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1、CHAPTER 1 The Power System: an Overview 电力系统简介,OUTLINE 1.1 概述 1.2 电力工业结构 1.3 现代电力系统 1.4 系统保护 1.5 能源控制中心 1.6 计算机分析,1.1 Introduction 概述 电能因为传输效率高、成本合理而成为一种最为广泛使用的能源。1882年，汤姆斯-爱迪生在纽约市珍珠街电站建立了美国的第一个电力网络。该电站由直流发电机发电，以地下电缆配电，向曼哈顿地区供应照明直流电。同年，在阿普尔顿-威斯康星州安装了首台水轮发电机。接下来的几年，在爱迪生专利授权的情况下，成立了许多电力公司，生产照明电能。低压输电时
2、， 损耗巨大，爱迪生公司的电能仅能传输很短的距离。 随着提升输配电交流电压等级的变压器的发明（威廉-史坦利，1885年）以及取代直流发动机的感应电动机（尼卡拉-铁斯拉，1888年）的出现，交流系统的优点开始显现，使交流系统开始盛行。交流系统的另一个优点是由于在交流发电机中去掉了换向器，在较高的电压下易于产生较大的功率。 第一个单相交流系统建于美国俄勒冈市，由两台300马力的水轮发电机发电，并以4kV的电压等级向波特兰输电。1893年，美国南加利福尼亚爱迪生公司首次采用2.3kV等级的三相系统。接着全国范围内成立了许多电力公司。最初，私人公司运行在不同频率上，从25Hz到133Hz不等。然而，由
3、于交互式和并行运行的需求越来越明显，美国和加拿大逐渐采用了相同的标准频率60Hz。大部分欧洲国家则选用50Hz。随着输电电压等级的稳步提高，商业使用的超高压（EHV）采用765kV，并于1969年在美国首次投入运行。,对于长距离输电来说，将交流EHV转换成直流EHV也许更加经济，而且一般采用两条输电线输电，并在另一端逆变为交流。研究表明，当传输距离为500km甚至更长时，直流输电比较有利。因为直流线路没有电抗，能比相同导线尺寸的交流线路传送更大的功率。当距离较远的两个大型系统相连时，直流输电的优势更为明显。直流输电连接线就像两个刚性系统间的非同步连接，起到消除交流连接中固有的不稳定度问题。直流
4、输电的主要缺点是会产生谐波，在线路两端需要大量的无功补偿。在美国，首条400kV的直流输电线于1970年建成，为俄勒冈州和加利福尼亚州之间的太平洋联络电力线，全长为850英里。 整个美洲大陆相互连接形成一个网络叫做电网（power grid）。小部分的网络由联邦或市政府拥有，大多数则为私人拥有。系统被分为几个地理区域称为电力池（power pools）。在互联系统中，为尖峰负荷和热备用预留的发电机数目很少。此外，由于电能可以由一个区域迅速地传输到另一个区域，所以互联系统使发电和输电更加经济可靠。有时，公司购买邻近电厂的大量电能反而比自己的老发电厂发电要便宜很多。,1.2 Electric In
5、dustry Structure 电力工业结构 美国大部分电能的生产来自于集体投资人公用事业（IOU-investor-owned utilities），少数发电则为联邦政府拥有，如田纳西河谷管理局（TVA-Tennessee Valley Authority）和巴那威利电力管理局（BPA-Bonneville Power Administration）。目前由两个不同层次的管理部门管理着美国电力系统。其一为联邦能源管制委员会（FERC-Federal Energy Regulatory Commission），负责管制电能批发价格、服务项目和运行。另一个为安全与交易委员会（SEC-Secur
