《电力系统基础原理》课件

电力系统基础原理欢迎大家学习电力系统基础原理课程本课程旨在帮助学生理解电力系统的基本概念、结构和运行原理，为后续深入学习电力工程奠定基础在这个课程中，我们将系统地探讨电力系统的各个环节，包括发电、输电、变电、配电和用电，并介绍电力系统的安全性、可靠性及未来发展趋势通过本课程的学习，你将能够全面把握现代电力系统的工作原理电力系统定义及历史发展世纪末19爱迪生建立第一个商业电力系统，直流输电为主，供电范围仅限于几公里世纪初20交流电力系统逐渐取代直流系统，开始建立区域电网世纪中期20大型电力系统形成，国家级电网开始建设世纪21智能电网和新能源并网技术快速发展电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的统一整体，是将一次能源转化为电能并传输给用户的复杂工程系统它是现代社会能源转换和利用的核心基础设施电力系统的重要性经济发展支柱民生根基国家安全电力系统作为工业生产和经济活动的动力现代生活的方方面面都依赖电力，包括照电力系统是国家关键基础设施，其安全稳源泉，其可靠性和效率直接影响国民经济明、供暖、制冷、通信、医疗等，电力系定运行直接关系到国家安全和社会稳定，的正常运行和发展速度统的稳定运行关系到人民生活质量是国防工业的重要支撑电力系统被誉为国民经济的血液循环系统，是现代社会发展的命脉无论是工业生产、农业灌溉、商业运营还是居民生活，都离不开可靠的电力供应一个国家的电力系统规模和质量，往往能反映其现代化程度和综合国力现代电力系统的构成输电系统发电系统远距离大容量输送电能将一次能源转换为电能变电系统变换电压等级用电系统配电系统将电能转化为最终需要的能量形式向用户分配电能现代电力系统由五个主要环节构成，形成了一个完整的能量转换和传输链条发电系统负责将各种一次能源（如煤炭、水力、核能、风能等）转换为电能；输电系统通过高压输电线路将电能从发电厂传输到负荷中心附近；变电系统实现电压的升降变换；配电系统将电能分配到各个用户；最后用电系统将电能转化为照明、动力等形式电力系统常见电压等级特高压（）≥750kV远距离大功率输电高压（）110kV~500kV干线输电网中压（）10kV~35kV区域配电网低压（）380V/220V终端用户用电电力系统采用不同电压等级是为了适应不同传输距离和功率的需求电压等级越高，输送容量越大，传输损耗越低，但建设成本也越高中国电力系统主要采用35kV、110kV、220kV、500kV和1000kV等电压等级，形成了多级电压的层次结构电力系统整体运行流程能源输入煤炭、水力、核燃料、风能、太阳能等一次能源能量转换发电机组将一次能源转换为电能电能传输通过输电、变电、配电网络传输电能能量利用用户将电能转换为所需的最终能量形式电力系统的整体运行流程是一个复杂的能量转换和传输过程首先，各类一次能源在发电厂被转换为标准的电能形式；然后，电能经过升压变电站提升电压，通过高压输电线路传输到负荷中心附近；接着，在降压变电站将电压降至适合区域配电的水平；最后，通过配电网络将电力分配给各类终端用户世界主要电力系统布局中国电网美国电网欧洲电网形成了西电东送、北电南供、全国联网的特高由东部互联电网、西部互联电网和德州互联电网欧洲同步互联电网覆盖大部分欧洲国家，跨国电压骨干网架，是世界上规模最大的同步电网特三大电网组成，各电网之间通过直流背靠背联力交易活跃，可再生能源占比高电网互联程度高压技术领先世界，建成了多条±800kV直流和结电力市场化程度高，拥有完善的区域电力市高，形成了完善的跨国电力调度机制1000kV交流输电线路场体系世界各主要国家和地区的电力系统虽然在技术标准和管理模式上存在差异，但都经历了从小到大、从分散到互联的发展过程中国电网追求大规模、远距离输电能力；美国电网注重灵活性和市场机制；欧洲电网则强调跨国互联和可再生能源整合典型电力系统架构图电力系统的结构通常使用单线图来表示，这种图纸省略了实际三相系统中的重复部分，只保留一相的主要连接关系，使系统结构更加清晰在单线图中，发电厂、变电站、输电线路和主要负荷都有特定的图形符号表示，工程师可以通过单线图迅速了解系统的拓扑结构和主要设备电力系统主要任务电能传输实现发电与用电在时间和空间上的匹配，将电能从发电厂经济高效地传送到用户端电力平衡保证发电与负荷实时平衡，维持系统频率稳定在额定值附近电压控制维持系统各节点电压在合理范围内，保证供电质量故障保护在故障发生时及时隔离故障设备，防止故障扩大，保障系统安全稳定运行电力系统的核心任务是保证安全、可靠、经济、优质的电力供应这要求电力系统必须能够应对负荷变化、设备故障和自然灾害等各种挑战，同时保持电能质量符合标准，并最大限度地降低运行成本和环境影响电力系统各组成环节介绍环节主要设备主要功能技术特点发电发电机组、锅炉/水能量转换大容量、高效率轮