《电力系统分析要点》课件

电力系统分析要点课程概述基本概念与重要性主要内容与学习目标电力系统分析是研究电力系统涵盖电力系统等值电路、潮流稳态态为论础计和动行的理基，算、功率平衡、经济运行、对稳内养保障电力系统安全定运行故障分析等核心容，培分问题具有重要意义析解决实际的能力理论与实践相结合第一部分电力系统基础理论基础实际应用础论课过对础识习对现电力系统基理是整个程的起点，包括电力系统的基本概通电力系统基知的学，学生能够建立代电力系统组结这础识为续认识术为念、成构、运行要求和分析方法些基知后深入的整体，理解电力系统的基本运行原理和技要求，解决习专题内论问题坚础学各容提供了重要的理支撑实际工程打下实基电力系统的概念与组成系统定义主要组成产电力系统是指生、输送、分配电力系统主要由发电机、电力网费络与消电能的统一整体，包括发和用电设备三大部分构成，各环节协调现传电、输电、配电和用电等的部分配合实电能的有效组有机合输和利用现代特点现规结杂严代电力系统具有模大、构复、自动化程度高、可靠性要求格进术等特点，需要先的分析技支撑电力系统的基本要求安全稳定电能质量可靠经济须证维压频证电力系统必保安全持合格的电和率在保可靠供电的前提稳积应定运行，避免大面水平，确保向用户供下，追求经济运行，降质满络损停电事故的发生，确保优的电能，足各类低发电成本和网耗，转社会经济正常运用电设备的运行要求提高系统运行效率环保可持续环续注重境保护和可持积发展，极采用清洁能源，减少污染物排放，现绿实色发展电能的特点储存性同时性储过产费须时进电能无法大量存，只能通抽水蓄电能的生与消必同行，无法进储储时关能、电池等方式行有限存，增加了大量存，要求实平衡供需系调难系统度度传输特性比较优势远传传电能可以高效距离输，输速度接与其他能源相比，电能具有清洁、便于为围资转换显势近光速，大范源优化配置提供可控制、效率高等著优能电力系统的运行状态正常运行状态压频许围内满质系统所有设备正常投入运行，电和率在允范，足供电量要求，稳项数围内满系统运行定可靠各运行参均在正常范，能够足用户的用电需求故障状态线闸导数围时系统发生设备故障或路跳，致系统运行参超出正常范此需扩要快速采取措施隔离故障，恢复系统正常运行，防止故障大紧急状态临稳积紧系统面失危险，可能发生大面停电需要采取急控制措施，如负调稳切除部分荷、整发电出力，确保系统整体定恢复状态紧状态过故障或急消除后，系统逐步恢复正常运行通有序的恢复应对程序，重新建立电力供，恢复用户的正常供电电力系统分析的主要内容状态估计时测数计状态基于实量据估系统稳定性分析稳研究系统在扰动下的定特性暂态分析态过态应分析系统动程和瞬响稳态分析时研究系统正常运行的电气特性础稳态杂状态计层层应场电力系统分析涵盖从基的分析到复的估等多个面，每个面都有其特定的分析方法和用景，共同构成了完整的电力系统论分析理体系第二部分电力系统的等值电路建模基础论础等值电路理基元件建模各设备等值模型系统等值简整体系统化础过数简杂等值电路是电力系统分析的基工具，通建立合适的学模型，可以化复为计将绍的物理系统，各种分析算提供便利本部分系统介各种等值建模方法和术技等值电路基本概念建模必要性规庞结杂难过简电力系统模大、构复，直接分析困，需要通等值化降计杂低算复度，提高分析效率等值电路定义简杂等值电路是用化的电路模型替代复的实际电力设备，在特定条件数下保持电气特性基本不变的学模型主要方法数数频时包括集中参法、分布参法、域建模和域建模等多种建模方法，适用于不同的分析需求应用限制数应场等值电路的精度受建模假设和参准确性影响，需要根据具体用选择景合适的等