第1章電力系統分析基礎1.1電力系統概述1.2現代電力系統的運行特點及要求1.3“電力系統分析”課程的主要內容

本章主要講述了電力系統的發展簡史，電力系統的基本概念、表征電力系統的基本參數、電力系統的結構等。電力系統的基本運行特征是電能不能大量儲存，電力系統暫態響

應時間短，電力系統運行安全要求高等。根據這些特點，電力系統的運行要求包含四個層次：正常、安全、經濟性和高質量。為了達到這些運行特點和要求，需要對電力系統的狀態實施實時的監視和控制。本章還論述了“電力系統分析”這門課在電力系統工程領域的地位和作用，以及這門課所講授的主要內容。

1.1電力系統概述

1.1.1電力系統的發展歷史電力系統是在電工學的基礎上發展而來的。在電工學日益發展成熟的19世紀末期，雅克比發明了第一臺實用電動機，隨后西門子發明了第一臺實用的自激式發電機，愛迪生發明了白熾燈，電力系統在此基礎上誕生了。

1.早期直流輸電階段

第一個商業化的完整的電力系統是由托馬斯·愛迪生(ThomasEdison)于1882年9月在紐約城的皮埃爾大街站建成的一個直流輸電系統，包括發電機、電纜、負荷、熔斷絲、

電表等(即包含發電、輸電、用電、保護和測量等環節)。這個直流輸電系統由一臺蒸汽機拖動的直流發電機供給1.5km范圍內的59個白熾燈用戶。到1886年直流輸電系統的不足就充分顯示出來了，直流輸電在當時的電壓下無法輸送更遠的距離。為了提高輸電距離，減少輸電損耗，長距離的直流輸電必須采用高電壓，而這樣的高電壓無論是發電機還是用戶都無法接受，因此必須采用適當的技術對電壓進行變換。

2.高壓交流輸電階段

L.Gaulard和J.D.Gibbs分別開發出了變壓器和交流輸電技術。GeorgeWestingHouse(西屋)取得了交流輸電技術在美國的應用權。1886年，西屋的助手WilliamStanley發明了商

業用的電力變壓器，并由此組建了第一個交流配電系統。

1888年，

NikolaTesla進入西屋電氣公司，開始研究交流電，并持有交流電動機、變壓器和交流輸電系統的多項專利。

1889年，北美洲的第一個單相交流輸電系統在維拉穆特瀑布(WillametteFalls)和波特蘭(Portland)之間建成并投入運行，引發了電力發展史上著名的“交直流大戰”。

主張直流輸電的愛迪生和主張交流輸電的西屋之間發生了激烈的爭論。直到1888年，俄國勃羅沃爾斯基發明了效率更高的三相異步電機和三相輸電技術以后，三相交流輸電才逐步取代直流電。1895年，尼亞加拉大瀑布(NiagaraFalls)水力交流發電站建立，并成功地將電力輸送到35km以外的布法羅(Baffalo)，這是當時直流輸電不可能做到的。從此，電力系統進入了高壓交流輸電的階段。在“交直流大戰”中，交流輸電勝利的主要原因在于交流系統的電壓水平可以靈活地轉換，另一原因就是交流電動機比直流電動機的成本更低，效率更高。

3.超(特)高壓交流輸電階段

進入20世紀，為了滿足電力工業的發展，將電力輸送到更遠的距離，使輸電效率更高，電力系統的輸電電壓水平也越來越高。1936年，美國建成鮑爾德水閘水電站到洛杉磯的287kV輸電線路(長430km，輸送容量250MW~300MW，雙回線路)的投運標志著電力系統超高壓輸電時代的到來。20世紀50年代，隨著大型水電站的開發和大型火電廠的興建，超高壓輸電技術迅速發展。

