电网络分析理论：第一章网络理论基础1）精简版

电网络电网络理论理论（电网络分析理论）（电网络分析理论）电网络理论是建立在电网络理论是建立在电路模型电路模型基础基础上的工程学科。既是上的工程学科。既是电力电力类类各专业各专业硕士硕士研究研究生生的的一门一门专专业基础课业基础课，也是，也是理论电工理论电工专业专业的一个的一个重要研究方向重要研究方向。1.1.电路电路、网络网络与与系统系统由电路由电路元件元件(发、变、输、配（控）发、变、输、配（控）、用、用)与与导线导线构成的构成的电流电流的的通路通路(广广义性义性)。简单的如手电筒；复杂的。简单的如手电筒；复杂的如如大规模集成电路大规模集成电路、东北、华北、东北、华北、华东、华中电网等。华东、华中电网等。电路（电路（circuit）网络（网络（network）是指）是指电路电路或或电电路的一部分路的一部分；作为；作为一个整体看待一个整体看待的、由相互连接的电路元件的、由相互连接的电路元件所构所构成的成的集集；可用；可用支路和结点支路和结点表示的，表示的，由由节点和连线节点和连线构成的构成的图图。网络（网络（network）网络是网络是从某种相同类型的实际问从某种相同类型的实际问题中抽象出来的模型题中抽象出来的模型，习惯上就，习惯上就称其为某某类型网络，如称其为某某类型网络，如电力网电力网络络、开关网络、运输网络、通信、开关网络、运输网络、通信网络等。网络等。“三网三网”：电信电信网络、网络、有线有线电视电视网络、网络、计算机计算机网络。网络。网络（续）网络（续）主要指对信号进行主要指对信号进行加工处理加工处理的某的某个个具体结构具体结构，如滤波器，积分器，如滤波器，积分器等，实际就是一个等，实际就是一个具有具有某种特定某种特定功能功能的电路（复杂的如计算机网的电路（复杂的如计算机网络，络，网络电路网络电路可可通用通用）。网络（续）网络（续）网络是指把若干元件网络是指把若干元件有目的地有目的地，按按一定的形式联接一定的形式联接起来，完成起来，完成特特定任务定任务的总体。的总体。一群有一群有相互关联的个体组成的集合相互关联的个体组成的集合称为称为系统系统。系统是由。系统是由若干要素（部若干要素（部分）组成分）组成的；系统的；系统有一定的结构有一定的结构；系统系统有一定的功能有一定的功能。可以分为。可以分为自然自然系统、系统、人工人工系统、系统、复合复合系统。例如系统。例如交通系统、交通系统、电力系统电力系统、计算机系统、计算机系统等都是人工系统。等都是人工系统。系统（系统（system）电力系统电力系统 electric power system，power system 由由发电、变电、输电、配电发电、变电、输电、配电和和用用电电等环节组成的电能等环节组成的电能生产、传输、生产、传输、分配分配和和消费消费的的系统系统。它把自然界。它把自然界的的一次能源一次能源通过发电动力装置通过发电动力装置转转化成电能，化成电能，再经再经输电、变电输电、变电和和配配电电将电能供应到各用户。将电能供应到各用户。由若干由若干互有关联的单元互有关联的单元（元件，器（元件，器件）组成的，用来件）组成的，用来表达（实现）表达（实现）某某些特定目的（功能）的些特定目的（功能）的整体整体。如。如通通信系统信系统，电力系统电力系统，计算机，计算机网络系网络系统统等。最简单的等。最简单的RCRC电路也可以构成电路也可以构成一个一个初级初级的的信号处理系统信号处理系统（有积分（有积分和微分的运算功能）。和微分的运算功能）。系统（续）系统（续）随着大规模集成技术的发展，随着大规模集成技术的发展，三者之间三者之间的的界限越来越模糊界限越来越模糊，它，它们的们的差别差别主要在主要在处理问题处理问题的的角度角度不同（不同（看待问题看待问题的的观点不同观点不同）。l电路的观点：确定电路中各支路或电路的观点：确定电路中各支路或网络的网络的电流电流，电压电压；分析和综合。；分析和综合。