电力工程基础——系统篇
电力工程基础8
电力工程根底81. 介绍电力工程是现代社会中至关重要的根底设施之一，它提供了人们生活所需的电能。
电力工程根底涵盖了电力系统的设计、建设、运维等方面的知识。
本文将介绍电力工程根底的第八局部内容。
2. 发电机组发电机组是电力系统中的核心部件，负责将机械能转化为电能。
它由发电机、励磁系统和控制系统组成。
发电机是将旋转机械能转化为电能的装置，励磁系统那么提供发电机所需的磁场。
控制系统那么负责监测和调节发电机组的运行状态。
2.1 发电机的工作原理发电机通过电磁感应的原理来工作。
当发电机的转子被机械能驱动旋转时，它在磁场中感应出电势。
通过引出电势，就能够提供电流给外部电路，并将机械能转化为电能。
2.2 励磁系统的作用励磁系统是控制发电机磁场的装置。
通过控制励磁系统的电流，可以调节发电机的输出电压和频率。
励磁系统的稳定性对于发电机组的正常运行非常重要。
2.3 控制系统的功能控制系统是发电机组的大脑，负责监测和调节发电机组的运行状态。
通过控制系统，运维人员可以实时监测发电机组的性能参数，例如电压、频率、温度等。
控制系统还可以自动调节发电机组的工作模式，以满足不同负载的需求。
3. 电压传输与配电系统电压传输与配电系统是将发电机产生的电能传输到用户终端的关键环节。
它包括输电线路、变电站和配电线路等组成局部。
3.1 输电线路输电线路将高压电能从发电厂传输到变电站。
它通常使用高压输电线路，例如110千伏、220千伏等。
输电线路需要考虑线路的电压降、电流、线路损耗等因素，以确保传输效率和电能的质量。
3.2 变电站变电站是电力系统中的重要枢纽，负责将高压电能转换成适合用户使用的低压电能。
变电站主要包括变压器、开关设备和保护装置等。
通过变电站，电能可以按照用户的需求进行分配和供给。
3.3 配电线路配电线路将低压电能从变电站传输到用户终端。
它通常使用低压配电线路，例如10千伏、0.4千伏等。
配电线路需要考虑线路的负载能力、线损、电压稳定性等因素，以保证电能的可靠供给。
电力系统基础知识
第一章电力系统基础知识继电保护、自动装置对电力系统起到保护和安全控制的作用，因此首先应明确所要保护和控制对象的相关情况，涉及的内容包括：电力系统的构成，电力系统中性点接地方式及其特点，电力系统短路电流计算及其相关概念。
这是学习继电保护、自动装置等本书内容的基础。
>>第一节电力系统基本概念一、电力系统构成电力系统是由发电厂、变电站(所)、送电线路、配电线路、电力用户组成的整体。
其中，联系发电厂与用户的中间环节称为电力网，主要由送电线路、变电所、配电所和配电线路组成，如图1-1中的虚框所示。
电力系统和动力设备组成了动力系统，动力设备包括锅炉、汽轮机、水轮机等。
在电力系统中，各种电气设备多是三相的，且三相系统基本上呈现或设计为对称形式，所以可以将三相电力系统用单相图表述。
动力系统、电力系统及电力网之间的关系示意图如图1-l所示。
图1-1 动力系统、电力系统及电力网示意图需要指出的是，为了保证电力系统一次电力设施的正常运行，还需要配置继电保护、自动装置、计量装置、通信和电网调度自动化设施等。
电力系统主要组成部分和电气设备的作用如下。
(1)发电厂。
发电厂是把各种天然能源转换成电能的工厂。
天然能源也称为一次能源，例如煤炭、石油、天然气、水力、风力、太阳能等，根据发电厂使用的一次能源不同，发电厂分为火力发电厂(一次能源为煤炭、石油或天然气)、水力发屯厂、风力发电厂等。
(2)变电站(所)。
变电站是电力系统中联系发电厂与用户的中间环节，具有汇集电能和分配电能、变换电压和交换功率等功能，是一个装有多种电气设备的场所。
根据在电力系统中所起的作用，可分为升压变电站和降压变电站；根据设备安装位置，可分为户外变电站、户内变电站、半户外变电站和地下变电站。
变电站内一次电气设备主要有变压器、断路器、隔离开关、避雷器、电流互感器、电压互感器、高压熔断器、负荷开关等。
变电站内还配备有继电保护和自动装置、测量仪表、自动控制系统及远动通信装置等。
电力系统基础知识
电力系统基础知识电力系统是现代工业和日常生活中不可或缺的一部分。
