电力系统分析论著的比较研究

1绪论

1.1课题背景

1831年法拉利发现了电磁感应定律，促进了发电机和电动机的发明，从而开始了电能的生产和使用。当时所采用的是低压直流，主要供给照明用电，供电范围很小。而后1882年在法国首先实现了电压在1000V以上的直流输电，虽然输送功率只有1.5kW，形成了世界上第一个完整的电力系统，他包含发电、输电和用电。

随着生产的发展，对传输功率和输电距离提出了更高的要求，特别是为了提高输电效率，需要采用更高的输电电压，以便减少线路流过的电流，从而降低线路电阻中的损耗，但是从用电设备来书为了安全又不得不采用较低的电压，儿直流输电却不能适应这种要求。于是，在1891年制成三相变压器和三相异步电动机的基础上，首次在德国实现了三相交流输电，它由95V、230kV?A的水轮机，经变压器升压至15200V，将功率传送到178kM以外的法兰克福，然后用2台变压器降压至112V，分别供给照明负荷和1台异步电动机驱动75kW的水泵，从而形成了现代电力系统的雏形。从此，三相交流制得到了迅速发展，取代了以前的直流系统，而且逐步在异步发电机之间进行并列运行，在输、配电过程中采用多个电压等级，经过一百多年的发展，形成电压愈来愈高、容量和规模愈来愈大的区域性、地域性甚至跨国性的电力系统。

电力系统主要

1.电力系统分析的发展及在电气工程及其自动化专业的中的作用。

和其他工程学科一样，电力系统工程学科的形成与发展也和电力系统本身的形成与发展保持着紧密的联系。他最初衍生于电路、电磁场和电机学，以后独立形成输配电工程。而当近代电力系统具有一定规模时，它又发展成为电力网络继而形成电力系统工程学科。

1.1电力系统工程学科的范畴及发展

在我国，这一学科被看做电工学科的一个分支，因此，它涉及的范围与广义的电力系统不完全一致，既不涉及锅炉、反应堆、汽轮机、水轮机等动力元件所组成的动力部分。即使如此，他仍具有颇为丰富的内涵，并且与不少其他学科保持着互相渗透、互相补充的关系。

这一学科大致包含电力系统理论、输配电技术、电力系统规划、电力系统运行、电力系统保护和电力系统控制等领域，具体简介如下：

（1）电力系统理论是以电路、电磁场和电机理论为基础，吸收大量新型学科的有关内容，并结合电力系统的特点而形成的面向近代电力系统的理论，是其他各个领域的理论基础。

（2）输配电技术主要涉及超高压输电线路、远距离交直流输电系统，以及提高输电线路输送能力等方面的问题。

（3）电力系统规划主要涉及远景负荷规划、电源规划、网络规划、可靠性分析、环境保护、生态平衡等方面的问题。

（4）电力系统运行主要涉及稳态运行、暂态过程分析、安全性分析、电能质量管理，运行方式优化等方面的问题。

（5）电力系统保护主要涉及故障分析、元件保护、线路保护、系统性故障保护和过电压及其防护等方面的问题。

（6）电力系统控制主要涉及数据采集、个别变量的调节、电能质量控制、运行优化控制、安全性控制、能量管理系统等方面的问题。

应该指出，如上所述未必能概括电力系统工程学科的全部。而且，由于各领域之间界面的模糊，按如上划分也未必妥当。何况本学科还与其他学科关系密切，试图明确规定本学科的范畴并非易事。

与本学科关系密切的除电工学科的其他分支，自动化、计算机、电子学等学科中的部分分支以及动力机械等，都与本学科有难以分割的关系。正是这些学科的发展，促进了本学科的发展，而本学科的发展又丰富了这些学科的内容。

1.2电力系统分析课程的内容

1.3电力系统分析课程在电气工程及其自动化专业的中的地位和作用

本课程是电气工程及其自动化专业的必修专业课程。除了课程本身的目的和任务以外，它还是学习其它专业课的重要基础。

本课程的目的和任务是使学生了解电力系统的组成和运行情况，掌握电力系统各主要元件的特性、数学模型和相互关系，学会电力系统分析和计算的基本原理和方法，为进一步研究电力系统分析和运行问题提供良好的基础，并使学生在电力系统方面的工程计算能力及分析和解决问题的能力得到训练和培养。

