《电力系统基础理论》课件

电力系统基础理论欢迎大家参加电力系统基础理论课程本课程旨在帮助学生理解电力系统的基本概念、原理和运行特性，为后续专业课程奠定坚实基础通过系统学习，大家将掌握电力系统的组成结构、主要设备、基本规律以及现代电网技术发展趋势课程涵盖从发电、输电到配电、用电的全过程，以及相关的电气原理和计算方法希望同学们能够通过此课程建立对电力系统的整体认识，培养分析和解决电力系统问题的基本能力电力系统的概念与发展历程早期探索11880年代，爱迪生建立第一座商业发电站，标志着电力系统雏形开始形成，电力供应仅限于小范围区域交流电系统2特斯拉与威斯汀豪斯推广交流电系统，实现了远距离输电，为大规模电力系统奠定基础互联电网320世纪中期，区域电网开始互联，形成大电网，提高系统可靠性和经济性智能电网421世纪，电力系统向智能化、数字化方向发展，实现信息与电力的双向流动电力系统是指由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产和消费系统它将一次能源转换为电能，并通过输电网络将电能传输到千家万户现代电力系统特征包括大容量、高电压、远距离、高可靠性等电力系统的基本组成输电环节发电环节通过高压输电线路将发电厂的电能输送到负责将各种一次能源转换为电能，包括火负荷中心区域，实现远距离大容量输电电、水电、核电、风电、光伏等多种发电方式变电环节通过变压器调整电压等级，实现不同电压等级电网的连接，保障系统安全经济运行用电环节配电环节各类用电设备将电能转化为所需的能源形式，如光、热、动力等将变电站输出的电能按照不同用户的需求进行分配，构成中低压配电网络这五个环节紧密相连，形成一个完整的电力系统各环节相互协调，共同保证电能的安全、经济、高质量供应电力系统的作用与特点能源转换远距离输送电力系统能将煤炭、水能、核能、电力系统通过高压输电线路，能将风能等一次能源转换为易于传输和能源富集地区的电能经济高效地输使用的电能，提高能源利用效率送到负荷中心，实现能源的大范围电能作为二次能源，可以方便地再优化配置现代特高压技术更可实转换为各种能源形式现数千公里的输电安全性与可靠性电力系统必须保证供电的连续性和稳定性通过各种保护装置和备用设备，确保在故障条件下仍能维持基本供电，防止大面积停电事故电力系统的另一大特点是发电与用电必须实时平衡，电能难以大规模储存这就要求电力系统必须时刻保持发电量与负载需求的动态平衡，这也是电力系统运行的一个核心挑战中国电力系统概况亿千瓦

2.2火电装机占总装机容量的近一半，是我国电力系统的主力亿千瓦

4.0可再生能源水电、风电、光伏等占比不断提升万公里180输电线路覆盖全国的庞大电网系统千伏±1100特高压直流世界领先的输电技术水平中国已建成世界上规模最大的电力系统，形成了西电东送、北电南送、水火互济的格局国家电网跨越26个省市区，南方电网覆盖5个省区特高压输电工程如昌吉-古泉±1100千伏特高压直流输电线路实现了新疆清洁能源向华东地区的大规模输送电力系统一次设备发电机变压器开关设备发电机是电力系统的核心设备，负责能量转变压器利用电磁感应原理改变交流电压，实断路器、隔离开关等开关设备用于控制电路换同步发电机通过旋转磁场切割导体产生现不同电压等级电网的连接大型变电站内的接通与断开断路器能在故障条件下快速感应电动势，将机械能转换为电能现代发的主变压器可以将发电厂

1.5-3万伏的电压切断大电流，保护系统安全现代SF6断路电机容量可达数百兆瓦，效率高达98%以提高到50-100万伏，便于远距离输电器可在几十毫秒内切断数万安培的故障电上流电力系统一次设备直接承担着电能生产、传输和分配的功能，是电力系统物理实体的主体部分电力系统二次设备继电保护装置监测电力系统运行状态，在发生故障时迅速动作，通过控制断路器切除故障部分，保障系统安全测量与监控设备包括各类量测装置，如电流互感器、电压互感器、智能电表等，用于系统运行参数的测量与监控自动化系统如SCADA系统，负责数据采集、监视和控制，实现电力系统的远程操作和自动控制通信系统提供各级控制中心与现场设备之间的数据传输通道，包括光纤、微波、电力线载波等多种通信方式二次设备虽然不直接参与电能的生产和传输，但对于电力系统的安全稳定运行至关重要它们是电力系统的神经系统，实现了对电力系统的感知、控制和保护功能电