机变电变压器、开关设备电压转换高可靠性、自动化输电输电线路、铁塔远距离输送高电压、大容量配电配电变压器、配电电能分配广覆盖、多分支线路用电电动机、照明设备能量利用多样化、分散式电力系统的各个环节在功能和技术特点上各有侧重，但又紧密配合发电环节追求高效率和灵活性，采用不同类型的发电机组适应各种能源形式；变电环节是连接不同电压等级的枢纽，通过变压器和开关设备实现电压转换和系统保护；输电环节主要解决远距离大容量输电问题，采用高电压减少线损；配电环节则面向终端用户，需要兼顾覆盖范围和经济性发电系统基本原理机械能转换直接能量转换水力、风力和火力发电都是通过将不同形式的能量先转换为太阳能光伏发电和燃料电池是直接能量转换的例子，它们不机械能，再通过发电机转子旋转产生电能转子切割磁力线需要经过机械能转换环节，而是直接将光能或化学能转换为产生感应电动势，这是大部分发电机组的工作原理电能，转换效率正在不断提高发电机是核心设备，它利用电磁感应原理将机械能转化为电能当导体在磁场中切割磁力线时，导体中会产生感应电动势，形成电流发电是电力系统的起点，不同类型的发电方式有各自的能源基础和技术特点传统的火力发电通过燃烧化石燃料产生热能，将水加热成蒸汽，驱动汽轮机旋转，带动发电机发电；水力发电则利用水位落差产生的势能，通过水轮机转化为机械能；核能发电利用核裂变反应产生的热能，其后续过程与火力发电类似水力发电简介水库蓄水储存水能压力水管2转化为动能水轮机3转化为机械能发电机转化为电能水力发电是利用水位差产生的水能驱动水轮机发电的技术根据水头高度和运行方式，水电站可分为高水头、中水头和低水头电站，以及调峰、调频和基荷电站等类型典型的水电站由大坝、水库、进水口、压力管道、水轮机、发电机和厂房等部分组成火力发电简介燃料供应煤炭、天然气等燃料锅炉产生高温高压蒸汽汽轮机蒸汽膨胀做功发电机转化为电能火力发电是当前全球最主要的发电方式，它通过燃烧煤炭、石油或天然气等化石燃料产生热能，将水加热成高温高压蒸汽，推动汽轮机旋转，带动发电机发电火电厂的主要设备包括锅炉、汽轮机、发电机和冷却系统等现代火电厂广泛采用高参数（超临界或超超临界）技术，以提高热效率核能发电简介反应堆安全系统燃料循环反应堆是核电站的核心，在这里进行可控的核裂变反核电站设计有多重安全保障系统，包括多重屏障（燃核燃料循环包括铀矿开采、转化、浓缩、元件制造、应常见的有压水堆、沸水堆、重水堆等类型核裂料包壳、压力边界、安全壳）和纵深防御（预防、控反应堆使用和乏燃料处理等环节完整的核燃料循环变过程中释放的热能被冷却剂吸收，用于产生蒸汽驱制、缓解）这些系统旨在防止放射性物质泄漏，保管理是核电站安全运行的关键组成部分动汽轮机障公众安全核能发电利用铀等重元素的核裂变反应释放的热能发电，是一种低碳的基荷电源典型的核电站由反应堆、一回路系统、二回路系统、汽轮机发电机组和辅助系统等组成核电的最大特点是能量密度极高，1千克铀-235完全裂变可释放相当于2500吨标准煤的能量新能源发电简介风力发电利用风能驱动风轮旋转发电，包括陆上和海上风电中国风电装机容量全球最大风电具有间歇性特点，需要配合储能或调峰电源太阳能发电包括光伏发电和光热发电两种方式光伏发电直接将光能转换为电能，是当前增长最快的发电方式之一成本持续下降，装机规模迅速扩大储能系统包括抽水蓄能、电化学储能、压缩空气储能等解决可再生能源波动性问题，提供调峰调频服务，是新能源高比例接入的关键支撑技术新能源发电主要包括风能、太阳能、生物质能等可再生能源发电形式，它们具有清洁环保、资源可再生的优势，但也面临间歇性、波动性和分布式的技术挑战近年来，随着技术进步和成本下降，新能源发电比例不断提高，正从补充能源向主力能源转变发电站典型布置主厂房区开关站及附属设施••锅炉间/反应堆厂房高压开关站••汽机间变压器区••电气间冷却系统••控制室燃料储运设施••辅助设备间水处理系统•废物处理设施主厂房集中了发电站的核心设备，布置紧凑，设计需考虑设备安装、检修和安全通道等因素附属设施为主机提供必要支持，保障发电站安全、环保、高效运行发电站的布置需要综合考虑工艺流程、设备特性、安全要求、土建条件和施工条件等多方面因素，遵循紧凑合理、安全可靠、经济适用的原则发电站的典型布置是围绕能量转换流程而设计的以火电厂为例，从燃料供应开始，经过燃烧、蒸汽产生、汽轮机做功、发电机发电，最后通过升压变压器和开关站送出电能，形成一个完整的能量转换链条主厂房通常采用纵列式或横列式布置，设备按照工艺流程顺序排列发电厂主接线方式发电厂主接线是连接发电机组与电网的电气连接方式，直接关系到供电可靠性和系统安全性常见的主接线方式包括单母线接线、双母线接线、单元接线和桥形接线等单母线接线简单经济但可靠性低；双母线接线灵活性好，可靠性高但造价高；单元接线每台发电机组通过升压变压器直接接入电网，结构清晰；桥形接线和