1952年，瑞典首先建成一條330kV超高壓輸電線路，長954km。1954年，美國首條354kV輸電線路投運。1956年，蘇聯古比雪夫水電站至莫斯科400kV雙回超高壓輸電線路投入運行，南北線路各長815km和890km，共輸電1.15GW。1959年，該雙回線進行升壓，世界上首條500kV超高壓線路出現。1965年，加拿大建成735kV超高壓線路。1969年，美國又把輸電電壓等級提高到765kV。1981年，蘇聯開工興建自車里雅賓斯克至庫斯坦奈的1150kV特高壓輸電線路，并于1985年投入運行，這是目前世界上已運行的最高交流輸電線路，標志著電力系統進入特高壓輸電時代。

4.超(特)高壓交直流混合輸電階段(現代電力系統)

隨著汞弧閥的出現，高壓直流輸電(HVDC)在超遠距離輸電方面更為經濟，而且HVDC可以實現非同步并網，對電力系統的穩定性有一定的好處。第一條商業用的100kV直流輸電(HVDC)線路于1954年在瑞典建成，它通過96km的海底電纜將瑞典本與格特蘭島(Gotland)互聯起來。特別是晶閘管的發展，使得HVDC變得更加有吸引力。第一條采用晶閘管的HVDC系統于1972年在加拿大投運，這為魁北克省和新布倫瑞克省之間提供非同步互聯。從此，電力系統進入了交直流混聯的時代。

電力系統從誕生到現在經歷了四個重要階段，進入了特高壓、大電網、交直流混聯的時代，現代電力系統是具有電源多樣化、多電壓等級、極端復雜的互聯大系統。

1.1.2電力系統的結構

電力系統是由發電、變電、輸電、配電和用電等設備連接組成的一個復雜的多層次的電力網絡，包括發電廠、電力網和負荷三大部分，如圖11所示。

發電廠的作用是將其他形式的能量轉化為電能。在目前的電力系統中，主要的發電廠是以煤、石油和天然氣為燃料的火力發電廠，利用水力發電的水力發電廠，利用核能發電的核電站等。進入21世紀，現代電力系統中的電源呈現出了多樣化趨勢，如風力發電、太能發電、熱能發電、潮汐能發電、生物質能發電等多種發電形式。

電力網的作用是將發電廠發出的電能輸送給各個負荷。根據不同功能，電力網劃分為輸電網、次輸電網和配電網。輸電網(TransmissionPowerSystem)連接系統中的主要發電廠和主要的負荷中心，它形成整個系統的主干網(

BulkPowerSystem)，且運行于最高電壓水平，通常為220kV及以上電壓等級。次輸電網(Sub-transmissionPowerSystem)則是將電力從輸電變電站輸送到配電變電站，通常較大的工業負荷用戶也直接由次輸電系統直接供電。配電網

DistributedPowerSystem)則是電力送往用戶的最后一級，將電力分配到每一個用戶，因此稱為配電網。

不同大小的電廠連接的網絡不同，主力大電廠通常通過變壓

器升壓后直接連在輸電網上，較大電廠則通常連接在次輸電網中，靠近負荷的小發電廠則直接連接到配電網中。因此小型的發電廠，諸如風力發電、太陽能發電等由于發電容量很

小，通常直接連接在配電網中，這些形式的發電也稱為分布式發電或分散式發電。圖1-1典型電力系統接線圖

我國電力系統的劃分只有輸電網和配電網兩部分，負責遠距離輸送電能的稱為輸電網，通常為220kV及以上網絡，次輸電網和配電網統稱為配電網。因此，我國電力系統中配電網通常又分為高壓配電網、中壓配電網和低壓配電網。高壓配電網通常是35kV及以上電壓等級形成的環形網絡；而中壓配電網通常為10kV等級形成的輻射型網絡，城市中壓配電網通常為了保證供電可靠性而采用環形網絡結構，但是開環運行。對于具有較高供電可靠性要求的負荷，有可能采用自母線環網，即網絡環接于同一個10kV母線，這主要是為了避免電磁環網。

所謂電磁環網，就是兩個不同電壓等級的電網環接在一起。電磁環網的弊端是顯而易見的，當高壓線路斷開時，潮流將轉移至低壓線路，從而在低壓線路產生較大的電流。我國配電網的典型結構如圖1-2所示。圖1-2我國配電網的典型結構