2.电力系统分析的主要内容及主要论著概况

…………

2.1陈珩编《电力系统稳态分析》

本书为普通高等教育“十一五”规划教材。在取材方面，除力求讲清楚基本概念。基本理论之外，也注意介绍国内外先进科学技术和本学科发展方向，除尽量保证学科的系统性、完整性之外，也适当述及我国电力系统的现状和有关技术政策；除主要阐hh明运用电子计算机分析电力系统的原理外也保留少量手算方法，并以较多例题比较他们的异同。

2.1.1论著的内容范围、结构体系及论述方法

全书分为三部分，分别讨论电力系统的基本概念、电力系统各元件的特性和数学模型，电力系统的潮流计算和控制，以及电力系统的运行调节和优化。

各章小结

2.1.2论著的不同版本的对比分析

本书第一版是根据1982年9月高等学校前言

2.2李光琦编《电力系统暂态分析》

本书为普通高等教育“十一五”规划教材。是高等学校“电力系统及其自动化”专业的专业课程教材，也可作为从事电力工程的技术人员的参考书。本课程的主要研究对象是交流电力系统中发生短路故障后的电磁暂态过程以及电力系统受到各种干扰后的机电暂态过程（稳定问题），这是电力系统中普遍遇到的问题，是本专业学生必须掌握的。

2.2.1论著的内容范围、结构体系及论述方法

本书共两篇、八章，主要内容有：第一篇电力系统电磁暂态过程分析（电力系统故障分析）和第二篇电力系统机电暂态过程（电力系统稳定性）两部分内容。

2.2.1.1电力系统故障分析的基本知识。

主要讲解故障概况、标幺值以及无限大功率电源供电的三相短路电流分析。

短路故障为主，所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间之间的连接。正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。三相短路是三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其余几

种短路均使三相回路不对称，故称为不对称短路。在电力系统故障分析计算中，大多应用标幺值。标幺值中各种物理量都用标幺值（即相对值）来表示，使运算步骤简单，数值明确便于分析。无限大功率电源供电的三相短路电流分析主要分析简单色的三相电路中发生突然对称短路的暂态过程。其中无限大功率定义为：（1）电源功率为无穷大时，外电路发生短路引起的功率改变对于电源来说是微不足道的，因而电源的电压和频率(对应于同步电机的转速)保持恒定。（2）无限大功率电源可以看作是由无限多个有限功率电源并联而成，因而其内阻为零，电源电压保持恒定。

2.2.1.2同步发电机突然三相短路分析

在上一章讨论了在电源电压的幅值和频率保持恒定的情况下，三相电路发生三相短路的情形。主要讲解1.同步发电机在空载情况下定子三相短路后的电流

波形及其分析。2.同步发电机空载下三相短路后内部物理过程以及短路电流分析。

3.同步发电机负载下三相短路交流电流初始值。

4.同步发电机的基本方程。

5.

应用同步发电机基本方程（拉式运算形式）分析突然三相短路电流。6.自动调节励磁装置对短路电流的影响。

其中讨论同步发电机是理想电机，即：

（1）电机转子在结构上对直轴和交轴完全对称；定子三相绕组完全对称，在空间互差120°电角度。

（2）定子电流在气隙中产生正弦分布的磁动势；转子绕组和定子绕组间的互感磁通也在气隙中按正弦规律分布。

（3）定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子绕组的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。

此外，还假设：

（1）在暂态过程期间同步发电机转子保持同步转速，即只考虑电磁暂态过程，而不计算机械暂态过程。

（2）电机铁芯部分的导磁系数为常数，即忽略磁路饱和的影响，在分析中可以应用叠加原理。

（3）发生短路后励磁电压始终保持不变，即不考虑短路后发电机端电压降低引起的强行励磁。

（4）短路发生在发电机定子出线端口。如果短路发生在出线端外，可以把外电路的阻抗合并至定子绕组的电阻和漏抗上，只要定子总回路的电阻较电抗仍小得多，则短路后的物理过程和出现端口短路是一样的。

2.2.1.3电力系统三相短路电流的实用计算。

上一章讨论了一台发电机的三相短路电路，其分析过程已相当复杂，而且还不是完全严格的。对于包含有许多台发电机的实际电力系统，在进行短路电流的工程实用计算时，不可能也没有必要作如此复杂的分析。在电力系统短路电流的工程计算中，由于快速继电保护应用，最重要的是计算短路电流基频交流分量的初始值，即次暂态电流。此外，若一直交流初始值，即可近似决定直流分量甚至冲击电流。交流分量初始值的计算原理比较简单，可以手算，但对于大型电力系统则一般应用计算机来计算。

