调节、负荷变化和紧急可靠性高的特点保护功能自动励磁调节器是励磁系统的核心，包含电压调节、限制和AVR调速系统通常工作在两种模式等百分比调节频率调节和定功率保护功能电力系统稳定器作为的附加控制环节，通过PSS AVR控制模式系统调节性能由静态调差率和动态响应特性决定大调制励磁控制信号，提供阻尼力矩，抑制低频振荡现代数字励型火电机组的静态调差率一般为，水电机组为，磁系统整合了多种控制功能，极大提高了发电机的运行性能和稳4%-5%2%-3%较小的调差率使机组对系统频率变化更为敏感定性自动电压调节器（）AVR电压测量测量发电机端电压，与参考值比较，计算电压偏差调节控制根据偏差计算控制信号，通常采用控制算法PID限制处理考虑发电机、励磁系统和稳定性限制条件励磁控制调节励磁系统输出，改变发电机磁场强度自动发电控制（）AGC频率控制监测系统频率偏差，通过调整发电机组出力，维持系统频率稳定在标准值当负荷变化导致频率偏离时，控制系统自动调整发电机功率，恢复系统平衡联络线功率控制控制区域间联络线功率交换，确保按计划执行系统根据联络线功率偏差和频率偏差计算区域控制误差，作为控制信号分配给各参与调节的机组ACE经济调度在满足频率和联络线控制的基础上，优化各发电机组的出力分配，实现系统总发电成本最小化通过计算各机组的增量成本，应用等增量率原则进行经济分配电力系统安全控制紧急控制应对系统严重扰动，防止大面积停电预防控制2确保系统在可能的扰动下保持安全安全监视实时评估系统运行状态和安全裕度电力系统安全控制是保障电网安全稳定运行的重要手段系统安全控制包括安全约束和紧急控制两大方面安全约束是在正常运行条件下，考虑可能的故障情景，确保系统具有足够的安全裕度这通常通过安全约束经济调度、最优潮流等方法实现，限制系统运行在安全域内紧急控制是系统发生严重扰动时的应急措施，包括发电机快速切除、负荷紧急减载、系统解列等手段现代电网通常采用特殊稳定控制系统或SPS电网安全防御系统，通过预先设计的控制策略，在故障发生后极短时间内执行自动控制动作，防止系统失稳和崩溃这些系统基于广域测量技术和先进的决策算法，能够快速识别系统不稳定趋势并采取有效措施第十一章智能电网技术智能电网的定义智能电网的特点关键技术智能电网是传统电网与现代信息、通信、控智能电网具有高度数字化、信息化、自动化、智能电网的关键技术包括先进测量基础设施制技术深度融合的产物它通过数据采集、互动化的特点它能够实现电力生产、传输、、广域监测系统、配电自动AMI WAMS分析和控制技术的结合，实现电力系统的自分配和使用全过程的智能化管理，支持大规化、柔性交流输电技术、能源管理FACTS我感知、自动控制、自我修复和自适应优化，模新能源接入，提供分布式、双向的能源流系统、电力电子技术、通信与信息安EMS提高系统可靠性、效率和灵活性动，为用户提供个性化的能源服务全技术等，这些技术共同构成智能电网的技术基础分布式发电和微电网分布式能源类型并网技术分布式发电主要包括光伏发电、风力发电、分布式电源通过先进电力电子接口实现与小型燃气轮机、燃料电池、生物质能等多大电网的安全并网，包括功率控制、电能种形式，通常直接接入配电网，靠近负荷质量管理和保护协调等关键技术中心运行模式微电网架构微电网可在并网模式和孤岛模式下运行，微电网是由分布式电源、负荷、储能装置3并具备平滑切换能力，提高系统的供电可和控制系统组成的小型自治电力系统，能靠性和韧性够实现自我控制、保护和管理需求侧管理电力电子技术在智能电网中的应用设备FACTS柔性交流输电技术设备通过先进电力电子器件实现对交流系统参数的快速控制静态FACTS同步补偿器、静态同步串联补偿器和统一潮流控制器等设备能够动STATCOM SSSCUPFC态调节系统阻抗、功率流向和节点电压，提高系统的传输能力和稳定性高压直流输电高压直流输电技术在远距离大容量输电和异步系统互联中具有显著优势基于电压源HVDC换流器的新型系统具备独立控制有功和无功功率、黑启动能力、为弱电网供电等VSC HVDC特点，特别适合海上风电并网和建设多端直流电网电源变换技术先进的电源变换技术使分布式能源能够高效、安全地接入电网智能逆变器具备电压支撑、频率响应、低电压穿越等电网支撑功能，提高了系统的稳定性多电平变换技术降低了高压设备的谐波含量，提高了效率和电能质量储能系统接口电力电子技术是各类储能系统如电池、飞轮、超级电容与电网连接的关键接口双向变流器使储能系统能够灵活充放电，参与系统调频、调峰、电压支撑等多种辅助服务，提高系统的灵活性和可靠性智能电表和用电信息采集系统系统架构数据分析和应用AMI高级计量基础设施是智能电网的核心组成部分，由智能电表、系统产生的海量数据是智能电网大数据分析的重要来源通过AMI