1.5断路器接线在超高压和特高压系统中应用较多输电系统基本原理交流输电原理直流输电原理交流输电是目前最主要的输电方式，采用三相交直流输电通过换流站将交流电转换为直流电进行流系统，频率为50Hz或60Hz交流输电的最大输送，在另一端再变回交流电适用于远距离大优势是可以通过变压器方便地改变电压，便于形容量输电和异步电网互联成大电网•无需考虑同步问题••电压越高，同样功率下电流越小，线损越低线路走廊窄，杆塔结构简单••存在电感和电容引起的阻抗问题线损低，无电抗补偿问题••传输距离受到电压稳定性限制换流设备复杂，成本高直流输电与交流输电相比具有线路走廊窄、输电损耗低、异步联网等优势，但需要额外的换流设备，成本较高在远距离大容量输电场景中具有明显优势输电系统的基本任务是将电能从发电厂高效可靠地传输到负荷中心电能在传输过程中会产生损耗，主要包括线路电阻引起的有功损耗和电感、电容引起的无功损耗为减少损耗，输电系统采用高电压等级，遵循发电低压，输电高压，用电低压的原则输电线路类型架空输电线路电力电缆••导线暴露在空气中，由杆塔支撑导线包裹绝缘层和保护层••造价低，散热好，检修方便可埋地、穿管或架设••占地面积大，受天气影响不受天气影响，美观可靠••绝缘采用空气和绝缘子造价高，散热差，检修难••适用于郊外和农村地区适用于城市和特殊场合特殊输电线路•气体绝缘输电线GIL•超导输电线路•海底电缆•具有特殊性能和应用场景•技术先进，成本较高输电线路是电力系统的动脉，承担着远距离大容量输电任务根据电压等级可分为高压、超高压和特高压输电线路；根据结构可分为架空线路和电缆线路架空线路使用最广泛，由导线、绝缘子、杆塔和金具等组成，具有造价低、散热好的优点，但占地面积大，景观影响大；电缆线路适用于城市和特殊场合，具有不受天气影响、景观影响小的优点，但造价高、散热条件差输电线路参数及处理电阻参数电感参数R L导致有功功率损耗导致感抗，产生感性无功••与导线材料、长度、截面有关与导线间距、换相配置有关••温度升高时电阻增大通过分裂导线可减小••交流电阻大于直流电阻（趋肤效应）主要影响长线路传输能力导纳参数电容参数G C导致绝缘损耗导致容抗，产生容性无功•4•与绝缘材料、环境条件有关与导线对地间距、相间距有关••正常情况下很小，常忽略轻载线路产生馈线效应••恶劣天气下可能增大通过并联电抗器补偿输电线路的电气参数包括电阻R、电感L、电容C和导纳G，它们共同决定了线路的传输特性电阻导致有功功率损耗，是线路经济性的重要指标；电感产生感性无功功率，影响线路的电压分布和稳定性；电容产生容性无功功率，轻载时会导致线路电压升高；导纳通常很小，只在绝缘受潮或污秽时变得显著输电的经济距离输电系统潮流计算潮流计算基本概念潮流计算应用潮流计算是分析电力系统稳态运行的基础工潮流计算可以评估系统运行方式是否合理，检具，用于确定系统各节点电压和各支路功率分查线路功率流是否超过容量，节点电压是否在布它是电力系统规划、运行和控制的重要手允许范围内，为系统调整提供依据段在系统规划中，潮流计算用于评估新建设备投潮流计算的基本方程是基于节点功率平衡，形运后的系统性能，指导系统扩建和改造成非线性方程组，通常需要迭代求解潮流计算通常采用迭代算法，如牛顿-拉夫森法、高斯-赛德尔法等现代电力系统使用专业软件进行潮流计算，可以处理包含数千个节点的大型系统电力系统潮流是指电力网络中的有功功率和无功功率沿着线路的流动情况潮流分布遵循物理规律，不能人为控制，这是电力系统区别于其他网络的重要特点潮流计算的核心是求解节点功率平衡方程，确定各节点的电压幅值和相角，进而计算线路功率流和损耗输电常见问题及对策过电压问题包括雷电过电压、操作过电压和谐振过电压等通过安装避雷器、选择合适的中性点接地方式、控制操作顺序、安装阻尼装置等措施防范冠振和舞动在特定气象条件下，导线表面产生电晕放电引起电磁噪声和无线电干扰；导线在风力作用下发生振动和舞动通过使用分裂导线、安装阻尼器和防舞装置解决稳定性问题包括角度稳定、电压稳定和频率稳定通过安装PSS、SVC、自动电压调节器、快速励磁系统等提高系统稳定性，必要时采用特殊保护装置绝缘污秽绝缘子表面积累污垢，降低绝缘性能，引发闪络事故通过选用防污型绝缘子、定期清洗、涂硅脂和更换复合绝缘子等手段应对输电系统面临多种技术挑战，需要通过合理设计和有效维护来保障安全可靠运行除上述问题外，还有电磁环境问题、机械强度问题和通道管理问题等电磁环境问题涉及电磁辐射对人体健康的潜在影响，需要合理设计线路走廊；机械强度问题要求线路具备抵抗风雪冰灾等极端天气的能力；通道管理问题则关注防范树木导致的线路跳闸和人为破坏输电设备典型配置导线杆塔绝缘子和金具导线是输电线路的核心部件，常用铝绞线、钢芯铝绞线杆塔是支撑导线的结构，按材料可分为钢管塔、角钢塔、绝缘子是导线与杆塔之间的绝缘装置，常用瓷绝缘子、玻ACSR和复合芯导线等选择时考虑电流密度、温升、混凝土塔等；按功能可分为直线塔、转角塔、终端塔等璃绝缘子和复合绝缘子金具是连接导线、绝缘子和杆塔机械强度、跨越距离等因素特高压线路多采用大截面分杆塔设计需考虑荷载、地形、气象条件等，保证足够的安的连接件，包括线夹、连接板、U型挂环等，要求机械