气一次图与二次图电气一次图电气二次图一次图反映的是电力系统的主电路结构，表示电能流动的实际路二次图反映的是电气控制、保护、测量电路的连接关系它描述了径包括主要设备如发电机、变压器、母线、断路器等的连接关继电保护装置、自动化设备、测量仪表等低压控制回路的详细接系，通常使用标准化的图形符号表示线一次图是理解电力系统拓扑结构的基础，也是进行电气设计、运行二次图通常比一次图复杂得多，包含大量控制线路和功能逻辑掌维护的重要依据工程师通过一次图可以清晰了解电力系统各元件握二次图的绘制和理解是电气工程师进行保护配置、系统调试和故的连接方式和电能流动路径障分析的必备技能在实际工程中，一次图和二次图紧密配合，共同构成了电力系统设计和运行的完整技术文档理解这两类图纸的特点和关系，对于学习电力系统工程至关重要电力系统的电压等级特高压及以上1000kV特高压交流1000kV、特高压直流±800kV/±1100kV，用于超远距离、大容量输电，如西电东送工程这一电压等级代表着当前输电技术的最高水平，能大幅提高输电容量和效率超高压330kV-750kV主要用于国家骨干电网和区域电网之间的互联包括500kV、750kV等交流电压等级以及±500kV、±660kV等直流电压等级是目前电力系统中最常见的远距离输电电压等级高压100kV-220kV用于区域电网内部的输电和大型负荷中心的供电110kV、220kV是各省市电网的主要输电电压等级，连接发电厂和大型变电站中压10kV-35kV主要用于城乡配电网和工业企业内部供电10kV是我国最广泛使用的配电电压等级，直接向工厂、商业区域供电低压以下1kV用于终端用户供电，如220V/380V为我国民用和工业用电的标准电压这是最终用户直接接触的电压等级，需要特别注意安全电力系统的频率与标准基本电路元件电阻电感电容电阻是最基本的电路元电感元件具有储存磁场电容元件具有储存电场件，其作用是消耗电能能量的特性，在交流电能量的特性，在交流电并转换为热能在电力路中表现为电流滞后于路中表现为电流超前于系统中，电阻主要体现电压在电力系统中，电压电力系统中的电在导线、电气设备和接变压器绕组、电抗器以容器组被广泛用于无功地装置中线路电阻造及输电线路都具有明显补偿和电压调节长距成的热损耗是电力系统的感抗特性，影响系统离高压输电线路的分布能量损失的主要部分之的功率因数和电压稳定电容也是一个重要参一性数这三种基本元件在电力系统中的综合作用决定了系统的阻抗特性，直接影响电压分布、功率传输能力和系统稳定性理解这些基本元件的特性是分析电力系统的基础正弦交流电原理正弦交流电的表示方法正弦交流电的时域表达式为ut=Um·sinωt+φ，其中Um为幅值，ω为角频率，φ为初相位在电力系统分析中，常用复数表示法将正弦量表示为相量，简化计算有效值交流电的有效值（均方根值）是评价其能量效应的重要参数，定义为U=Um/√2电力系统中所标注的电压和电流均为有效值，如220V指的是有效值为220V的交流电压相位关系在电力系统中，电压与电流之间的相位关系直接影响功率因数在纯电阻负载下，电压电流同相；感性负载下，电流滞后于电压；容性负载下，电流超前于电压周期与频率正弦交流电的周期T与频率f的关系为T=1/f中国电力系统的标准频率为50Hz，即每秒完成50个完整周期，每个周期持续时间为20毫秒交流电路基本定律电路定理应用叠加定理、戴维宁定理等用于复杂电网分析网络方程求解节点电压法、回路电流法解决多节点电网基尔霍夫定律推广KCL节点各支路电流代数和为零；KVL闭合回路电压代数和为零交流形式的欧姆定律Ū=Z̄·Ī，其中Z̄为复阻抗在交流电路中，基本定律与直流电路形式相似，但需要采用复数形式表示欧姆定律变为相量形式，其中阻抗Z包含电阻R和电抗X两部分Z=R+jX同样，基尔霍夫定律也扩展为相量形式，成为分析交流电网络的基本工具这些基本定律的应用使我们能够分析从简单电路到复杂电网的各种问题，是电力系统分析的理论基础交流电路的功率有功功率无功功率P Q单位为W（瓦特），表示实际转化为其单位为var（乏），表示在电感和电容元他形式的能量，P=UI·cosφ有功功率件中交换的能量，Q=UI·sinφ无功功做功产生热量、机械能等，体现能量转率不产生有效功，但维持电磁场所必视在功率换的效果需功率因数φS