1.1.3電力系統的額定電壓和頻率

眾所周知，電力系統的頻率是與發電機轉子的轉速成正比例關系的，發電機轉子的電角速度就是電網的角頻率。因此正常運行的電力系統要求所有的發電機都必須按照同一個

轉速旋轉，即同步運行。這個同步運行的角速度即為電網的頻率。

電力系統中的電力設備都是按照指定的電壓和頻率來設計的，在這個指定的電壓和頻率下，電氣設備具有最佳的運行性能和經濟效果，這個電壓和頻率稱為額定電壓和額定頻率。為了在電力系統中實現電力設備的兼容性，各國都制定了電力系統的標準額定電壓和額定頻率。我國的額定頻率為50Hz，歐美地區和日本電力系統額定頻率為60Hz。我國制

定的三相交流3kV及以上電壓等級的額定電壓如表1-1所示。

我國電力系統3kV及以上的電壓等級包括：3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV和750kV。電壓等級指的是電力系統的額定線電壓。110kV及以下稱為高壓(HighVoltage，HV)，

220~750kV稱為超高壓(ExtraHighVoltage，EHV)，

1000kV以上稱為特高壓(UltraHighVoltage，UHV)。

在同一個電壓等級下，電力設備的額定電壓不盡相同，這是因為電力系統在傳輸電能的時候有電壓損耗。為了使得電力系統的所有電力設備都能在額定電壓下運行，各個電氣設備的額定電壓需要有一個配合的問題。配合的原則是：送電設備的額定電壓要比系統額定電壓高5%~10%，受電設備的額定電壓應與系統額定電壓一致。

發電機的額定電壓要比系統的額定電壓高5%。變壓器的一次繞組相當于用電設備，因此與系統電壓一致，如果變壓器直接連接發電機，則與發電機的額定電壓相同。二次繞組相當于送電設備，因此要比系統額定電壓高10%，但如果直接與用戶相連或者其短路電壓小于7%(意味著其漏抗較小，電壓損耗較低)，則比系統額定電壓高5%。

另外，為了電力系統調壓的需要，很多變壓器的高壓側具有分抽頭。同一電壓等級下，即使分抽頭的百分比相同，但由于升壓變壓器和降壓變壓器的額定電壓不同，其分抽頭的電壓也不同。對于升壓變壓器，其高壓側為二次側，相當于送電設備，其主抽頭的額定電壓UN比系統額定電壓高10%，而降壓變壓器其高壓側在一次側，相當于用電設備，其主抽頭額定電壓UN與系統額定電壓相同。以220kV等級為例，系統額定電壓為220kV，升壓變壓器高壓側主抽頭額定電壓為242kV，降壓變壓器高壓側的額定電壓為220kV。

1.1.4表征電力系統的參數

表征電力系統的規模和大小的參數主要有總裝機容量、年發電量、最大負荷、最高電壓等級等。

電力系統總裝機容量指系統中實際安裝的發電機的額定功率的總和，既包括正在運行的發電機，也包括停止運行的發電機，其單位為千瓦(kW)、兆瓦(MW)和吉瓦(GW)。

電力系統年發電量指系統中所有發電機組全年實際發出電能的總和，其單位為兆瓦·時(MW·h)、吉瓦·時(GW·h)和太瓦·時(TW·h)。

年最大負荷指電力系統總有功負荷在一年以內的最大值，用kW、MW或GW表示。

年發電量與年最大負荷之比稱為最大負荷利用小時數。

最高電壓等級指電力系統中最高電壓等級電力線路的額定電壓，用kV計。

1.1.5電力系統中性點接地方式

電力系統的中性點接地方式有兩大類：一類是中性點直接接地，另一類是中性點不接地或者經過大的阻抗接地。前者稱為大電流接地系統，后者稱為小電流接地系統或中性點

不直接接地系統。

根據三相電路理論可知，三相系統電源對稱且參數平衡的情況下，全系統的電氣量才是對稱的。所謂對稱，是指三相電氣量大小相等，相位相差120°；參數平衡是指系統的自阻抗和自導納相等，三相互阻抗和互導納也相等。只有在這種情況下，全系統的電氣量才是對稱的，三相系統才可以用“單相法”來分析。(為什么?請讀者自己思考。)