6、ities and Exchange Commission），管制电力的商业交易结构。 在美国和加拿大，电力传输系统相互连接形成一个大的电网，通称为北美互联电网。电网被分成数个电力池，每个电力池由数个参与运行、以费用低廉的方式来计划发电的邻近公用事业组成。北美电力可靠性委员会（NERC-American Electric Reliability），是一个私人管制机构，负责维持系统的标准和可靠性。NERC促使供电者与配电者协同合作，以确保系统可靠性。NERC与FERC以及其它组织（如爱迪生电力协会）共同努力协调。目前在电力上，NERC有四个区域：德州电力可靠性委员会（ERCOT-Reliabil
7、ity Council of Texas）、西部各州协调委员会（WSCC-Western States Coordination Council）、含洛杉矶以东各州（除了德州）及加拿大各省的东部互联（Eastern Interconnect）、及与东北部直流互联的魁北克水力（Hydro-Quebec）。这些在电力上分开的区域互相输入及输出电能，但电气上并不同步。,因为通讯、汽油和其他工业撤销了管制规定，所以美国的电力工业正在进行着基础性的转变。电能交易将很快转变成市场导向。这是过去十年美国电力工业发生的最主要变化，其主要以大型垂直性垄断为特征。输电开放性进入政策的实施导致了批发和零售市场的产生
8、。未来，电力工业很可能被分割为发电业、输电业及售电业。发电业可以代替配电业直接售电给用户，此举将消除目前配电业的垄断现象。配电业将出售配电服务，而非零售电能本身。电能分配的零售结构将类似于现在电信工业的结构。用户可以选择出售电能的发电企业。当撤销对整个电力工业管制规定后，最终用户即可在全国发电企业中进行选择。电力经纪人和电力市场营销人员将在这全新且富竞争的电力工业中扮演主要角色。现在，虽然有将电力出售给最终用户的权利，但是仅有有限的几个州参有试验计划。 为促使效率更高，需要更加努力地创造极富竞争力的电力市场环境。因此，电力工业面临着很多新问题，其中可靠性问题就是最应首先解决的问题之一，即为所有
9、的电力用户提供一个稳定无干扰的电力供应。电力工业的重组和调整以及最近在技术方面的努力，为电力系统研究带来了前所未有的挑战与机会，同样给年青一代的电力工程师开辟了新的领域。,1.3 Modern Power System 现代电力系统 现代电力系统是一个复杂的交互式网络，如图1.1所示。可分为四个部分： 发电 高压输电及次高压输电 配电 负荷 1.3.1 Generation 发电 发电机-三相交流发电机是电力系统的主要元件之一，即通常所说的同步发电机或交流发电机。同步电机有两个同步旋转磁场：其中一个是以同步转速驱动，直流电流励磁的转子产生的磁场；另一个则是三相电枢电流在定子绕组中产生的磁场。转
10、子绕组的直流电流由励磁系统提供。在较老旧的机组中，励磁机为同轴安装的直流发电机，并通过集电环提供励磁。现在的系统则使用附有旋转整流器的交流发电机，即所谓的无刷励磁系统。发电机励磁系统用以维持发电机机端电压及调节无功潮流。由于去掉了换向器，交流发电机可在较高的电压下（通常为30kV）发出更大的功率。在发电厂，发电机的容量从50MW到1500MW不等。,机械功率来源于原动机，可能为利用瀑布的水轮机，燃烧煤、汽油及核燃料以取得能量的蒸汽轮机，燃气涡轮机或偶尔烧油的内燃机。表1.1给出了1998年美国的估计装机容量。 蒸汽涡轮机转速相对较高，一般为3600转/分钟或1800转/分钟（rpm）。隐极式发
11、电机，两极时以3600转/分钟的转速运行，四极时以1800转/分钟的转速运行。水轮机压力低，运转速度慢，水轮发电机通常为凸极式多极发电机。在发电站几台发电机并行运行于电网中，并提供总的功率需求，其所连接的公共节点，称为母线（bus）。 现在总的装机容量大约为760,000MW。假定美国有27千万的人口，则 为了说明这个数据含义，考虑人均用电量大约为50W，因此2815W的电能等效于 美国，年消耗电能约为 。公司投入的资产约为2000亿美元，雇用了近50万人。 在提倡环保和节能的环境下，人们考虑利用可再生能源来发电，如太阳及地球的能源。一些可再生能源现在某种程度上已经得到了使用，如太阳能，地热能