cos单位为VA（伏安），表示电路中电压与有功功率与视在功率之比，cosφ=电流有效值的乘积，S=UI视在功率P/S，范围为0-1功率因数越高，表示是设备容量的衡量标准，如变压器容能量利用效率越高，电网经济性越好量在电力系统中，三种功率的关系可表示为S²=P²+Q²，构成了功率三角形提高功率因数是电力系统经济运行的重要措施，通常通过安装补偿装置减少无功功率传输实现三相交流电制三相电源产生三相连接方式三相电压电流三相交流电是由三个幅值相等、相位差120°三相系统有两种基本连接方式星形（Y）在三相对称系统中，三相电压和电流的相量的正弦交流电源组成的系统在发电机中，连接和三角形（Δ）连接星形连接将三相图呈现120°均匀分布的特点线电压值为相通过三组相差120°电角度的线圈产生三相对绕组的一端连接在一起形成中性点，三角形电压的√3倍，这是三相系统的重要特性对称电动势这种排列方式保证了电能转换和连接将三相绕组首尾相连形成闭合回路两称三相负载下，三相电流的矢量和为零传输的高效性种连接方式各有适用场合三相交流电制相比单相系统具有显著优势电能传输效率高，功率脉动小，电机运行平稳，是现代电力系统的基础三相电路的分析方法对称分量法将不对称三相量分解为对称三相量的线性组合相量图分析利用相量图直观表示电压电流关系等值单相电路将三相对称系统简化为单相等效电路在三相电路分析中，相序是指三相电压或电流按时间顺序达到最大值的次序，分为正序（A-B-C）和负序（A-C-B）正常运行时电力系统采用正序相序对称分量法是分析不对称三相系统的有力工具，将任何不对称三相量分解为正序、负序和零序三个对称分量的叠加正序分量表示正常运行成分，负序分量造成反转力矩，零序分量可能引起接地电流在电力系统保护和短路分析中，对称分量法尤为重要，能够简化计算并明确反映系统不对称状态的物理本质电力系统的短路电流三相短路两相短路三相导体同时相互接触导致的对称故两相导体相互接触而形成的故障，电障，是最严重的短路类型，产生最大流不对称分布两相短路包括两相金短路电流由于维持三相对称，计算属性短路和两相接地短路两种情况，相对简单，通常作为设备选择的依其中两相接地短路更为复杂两相短据三相短路时，系统仅存在正序电路时，系统存在正序和负序电流流单相接地一相导体与大地或接地设备接触形成的故障，是最常见的短路类型在电力系统中约85%的短路故障属于单相接地单相接地时，系统同时存在正序、负序和零序电流短路电流的危害主要表现在热效应和动力效应两方面热效应会导致设备绝缘损坏、导体熔断；动力效应则产生巨大电磁力，可能造成导体变形、支持结构损坏此外，短路还伴随电压降低，影响系统正常供电电力系统的等值电路等值电源确定将系统中所有电源简化为单一等效电源，通常表示为一个理想电压源等值阻抗计算将系统各部分的阻抗进行等效简化，得到从故障点看入系统的总等效阻抗短路容量确定基于等值电路计算短路电流和短路容量，作为设备选择和保护整定的依据应用于保护配置利用等值电路分析故障状态下的电气量，为继电保护设置提供理论依据电力系统等值电路是分析系统短路故障和稳定性的基础工具短路容量是衡量系统供电能力和强度的重要指标，定义为短路点额定电压与最大短路电流的乘积，单位为MVA短路容量越大，表明系统越强，电压稳定性越好，但遮断容量要求也越高发电厂的分类与结构发电厂是电力系统的源头，将各种一次能源转换为电能火电厂通过燃烧煤、油、气等燃料产生热能，驱动汽轮机发电，是我国主力电源，但面临环保压力水电厂利用水位落差驱动水轮机发电，清洁可再生，但受地理和季节限制核电厂利用核裂变产生的热能发电，具有能量密度高、碳排放低等优势，但安全性要求极高风电场和光伏电站作为新能源，近年快速发展，具有清洁环保的优势，但输出功率受自然条件影响波动大，对电网调节能力提出挑战各类发电厂在电源结构中相互补充，形成多元化的发电系统，提高电力供应的可靠性和经济性同步发电机基本原理结构组成工作原理同步发电机主要由定子和转子两部分组成定子是固定部分，包含同步发电机的工作基于法拉第电磁感应定律转子在原动机驱动下三相绕组，用于感应电动势；转子是旋转部分，可分为隐极式和凸旋转，转子上的直流励磁绕组产生磁场这个旋转磁场与定子绕组极式两种结构，携带直流励磁电流产生磁场此外还包括轴承、冷相对运动，感应出三相交变电动势却系统、励磁系统等辅助部件发电机的转速n与电网频率f存在严格关系n=60f/p，其中p为大型火电厂通常采用隐极式转子结构，以适应高速旋转；水电厂多极对数因此，在50Hz电网中，2极发电机的转速为采用凸极式转子，适合低速运行两种结构在电气特性上有一定差3000r/min，4极为1500r/min这种同步关系是同步发电机名异称的由来同步发电机等值电路发电机的并联运行检查接线正确性调整转速和频率调整电压幅值123确保发电机接线顺序正确，相序一将待并机发电机的转速调整至与电网通过励磁系统调节，使发电机端电压致错误的接线会导致并列失败甚至频率一致，偏差应小于