在三相對稱平衡的情況下，中性點接地與否不會影響系統的運行狀況，因為此時中性點的電位為零。

如圖1-3所示，對于中性點不接地系統，三個電源EA、EB、EC均為對稱電源。忽略系統的阻抗，根據KVL定律有

(1-1)

在三相對稱平衡的情況下，三相電源對稱，三相電壓也對稱。將式(1-1)中三個式子相加，可知

(1-2)

可見，在正常三相對稱運行的情況下，中性點接地與不接地沒有任何影響。圖1-3中性點不接地三相系統

假設A相發生短路接地，則A相的對地電壓為零，此時中性點的電壓

(1-3)

則根據式(1-1)可知，A相接地短路后的三相電壓為：

(1-4)

根據公式(1-1)可以得到中性點的電壓UN=-UA，B相的對地電壓是B相對A相的電壓，C相的對地電壓則是C相對A相的電壓。A相短路后三相電壓相量圖如圖1-4所示。圖1-4中性點不接地系統A相接地時電壓相量圖

由于實際系統中三相對地電容(線路具有分布電容，母線具有雜散電容)的作用，單相短路時會產生電容性短路電流，對于短路后電弧的熄滅不利。為了快速熄滅短路電弧使得系統恢復正常，通常在中性點連接消弧線圈，使得電容性的短路電流得到補償，或者中性點連接一個大電阻，減少電容電流的幅值。

雖然小電流接地系統發生單相短路后可以不必立即跳閘，能夠在一定程度上提高電力系統的可靠性，但非故障相電壓升高到原來的3倍，不利于電氣設備的絕緣，因此小電流接地系統廣泛應用于60kV及以下配電系統中。在110kV及以上輸電系統中，由于電壓等級較高，非故障相過電壓將使得絕緣承受更高的電壓，因此在輸電網中通常采用中性點直接接地方式。由于中性點直接接地在發生單相接地短路時，會產生很大的短路電流，因此，又稱為大電流接地系統。

1.2現代電力系統的運行特點及要求

1.2.1現代電力系統的運行特點電力系統是生產、輸送、分配和使用電能的所有電力設備連接而成的系統，電能是電力系統的產品。與普通意義上的商品相比，電力系統具有如下特點：

(1)電能不能大量儲存。電能的生產、輸送、分配和使用必須是同步進行的。也就是說，發電設備在某個時刻生產的總電能必須嚴格地和這個時刻負荷消耗和輸送損耗的總電能相等。正是因為這個特點，一旦電力系統發出的電能和消耗的電能不匹配，輕則導致電力系統的運行指標，例如電壓、頻率將發生變化，導致電力系統不能正常安全地運行，重則導致電力系統的崩潰和瓦解。

電力系統在正常運行時，只有一個運行頻率，即電力系統中所有的發電機必須都保持同步運行，這就要求所有的發電機轉子上的電磁轉矩和機械轉矩相平衡。一旦這個平衡被

打破，發電機的轉速或者重新進入一個新的平衡，或者不能進入平衡狀態，將導致電力系統的劇烈振蕩，失去同步。然而，電力系統的負荷是隨機變化的，因此需要對電力系統的發電進行合理的安排和調度，并利用自動控制裝置，實時跟蹤負荷的變化，保持系統的功率平衡。同時，在電力系統受到大的擾動，例如發生短路故障的情況下，需要及時切除故障，并及時實施控制，保證電力系統功率的平衡。

(2)電力系統的暫態過程十分迅速。所謂暫態過程，就是從一個狀態轉換到另外一個狀態的過渡過程。在電力系統中，一旦發生擾動，例如開關操作、雷電沖擊、短路等，電力系統將從一個狀態轉換到另一個狀態。這個暫態過程的時間非常短，電氣暫態過程只有數毫秒的時間，從發生故障到系統失去穩定的機電暫態時間也不過只有幾秒，因事故導致系統全面崩潰瓦解的過程也只有數分鐘。這就要求電力系統的保護與控制裝置具有足夠快的反應速度。