强裂导线，以减小电晕和电感全裕度和经济性度高、连接可靠输电线路的设备配置需要综合考虑电气性能、机械性能、环境适应性和经济性等因素大容量输电线路通常采用分裂导线，每相由2-8根子导线组成，以减小电晕损失和提高传输容量现代输电线路越来越多地采用复合材料，如碳纤维复合芯导线ACCC具有低热膨胀系数和高强度的特点，适合提高线路传输容量变电站简介系统节点作用1连接不同电压等级，汇集和分配电能电压转换功能通过变压器实现电压升降系统保护作用隔离故障，保障安全可靠运行监控和调度功能收集系统信息，执行控制指令变电站是电力系统中连接发电、输电、配电的枢纽，承担着电压转换、电能分配、系统保护和无功补偿等多重任务根据电压等级和功能，变电站可分为升压站、降压站、开关站和配电站等类型主要设备包括变压器、开关设备、母线、避雷器、电容器组、电抗器和二次设备等变压器原理及作用电磁感应原理变压器基于法拉第电磁感应定律工作初级线圈中的交变电流在铁芯中产生交变磁通，磁通穿过次级线圈感应出电动势电压转换变压器能够将一种电压等级转换为另一种电压等级，电压比等于匝数比升压变压器将低电压转换为高电压用于输电；降压变压器将高电压转换为低电压用于配电电气隔离变压器的初级和次级线圈电气隔离，防止故障传播自耦变压器除外，它的初次级线圈部分共用，隔离性较差但成本低阻抗匹配和滤波变压器的阻抗特性使其能够实现系统阻抗匹配，并具有一定滤波作用，能够抑制谐波传播特殊设计的变压器还可用于相位调整变压器是电力系统中最核心的设备之一，由铁芯、绕组、绝缘系统、冷却系统和保护装置组成电力变压器种类繁多，包括三相变压器、自耦变压器、调压变压器、相位调整变压器等，根据用途和安装位置有不同选择冷却方式根据容量大小分为油浸自冷、油浸风冷、强迫油循环风冷和强迫油循环水冷等配电系统基本结构城市配电网与农村配电网差异城市配电网特点农村配电网特点••负荷密度大，多为集中式负荷负荷分散，覆盖面积大••供电可靠性要求高，多采用环网结构经济性要求高，多采用放射状结构••地下电缆应用广泛，减少景观影响架空线路为主，建设和维护成本低••自动化水平高，配备完善的监控系统自动化水平相对较低••负荷以商业、办公和居民为主负荷以农业生产和居民为主••通常采用10kV配电电压部分地区采用低压配电400/230V城市配电网和农村配电网在设计理念上存在根本差异城市配电网追求高可靠性和美观性，而农村配电网则更注重经济性和适应性两者的差异反映了不同地区用电需求和资源状况的差异城市配电网和农村配电网在规划、建设和运行维护方面存在显著差异城市配电网的重点是解决高负荷密度下的安全可靠供电问题，采用环网供电、多回路备用、自动化开关等方式提高可靠性，配电设备多采用紧凑型设计，符合城市美观要求农村配电网则面临供电半径长、负荷分散、自然条件复杂的挑战，采用低成本、易维护的技术方案，如单回路供电、简化保护和高空架线配电自动化系统决策分析层优化运行和故障处理主站系统层数据处理与应用功能通信网络层数据传输通道站端设备层FTU、TTU、DTU等终端一次设备层5开关、变压器等电力设备配电自动化系统是实现配电网智能化运行的关键技术，它通过信息采集、传输、处理和控制，实现对配电网的监视、保护和控制典型的配电自动化系统由主站系统、通信网络、站端设备三部分组成站端设备包括馈线终端单元FTU、配电变压器终端TTU、配电终端DTU等，负责现场数据采集和执行控制命令；通信网络提供数据传输通道，采用光纤、无线、电力线载波等多种方式；主站系统负责数据处理、运行监控、故障诊断和优化调度等功能配电系统常见问题电压波动与闪变谐波污染三相不平衡短路与接地故障由大型电动机启动或电弧炉等由非线性负荷（如变频器、整单相负荷分布不均引起，导致由绝缘损坏、外力破坏或自然波动负荷引起，造成照明闪烁流器）产生，导致额外损耗、中性线过载和旋转电机效率下灾害导致通过加强设备预防和设备工作不稳定解决方法设备过热和保护误动通过安降解决方法包括平衡配置单性试验、安装故障指示器和采包括增加系统短路容量、安装装谐波滤波器、选用低谐波设相负荷、加强相间负荷调整和用自动重合闸技术减少影响静止无功补偿装置和使用软启备和合理分组负荷来缓解使用平衡装置等动器等配电系统面临多种技术问题，影响供电可靠性和电能质量除上述问题外，还包括供电可靠性不足、电力线路过载、电气设备老化和配电损耗过高等这些问题在城市和农村配电网中表现各不相同，如城市配电网主要面临负荷增长快、谐波污染严重的挑战，而农村配电网则更多面临供电距离长、电压质量差的问题用户端设备及负荷分类电力系统的终端是各类用电设备，它们构成电力负荷按用户性质可将负荷分为工业负荷、商业负荷、居民负荷和农业负荷等工业负荷包括大型电动机、电炉、电解槽等，功率因数较低，多呈连续性；商业负荷主要是照明、空调和办公设备，负荷曲线与工作时间吻合；居民负荷以家用电器为主，高峰出现在晚上；农业负荷则以灌溉用电为主，季节性强电能质量基础电压偏差实际电压值与额定电压的偏差，国家标准要求城网不超过±7%，农网不超过±10%长期电压偏高会加速设备绝缘老化；电压偏低会导致电动机启动困难、照明昏暗频率偏差实际频率与额定频率（50Hz或60Hz）的偏差，正常运行时应控制在±