值方法发电机等值模型基本方程数同步发电机学模型建立简化模型工程实用的等值电路参数计算数模型参确定方法多机等值组简多台发电机合化虑应过过简同步发电机是电力系统的核心设备，其等值建模需要考电磁感、机械运动等多个物理程通合理的化假设，可以建立适用于不同分析目的的发电机等值模型变压器等值模型等值电路参数计算压试验数计压数变器T型和π型等值电路的建立，包括基于据算变器等值参，包压试验载试验数理想变器和漏抗、电阻的等值表示括短路和空的据处理方法接线方式三绕组变压器线压绕组压不同接方式下变器等值电路的修三变器的星形等值电路，处理多虑线对压级传关正，考星形、三角形接零序分量个电等间的功率输系的影响输电线路等值模型50km150km短线路中等长度线路对数虑对忽略地电容的集中参模型考地电容的π型等值电路300km长线路数数分布参模型和双曲函表示线线选择线输电路的等值建模需要根据路长度合适的模型短路可忽略电容效应线虑线则须数证，中等长度路需考集中电容，而长路必采用分布参模型以保计算精度负荷等值模型静态负荷模型动态负荷模型静态负负压频稳态关态负虑负时态应应荷模型描述荷功率与电、率的系常用的模动荷模型考荷的变特性和动响主要包括感电综负负负这对暂态稳型包括恒功率模型、恒阻抗模型和恒电流模型，以及合荷的动机荷模型、温控荷模型等，些模型于定分析具项数多式模型和指模型有重要意义•负•应恒功率荷特性感电动机模型•负•恒阻抗荷特性温控设备模型•综负•负合荷建模复合荷特性系统等值技术网络变换节点消去过换关通星-三角变、并联和串联化利用高斯消去法原理，消去非简对杂络进键节简络等方法，复网行拓扑点，形成化的等值网，简关键节计规化，保持点的电气特性降低算模但保持分析精度不变等值精度误来为应选择分析不同等值方法的差源和精度水平，实际工程用最合适术的等值技提供依据第三部分电力系统网络方程方程建立络基于基尔霍夫定律建立网方程矩阵表示导纳阵阵矩和阻抗矩构建方程修正络时网变化的方程更新网络化简杂络简术复网的等值化技络计数础过络网方程是电力系统分析算的学基，通建立合适的网方程，可以描述系结为计论统的拓扑构和电气特性，各种工程算提供理支撑形成网络方程的方法节点电压方程回路电流方程关联矩阵节压为为络结以点电未知量，以回路电流未知量，描述网拓扑构的矩压阵为计根据基尔霍夫电流定律根据基尔霍夫电定律表示方法，算机组组络建立的方程，适用于建立的方程，适用于自动形成网方程提供较络节较络数网孔多的网分析点多的网分析便利的学工具矩阵表示法将络为阵网方程表示矩计形式，便于采用算机进规行大模电力系统的数计值算和分析电力系统网络矩阵导纳矩阵构建络数节导纳阵阵节根据网拓扑和元件参建立点矩，矩元素反映点间的连关电气接系阻抗矩阵构建阵导纳阵阵阻抗矩是矩的逆矩，其元素具有明确的物理意义，在故障应分析中用广泛矩阵特性分析络阵对称这为数电力系统网矩具有稀疏性、性等特点，些特性高效值计础算提供了基稀疏矩阵技术阵储计术规利用矩的稀疏特性，采用特殊的存和算技，大幅提高大模计系统的算效率网络方程的修正接法单元件修正当单数时个元件参发生变化的快速修正算法拓扑修正络结时阵网构变化的矩更新方法数值效率计杂修正算法的算复度和效率分析络结数线检计络在电力系统运行中，网构和参经常发生变化，如路投切、设备修等修正接法能够在不重新算整个网方程的情况下，络阵计快速更新网矩，大大提高算效率网络变换与化简等值星三角变换简化原则-络换术简杂络络简应关键节经典的网变技，用于化复的网网化遵循保持点电气量不变的结计节数则简构，减少算点量原，确保化后的等值精度影响评估节点关系保持络简对结络简过须