0.1%现代数与系统电压匹配，偏差通常要求小于设备损坏字调速器可自动完成这一过程±5%校对相位角闭合断路器并联45利用同期检测装置确保电压相位差接近零，典型允许值为当以上条件同时满足时，闭合断路器实现并列运行现代电±10°相位差过大会产生冲击电流站多采用自动同期系统发电机并联运行时，每台机组的有功功率由原动机转矩决定，可通过调节汽阀或水轮机导叶开度控制；无功功率由励磁电流决定，通过自动电压调节器AVR控制并联运行提高了系统可靠性，但也增加了短路容量和保护配置的复杂性电力变压器原理电压变换根据变比调节电压，实现不同电压等级电网的连接电磁感应利用磁场变化在次级绕组感应电压共享磁路通过铁芯提供闭合磁路，提高磁耦合效率变压器是基于法拉第电磁感应定律工作的静止电气设备，其基本原理是通过共用磁路的两组（或多组）绕组传递电能当初级绕组通入交变电流时，在铁芯中产生交变磁通，这一磁通链接次级绕组，从而在次级绕组中感应电动势变压器的变比是评价其变压特性的关键参数，定义为k=U1/U2=N1/N2，其中U

1、U2分别为初、次级电压，N

1、N2分别为初、次级匝数变压器是电力系统中电压转换的核心设备，使得发、输、配电各环节能在不同的最优电压等级下运行变压器的接线方式变压器的接线方式主要包括星形（Y）和三角形（Δ）两种基本形式，不同接线方式具有不同的电气特性和应用场景Y-Y接线简单直接，但存在零序阻抗大和三次谐波问题；Y-Δ接线常用于升压变压器，能抑制三次谐波，但存在30°相移；Δ-Y接线常用于降压变压器，适合向负荷输电；Δ-Δ接线则对不平衡负载有良好适应性在标记变压器接线组别时，通常采用时钟表示法，如Yd11表示高压侧为Y接，低压侧为Δ接，且低压侧电压向量相对高压侧滞后30°变压器接线方式的选择需考虑系统接地方式、谐波抑制、负载特性等多种因素变压器参数与测试

0.5%10%空载电流短路阻抗占额定电流的比例，反映励磁特性标幺值，决定负载电压降和短路电流

99.5%6%效率空载损耗变压器满载时的能量转换效率占额定容量的比例，主要为铁损变压器的主要性能参数通过特定试验确定空载试验是在变压器次级开路情况下进行，主要测量铁损和励磁电流；短路试验则在变压器次级短接情况下进行，主要测量铜损和阻抗电压通过这两项基本试验，可以确定变压器的等效电路参数和效率此外，变压器投入运行前还需进行绝缘试验、温升试验、冲击耐压试验等多项试验，确保其安全可靠运行变压器参数的准确测定对于电力系统的分析计算和设备选择至关重要变压器的过载与保护过载原因与影响过载能力评估保护装置配置变压器过载主要源于负变压器的过载能力与环变压器保护主要包括纵载增长超过预期、并联境温度、前期负载、过差保护、气体保护、过变压器退出运行或系统载持续时间等因素密切流保护和温度保护等事故等情况过载导致相关正常情况下，油纵差保护是主保护，针的主要问题是绕组温度浸式变压器允许短时过对内部短路故障；气体升高，加速绝缘老化，载20%-30%，但需密保护监测内部放电和油严重时可能引起变压器切监控油温和绕组温气异常；过流保护和温热击穿故障变压器绝度现代变压器多配备度保护则防止长时间过缘寿命大约每升温6℃减在线监测系统，实时评载导致的损伤半估过载能力合理管理变压器负载，避免长期过载运行，是延长变压器寿命的关键措施在紧急情况下，可根据变压器过载能力曲线，合理安排短时过载运行，但必须加强监测并及时采取降温措施输电线路类型架空线路电缆线路架空线路是最常见的输电方式，由导线、绝缘子、杆塔等组成主电缆线路将导体和绝缘体包裹在保护层内，埋于地下或水下主要要优点包括造价相对较低、散热条件好、故障易于查找修复；缺点优点是不受气象影响、占地少、无视觉污染；缺点是造价高、散热是占地面积大，受气象条件影响显著，视觉污染较严重条件差、故障定位和修复复杂