0.2Hz内频率过高会增加铁损，频率过低会降低电动机转速，影响设备正常运行谐波畸变由非线性负载引起的电压、电流波形畸变，用畸变率指标评价谐波会导致附加损耗、设备过热、保护误动作和通信干扰等问题电压闪变负荷快速变化引起的电压波动，导致照明亮度变化，影响视觉舒适度电弧炉、电焊机、大电机启动是主要原因电能质量是衡量电能适用性的重要指标，直接影响用电设备的正常运行和使用寿命除上述主要指标外，电能质量还包括电压不平衡度、电压暂降/暂升、短时中断等方面随着现代工业和居民生活对电能质量要求的不断提高，电能质量问题越来越受到重视电力系统的安全性失稳风险级联故障大扰动导致同步失步或电压崩溃2单一故障引发连锁反应预防措施大面积停电3加强系统韧性和防御能力系统崩溃导致供电中断电力系统安全性是指系统抵御干扰和故障的能力，是电力系统运行的首要目标电力系统可能面临的安全风险主要来自自然灾害（如雷击、台风、冰灾）、设备故障、人为错误和恶意攻击等这些风险可能导致系统失稳，严重时引发级联故障和大面积停电，造成严重的社会影响和经济损失电力系统的可靠性

99.9%供电可靠率现代电力系统的基本目标

2.5年平均停电次数城市配电网用户体验100年平均停电分钟发达国家城市供电指标分钟5平均故障恢复时间自动化系统目标电力系统可靠性是评价电力供应质量的重要指标，它描述了系统持续为用户提供电能的能力常用的可靠性指标包括系统平均停电频率指数SAIFI、系统平均停电时间指数SAIDI和用户平均停电时间指数CAIDI等这些指标从不同角度量化了停电的频率、时间和影响范围，为系统评估和改进提供依据电力系统调度原理调度中心经济调度负荷预测电力调度中心是电力系统的大脑，负责实时监控和控制经济调度是在满足系统安全约束的前提下，寻求最经济的负荷预测是调度工作的基础，包括短期（日前、日内）、整个电力系统的运行调度员根据负荷预测、设备状态和发电方式，使总发电成本最低它考虑各发电机组的效率中期和长期预测通过分析历史数据、天气因素和特殊事系统安全约束，协调发电机组的启停和出力，控制输电线曲线、燃料成本和启停成本等因素，形成机组的经济排件，预测未来电力需求，为发电计划、检修安排和电网运路的开断，维持系统频率和电压稳定序，优先调用成本低的机组发电行提供依据电力系统调度是协调系统各部分和各环节，维持电力系统安全、可靠、经济运行的过程调度工作遵循安全第一，经济运行的原则，既要保证系统安全稳定运行，又要追求经济效益最大化现代电力调度采用能量管理系统EMS，包括SCADA系统、状态估计、潮流分析、安全分析和最优潮流等功能模块，支持调度员的决策电力系统实时监控数据采集数据传输数据处理控制执行通过现场测量设备采集数据通过通信网络传送数据分析处理数据形成信息发出控制指令执行操作电力系统实时监控是通过数据采集与监视控制系统SCADA实现的SCADA系统由主站系统、通信系统和远方终端单元RTU组成，形成一个完整的信息采集、传输、处理和控制链条RTU布置在变电站和发电厂，采集电压、电流、有功功率、无功功率、开关状态等关键数据；通信系统通过光纤、微波或电力线载波等方式将数据传送到主站；主站系统对数据进行处理、显示和存储，支持调度员监视系统状态和发出控制命令继电保护原理简介执行动作判断与决策故障检测当判断需要动作时，保护装置输出跳闸信号，控制断路器断保护装置根据测量值与预设定值的比较，判断故障类型、严开，切除故障同时，可能还会发出信号启动自动装置，如继电保护装置通过测量电气量（如电流、电压、阻抗等）检重程度和位置，决定是否动作现代保护装置采用复杂算法，重合闸或备自投，并记录故障信息测系统是否发生故障它利用电气量在故障前后的显著变化，综合多种条件进行判断，提高可靠性设定合适的启动判据，实现快速准确的故障判断继电保护是电力系统安全运行的重要保障，它能在系统发生短路、过载、不对称运行等故障时，迅速将故障部分与系统隔离，防止故障扩大和设备损坏继电保护装置由测量元件、比较元件、逻辑元件和执行元件组成，形成一个完整的检测-判断-动作链条继电保护要满足可靠性、选择性、速动性和灵敏性四个基本要求，即对系统故障应可靠动作，对非保护区故障不应动作，在允许的最短时间内动作，并能检测到保护范围内的最小故障常见保护类型过电流保护距离保护••原理当电流超过设定值时动作原理测量故障点阻抗确定距离••应用配电线路、变压器等应用输电线路保护主要方式••特点结构简单，成本低特点有方向性，分段跳闸••缺点选择性和灵敏性难以兼顾设置通常分为3段或多段••改进方向性、时限配合优势受系统方式影响小差动保护•原理比较进出电流差值•应用变压器、发电机、母线等•特点绝对选择性，动作迅速•类型纵差、横差、零序差动等•限制需测量所有进出支路电力系统的保护装置根据保护原理和应用场景有多种类型除了上述三种主要保护外，还有频率保护（针对系统频率异常）、电压保护（针对过电压或欠电压）、功率方向保护（针对功率反向）、失步保护（针对同步失步）和负序保护（针对不对称运行）等不同保护类型各有优缺点，在实际应用中通常配合使用，形成多重保护体系自动重合闸及自投装置自动重合闸自动投入装置AR ATS自动重合闸是在线路保护动作跳闸后，自动重新合闸自动投入装置是在一路电源失电后，自动投入备用电的装置它基于大多数线路故障（如雷击引起的闪络）源的装置它主要用于重要负荷的双电源供电系统是瞬时性的，断开后可以自愈的特点•检测工作电源失压或断路器跳闸••分为快速重合闸和延时重合闸检查备用电源是否正常••快速重合闸时间为