第一节短路电流交流分量初始值计算。根据第二章的分析，在短路后瞬时发电机可用次暂态电动势和次暂态电抗等值。所以短路交流电流初始值的计算实质上是一个稳态交流电路的计算问题，只有电力系统有些特殊问题需注意。

第二节计算机计算复杂系统短路电流交流分量初始值的原理。实际电力系统短路电流交流分量初始值的计算，由于系统结构复杂，一般均用计算机计算。在上机计算前需要完成两部分工作，一是根据计算原理选择计算用的数字模型和计算方法，即计算用的数字公式；儿是根据所选定的数字模型和计算方法编制计算程序。本节将仅介绍几本的数字模型和计算方法。

计算短路电流I实质上就是求解交流电路的稳态电流，其数学模型也就是网络的线性代数方程组，一般选用网络节点方程，即用节点阻抗矩阵或节点导纳矩阵描述的网络方程。以下将先介绍计算用的等值网络，而后分别给出用节点阻抗矩阵和节点导纳矩阵计算短路电流和电网任意处电压及电流的公式。

运算曲线法的基本原理：在复杂电力系统中保留各发电机（也可合并）电动势节点（包含无限大功率母线）和短路点，经过网络化简消去其他中间节点（或称联络节点），最后得到了一个网形网络。在此网形网络中，可以略去各电源间的连线，因为连线中的电流是电源间的叫交换电路，与短路电流无关。这样就形成了一个以短路点为中心的福身形网络，为一条辐射之路只含一个电源，经一阻抗（称为转移阻抗）与短路点相连。因此，只要提供一种比较通用的、不同时刻

电源送到短路点的交流电流和电源与短路点间不同转移阻抗值的关系曲线（或数字表），则任何系统只要化简为前述的辐射形网络，即可按不同时刻以及各电源对短路点转移阻抗的大小查曲线以求得个电源支路在该时刻送出的短路电流，他们的总和即为总的短路电流I。

应用运算曲线计算I的步骤

（1）网络化简。不记综合性负荷（短路点附近的大电动机可单独另计），因为制作曲线是以近似计及负荷。最后得到各电源电动势对短路节点见的转移电抗。

（2）将各电源的转移电抗按该电源发电机的额定功率归算，即为各电源的计算电抗。

（3）按时刻和计算电抗查运算得到各电源送至短路点的短路电流标幺值（分别以各电源的额定功率为基准值）

（4）求上部中各电流的有名值，其和即为短路点短路电流的有名值。

在前面三章讨论了突然三相短路的物理过程和分析计算方法。可以看出，物理过程和严格的分析计算是复杂的，而近似的实用计算则是比较简单的。第四章和第五章将分析不对称故障（包括不对称短路和不对称断线）。实际电力系统中的短路故障大多数是不对称的，为了保证电力系统和它的各种电气设备的安全运行，必须进行各种不对称故障的分析和计算。在电力系统中突然发生不对称短路时，必然会引起基频分量电流的变化，并产生直流的自由分量（电感电路的特点）。

2.2.1.4对称分量法及电力系统元件的各序参数和等值电路。

本章主要讲述的内容有对称分量法;对称分量法在不对称故障分析中的应用；同步发电机的负序和零序电抗；异步电动机的负序和零序电抗；变压器的零序电抗和等值电路；输电线路的零序电抗和电纳以及零序网络的构成。

三个不对称的相量可以唯一地分解为三组对称的相量（及对称分量）：正序分量、负序分量和零序分量。只有当三相电流之和不等于零时才有零序分量。如果三相系统是三角形接线，或者是没有中性线（包括以地带中性线）的心形接法，三相线电流之和总为零，不可能有零序分量电流。对称分量法实质上是一种叠加的方法，所以只有当系统线性时才能应用。

对称分量法在不对称故障分析中应用。首先要说明的是，在一个三相对称的原件中（例如线路、变压器和发电机），如果流过三相正序电流，则在原件上的

三相电压降也是正序的，这一点从物理意义上很容易理解的。这也就是说，对于三相对称的元件，各序分量是独立的，即正序电压只与正序电流有关，负序、零序也是如此。

稳态运行时变压器的等值电抗（双绕组变压器即为两个绕组漏抗之和）就是它的正序或负序电抗。变压器的零序电抗和正序、负序电抗是和不相同的。当在变压器端点施加零序电压时，其绕组中有无零序电流，以及零序电流的大小与变压器三相绕组的接线方式和变压器的结构密切相关。