它的主要作用是将发电厂的电力输送到消费者处，以满足我们日常生活和工作所需的电能。
在这篇文章中，我们将探讨电力系统的基础知识，包括电力系统的组成、基本参数、常见的电力故障和保护措施。
电力系统的组成电力系统通常由以下几个部分组成：发电厂发电厂是电力系统中最重要的组成部分之一。
它们负责将化石燃料、核能或可再生能源等转换成电能。
发电厂的大小和类型取决于所需要的电力输出、能源技术和环境条件。
输电线路输电线路是将电力从发电厂输送到消费者处的通道。
它们通常由高压输电线路、变电站和低压配电线路组成。
高压输电线路是用于将电力从远距离输送到变电站的线路。
变电站能够将电力转换成不同电压的电力，以满足消费者的需求。
配电线路配电线路将电力从变电站输送到消费者的住宅、工厂和商业建筑等处，以满足大众的日常用电需求。
它们通常由低压输电线路和配电变压器组成。
电力设备电力设备包括变压器、开关、断路器、避雷器等设备，它们在电力系统中起到各种不同的作用。
例如，变压器将电力从高压转换成低压，以满足不同类型的消费者需求。
断路器和开关则用于隔离电力设备，以确保安全运行。
电力系统的基本参数在电力系统运行中，有一些基本参数需要被监测和控制，以确保电力系统的稳定运行。
电压电压是电力系统中最重要的参数之一。
它表示电力的电势差，以伏特（V）为单位。
电压的大小取决于电源的电压以及负载的大小。
一般来说，低电压不利于设备的正常工作，而过高的电压可能会导致设备故障。
电流电流是电力系统中的另一个重要参数。
它表示电力传输的电荷数量，以安培（A）为单位。
在电力系统中，随着负载的增加，电流也会相应地增加。
因此，电流的监测和控制对于防止电力设备超载和电路过热等问题非常关键。
功率表示电力的输出能力，以瓦（W）为单位。
它的大小取决于电压和电流的大小。
在电力系统中，功率的监测和控制对于设备的正常工作以及负载的分配都非常关键。
电力系统基础知识版
火力发电的优势是：早期建设成本低，发电 量稳定，一年四季均匀生产，所以在世界各国的 电力生产中都占主要地位，一般在70 %左右。 火力发电的缺点是：所用的煤、油、气等是不可 再生资源，虽然储量多，始终会枯竭，污染严重。
一方面是煤炭资源丰富，二一方面是其它资 源转换为油、气、化学能等成本高,我们国家火 电是以煤电为主，油、气、化学能等火电是限制 性的计划性发展。
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七、变电所
变电所是联接电力系统的中间环节，用以汇集电 源，升降电压和分配电力。
变电所的主接线 变电所的主接线是电气设备的主体，由其把发电 机、变压器、断路器、隔离开关等电气设备通过母 线、导线有机的连接起来，并配置各种互感器、避 雷器等保护测量电器，构成汇集和分配电能的系统。 变电所主接线的形式与变电所设备的选择、布置、 运行的可靠性和经济性以及继电保护的配置都有密 切的关系，它是变电所设计的重要环节。在拟定变 电所主接线方案时，应满足可靠、简单、安全、运 行灵活、经济合理、操作维护方 便和适应发展等基 本要求。
国家标准规定对电压波动的允许值为：
10KV及以下为2.50/0 35至110KV为20/0 220KV及以上为1.60/0
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（3）高次谐波：高次谐波的产生，是非线 性电气设备接到电网中投入运行，使电网电 压、电流波形发生不同程度畸变，偏离了正 弦波。高次谐波除电力系统自身背景谐波外， 主要是用户方面的大功率变流设备、电弧炉 等非线性用电设备所引起。高次谐波的存在 降导致供电系统能耗增大、电气设备绝缘老 化加快，并且干扰自动化装置和通信设施的
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按中断供电造成的损失程度分类
1、一级负荷：突然停电将造成人身
伤亡或引起对周围环境的严重污染，
造成经济上的巨大损失，如重要的大
电力系统基础教程
0.38/0.22
0.40
0.38/0.22