(3)電力系統的運行參數必須在規定范圍內。電力系統的運行是同步的，即整個電網只有一個額定頻率，這就意味著電力系統中的所有的同步發電機的轉速都必須運行在額定

頻率附近，一旦頻率降低，電力系統就進入不正常狀態，甚至有可能失去同步運行。電力系統各個節點的電壓也是有要求的，不僅僅有電能質量的要求，而且還有系統正常運行的要求，一旦某點的電壓降低，就會導致整個電網的電壓崩潰。

1.2.2現代電力系統的特征

電力系統經過一個多世紀的發展，特別是隨著科學技術的不斷進步，電力系統本身也發生了巨大的變化，主要表現在如下幾個方面：

(1)現代電力系統已經進入大系統、特/超高壓、遠距離、交直流混聯的大區域互聯的新階段。為了提高供電可靠性和經濟性，電力系統的結構越來越復雜，從簡單的樹枝結構的輻射型網絡發展到多電源供電的環形網絡，從小區域網發展到大區域網的互聯。輸電電壓等級也越來越高，最高電壓等級從330kV發展到現在的750kV，甚至1000kV。輸電形式也從單一的交流輸電發展為交直流混聯，超高壓遠距離直流輸電已經成為區域電網之間的聯絡線。

(2)社會經濟的發展促使現代電力系統經營和管理手段發生了重大變革，電力市場將取代傳統的經營方式。傳統的電力系統的經營和管理方式為計劃經濟和計劃管理，發電、輸電和配電由電力部門統一管理，發電和配電由電力調度機構統一調配。這種計劃管理體系在特定的時期提高了電力系統的運行經濟性，但隨著市場經濟體系的不斷完善和發展，傳統的計劃調度模式已經不適應電力系統的發展。為了適應在市場經濟模式下，整合電力系統的資源，電力市場成為目前世界各國研究的重要課題之一，由市場來調控電力系統的經濟運行已勢在必行。

(3)發電形式的多樣化。隨著科學技術的不斷進步，電力系統中的發電形式也呈現出多樣化的局面。傳統的發電形式是水力發電和火力發電。隨著核物理技術的發展，核能的民用技術不斷完善，利用核能的發電廠在世界各國得到了比較廣泛的應用。進入21世紀以，燃氣輪機發電技術、風力發電技術、太陽能發電技術、生物質能發電技術等無污染的高效清潔能源發電成為世界各國研究的重要內容。

(4)高度集成的電力系統綜合自動化系統。隨著計算機技術、通信技術、信息技術的發展，電力系統自動化從傳統的分散自動控制裝置發展為分層分布式的高度集成的綜合自

動化系統，將監視、測量、控制、保護以及管理功能集成在綜合自動化系統中。從基層的變電站、電廠的綜合自動化，到各個級別的調度自動化系統，電力系統基本實現了變電站無人職守，實現了從調度中心直接監視和控制電力系統的遙信”、“遙調”、“遙控”和“遙測”的“四遙”功能。

1.2.3現代電力系統的運行要求

根據電能不能大規模儲存以及電力系統運行的特殊性，對電力系統的運行要求可以概括為正常、安全、經濟和高質量四個方面的內容。

所謂正常，就是指電力系統的運行參數在允許的范圍之內。這就要求電力系統中發電機發出的功率和負荷消耗的功率相平衡，一旦功率不平衡，電力系統的運行參數就會發生變化。如果運行參數發生了改變后，仍然不能使功率平衡，電力系統就會失去穩定性，從而導致整個系統的瓦解和崩潰。電力系統的這一特征，要求電力系統必須處于正常運行狀態。