三相输电线路的零序阻抗，是当三相线路流过零序电流——完全相同的三相交流电流时每相的等值阻抗。这时三相电流之和不为零，不能像三相流过正、负序电流那样，三相线路互为回路，三相零序电流必须另有回路。

零序网路中不包含电源的电动势。只有在不对称故障点，根据不对称的边界条件，分解出零序电压，才可看作是零序分量的电源。零序电流如何流通，则和网络的结构，特别是变压器的接线方式与中性点的接地方式有关。一般情况下，零序网络结构总是和正、负序网络不一样的，而且元件参数也不一样。

2.2.1.5不对称故障的分析计算

上一章结合一个简单的系统，介绍了用对称分量法分析不对称故障的基本原理。还讨论了系统中各元件的各序参数。本章将在此基础上，对各种不对称故障做进一步的分析。

本章主要讲解的内容包括：各种；非故障处电流、电压的计算；非全相运行的分析计算以及计算机计算程序原理框图。

不对称短路时故障处的短路电流和电压的分析解决了不对称短路时故障处短路电流和电压的计算，若要分析计算网络中任意处的电流和电压，必须先在各序网中求得该处电流和电压的各序分量，然后再合成为三相电流和电压。非故障处电流、电压一般是不满足边界条件的。

非全相运行是指一相或两相断开的运行状态。造成非全相运行的原因很多，例如某一线路单相接地短路，故障相断路器跳闸：导线一相或两相断线等等。电力系统在非全相运行时，在一般情况下没有危险的大电流或高电压产生（在某些情况下，例如对于带有并联电抗器的超高压线路，在一定条件下会产生工频谐振过电压）。但负序电流的出现的出现对发电机转子有危害，零序电流对输电线路

附近的通讯线路有干扰。另外，负序和零序电流也可能引起某些继电保护误动作。因此，必须掌握非全相运行的分析方法。

2.2.1.6电力系统稳定性问题概述和个元件机电特性

2.2.1.7电力系统静态稳定

电力系统静态稳定是指电力系统收到小干扰后，不发生自发震荡或非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。电力系统几乎时时刻刻都受到小干扰。例如：系统中负荷的小量变化；又如架空线输电线因风吹摆动引起的线间距离（影响线路电抗）的微小变化等等。因此，电力系统的静态稳定问题实际上就是明确系统的某个运行稳态能否保持的问题。

本章主要讲解内容有：简单电力系统的静态稳定；小干扰发分析简单系统静态稳定；自动调节励磁系统对静态稳定的影响；多机系统的静态稳定近似分析；提高系统静态稳定性的措施

2.2.1.8电力系统暂态稳定

第一节

2.2.2著的不同版本的对比分析

前言

2.3杨淑英邹永海编《电力系统分析复习指导与习题精解》

全书分复习指导与习题、习题精解两部分。力求较强的系统性和针对性，以便学生掌握扎实的电力系统基本知识理论，同时也为广大电力工程技术人员提供必要的基础理论、计算方法，从而更为准确地掌握电力系统的运行情况，保证电力系统的可靠、优质和经济运行。

2.3.1电力系统稳态分析

电力系统稳态分析，研究的内容分为两类，一类是电力系统稳态运行情况下的分析与潮流分布计算，另一部分是电力系统稳定运行状况的优化和调整。

2.3.2电力系统暂态分析

学习指导除简明扼要地介绍本章中的主要问题外，还对学生容易混淆或理解的问题做了必要说明，希望起到提要钩玄的作用

3 结论

3.1 电力系统正常运行状态、不正常运行状态、故障

建议电力系统正常运行的特征定义为：(1) 电力系统或电力设备中的电流在设定的路径中流动。(2) 电力系统的所有电力设备的运行参数都在规定的范围内。

(3) 电力系统电能质量符合规定要求。

上述特征是电力系统正常运行最基本的特征。电力系统正常运行更高层次的要求还应具有：①电力系统结构有较高的可靠性。②电力系统经济运行。上述最基本特征的（2）、（3）条在以往的科技书籍就有描述，第（1）条是新增加的。下面就说明为什么需要增加第（1）条。