0.40/0.23
0.66/0.38
0.69
0.66/0.38
0.69/0.40
注：受电设备的额定电压＝电力系统的额定电压。
直流系统的额定电压：
100V以下的额定电压，受电设备与供电设备相同。 对受电设备为110V、220V和440V的直流系统，供电设备的额定
如何实现工作接地 ？
电气设备（电力变压器、电压互感器或发电机）的中性点 接地 —— 又称为电力系统中性点接地。
电力系统的中性点：星形连接的变压器或发电机的中性点。
电力系统的中性点接地方式：
小电流接地：
中性点不接地（中性点绝缘） 中性点经消弧线圈接地
大接地电流：
中性点直接接地 中性点经电阻接地
保护接零：在中性点直接接地的低压电力网中，把电气设备的外
壳与接地中性线（也称零线）直接连接，以实现对人 身安全的保护 作用。
防雷接地：为消除大气过电压对电气设备的威胁，而对过电压保
护装置采取的接地措施。
防静电接地：对生产过程中有可能积蓄电荷的设备所采取的接地。
第一章 绪 论 §1-4 电力系统中性点接地
给出闪变电压限值和频度的关系曲线， 可以根据电压波动曲线查得允许值，并 给出算例；
对测量方法和测量仪器作出基本规定
各级电压要求一样；
衡量点为 PCC，取实测 95%概率值或
正常允许 2%，短时不超过 4%； 日累计超标不超过 72min，且每 30min
每个用户一般不得超过 1.3%
第一章 绪 论 §1-1 电力系统基本概念
三、电力系统的特点
电能不能大量存储：电能的生产、变换、输送、分配
电力系统基础知识
4.1变压器
原理：利用电磁感应原理变换交流电压和电流器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压。 分类：按绝缘介质主要分为干式、油浸式、充气式（六氟化硫） 结构组成：铁芯和绕组是变压器的最基本组成部分，此外还有一些辅助部件 ，如分接开关、绝缘套装、储油柜、散热器等。 空载损耗：也叫铁损。是变压器在空载时的功率损失，是由空载励磁电流产生的，单位以瓦特或千瓦计。 短路损耗：也叫铜损，是一侧绕组短路另一侧通入额定电流时的损耗，单位以瓦特或千瓦计。 短路电压：也叫阻抗电压，是指将一侧绕组短路，另一侧绕组电流达到额定电流时所加电压与额定电压的百分比。表示变压器本身的阻抗大小。 空载电流：变压器空载运行时的励磁电流占额定电流的百分比数
*
4.9电力电容器
用途：主要用于电力系统的载波通信及测量、控制、保护及提高电力系统的功率因数。
4.10电抗器
用途：电抗器时一种电感元件，在电力系统中起限流、稳流、无功补偿、移相等作用
*
4.11电缆
结构：主要分为3部分：线芯、绝缘层、防护层 分类：主要有油浸纸绝缘电缆、塑料绝缘电缆、橡皮绝缘电缆、充油电缆等 交联聚乙烯电缆目前广泛运用在35kV及以下电力输配电线路中
*
*
三相干式变压器
三相油浸式变压器
*
4.2互感器
用途：电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路信息的传感器。互感器包括电流互感器和电压互感器，将一次侧的高电压、大电流变成二次侧标准的低电压（100V或57.74V）和小电流（5A或1A） 互感器分为电压互感器和电流互感器
电压互感器
QF
QS2
QS1
W1
W2
电源1
电气工程基础汇总
– 6、10、35、（60）、110、（154）、220、330 和500KV
• 制定电压等级的基本假设
– 用电设备的容许电压偏移一般为±5% – 沿线路的电压降落一般为10% – 在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5%
1.5.2 电力系统电压等级
• 根据以上假设规定电压等级
– 线路额定电压就是电压等级规定的额定电压UN – 用电设备额定电压为线路额定电压UN – 发电机额定电压为线路额定电压的105%UN – 变压器额定电压
– 氢气储能 – 超导磁体储能 – 超级电容器
1.2.6 储能技术
• 常见储能技术的比较
– 不同的应用场景适合不同的储能方案