12、，风能，潮汐能以及生物能。未来有望利用核聚变发出大量电能。如果核聚变能被经济地控制，将能从丰富的燃料（也就是水）中获得清洁能源。,变压器-电力系统的另一个主要元件是变压器。它能高效率的把电能从一个电压等级转换到另一个电压等级。除了变压器损耗，传递到二次侧的能量几乎和一次侧相同，即二次侧的乘积几乎和一次侧的乘积相等。因此，用变比为a的升压变压器，可将二次侧电流降为原来的1/a。此举可减少线路损耗，并使长距离输电成为可能。 由于绝缘需求及其它实际的设计问题，限制了发出机电压的电压等级，通常为30kV，因此，在传输电能时要用升压变压器，在传输线末端再利用降压变压器将电压降至适于配电或直接使用的电压等
13、级。在现代公用系统中，电能从发电机到最终用户可能会经过四到五次的转换。,1.3.2 Transmission and Subtransmission 高压输电及次高压输电 架空输电网络的目的，在于将不同地点的发电机发出的电能，传送到配电系统并最终传递给负荷。输电线使邻近区域相互联结，这样不仅允许在正常运行时进行区域间电能的经济调度，而且能在紧急情况下进行区域间的电能传输。 美国的标准输电电压是由美国国家标准学会（ANSI）确定的。输电电压超过60kv的标准电压等级为69kV、15kV、138kV、161kV、230kV、345kV、500kV、765kV（线电压）。超过230 kV的输电电压通
14、常被称为超高压（EHV）。 输电和配电系统的原理图如图1.1所示。高压输电线连接到变电所，即所谓的高压变电所，降压变电所或升压变电所。有些变电所的作用就是开断电路之用，被称为是开关站。在降压变电所，电压被降到适合于传送至负载的电压等级。很多工业用户直接由输电系统提供电源。 通过降压变压器连接高压变电所和配电变电所的输电系统部分被称为次高压网络。这里没有明确划分高压输电和次高压输电的电压等级。典型的次高压输电电压等级为69kV至138kV。一些大的工业用户也可能由次高压输电系统供电。为了维持输电电压水平，通常在变电所安装电容器组和电抗器组。,图1.1电力系统的基本元件,1.3.3 Distrib
15、ution 配电 配电系统连接着配电变电所和用户设备引入线。电压等级为4kV到34.5kV的配电线路通常是向指定区域内的负荷供电。一些小的工业用户则直接由一级馈线供电。 二级配电网络降低电压供电给商业和居民用户。再通过长度不超过几百英尺线路或电缆将电能传送到每个用户。二级配电系统给大多数单相三线240/120V用户，三相四线208Y/120V用户或三相四线480Y/277V用户供电。典型的家庭用电来自于用一组三线路把一级馈线电压降到240/120V。 配电系统包括架空式和地埋式两种。地埋式配电增长速度相当快，已有多达70%的新居民建筑采用了地埋式线路供电。,1.3.4 Loads 负荷 电力系
16、统的负荷分为工业负荷，商业负荷和民用负荷。大型工业企业需要由较高电压等级的输电网络供电，小型的工业企业需要从配电网络的始端供电，小的工业负荷由一级配电网络供电。工业负荷是复合式负荷，感应电机在这些负荷中占很大比例。这些复合式负荷是电压和频率的函数，构成了系统负荷的主要部分。商业和民用负荷由大量的照明，加热和制冷设备组成。这些负荷与频率无关，它们消耗的无功功率很少，可以忽略不计。 负荷消耗的有功功率用千瓦或兆瓦来表示。负荷的大小无时无刻不在变化，而电能必须满足用户的要求。 电厂的日负荷曲线是根据各级用户的综合性要求制定的。将24小时期间负荷的最大值称作峰值负荷或最大需求。小型的峰值发电机可用来承担仅出现几个小时的峰值负荷。为了估计发电厂的有效性，定义了负荷系数。负荷系数是指给定时间内的平均负荷与这段时间内的峰值负荷的比值。可以给出日负荷系数、月负荷系数或年负荷系数。年负荷系数最有用，因为一年代表一个完整的时间周期。,日负荷系数是： 把式（1.1）的分子和分母都乘以24hr，我们得到： 年负荷系数是： 一般，不同级别负荷的峰值负荷不同，从