条件（1）是必须的。满足条件（1）表明电力系统没有故障。既没有断线，也没有短路。既没有金属性短路，也没有经过渡电阻短路。如果电力系统发生断线、或者发生经很大过渡电阻的短路（过渡电阻大于用电设备的电阻），电力系统有可能仍是稳定的，电力系统的所有电力设备的运行参数都在规定的范围内，电力系统电能质量也符合规定要求。但是，电力系统不是正常运行的，电力系统处于故障状态。

建议电力系统不正常运行的特征定义为：电力系统或电力设备中的电流在设定的路径中流动，电力系统的某些电力设备的运行参数超出规定的范围。

建议电力系统故障的特征定义为：电力系统或电力设备中的电流没有在设定的路径中流动。电力系统或电力设备设定的路径之外增加新的电流流通路径，称为短路。电力系统或电力设备中设定的电流流通路径发生开断，称为断线。

以往的电力系统故障的定义为：“电力系统发生短路与断线，称为故障。”以往的电力系统故障的定义直接用“短路”与“断线”来定义电力系统故障，不妥。修改后的定义，避免了用“短路”与“断线”这两个还没有来得及定义的名词；而是，先定义“电力系统故障”；然后，再定义“短路”与“断线”这两个名词。

以往电力系统不正常运行的定义为：“电力系统的某些电力设备的运行参数超出规定的范围，又没有发生故障。”修改后的定义，避免直接用“没有发生故障”这个同级别的名词来定义“电力系统不正常运行”。

3.2 电力系统稳态与暂态

以往，把“电力系统正常运行状态”描述为电力系统稳态的特征。其实，正常运行的电力系统一定是稳态的电力系统，稳态的电力系统不一定是正常运行的电力系统。电力系统某些设备过负荷，属于电力系统不正常运行；而且，电力系统是稳定的。电力系统经大过渡电阻短路，属于电力系统故障；然而，电力系统有可能仍是稳定的。

建议电力系统稳态定义为：在发电机组调速器作用下，各发电机转子吸收的正方向机械转矩等于转子受到的反方向电磁转矩；电力系统中所有发电机转子都以相同的速度均匀转动。在发电机励磁调节器作用下，发电机转子中的励磁电流按照均方差不变的规律调整变动；电力系统各母线电压也按照均方差不变的规律调整变动。

建议电力系统暂态定义为：电力系统从一种稳定运行状态到另一稳定运行状态的过渡过程；或者，电力系统从一种稳定运行状态到电力系统崩溃的过渡过程。

在电力系统稳态定义中出现“发电机组调速器”和“发电机励磁调节器”这两项装置，是为了强化电力系统稳态与这两项装置有密切关系的意识。

在电力系统稳态定义中，还强化了发电机转子在电力系统稳态中的重要地位。电力系统从发电机定子开始的所有电路部分，其有功功率与无功功率总是平衡的；电力系统发出的有功功率总和等于电力系统消耗的有功功率总和，电力系统发出的无功功率总和等于电力系统消耗的无功功率总和。这是电力系统的特性。无论电力系统正常运行状态、电力系统不正常运行状态、电力系统故障状态，等式约束条件总是成立的。电力系统有功功率不平衡，只会发生在发电机的转子这个节点上。因此，发电机的转子是电力系统功角稳态的重要观察点。电力系统所有发电机的转子得到的有功功率总和等于所有发电机的转子发出的有功功率总和，并不表明电力系统处于稳定运行状态。等式约束条件是电力系统处于稳定运行状态必要条件，而不是充分条件。

在电力系统稳态定义中，电压稳定运行状态用“励磁电流按照均方差不变的规律调整变动”和“电力系统各母线电压也按照均方差不变的规律调整变动”两条加以限定。调整发电机励磁电流是调整电力系统电压的主要方式，因此，励磁电流的状态在电力系统电压稳定中应有重要位置。电力系统各母线电压是判断电力系统是否电压稳定的直接决定因数。电力系统母线电压不但包含发电机励磁电

流调整母线电压的结果，还包含接在母线上的负载和负载性质作用的结果。因此，电压稳定运行状态用励磁电流状态和母线电压状态两条加以限定。

“均方差”是借用概率统计学科名词。所谓均方差，表明电压的变化是随机的，不规则的；但电压会围绕某一目标值上下来回变化。电压的变化围绕某一目标值上下来回变化时，说明发电机励磁调节器在起控制作用，控制偏离目标值的电压回到目标值。如果电压的变化脱离均方差规律，电压就没有得到控制，电压就不是稳定的。