• 长时间，大容量：抽水蓄能、压缩空气——适合于大电网 • 长时间，中等容量：氢气储能，铅酸电池——适合于分布 式发电、中低压电网 • 短时间，大容量：飞轮，超导磁体，超级电容器——适合 于分布式发电、中低压电网
中性点直接接地
中性点不接地 经消弧线圈接地 经小电阻接地 中性点不接地 经消弧线圈接地
2.1.2 架空线路
• 架空线路的换位
A B C C A B B C A A B C
目的在于减少三相参数不平衡 整换位循环：指一定长度内有两次换位而三相导线 都分别处于三个不同位置，完成一次完整的循环。 滚式换位 换位方式
1.1.1 电力系统的定义
发电厂
原动机 发电机
变电站
升压变压器 输电线路
变电站
降压变压器
用电设备
工业用电
照明用电
~
M ~ M ~
G
电力网 电力系统 动力系统
1.1.2 电力系统的组成
• 电力系统就是由各种电压等级的输电线路将发 电机，变电站和用户连接成为一体的系统，完 成发、输、变、配、用的完整过程
最全的电力工程基础知识(PPT82页)
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* 1.1 电力系统的基本概念
四、电力系统的特点
1．电能不能大量储存。 2．电力系统的过渡过程十分短暂。 3．与国民经济各部门的关系密切。
五、对电力系统的基本要求
1．保证供电的可靠性。 2．保证良好的电能质量。 3．为用户提供充足的电能。 4．提高电力系统运行的经济性。
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1.2 发电厂的生产过程
一、火力发电厂
1．火电厂的燃料：煤炭、石油、天然气等。 2．能量转换过程：燃料的化学能→热能→机械能→电能。 3．分类：汽轮机发电厂、蒸汽机发电厂、内燃机发电厂等。 4．火电厂的组成： 燃烧系统（锅炉）：燃料→灰渣，风（空气）→烟气 汽水系统（汽轮机）：水 蒸汽、循环水（冷水 热水） 电力系统：发电机、变压器、输电线路等。
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* 1.1 电力系统的基本概念
车间变电所：将6～10kV的电压降为380/220V，再通过车 间低压配电线路，给车间用电设备供电。
车间变电所可分为以下几种类型（图1-2）：
附设式变电所（1~4）
车间内变电所（5）
独立变电所（7）
露天变电所（6）
地下变电所
杆上变电所
1.2 发电厂的生产过程
5．水电厂的生产过程（见图1-4）
图1-4 堤坝式水电厂1生5产过程示意图
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1.2 发电厂的生产过程
6．水电厂是我国目前最重要的电源之一，比例大于10%。
葛洲坝水电站 南美伊泰普水电站 长江三峡水电站 广州抽水蓄能电站
7．水力发电的优点 是最干净的能源之一。 是最廉价的能源之一：无需燃料、无环境污染、生产效 率高、发电成本低、运行维护简单。 综合水利工程：可同时解决发电、防洪、灌溉、航运、 水产养殖等问题。 特殊的水电厂：抽水蓄能电厂，起“削峰填谷”作用。
电力系统基础知识
第一章电力系统基础知识继电保护、自动装置对电力系统起到保护和安全控制的作用，因此首先应明确所要保护和控制对象的相关情况，涉及的内容包括：电力系统的构成,电力系统中性点接地方式及其特点,电力系统短路电流计算及其相关概念.这是学习继电保护、自动装置等本书内容的基础.〉>第一节电力系统基本概念一、电力系统构成电力系统是由发电厂、变电站（所）、送电线路、配电线路、电力用户组成的整体。
其中，联系发电厂与用户的中间环节称为电力网，主要由送电线路、变电所、配电所和配电线路组成，如图1-1中的虚框所示.电力系统和动力设备组成了动力系统，动力设备包括锅炉、汽轮机、水轮机等。
在电力系统中，各种电气设备多是三相的,且三相系统基本上呈现或设计为对称形式，所以可以将三相电力系统用单相图表述。
动力系统、电力系统及电力网之间的关系示意图如图1-l所示。