根据电压等级和输送容量的不同，架空线路采用不同类型的导线和电缆绝缘材料从最初的油纸绝缘发展到今天的交联聚乙烯XLPE杆塔结构高压和超高压线路常用钢芯铝绞线ACSR，特高压线绝缘，大幅提高了电缆的性能和可靠性在城市区域和环境敏感地路则可能采用大截面导线或复合导线以减少电晕损耗带，电缆线路应用越来越广泛，特别是中低压配电网在实际电力系统中，架空线路和电缆线路各有适用场景，往往结合使用近年来，气体绝缘线路GIL等新型输电技术也在特定场合得到应用，为输电系统提供了更多技术选择输电线路的参数输电线路的等值电路型等值电路分布参数模型型等值电路πTπ型等值电路是中长线路80-240km最常用分布参数模型考虑参数沿线路均匀分布的特T型等值电路将线路总电感分成两等份置于线路的模型，将线路总电容分成两等份置于线路两性，通过双端口网络方程描述线路电气特性两端，中间为并联电容这种模型在某些特定端，中间为串联阻抗这种模型能较好地反映对于超长线路240km，该模型能更精确地分析中使用，尤其是在考虑线路铁塔接地电阻线路的电气特性，适用于大多数工程计算，是反映波动现象和传输特性，特别是在暂态分析影响时T型和π型等值电路在大多数情况下可电力系统分析中最常用的线路模型中具有重要意义以相互转换选择合适的线路模型对于电力系统分析至关重要短线路≤80km可简化为集总参数模型，仅考虑串联阻抗；超长线路则需采用分布参数模型，解决电磁波传播引起的问题；大多数输电线路采用π型等值电路，平衡计算精度和复杂度输电线路电气损耗电阻损耗电晕损耗由导线电阻引起的I²R损耗，与电流平方成正高电压下导线表面空气电离产生的损耗，与电比，是最主要的有功损耗来源压、气象条件和导线表面状态相关感抗引起的无功损耗绝缘损耗线路感抗导致的无功功率流动，降低系统输电绝缘材料不完善导致的损耗，在架空线路中较效率小，但在电缆中显著输电线路的有功损耗不仅降低了能量的传输效率，还增加了发电成本和环境负担减少线路损耗的主要措施包括提高输电电压等级、增加导线截面积、采用低损耗导线材料、优化系统运行方式以及合理配置无功补偿装置等在实际运行中，线路损耗随负载变化而变化，通常在高峰负荷时达到最大准确计算和有效降低线路损耗是提高电力系统经济性的重要方面电网的潮流计算建立网络模型根据电网拓扑结构和设备参数，建立节点导纳矩阵Y，反映各节点间的电气联系包括发电机、变压器、线路等元件的数学模型，形成完整的系统描述分类节点类型将系统节点分为PQ节点（已知有功和无功功率）、PV节点（已知有功功率和电压幅值）以及平衡节点（已知电压幅值和相角）三类，确定求解目标建立潮流方程基于基尔霍夫定律和节点功率平衡条件，建立非线性代数方程组每个节点的复功率注入等于流入该节点的所有支路复功率之和迭代求解采用牛顿-拉夫森法或快速解耦法等迭代算法求解潮流方程通过不断修正节点电压直至满足收敛精度要求，得出最终的潮流分布结果潮流计算是电力系统分析的基础，其结果用于评估系统运行状态、电压分布、设备负载率等，为系统规划和运行决策提供依据现代潮流计算程序能够处理数千节点的大型电网，并提供丰富的分析功能和可视化结果电力系统的无功调节无功功率来源无功功率消耗无功调节方法•同步发电机（通过调节励磁）•感性负载（电动机、变压器等）•发电机励磁调节•并联电容器/电抗器•输电线路感抗•投切并联补偿装置•静止无功补偿器SVC•高压输电线路电容（吸收无功）•调整变压器分接头•静止同步补偿器STATCOM•轻负荷长线路（费兰蒂效应）•使用FACTS设备动态补偿•相移变压器电力系统中无功功率的平衡对维持电压稳定至关重要无功功率传输会占用线路容量并增加损耗，因此应在负荷附近就地补偿现代电网采用分层分区的无功电压控制策略，通过协调各类无功资源，保持系统电压在合理范围内电力系统负荷特性电力系统的负荷曲线负荷曲线是表示电力系统负荷随时间变化的图形日负荷曲线反映24小时内的负荷变化，通常呈现双峰特征，即早晚高峰和午夜低谷；周负荷曲线显示一周内的变化规律，工作日负荷较高，周末负荷较低；年负荷曲线则反映季节性变化，如夏季空调负荷和冬季采暖负荷的显著影响基于负荷曲线数据，可计算重要指标如最大负荷、最小负荷、平均负荷、负荷率和峰谷差率等这些指标对电力系统规划和运行具有重要指导意义负荷率=平均负荷/最大负荷，值越高表明系统利用率越高；峰谷差率=最大负荷-最小负荷