节分析网化系统分析果的影响，确保在网化程中，必保持特定点间的简关传化的合理性和可接受性阻抗系和功率输特性第四部分潮流计算优化算法进计术先的潮流算优化技快速算法计提高算效率的各种方法数学模型3潮流方程的建立和求解基本概念计应潮流算的定义和用计计为规础数规断扩潮流算是电力系统最基本也是最重要的算，它系统划、运行分析、保护整定等提供基据随着电力系统模的不大和新能源计术断的大量接入，潮流算技也在不发展和完善潮流计算的基本概念定义与目的系统分析地位计给络数计础为计计潮流算是在定电力系统网拓扑、参和边界条件下，潮流算是电力系统分析的基，其他分析算如短路计稳态时节压计过稳计状态础数算系统运行各点电和各支路功率分布的算算、定算提供初始运行和基据程方程基本形式计算结果应用质线数组计结状态质潮流方程本上是基于基尔霍夫定律的非性代方程，潮流算果用于分析系统运行、电能量、设备利用关键标导规需要采用迭代方法求解率等指，指系统运行和划潮流计算的数学模型功率方程节点分类与约束节计节节将节为节节点功率方程是潮流算的核心，表达了点注入功率与点电根据已知量和未知量的不同，系统点分PQ点、PV点压线关别传节节应约的非性系有功功率和无功功率方程分描述了能量输和平衡点三类每类点都有相的束条件和处理方法压关和电支撑的平衡系这线计须约约压约这约些方程的非性特性使得潮流算必采用迭代求解方法，同束条件包括功率束、电束、发电机出力限制等，些时敛杂计结也增加了收性分析的复性束确保了算果的物理可行性和工程实用性基本潮流计算方法高斯赛德尔法牛顿拉夫逊法快速解耦法--计简单敛敛压压最早的潮流算方法，算法，收具有二次收特性的快速算法，收基于有功-电角、无功-电幅值弱耦敛较敛较规计简计内性好，但收速度慢适用于速度快，适用于大模系统需要合特性的化算法算速度快，规计阵计线计小模系统的潮流算，在教学和理算雅可比矩，算量大但精度高，存需求小，适用于在潮流算和大论计规分析中仍有重要价值是目前最常用的潮流算方法模系统分析特殊潮流解法直流潮流概率潮流分布式计算虑负计忽略电阻和无功考荷和新能利用并行算技线术规功率的性化潮源出力随机性的加速大模系计计计流模型，算速潮流算方法，统潮流算，适应为应现度极快，广泛系统不确定性代电力系统规规断扩用于系统划和分析提供有力工模不大的场市分析具需求大系统挑战规超大模电力系计临统潮流算面数稳的值定性、敛计收性和算效术战率等技挑潮流计算问题的扩展新能源并网特性含转换设备潮流对无功优化分析风电、光伏等新能源接入潮最优潮流计算处理含有FACTS设备、直流输电流分布的影响，研究新能源出力波过调励计对规通整发电机磁、投切电容器等电力电子设备的潮流算，需要动性和间歇性系统潮流的影响满约寻应数在足系统束条件下，求使目等手段，优化系统无功分布，改善建立相的学模型和求解算法律标数标数压质络损函最优的潮流分布目函电量，降低网耗，提高系损压可以是发电成本、网、电偏差统运行经济性为论础等，系统经济运行提供理基潮流计算案例分析典型系统实例过标测试详细计过通IEEE准系统等典型算例，演示潮流算的完整程，数数结包括据准备、参设置、迭代求解和果分析结果分析评估对计结进压潮流算果行全面分析，包括电水平、功率分布、设备利用关键标评断率等指的估和判系统规划应用计规应线扩选潮流算在电力系统划中的用，包括路建、变电站址、设备容量配置等决策支持精度效率平衡应计在实际工程用中，需要在算精度和效率之间找到合适的平衡点，选择计数最适合的算方法和参设置第五部分电力系统的功率平衡有功平衡频率控制负时过频调节过调维频发电与荷的实平衡，通率通速系统和AGC系统持系统率现