图1-1 动力系统、电力系统及电力网示意图需要指出的是，为了保证电力系统一次电力设施的正常运行，还需要配置继电保护、自动装置、计量装置、通信和电网调度自动化设施等。
电力系统主要组成部分和电气设备的作用如下.（1)发电厂。
发电厂是把各种天然能源转换成电能的工厂。
天然能源也称为一次能源,例如煤炭、石油、天然气、水力、风力、太阳能等，根据发电厂使用的一次能源不同，发电厂分为火力发电厂(一次能源为煤炭、石油或天然气）、水力发屯厂、风力发电厂等。
（2)变电站(所).变电站是电力系统中联系发电厂与用户的中间环节，具有汇集电能和分配电能、变换电压和交换功率等功能，是一个装有多种电气设备的场所.根据在电力系统中所起的作用,可分为升压变电站和降压变电站；根据设备安装位置，可分为户外变电站、户内变电站、半户外变电站和地下变电站.变电站内一次电气设备主要有变压器、断路器、隔离开关、避雷器、电流互感器、电压互感器、高压熔断器、负荷开关等.变电站内还配备有继电保护和自动装置、测量仪表、自动控制系统及远动通信装置等。
电力工程基础知识总结
第一章概述1电力系统：通过各级电压的电力线路，将发电厂、变电所、电力用户连接起来的一个整体，起着电能的产生、输送、分配和消耗的作用。
2 电力网：在电力系统中，通常将输送、交换和分配电能的设备叫做电力网，它由变电所和各种不同电压等级的电力线路组成，可分为地方电力网、区域电力网、超高压远距离输电网三种类型。
3 建立大型电力系统（联合电网）的优点：①可以减少系统的总装机容量②可以减少系统的备用容量③可以提高供电的可靠性④可以安装大容量的机组⑤可以合理利用动力资源，提高系统运行的经济性。
4 电满足用户对供电可靠性的要频率和波形的质量。
6 变电由电力变压器和配电装置组成，起着变换电压、分配和交换电能的作用。
7 衡量电能质量的指标：①频率偏差（我国电力系统的额定频率是50Hz，正常允许偏差为正负0.2Hz，当电网容量较小时，可以放宽到正负0.5Hz）②电压偏差③电压波动与闪变（电压波动是由负荷急剧变化引起的）④谐波（危害：使变压器和电动机的铁芯损耗增加，引起局部过热，同时振动和躁动增大，缩短使用寿命；使线路的的功率损耗和电能损耗增加，并有可能使电力线路出现电压谐振，从而在线路上产生过电压，击穿电气设备的绝缘；使电容器产生过负荷而影响其使用寿命；使继电保护及自动装置产生误动作；使计算电费用的感应式电能表的计量不准；对附近的通信线路产生信号干扰，从而使数据传输失真等）⑤三相不平衡（危害：三相不平衡电压或电流按对称分量法产生的负序分量会对系统中电气设备的运行产生不良影响。
例如使电动机产生一个反向转矩，从而降低了电动机的输出转矩，使电动机效率降低，同时使电动机的总电流增大，使绕组温升增高，加速绝缘老化，缩短使用寿命。
对于变压器，由于三相电流不平衡当最大相电流达到变压器额定电流时，其他两项电流均低于额定值，从而使其容量得不到充分利用。
对多相整流装置，三相电压不对称将严重影响多相触发脉冲的对称性，使整流设备产生更多的高次谐波，进一步影响电能质量。
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P1(x)
P2 (x)
H11
H 21
Pp
(x)
H p1
Pn1
(
x)
H
n1,1
Q1 ( x)
M11
Q2 (x) M 21
Qm (x) M m,1
H12 H 22
n
Qi Qi U iU j (Gij sin ij Bij cos ij ) 0 j1
i 1,2,, n 1
PQ节点：P、Q已知，U、δ为未知量 （m个PQ节点）
n
ΔPi x Pi-Ui U j Gij cos δij Bij sin δij
雅克比矩阵的特点
（1）雅可比矩阵各元素均是节点电压相量的函数 ，在迭代过程中，各元素的值将随着节点电压相量 的变化而变化。因此，在迭代过程中要不断重新计 算雅可比矩阵各元素的值；
（2）雅可比矩阵各非对角元素均与Yij＝Gij＋jBij
有关，当Yij＝0，这些非对角元素也为0，将雅可比 矩阵进行分块，每块矩阵元素均为2×2阶子阵，分 块矩阵与节点导纳矩阵有相同的稀疏性结构； （3）非对称矩阵。 （4）n+m-1阶