0.3-

0.5秒控制自投断路器合闸••延时重合闸时间为15-30秒具备闭锁功能防止误动作•成功率通常在80%以上自动装置在电力系统中起着自动医生的作用，能够在故障发生后迅速恢复供电，大大提高系统的可靠性这些装置工作原理看似简单，但需要复杂的逻辑控制和精确的时序配合，是电力自动化的重要组成部分自动重合闸和自动投入装置是提高电力系统供电可靠性的重要手段自动重合闸主要应用于架空线路，通过快速重新闭合断路器，减少瞬时性故障造成的停电时间和范围根据重合闸前是否检查同期条件，可分为同期重合闸和非同期重合闸；根据重合次数可分为单次重合闸和多次重合闸现代重合闸装置多具备自适应功能，能根据故障类型和系统状态调整重合策略数字化变电站与智能电网数字化变电站智能电网大数据应用采用IEC61850标准，实现设备传统电网与现代通信、控制技利用海量运行数据，结合人工间信息数字化、标准化、网络术深度融合的产物具有自愈、智能技术，实现状态评估、故化采用光纤通信和点对点传兼容、互动、经济、集成、优障预测、负荷预测和优化调度输，取代传统的铜缆连接，大化等特点能够适应高比例可等功能提高系统的可观测性、大减少二次回路，提高系统可再生能源接入，支持电动汽车可控制性和智能化水平靠性和灵活性等新型负荷发展数字化变电站是智能电网的重要组成部分，它采用电子式互感器、智能一次设备和先进的信息处理技术，实现变电站全部信息的数字化采集、处理、传输和应用与传统变电站相比，数字化变电站减少了大量二次电缆，简化了系统结构，提高了信息共享能力，降低了运维成本IEC61850标准的应用实现了设备间的互操作性，支持即插即用功能，使系统扩展和升级变得简单灵活电力市场化运行概要电力系统与可再生能源融合可再生能源的大规模接入是电力系统发展的重要趋势，也带来了新的挑战风电和光伏发电具有间歇性、波动性和不确定性特点，与传统电力系统的运行模式存在差异风电出力受风速影响，昼夜和季节波动大；光伏发电则有明显的日变化特性，云层遮挡会导致短时波动这些特性给系统调度、频率调节和电压控制带来挑战，要求电力系统具备更强的灵活性电力系统的节能减排清洁能源发展大力发展水电、核电、风电、光伏等清洁能源，提高其在电力结构中的比重，逐步减少化石能源发电比例中国已成为世界上清洁能源装机容量最大的国家提高能效淘汰落后火电机组，发展超超临界、IGCC等高效发电技术；降低线损，优化电网结构；推广高效电气设备，如高效电机、LED照明等智能电网建设通过智能电网技术，优化资源配置，提高系统效率；发展智能家居和需求侧管理，减少能源浪费；促进分布式能源和微电网发展，减少传输损耗碳捕集与封存研发和示范碳捕集、利用与封存CCUS技术，捕捉火电厂排放的二氧化碳，用于工业利用或地质封存，实现近零排放发电电力系统的节能减排是应对气候变化、实现双碳目标的重要途径电力行业是碳排放的主要来源之一，也是减排潜力最大的领域中国采取了一系列措施推动电力系统绿色低碳转型一方面，大力发展非化石能源发电，加快风电、光伏、水电、核电等清洁能源建设；另一方面，提高能源利用效率，推动火电厂超低排放改造，降低煤耗和污染物排放电力系统运行经典案例分析初始故障（年月日）12003814俄亥俄州几条输电线路因树木触碰跳闸，系统警报系统失效，调度员未能及时察觉级联失效（下午点左右）24因缺乏实时信息，未采取有效控制措施，更多线路过载跳闸，引发连锁反应系统崩溃（下午）34:13大量发电机组失步，导致系统频率崩溃，电网分裂，大面积停电恢复过程（数天内）4采用分区黑启动，逐步恢复供电，部分地区恢复时间超过两天2003年美国东北大停电是电力系统史上最严重的事故之一，影响了美国东北部和加拿大安大略省5000多万人口，经济损失达60亿美元这次事故的直接原因是树木触碰导致线路跳闸，但深层次原因包括监控系统故障、运行人