AMI通信网络和主站系统组成智能电表不仅能测量用电量，还能记对用电数据的挖掘分析，可实现负荷预测、负荷分类、用电行为录电能质量、负荷曲线，并支持远程控制功能分析和异常检测等多种应用系统采用多层次通信架构，通常包括本地区域网如电力线载基于数据的应用包括电费自动计算和远程抄表；需求响应管AMIAMI波、无线、广域网和企业网三个层次数据采集频率从几分钟到理；用电信息查询和能效分析；电能质量监测；非技术损失如电几小时不等，根据应用需求灵活配置，实现从用户到主站的数据力窃取检测；配电网态势感知和故障定位等这些应用显著提升双向流动了电网运行效率和服务质量第十二章电力市场电力市场的类型电力市场结构电力市场按交易时限可分为长期电力市场结构主要有集中式和分合同市场、日前市场、日内市场散式两种模式集中式市场由市和实时平衡市场按交易产品可场运营机构组织集中竞价，优化分为电能量市场、辅助服务市场调度资源；分散式市场主要通过和容量市场不同类型市场互相双边合同实现电力交易，配合能配合，共同满足电力系统的多样量不平衡市场处理偏差化需求电力市场改革电力市场改革的核心是打破垄断，引入竞争通常包括发电侧竞争、输电与配电分离、售电侧竞争和终端用户选择权等环节不同国家和地区根据自身特点采取不同的改革路径和模式电力市场的参与者电网公司发电公司负责输电网络的建设、运营和维护，提供开放、公平的网络接入服务作为自然垄断环拥有和运营发电资产，在市场中出售电能和节，电网公司受到严格监管，收取核定的输辅助服务大型发电集团通常拥有多种类型电费用，不直接参与市场竞争的发电资源，可以优化资产组合，在不同市场中获取最大收益1售电公司从批发市场购买电力，向终端用户销售电能和增值服务竞争性售电公司需要开发创新产品和服务，满足不同用户需求，管理市场价格风险系统运营商负责系统安全和可靠运行，维护电力供需平用户衡可分为独立系统运营商和输电系统ISO电力消费者，可以是被动接受价格的小用户，运营商两种模式，通常也承担市场运TSO也可以是参与需求响应和市场交易的大用户营功能具有分布式资源的用户可以同时作为生产者和消费者即产消者电力市场的交易机制长期合同市场参与者通过双边协商或集中交易平台签订月度、季度、年度甚至多年期电力合同，锁定价格和数量，规避市场风险长期合同通常覆盖基本负荷需求，占总电量的60%-80%日前市场2在交割前一天组织的集中竞价交易，确定次日每小时或每半小时的市场出清价格和发电计划日前市场通常采用边际价格机制，所有成交者按照同一价格结算日内市场3允许参与者在日前市场结束后、实时交割前调整交易计划的市场日内市场提高了系统灵活性，特别有助于风电、光伏等可再生能源的消纳实时平衡市场系统运营商在实时运行中组织的调节市场，解决实际运行偏差，维持系统平衡参与者通过提供上调或下调能力获得相应补偿，价格通常比日前市场更为波动输电阻塞管理阻塞成本节点电价输电阻塞是指系统中某些线路或断面的传输能力限制了最优经济节点电价是处理输电阻塞的市场化机制，将系统中每个节点LMP调度的实现阻塞迫使系统运营商放弃经济性更好的发电资源，的电价分解为能量电价、阻塞电价和损耗电价三部分在有阻塞转而使用经济性较差但位置更合适的资源，从而产生额外成本的系统中，不同节点的电价存在差异，反映了输电约束的影响阻塞成本的计算基于无阻塞情况下的理想调度与考虑阻塞后的实节点电价差异为输电权的定价提供了基础，也为输电扩建决策提际调度之间的成本差异在电力市场环境下，阻塞成本通常由拥供经济信号节点电价模型通过优化算法求解经济调度问题，同塞管理费用和再调度成本组成，直接影响市场效率和社会福利时考虑网络约束，实现了物理可行性和经济效率的统一然而，节点电价也带来了价格波动和市场力问题，需要辅以适当的风险管理机制电力市场的风险管理电力市场的特殊性如实时平衡、有限存储、网络约束导致价格高度波动，市场参与者面临显著的价格风险合同差价是一种重for CfD要的风险对冲工具，买卖双方约定一个固定价格，当市场价格低于此价格时，买方向卖方支付差额；当市场价格高于此价格时，卖方向买方支付差额使双方都能锁定有效价格，规避市场波动风险CfD金融输电权是针对输电阻塞风险的专门工具，持有者可以获得特定节点对之间的价差收益为市场参与者提供了对冲节点间价格FTR FTR差异的机会，特别适合跨区域交易的参与者除了和外，电力期货、期权、互换等金融衍生品也被广泛应用于电力市场风险管理，CfD FTR形成了完整的电力金融市场体系总结与展望技术创新驱动新型电力系统将由技术突破引领变革高比例新能源接入可再生能源将成为主导能源形式数字化智能化转型人工智能、大数据深度应用于电力系统各环节本课程全面介绍了电力系统的基本概念、结构组成、运行特性和关键技术从电力系统的基础知识到潮流计算、经济运行、稳定性分析、继电保护、自动控制，再到智能电网和电力市场，系统性地构建了现代电力系统的知识体系这些内容不仅是对传统电力系统技术的总结，也是理解和把握电力系统未来发展趋势的基础展望未来，电力系统将迎来深刻变革高比例可再生能源接入将改变系统的物理特性，分布式能源和微电网的发展将重塑系统结构，信息通信技术的融合将提升系统智能化水平，电力市场机制的完善将优化资源配置效率面对这些变化，我们需要创新思维、系统观念和交叉学科知识，共同推动电力系统向清洁化、分布化、智能化、互动化方向发展，建设安全高效、绿色低碳的现代能源体系。