PQ节点：
PV节点向PQ节点的转化
背景：
对节点注入功率约束不满足：威胁机组安全 对节点电压大小约束不满足：影响电能质量 对电压相位角约束不满足：危机系统稳定性
电气工程基础-系统篇
PV节点向PQ节点的转化
指迭代过程中，经过校验发现，为保持给定的电压大小， 某一个或几个PV节点所注入的无功功率已经越出了给定的 限额，为了保持机组的安全运行，不得已取Qi=Qimax； Qi=Qimin。显然，这样做不能维持给定的电压大小，只能任 凭相应节点电压大小偏移给定值，这样处理实际上就在迭代 过程中允许某些PV节点转化为PQ节点。
电气工程基础-系统篇
石访 Email: shifang@
系统中必须有平衡节点和PQ节点，可以没有PV节点
电气工程基础-系统篇
IEEE22节点类型划分
3）负荷节点和其它中间节点一般选作PQ节点 1）平衡节点从发电机节点中选择
平衡节点：
2）除平衡机以外的发电机节点一般选作PV节点， 装有无功补偿装置的中间节点也可选作PV节点PV节点：
j
UiU j (Gij cosij Bij sinij )
对特定的j，只有该特定节点的Uj是变量
N ij
Pi U j
Uj
UiU j (Gij
cos ij
Bij
sinij )
Lij
Qi U j
Uj
UiU j (Gij
sinij
Bij
cosij )
j 1
n
ΔQi x Qi-Ui U j Gij sin δij Bij cos δij
j1
i
1,2, ,m
i 1,2,,m
PV节点：P、 U 已知， Q 、δ为待求量（n-m-1个PV节点）
n
ΔPi x Pi-Ui U j Gij cosδij Bij sin δij i m 1,m 2,,n-1
Um
Um
2019/8/10
电气工程基础-系统篇
7
极坐标下的修正方程式
极坐标法系数推导
当i≠j ，对特定的j，只有特定节点的 j，从而 ij= i- j 是变量
H ij
Pi
j
UiU j (Gij sinij Bij cosij )
M ij
Qi
N p2 N n 1, 2
L11
L12
L21
L22
Lm,1
Lm,2
,m
N1,m
N2,m
N p,m
N n 1, m
L1,m
L2,m
Lm,m
1
2
p
n1
U1
U1
U
2
U
2
相似地，由于Ui是变量，可得
N ii
Pi U i
Ui
2U
G 2
i ii
Ui
n
U j (Gij
j1
cosij
Bij
sinij )
ji
Lii
Qi U i
Ui
2U
2 i
Bii
Ui
n
U j (Gij
j 1
sin ij
Bij
cosij )
ji
电气工程基础-系统篇
j1
/8/10
电气工程基础-系统篇
6
极坐标下的修正方程式
n
ΔPi x Pi -Ui U j Gij cosij Bij sinij
i 1,2,L ,n -1
j 1
n
ΔQi x Qi -Ui U j Gij sinij Bij cosij j 1
电气工程基础-系统篇
输入原始数据 形成节点导纳矩阵
给定节点电压初值U (0) , (0) k 0
H p2 H n1,2
M12 M 22
M m,2
H1 p H2p
H1,n1 H 2,n1
H pp H n1, p
H p,n1 H n1,n1
M1, p M 2, p
M1,n1 M 2,n1
M M m, p
m,n1
i 1,2,L
N11
N12
N21
N22
N p1 N n 1,1
电气工程基础-系统篇
回顾：潮流计算的修正方程式
潮流方程的极坐标形式
Pi jQi Ui
n
Y ij U j
U U j1
i
i
i
Y ij Gij jBij
ij i j
n
Pi Pi U iU j (Gij cos ij Bij sin ij ) 0 j1
电气工程基础-系统篇
极坐标下的修正方程式
极坐标法系数推导
当i=j ，
H ii
Pi
i
Ui
n
U j (Gij sinij Bij cosij )
j 1
ji
M ii
Qi
i
Ui
n
U j (Gij cosij Bij sinij )
j 1
ji