/最大负荷，反映负荷波动程度电力系统通过调峰措施平抑负荷曲线，如抽水蓄能电站、需求侧管理和电价机制等，提高设备利用率和系统经济性电力系统的稳定性定义稳定性概念电力系统稳定性是指系统在受到干扰后维持或恢复到正常运行状态的能力类似于物理学中的平衡状态概念，系统必须能够抵抗各种干扰并保持基本参数在允许范围内静态稳定性系统在小扰动（如负荷缓慢变化）下保持同步运行的能力静态稳定的判据通常基于系统对小扰动的响应特性，如功角-功率曲线的斜率当P-δ曲线斜率为负时，系统失去静态稳定暂态稳定性系统在大扰动（如短路故障、大负荷突变）后保持同步的能力暂态稳定分析通常需要求解非线性微分方程，考虑转子摆动和系统非线性特性等面积法是评估暂态稳定性的经典方法电压稳定性系统在扰动后维持所有母线电压在可接受范围内的能力电压不稳定可能导致电压崩溃，是现代大电网面临的主要稳定性问题之一P-V曲线和Q-V曲线是分析电压稳定性的重要工具电力系统过电压雷电过电压操作过电压因雷击直接击中线路或感应产生的高陡峭开关操作如断路器分合闸引起的系统内部短持续时间过电压，幅值可达数百万伏过电压，与系统参数和操作条件相关谐振过电压暂态过电压系统参数满足特定条件时出现的铁磁谐振系统状态突变如负荷突减、线路故障切除或线路谐振过电压，幅值可能很高等引起的持续时间较长的过电压过电压防护是电力系统绝缘配合的核心问题常用的防护措施包括避雷针和避雷线保护设施免受直接雷击；避雷器和放电间隙限制过电压幅值；合理选择开关操作时刻；采用中性点接地方式控制系统接地故障过电压；使用并联电抗器或特殊断路器抑制开关操作过电压等不同电压等级的设备，其绝缘水平和过电压防护要求也不同超高压和特高压系统对过电压尤为敏感，需采用更严格的防护措施电力系统继电保护原理选择性原则保护装置应只动作于其保护范围内的故障，而不应对保护范围外的故障动作实现选择性的方法包括时间配合、电流配合和方向配合等良好的选择性能减少停电范围，提高系统供电可靠性速动性原则保护装置应尽可能快地切除故障，以减少设备损坏和系统不稳定的风险高压系统中，保护动作时间通常要求在几十毫秒级但速动性常与选择性存在矛盾，需合理平衡灵敏性原则保护装置应能检测并响应保护范围内的最小故障电流或阻抗变化灵敏度系数通常要求大于

1.5-

2.0，确保在各种条件下都能可靠动作过高灵敏度可能影响选择性可靠性原则保护系统应具有高度可靠性，包括拒动可靠性（不应在正常或外部故障时误动作）和动作可靠性（保护范围内发生故障时必须动作）通过冗余设计、自检功能等提高可靠性电流互感器与电压互感器电流互感器电压互感器CT PT/VT电流互感器是将一次侧大电流按比例转换为二次侧小电流的设备，电压互感器将一次侧高电压按比例转换为二次侧标准低电压（通常标准二次额定电流为5A或1A其主要功能是将高电流隔离变换为为100V或100/√3V），供测量和保护设备使用根据工作原理可标准低电流，供测量仪表和保护装置使用分为电磁式和电容式两种CT的主要参数包括变比、准确级、额定容量和极性等根据用途PT的主要参数包括变比、准确级、额定容量和连接组别等与CT可分为保护级和测量级两类，保护级CT要求在大电流下仍保持线不同，PT二次侧必须通过保险丝接地，防止一次绕组绝缘击穿时性特性，而测量级CT则要求在额定电流附近有高精度危及人身安全CT二次侧严禁开路，否则会产生危险的高电压CT饱和是影响保电容式电压互感器CVT在高压和超高压系统中广泛应用，它同时护正确动作的重要因素，设计时需充分考虑具有电压互感和耦合通信的功能，但瞬态特性较差，需特别考虑对保护性能的影响主保护与后备保护主保护负责快速切除本保护区域内的故障远后备保护当相邻区域保护或断路器失灵时提供保护近后备保护当本区域主保护或断路器失灵时提供保护电力系统保护通常采用分区保护的原则，每个保护区域配置主保护和后备保护主保护通常采用选择性高、动作速度快的保护方式，如距离保护、差动保护等；后备保护则通常采用可靠性高但动作较慢的保护方式，如过电流保护等以线路保护为例，典型配置可能包括主保护（纵联差动保护或距离保护一段），近后备保护（距离保护二段或过流保护一段），远后备保护（距离保护三段或过流保护二段）这种多重保护配置形成了保护的深度防御体系，大大提高了系统的可靠性主保护与后备保护间需协调配合，通常通过时间配合（后备保护动作时间延时）和电流/