稳许围内实系统定运行在允范电压控制无功平衡4过励调节调压维压产通磁、器等设备持电无功功率的生与消耗平衡，影响系统质压量电水平有功功率平衡平衡原理须时负络损频这规电力系统中发电功率必刻等于荷功率加上网耗，任何不平衡都会引起率变化是电力系统最基本的物理律频率关系频当负时频频频系统率是有功功率平衡的指示器发电大于荷率上升，反之率下降率变化反映了系统的功率不平衡程度一次调频调对频应过调节开组频线发电机速系统率偏差的自动响，通汽门或水门度改变机出力，是率控制的第一道防二次调频过频区络线频额维区换计通自动发电控制系统消除率偏差和域间联功率偏差，恢复系统率到定值，持域间功率交划频率调整技术调速系统原理系统功能AGC调组组过测转调过时监测频络线计区速系统是发电机的重要成部分，通感速变化自动自动发电控制系统通实系统率和联功率，算节调静态组调频调频组调节现原动机功率输出速系统的特性决定了机的能域控制偏差，并向参与的机下发指令AGC系统实态频调节稳组协调频调节力，动特性影响率的快速性和定性了多机的控制，提高了率的精度和效率•调静态•区计速器特性域控制偏差算•调态应•调频资速系统动响源分配•调频区•区协调死设置多域控制无功功率平衡95%±5%电压合格率电压偏差维压围内标标额压许围持系统电在合格范的目指定电的允偏差范

0.9功率因数数系统运行的理想功率因水平维压稳关键远须无功功率平衡是持系统电定的无功功率不能距离输送，必就地平导压过则压衡无功缺乏会致电下降，无功剩引起电升高合理配置无功电源和采压证压质用有效的电控制策略是保电量的重要措施电压调整技术发电机励磁过调节励压通磁电流控制发电机端电分接头调压压换现压调节变器分接头切实电无功补偿组态投切电容器提供动无功支撑协调控制调压协调多种手段的统一控制现压调术组过励调节压调节静偿协调现压代电力系统采用多种电整技的合，通发电机磁、变器分接头、止无功补等手段的配合，实全网电的优化控压质满制，确保电量足用户需求第六部分电力系统的经济运行电力市场场环市境下的经济运行机制机组组合组发电机的优化启停决策数学模型调数经济度的优化学模型基本原理4调论础经济度的理基满稳约寻问题场论电力系统经济运行是在足系统安全定运行束条件下，求运行成本最小的优化随着电力市改革的深入，经济运行理和方法也断在不发展和完善经济调度基本原理经济运行目标满压质稳约寻在足电力平衡、电量、系统定等束条件下，求总运行成本最小计现资的发电划，实系统源的最优配置等增率原则调组这调最优经济度的充分必要条件是各台运行机的增量成本相等，是经济论为调论导度理的核心原理，实际度提供理指输电损耗影响虑络损时调损数组考网耗，经济度需要引入耗系修正，使各机的增量成本与损数积其耗系的乘相等环保约束现调虑环传础代经济度需要考境保护要求，在统成本基上增加排放成本，实现环经济性与保性的统一经济调度数学模型目标函数与约束求解算法调标数组约调问题数线规规经济度的目函通常是各机燃料成本之和的最小化束经济度可采用拉格朗日乘法、性划、二次划等优约组约约问题规约条件包括功率平衡束、机出力上下限束、爬坡速率束化算法求解不同算法的适用性取决于的模、束特性和等求解精度要求标数组数约现还遗传目函的建立需要准确的机成本特性据，束条件的设置代算法包括算法、粒子群算法等智能优化方法，能够处虑杂问题需要考系统运行的安全性和可靠性要求理复的非凸优化机组组合优化启停决策时间约束组组给时组时机合需要决定在定间段机的最小运行间和最小停机内组组时约哪些机投入运行，哪些机间束反映了设备的物理特虑负预频损停机备用决策需要考荷性繁启停会增加设备磨和测组、机特性、系