员培训不足、协调机制缺失和应急预案不完善等事故调查报告指出，如果早期预警系统正常工作，或者调度员能及时采取正确措施，这次大停电本可避免中国典型电网建设成就特高压输电技术西电东送工程大电网互联中国是世界上特高压技术研发和应用最为领先的国家，建西电东送是中国能源战略的重要组成部分，通过多条特高中国已建成世界上规模最大的同步电网，覆盖全国大部分成了多条±800kV直流和1000kV交流特高压线路特高压输电通道，将西部水电、风电、光伏和煤电资源输送到地区通过强大的主干网架和先进的调度技术，实现了大压输电具有输送容量大、距离远、损耗低的优势，有效解东部负荷中心该工程显著提高了清洁能源利用率，优化范围资源优化配置，提高了系统抗风险能力和运行效率，决了中国能源资源与负荷中心分布不均的问题了全国能源配置，是世界能源互联网的重要实践为经济社会发展提供了可靠保障中国电网建设取得的成就举世瞩目，不仅规模世界第一，技术水平也居世界前列特高压输电技术是中国自主创新的重大成果，突破了多项技术难题，创造了多个世界第一例如，锦屏-苏南±800kV特高压直流工程输电距离2090公里，跨越多个省份；昌吉-古泉±1100kV特高压直流工程是世界电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远的输电工程电力系统未来发展趋势低碳化1高比例清洁能源接入数字化2全面感知和智能决策分散化3分布式资源广泛应用互动化4源网荷储协调互动电力系统正在经历深刻变革，未来发展呈现多元化趋势低碳化是最主要的驱动力，为应对气候变化，高比例可再生能源将成为新型电力系统的主体随着风电、光伏等间歇性电源比例提高，系统灵活性需求增加，多元化储能技术将得到广泛应用，形成新能源+储能的发展模式复习与知识梳理基本结构1发电系统升压变电站1能量转换的起点，多元化能源结构将发电电压升高，减少输电损耗2用电系统输电系统终端用户将电能转化为所需能量形式远距离大容量电能传输网络配电系统降压变电站4向终端用户分配电能的网络将高压降至配电电压等级回顾电力系统的基本结构，可以将其理解为一个完整的能量转换和传输链条首先，发电系统将一次能源（如煤炭、水力、风能、核能）转换为电能；然后，电能经过升压变电站提高电压，通过输电线路远距离传输到负荷中心附近；接着，经过降压变电站降低电压进入配电网络；最后，配电系统将电能分配给各类终端用户这一过程中，电能的传输遵循发电低压，输电高压，用电低压的原则，以减少损耗，提高效率复习与知识梳理运行与保护2监视与监控通过SCADA系统全面感知系统状态，为调度决策提供依据现代监控系统集成了状态估计、安全分析和智能告警等功能，实现系统全景感知调度与控制基于安全约束的经济调度，维持发电与负荷平衡，保障系统频率稳定调度不仅考虑经济性，还要兼顾电压支撑、转动惯量等系统需求保护与自动装置提供多重保护体系，在故障时快速隔离故障，防止扩大保护配合需考虑选择性、速动性、可靠性和灵敏性，形成协调一致的防御体系应急与恢复建立完善的应急预案和黑启动能力，保障极端情况下的快速恢复现代电网更加注重韧性建设，提高抵御自然灾害和网络攻击的能力电力系统的运行与保护是一个有机统一的整体，二者相互配合，共同保障系统安全稳定运行系统运行以经济调度为核心，通过合理安排各类发电资源的出力，实现发电成本最小化，同时满足安全约束条件现代电力调度采用安全约束经济调度SCED模型，综合考虑经济性目标和安全性约束，实现多目标优化随着可再生能源比例提高，调度模式正在从以传统机组为中心向以新能源为主体转变，对灵活性资源的协调优化提出了更高要求往年考题与解读选择题示例计算题示例题目某110kV输电线路采用交流输电方式，其电气距离为100km，则该线路题目某发电机经变压器与无穷大电网连接，发电机电动势E=