阻抗配合（设定不同的启动阈值）实现自动化与调度系统电力系统自动化是实现电力系统安全、经济、优质运行的关键技术SCADA监控与数据采集系统是电力自动化的基础，负责现场数据采集、远程控制、状态监测和报警等功能EMS能量管理系统则在SCADA基础上增加了高级应用功能，如状态估计、潮流优化、安全分析等现代电力调度系统采用多级调度结构，通常分为国家、区域和省级三级调度各级调度中心通过实时数据通信网络相连，形成分层分布式控制系统调度自动化系统的核心功能包括实时数据处理、安全约束经济调度、自动发电控制AGC、自动电压控制AVC等随着智能电网发展，电力自动化正向更高智能化方向演进，引入人工智能、大数据分析等先进技术，提升系统的自适应性和决策支持能力电力系统的通信技术电力线载波通信微波通信光纤通信无线通信利用现有输电线路作为通信采用高频电磁波进行点对点利用光导纤维传输光信号，包括4G/5G移动通信、无线媒介传输信号，成本低但抗通信，传输容量大、可靠性具有容量大、抗干扰性强的专网等技术，灵活性高，部干扰性差主要应用于农村高主要用于骨干通信网特点目前已成为电力通信署迅速在配电自动化、用配电网和低压用户通信，传络，特别是地形复杂区域骨干网的主要技术，通常沿电信息采集等领域应用广输速率较低，但覆盖范围与现代数字微波系统可实现数着输电线路架设OPGW光泛，特别适合分散式终端的电网一致，不需额外铺设通百Mbps的传输速率，但受纤复合架空地线，一举两数据采集信线路天气和地形影响较大得电力系统通信网络通常采用骨干网+接入网的分层架构，骨干网连接主要变电站和调度中心，采用高可靠性技术如SDH光纤环网；接入网连接末端设备，可采用多种技术混合组网通信在电力系统中承担保护、控制、测量和管理四大功能，是电网安全稳定运行的神经系统电力市场与调度机制双边交易发电企业与用户直接协商电力交易集中竞价通过电力交易中心组织的市场化竞价计划调度政府定价的传统电力调度模式中国电力市场正在从传统的计划调度模式向市场化机制转变目前采用的是计划电与市场电并存的过渡模式，部分电量通过双边协商和集中竞价方式确定价格和交易量，其余电量仍按计划电价执行电力市场主要参与主体包括发电企业、电网企业、售电公司和电力用户交易品种涵盖中长期电能量交易、现货交易、辅助服务交易等电力交易机构负责组织市场交易，电力调度机构负责执行交易结果并保障系统安全电力市场改革面临的主要挑战包括如何平衡市场效率与系统安全的关系，如何协调各类能源的利益平衡，以及如何适应新能源大规模接入带来的不确定性等随着技术进步和制度完善，中国电力市场化进程将稳步推进典型电网案例分析一华北电网概况电源结构网架结构华北电网覆盖北京、天津、河北、山西和内华北电网电源以火电为主，占比约70%，主华北电网形成了500kV主网架和特高压环蒙古西部地区，是中国北方的重要电力网要分布在山西、内蒙古等煤炭资源丰富地网结构，通过多条特高压线路与华中、华络该电网负荷密度大，工业负荷比重高，区近年来，风电、光伏等新能源装机快速东、东北电网相连这种互联格局提高了电季节性差异明显，冬季采暖负荷突出增长，但间歇性特征给电网调峰带来挑战网安全性和经济性，实现了资源优化配置华北电网的典型特点包括电源与负荷分布不均衡，西部产煤区发电量大，东部负荷中心用电需求高；环保要求不断提高，推动能源结构调整；系统调峰压力大，需要多种技术手段共同应对近年来，华北电网正加快智能化建设，提升运行效率和可靠性典型电网案例分析二新能源接入对电网的影响间歇性与波动性风能、太阳能等新能源发电具有明显的间歇性和随机性，受气象条件影响大这种特性导致电网必须配备更多调峰资源和备用容量，以应对新能源输出的不确定变化，增加了系统运行成本系统惯量减少传统同步发电机具有较大的转动惯量，能为系统频率提供天然的缓冲；而风电、光伏等新能源通过电力电子变流器接入电网，不提供或提供很少的物理惯量，导致系统抗扰动能力下降电网结构变化新能源多分布在远离负荷中心的地区，需要建设大规模远距离输电线路；同时，分布式新能源的大量接入改变了配电网的潮流方向，从单向变为双向，挑战传统保护策略系统灵活性需求新能源接入增加了电力系统对灵活性资源的需求抽水蓄能、燃气机组、电池储能等灵活性资源变得更加重要，同时电网侧和用户侧的需求响应也得到更多应用智能电网技术发展智能电网定义与特征关键技术与应用智能电网是将