统备用要求等启动成本，需要在优化中予以考虑多个因素求解方法组组规数问题态规机合是典型的大模混合整优化，可采用动划、分支定现还界、拉格朗日松弛等方法求解，代方法包括各种启发式算法电力市场环境下的经济运行市场结构报价策略场场场场预电力市包括电能量市、容量市、发电商需要根据成本特性和市期制辅场场关报标润助服务市等，各市相互联形成定最优价策略，平衡中概率和利完整的价格体系水平辅助服务市场出清频调节调节辅过组率、备用容量、无功等助通供需匹配确定边际电价和各机的过专偿现计现资场服务通门的补机制体其价值出力划，实源的市化配置第七部分同步发电机分析基本方程数关建立发电机的学模型，包括电磁系和机械运动方程运行分析现分析发电机在不同运行条件下的特性和性能表3稳定性研究稳态应研究发电机在扰动下的定性和动响特性组稳同步发电机是电力系统的重要成部分，其运行特性直接影响系统的定性和质数对电能量深入理解同步发电机的学模型和运行机理于电力系统分析具有重要意义同步发电机基本方程Park变换意义功率角与稳定性换将转换为电磁转矩方程Park变三相交流量直状态简数发电机数学模型功率角是表征发电机运行的重流量，大大化了发电机的学分转转场数换标电磁矩是发电机定子和子磁要参，它反映了发电机电磁功率析变后的dq0坐系具有明确数绕结转关同步发电机的学模型包括定子相互作用的果，矩方程建立了与机械功率的平衡系功率角的的物理意义，便于分析和控制系统组转绕组链转数状态规关稳计方程、子方程和磁方程电磁矩与发电机参和运行变化律直接系到发电机的定设这内关对些方程描述了发电机部的电磁的系，于分析发电机的功率输运行过转换关稳程和能量系，是分析发电出和定性具有重要意义础机运行特性的基发电机运行分析空载特性负载特性功率极限载励负载空特性反映磁电特性描述发电机发电机的功率极限受载压关带负时压转流与空电的系，荷运行的电到定子电流、子电现调体了发电机磁路的整率、效率等性能流、原动机功率等多饱标为额和特性，是确定发指，发电机的种因素限制，确定功数数选择对证电机参的重要依据定参提供依据率极限保安全运关行至重要动态响应态应发电机的动响特性决定了其在系统扰时为动的行，包括电压应频应响、率响等，暂态稳影响系统的定性第八部分故障分析对称分量法将对称为对称负简不的三相系统分解的正序、序、零序分量，化故障分析计算序网络构建对应络为计础建立各序分量的等值网，不同类型故障分析提供算基对称故障对称计分析三相短路故障，算短路电流和短路功率的分布不对称故障单对称压分析相接地、两相短路等不故障，确定各相电流和电内为继计选择故障分析是电力系统分析的重要容，电保护装置的设、整定和电气设备的提论对称简对称计供理依据分量法的引入大大化了不故障的分析算对称分量法基本概念序网络构建对称将对称别1分量法是任意不的三相量分根据各序分量的特点，分建立正序、为组对称数负络络独解三分量的学方法，包括正序、零序网，各序网相互立且负络数序、序和零序分量具有不同的网参故障分析应用序网络耦合4过络组计络过通序网的合分析，可以方便地在故障点处，不同序网通边界条件对称时压络连算各种不故障的电流和电分相互耦合，故障类型决定了序网的布接方式相序网络正序网络负序与零序网络络对应对称络数时负络势为络数数正序网于三相运行条件，网参与正常运行相序网中所有电动零，网参通常与正序参相近零转为压压线络关显同所有旋电机都作电源处理，变器和输电路的正序序网的构成与系统的接地方式密切相，中性点接地方式著数额数参等于其定参影响零序阻抗的大小••负发电机正序阻抗序阻抗特性•压数•络变器正序参零序网构成•线•路正序阻抗接地方式影响。