l网络的观点：确定一定结构和参网络的观点：确定一定结构和参数的网络数的网络具有的特性具有的特性；l系统的观点：着重在系统的观点：着重在输入、输出输入、输出的的关系关系（整体功能！整体功能！）。一般系统关）。一般系统关心的是心的是“全局问题全局问题”，网络关注，网络关注“局部问题局部问题”，但没有，但没有严格的界限严格的界限。国际上顶级专业国际上顶级专业学刊学刊称为称为CAS,IEEE ransactions on CAS（Circuit and system)华北电力大学附近华北电力大学附近北清路北清路两侧的输电线路两侧的输电线路北京北清路附近北京北清路附近北京马齿口附近北京马齿口附近北京海淀驾校后山北京海淀驾校后山6分裂分裂导线导线500kV平武线长江长江大军山大军山跨越，跨越，建于建于1981年，塔高塔高108m，跨江跨江距距1166m，导线标号，导线标号LHGJT-440，跨江采用三分裂三分裂方式，方式，架空地线标号为架空地线标号为LHGJT-150，最大风舞振幅最大风舞振幅可达可达13m，频率，频率0.13Hz。2 2古典古典网络理论与网络理论与现代现代网络理论网络理论l古典古典网络理论（网络理论（2020世纪世纪3030年代）年代）(2)(2)电路元件：电路元件：线性时不变线性时不变，两端，两端（一端口）元件（一端口）元件R R，C C，L L，M M。(1)(1)围绕围绕强电强电系统（电力系统）及简系统（电力系统）及简单控制系统（单输入，单输出）单控制系统（单输入，单输出）发展起来的，解决电能的发展起来的，解决电能的生产，生产，传输，分配，使用及控制。传输，分配，使用及控制。(3)激励：独立电源，直流或正弦交流激励：独立电源，直流或正弦交流(4)线性时不变线性时不变连续时间系统连续时间系统(5)数学方法：稳态分析：数学方法：稳态分析：线性代数线性代数方程组方程组；瞬态分析：线性微分方；瞬态分析：线性微分方程组；变换域：程组；变换域：相量相量变换，拉氏变换，拉氏变换等变换等l现代网络理论（现代网络理论（2020世纪世纪60607070年代）年代）(1)(1)围绕围绕弱电系统弱电系统（如（如通通讯系统，讯系统，复复杂杂控控制系统，制系统，计计算机系统）解决算机系统）解决电信电信号传输，转换，处理，控制号传输，转换，处理，控制等。等。(2)(2)元件：元件：非线非线性，性，时变时变元件，元件，多口多口元元件：件：受控源受控源（非独立（非独立源源）(3)(3)激励：各种激励：各种不规则信号源不规则信号源(4)(4)非线性非线性或或时变系统时变系统，发展了离散系统，发展了离散系统（数字通信，计算机）（数字通信，计算机）多多输输入入，多输多输出出系统系统(5)(5)数学方法：稳态分析：数学方法：稳态分析：矩阵矩阵方法，方法，网网络图论络图论；瞬态方法：发展了；瞬态方法：发展了卷卷积法，积法，状态方程状态方程，差分差分方程；方程；变换变换域：发展域：发展了拉氏变换，了拉氏变换，离散富氏离散富氏变换；计算机变换；计算机方法（稳，瞬变）：方法（稳，瞬变）：CAD，ATLAB，LABVIEW 等。等。现代现代网络理论不能完全代网络理论不能完全代替替古典古典(例如例如波特图波特图、网、网络函数的络函数的零极点图零极点图等）。等）。二者为二者为继承发展继承发展关系。关系。800 kV特高压特高压直流和1000 kV特高特高压压交流输电工程。随着随着四川复龙至上海南汇四川复龙至上海南汇 800 kV特高压直特高压直流示范工程、流示范工程、晋东南晋东南 南阳南阳 荆门荆门1000 kV特特高压交流试验示范工程相继由国家发展改革高压交流试验示范工程相继由国家发展改革委员会委员会核准建设核准建设，我国的，我国的特高压交、直流输特高压交、直流输电技术研究及其基础实验设施亟待完善电技术研究及其基础实验设施亟待完善（2007.11）。国家电网公司特高压交流试验）。