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计智能电网的关键技术包括先进测量基础设施AMI，实现用电信算机技术和控制技术与传统电力系统深度融合的新型电网其核心息的双向互动；广域测量系统WAMS，提供实时相量数据支持特征包括自愈能力、用户参与、抵御攻击、电能质量、发电形式动态监控；柔性交流输电系统FACTS，提高输电能力和系统稳定多样化、电力市场和资产优化七个方面性；配电自动化，实现故障自动定位与隔离智能电网不是对传统电网的简单升级，而是一种全新的电网形态，在应用场景方面，智能电网支持分布式能源的大规模接入，促进电强调信息流与电力流的高度融合，实现电网的数字化、自动化和智动汽车与电网互动，实现需求侧响应和负荷智能管理，为能源互联能化网提供基础设施支撑微电网与分布式能源3-10MW典型微电网容量适合园区或社区级应用

99.9%供电可靠性高于传统配电网15-30%能源利用效率提升相比传统能源系统30%+可再生能源占比绿色低碳特征明显微电网是一个包含分布式电源、储能装置、能量转换设备、负荷、监控和保护装置等的小型电力系统，可以与大电网并网运行，也可以独立运行微电网的核心特点是自治性，能够实现能源的局部平衡和优化配置分布式能源是微电网的重要组成部分，包括分布式光伏、小型风电、小型燃气轮机、微型燃料电池等与集中式大电站相比，分布式能源具有就近发电、就近用电的特点，减少了输电损耗，提高了能源利用效率目前微电网在工业园区、商业中心、校园、海岛等场景已有广泛应用微电网控制技术、能量管理系统和并网/孤岛切换技术是研究热点，对提高系统可靠性和经济性至关重要电力系统前沿研究特高压直流输电超导输电技术电力电子技术特高压直流输电技术是实现远距离大容量输电超导材料在特定温度下电阻为零，理论上可实电力电子技术正引领电力系统变革，从柔性交的重要手段中国已建成多条±800kV和现无损耗输电虽然目前仍面临冷却系统复流输电FACTS到模块化多电平换流器±1100kV特高压直流线路，创造了世界纪录杂、成本高等挑战，但其超大容量、节能环保MMC，再到基于电力电子的虚拟同步机这这项技术克服了交流输电距离限制，有效解决的优势使其成为未来输电技术的重要发展方些技术提高了电网控制灵活性，为大规模新能了能源资源与负荷中心分布不均的矛盾向多个国家已开展超导电缆示范工程源接入和构建能源互联网提供了技术支撑此外，人工智能在电力系统中的应用也是热门研究领域，包括深度学习在故障诊断、负荷预测和系统状态评估中的应用，以及区块链技术在电力交易和能源共享中的探索这些前沿技术正推动电力系统向更高效、更清洁、更智能的方向发展电力系统节能与环保发电侧节能措施电网侧节能措施•超超临界燃煤发电技术，提高热效率•提高输电电压等级，减少线损•煤电机组灵活性改造，适应调峰需求•采用低损耗变压器，如非晶合金变压器•热电联产，提高燃料综合利用率•无功功率优化，提高功率因数•清洁煤技术，如IGCC、碳捕集与封存•配电网结构优化，降低网损率用电侧节能措施•推广高效电机、节能照明等用电设备•实施峰谷电价，引导错峰用电•能效管理系统，优化企业用电方式•需求侧响应技术，平抑负荷曲线电力系统的绿色发展是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑一方面，需要大力发展水电、核电、风电、太阳能等清洁能源，优化能源结构；另一方面，加强电网建设，提高清洁能源消纳能力，实现能源的高效利用技术创新和政策机制的协同推进，是促进电力系统节能环保的关键路径总结与展望基础知识巩固掌握电力系统的基本概念、原理和分析方法，建立系统思维知识体系构建将电力系统各环节知识点有机联系，形成完整的知识网络前沿技术追踪关注智能电网、新能源等前沿领域，把握技术发展趋势实践能力培养通过实验、计算和案例分析，提升解决实际问题的能力本课程系统介绍了电力系统的基本理论和分析方法，从电路基础到电力设备，从稳态分析到暂态过程，构建了电力系统理论的完整框架未来电力系统将朝着更清洁、更智能、更开放的方向发展，面临诸多挑战与机遇期末考试将全面考核课程内容，重点考察基本概念理解、分析方法应用和实际问题解决能力建议同学们回顾各章重点内容，加强习题练习，形成系统化的知识结构，为后续专业课程学习和未来工作实践打下坚实基础。