1.2∠20°pu，变最可能的等值电路模型是压器阻抗X=

0.2pu，无穷大电网电压U=

1.0∠0°pu，求发电机输出的有功功率P和无功功率QA.T型等值电路B.π型等值电路C.集中参数等值电路D.分布参数等值电路解析根据传输功率公式解析对于中等长度线路50km~250km，通常采用π型等值电路模型，该模P=E•U/X•sinδ=

1.2×

1.0/

0.2•sin20°=

2.05pu型将线路电容分成两等份置于线路两端，较好地反映了电容参数分布特性因此选B Q=E•U•cosδ-U²/X=

1.2×

1.0×cos20°-

1.0²/

0.2=

0.63pu考试中常见的计算题多涉及潮流计算、短路计算和稳定性分析等内容解题关键是理解公式的物理含义，掌握基本计算步骤，并能灵活应用复习时应重点关注典型案例和计算方法，培养工程直觉往年考题通常涵盖电力系统的基本概念、结构组成、运行特性和保护原理等方面选择题主要考察基本概念和原理的理解，如电压等级划分、线路参数特点、保护类型特征等；计算题则侧重于基本理论的应用，如潮流计算、短路计算、稳定性分析和保护整定等分析历年题目可以发现，考试更注重对基本原理的理解和分析能力的考察，而非复杂计算和冷门知识总结与课程展望电力系统的重要性核心知识体系电力系统是现代社会的命脉，支撑着经济发展本课程系统介绍了电力系统的基本结构、运行和人民生活随着社会进步，电力需求持续增原理和关键技术，包括发电、输电、变电、配长，对电力系统的可靠性、安全性和效率提出电和用电各环节，以及系统调度、保护和控制了更高要求等方面的基本理论和应用实践未来学习方向后续可深入学习电力系统分析、电力市场、智能电网、能源互联网等专业课程，拓展新能源并网、电力电子技术和电力大数据等前沿领域知识，为未来职业发展打下坚实基础本课程作为电气工程专业的基础课程，为大家系统地介绍了电力系统的基本概念、结构组成和运行原理通过学习，我们了解了电力系统是如何将各种一次能源转化为电能，并通过复杂的输配电网络将电能送到千家万户；理解了保障电力系统安全、可靠、经济运行的基本理论和技术手段；认识到了电力系统面临的挑战和未来发展趋势。