国家电网公司特高压交流试验基地和直流试验基地的建设和逐步投付使用，基地和直流试验基地的建设和逐步投付使用，将使将使我国具备可靠的试验和测试平台，我国具备可靠的试验和测试平台，同时同时可以为我国特高压交、直流输电技术在工程可以为我国特高压交、直流输电技术在工程设计和建设方面设计和建设方面起到重大的支撑作用起到重大的支撑作用。我国特高压输电技术研究始于我国特高压输电技术研究始于1986年年，在过，在过去的去的20多年里，我国的科研机构在特高压交、多年里，我国的科研机构在特高压交、直流输电领域相继开展了直流输电领域相继开展了“远距离输电方式远距离输电方式和电压等级论证和电压等级论证”、“特高压输电前期论证特高压输电前期论证”和和“采用交流百万伏特高压输电的可行性采用交流百万伏特高压输电的可行性”等研究，在特高压输电系统等研究，在特高压输电系统过电压过电压水平水平、绝缘配合绝缘配合、输电线路对、输电线路对环境影响环境影响以及设备、以及设备、线路、铁塔、典型变电站线路、铁塔、典型变电站(换流站换流站)的选择与的选择与论证方面，取得了初步成果。论证方面，取得了初步成果。我国我国特高压特高压输电技术实验基地输电技术实验基地图图1 1 直流直流 试验基地（北京中关村科技园区昌平试验基地（北京中关村科技园区昌平园东区）园东区）直流试验基地 图3 3 特高压直流试验基地户外场图图2 2 交流交流1000kV1000kV试验基地（武汉试验基地（武汉500kV500kV凤凰山变电站西侧）凤凰山变电站西侧）目前我国在特高压输电工程中的目前我国在特高压输电工程中的过过电压与绝缘配合、外绝缘特性、电电压与绝缘配合、外绝缘特性、电磁环境磁环境以及以及特高压设备的长期带电特高压设备的长期带电考核、检验考核、检验与与运行检测运行检测技术研究等技术研究等方面方面已取得一定进展已取得一定进展，所得的部分，所得的部分试验和数据分析结果可直接用于我试验和数据分析结果可直接用于我国国特高压交、直流输电特高压交、直流输电工程建设。工程建设。12.5期间三纵三横输电项目，直流期间三纵三横输电项目，直流1100kV示范试验工程示范试验工程已经开工！已经开工！皖电东送皖电东送淮南至上海青浦淮南至上海青浦特高压交流输特高压交流输电示范工程于电示范工程于2011年年9月月27日日获得核准并获得核准并正式开工。为同塔并架正式开工。为同塔并架双回线双回线，全长，全长656km共共1421铁塔铁塔，计划，计划2013年底完成年底完成。其中其中世界上最高特高压跨越塔世界上最高特高压跨越塔（跨长江）（跨长江）高高277.5m(一个横担重一个横担重20T)预计于预计于2012年年10月月28日封顶日封顶，智能智能电网（电网（Smart grid）2009.3智能电网智能电网随着奥巴马能源新政策开随着奥巴马能源新政策开始进入公众视野。所谓始进入公众视野。所谓智能电网就是把智能电网就是把最最新的新的信息化、通讯、计算机控制技术和原信息化、通讯、计算机控制技术和原有的输、配电基础设施高度结合，形成一有的输、配电基础设施高度结合，形成一个新型电网，实现电力系统的智能化个新型电网，实现电力系统的智能化。智。智能电网可以能电网可以提高能源效率提高能源效率、减少对环境减少对环境的的影响影响、提高提高供电的供电的安全性安全性和和可靠性可靠性、减少减少输电网的电能输电网的电能损耗损耗。智能智能电网（电网（Smart grid）复杂的电力系统要求电网向智能化方向发展复杂的电力系统要求电网向智能化方向发展。从发电、输电到配电和用电是个环环相扣的系从发电、输电到配电和用电是个环环相扣的系统（发、变、输、配、用、调），因此对各个统（发、变、输、配、用、调），因此对各个环节环境压力的不断增大，电力市场化进程的环节环境压力的不断增大，电力市场化进程的不断深入，以及用户对不断深入，以及用户对电能可靠性和质量要求电能可靠性和质量要求的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战和机遇和机遇，建设更加，建设更加安全