在正常運行的基礎上還要保證安全。所謂安全，就是電力系統的抗擾動能力，是指在合理的假想事故下，電力系統仍然處于正常狀態。這就要求電力系統在運行時必須考慮一定的安全裕度，保證電力系統在受到故障等擾動時，仍然保持正常運行。根據電力系統的安全穩定運行導則，電力系統必須滿足N-1原則，即系統即使有一條線路故障開斷后，系統仍然正常運行。

在保證電力系統正常安全運行的基礎上，還要保證電力系統運行的經濟性。為了保證經濟性，應在發電廠之間進行經濟調度，使得火電廠的燃料總耗量最低，還要進行合理的

潮流分配使得電力系統的網絡損耗達到最小。隨著電力市場的逐步推進，電力系統經濟運行的任務將為由電力市場來進行資源的合理配置。

最后，必須保證電能質量。電能質量是對供電可靠性以及電壓、頻率、波形和幅值的要求，包括諧波含量、電壓驟降、三相平衡度、電壓閃變等方面。隨著電子科學技術的發展，用戶對電能質量的要求也越來越高，對電能質量的需求也越來越多樣化。

1.2.4現代電力系統的運行狀態與控制

為了保證電力系統的正常、安全、經濟和高質量供電，在電力系統沒有故障發生，而只受到負荷波動等小的擾動的情況下，必須首先保證電力系統的指標滿足要求，即頻率恒定、電壓恒定、支路功率不過載。從另外一個角度，保證上述三個基本條件就是保證電力系統的功率平衡和運行參數在允許的范圍內。前者稱為等式約束條件，后者稱為不等式約束條件。滿足上述條件的電力系統是正常的。

為了保證電力系統的正常運行，我們必須對電力系統進行控制，控制的目標取決于電力系統的運行狀態。在正常的方式下，控制目標是使電壓和頻率盡可能地接近額定值，并兼顧電力系統運行經濟性。在非正常狀態發生時，控制目標就是使電力系統恢復到正常運狀態。

電力系統的運行狀態可以分為五種：安全的正常狀態(安全狀態)、不安全的正常狀態(警戒狀態)、異常狀態、緊急狀態和待恢復狀態。其中，安全的正常狀態和不安全的正常狀態都屬于正常運行狀態，緊急狀態和極端狀態屬于不正常運行狀態。

在安全的正常狀態下，除了所有的運行參數在額定范圍內以外，系統處于安全的運行方式下，能夠承受偶然的事故而不超出任何約束條件。如果系統的安全水平下降到某個適

當的界線，或者由于惡劣的外部因素導致故障擾動發生的可能性增加，此時故障并沒有發生，而且各個運行參數仍然滿足要求，系統就進入不安全的正常狀態，即警戒狀態。在這種狀態下，系統雖然正常，但很脆弱，一個小的偶然事故就會造成系統頻率、電壓以及支路功率等指標超過正常允許范圍，從而使系統進入異常狀態。如果在異常狀態下，采取的控制措施不當，或又發生了一個大的擾動，那么就會使系統進入緊急狀態。在正常狀態下，發生的擾動很嚴重，則會讓系統直接進入緊急狀態，如圖1-5所示。圖1-5電力系統運行狀態

當系統受到微小的擾動，例如支路的正常操作開斷，從安全的正常狀態運行至不安全的正常狀態時，需要對電力系統進行預防性控制，使之重新回到安全的正常狀態中。當電力系統受到較大的擾動，使之進入異常狀態時，此時電壓、頻率或支路功率等指標超出了正常運行的范圍，需要對電力系統施加校正控制，如甩負荷、切機、調整發電機出力等。如果電力系統受到很大的擾動，系統即將失去穩定且即將進入崩潰狀態(極端狀態)，則需要對電力系統施加穩定性控制，如電力系統解列等。

對電力系統采取什么類型的控制是根據擾動的程度決定的，除了對故障元件的切除，即繼電保護以外，要保證電力系統的安全穩定運行，對電力系統控制提出了三個層次的要求，即三道防線：一是電力系統受到微小擾動時，必須保證電力系統不失去負荷；二是當電力系統受到較大擾動時，允許失去部分負荷，盡可能地少失去負荷；三是當電力系統受到大的擾動時，保證電力系統