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1、电力系统工程0701级 何雄峰武汉大学珞珈学院 电气工程与自动化 2007年9月12日 第1章 现代电力系统1.1 现代电力系统的特点1.1.1 能源能源的组成如下。1.1.2 电能的效率电能是由一次能源转换而成的，电能以其方便性、传输的快速性、无污染性使之成为无可替代的二次能源。用电能代替其他能源，可以提高能源利用率。例如，用电动机代替柴油机可节能50%；用电气机车代替蒸汽机车，效率可从8%上升到30%。美国一研究小组对20个部门的350种产品进行了统计分析，结果如下。(1) 用电比重每升高2%，单位产值的能源消费可降低18%。(2) 用电率电能占一次能源供给的比率：对84个国家的统计1.1
2、.3 电能生命周期的特异性就一般商品而言，大都在经历了如图1.1所示的引入期、成长期、成熟期和衰退期4个阶段后自行消亡，被其他的功能更多、性能更先进的新产品所替代。然而，电力却是与众不同的商品。从1885年俄国人多里沃多勃列沃列斯基在法兰克福举行的国际电工技术展览会上展出三相交流输电系统以来，电力工业经历着一代又一代的技术革命而不断焕发着青春，其生命周期似乎是无限扩展，永无止境，如图1.2所示。可以设想一下，有什么商品能够取代电力，像电力这样如此便于能量转换、输送快捷、使用方便呢？答案是没有！电力商品的这种特异性决定着人们只能不断地去进行电力技术的革命和电力管理体制的改革，以适应它的生命周期的
3、无限扩展性。 图1.1 一般产品的生命周期 图1.2 电能生命周期的特异性1.1.4 现代电力系统发展的特点1大电网大电网的优越性可概括为：利于稳定周波，利于事故支援，能够减少负荷备用，具体如下。l 有利于开发边远地区的水煤资源。l 有利于降低发电成本(可安装大机组)。l 有利于错开地区时差，实现经济调度，减少负荷备用。l 有利于改善电能的质量。例如，钢厂150200MW的冲击负荷会导致产生高次谐波，电气化铁路(两相运行)会导致产生负序电流。而电网规模越大，其容纳高次谐波和负序电流的能力就越强。2大机组可节能降耗，降低单位建设成本。3超高压(1)可提高线路输送功率随着电网规模的扩大，电力线路的
4、延长，大容量输电需要超高压。即 (1-1)式中：P线路输送的有功功率(MW)；线路额定电压(kV)；X线路电抗()；送、受电端的电压相角差。330kV750kV超高压输电线路的输送容量以大致接近于自然功率为宜。即 (1-2)式中：P线路输送的有功功率(MW)。线路输送的自然功率(MW)。所谓自然功率，是指线路阻抗为波阻抗，即“无损耗”传输时，线路所输送的有功功率。线路额定电压(kV)。线路波阻抗。对于长线路或分布参数的线路，由于，可假设线路上没有有功功率损耗。而对于这种“无损耗”线路，其特性阻抗呈纯电抗性，谓之波阻抗。= (1-3)当线路输送的有功负荷为时，由于线路的无功损耗正好等于其充电功率
5、，因此完全补偿，从而使全线路各点电压及电流大小一致，线路任一点功率因数都一样，实现无损耗传输。从式(1-1)可看出，要提高线路输送容量，可采用分裂导线降低波阻抗。电力线路的波阻抗变动幅值不大，单导线架空线路约为385415；两分裂导线约为285305；三分裂导线约为275285；四分裂导线约为255265；电缆线路则小得多，仅为3050。如果220kV线路采用单导线，波阻抗为400，则为120MW；500kV线路若采用四分裂导线，波阻抗为260，则为1 000MW。在实际运行中，输送功率P决定于线路长短、无功损耗及导线发热条件，可通过电容器或电抗器补偿作适当调整。我国：短线路 P = (35)
6、长线路 P = (11.2) 德国：L(线路长度)= 500km，P =L = 300km，P =1.5L = 150km，P =2.0L150km，P =4.0美国：354kV线路的经济输送功率为600MW500kV线路的经济输送功率为950MW765kV线路的经济输送功率为1 9003 000MW从式(1-1)可看出，要提高线路输送容量，需提高输电电压。表1.1所示为以110kV线路为基础的电压升高与输送功率的倍比关系。表1.1 我国的电力线路输送功率与电压等级的近似计算关系(电压)110kV220kV330kV500kV(功率)30MW3022=120MW3032=270MW3052=7
7、50MW(2)节约输电线路走廊例如美国765kV的输电走廊宽60m，可输送3 000MW功率，而345kV的输电走廊宽45m，只能输送600MW功率。1条765kV输电线路的输电容量相当于5条345kV输电线路的输电容量。输送相同容量时，前者的走廊占用宽度只有后者的26.7%。4高度自动化集测量、控制、信号、保护于一体，向小型化、集中化、自适应和自调节方向发展。1.1.5 现行电压等级我国现行的电压等级如表1.2所示。表1.2 我国现行电压等级单位：kV低 压高 压超 高 压0.41 6 10 35 60 110 220330 500 750 1 000(筹建中)其他部分国家的电压等级如表1.
8、3所示。表1.3 部分国家现行电压等级单位：kV国 名电 压 等 级美国500/230/115 765/345/133俄罗斯500/220/110 1 150/750/330/110日本500/275/154法国380/225/90150中国500/220/110(60) (750)/330/1101.2 对现代电力系统运行的基本要求1.2.1 电能的商品特性电能作为商品，既有它的一般商品属性，又有它的特殊性和公用性。作为一般商品属性，电能在市场交易中，必然与其他商品一样，要服从价值规律，按照等价交换的原则，公平、公正地进行。电能与一般商品的不同之处在于：首先，电力行业是公用性服务行业，中断供
9、电或电力供给不足会给国民经济和广大用户造成巨大损失。因此，实行电力市场化，必须以安全、可靠供电为前提，除保持电力供需平衡外，还必须留有足够的发电备用容量。其次，电力的产、供、销同时进行，瞬间完成(电能从一处输送至另一处所需的时间以s计)，这就需要信息反馈迅速，市场预测准确，电网调度统一。再者，电力是看不见、摸不着的商品，不能像其他有形商品一样，买主可以一边观察商品，一边向卖主讨价还价，现买现卖，这就要求电力的交易具有提前性，要求电力市场的情报公开，透明度高，对所有的买者和卖者真正做到公平、公正和公开。电能作为商品，它的市场供给除受电价、发电成本(含燃料费、水费、材料费、人工工资、基本折旧、修理
10、费、管理费等)影响外，还受输电服务费、投资利润T等影响，用表示电力供给，其函数关系可表示为： (1-4)电力的需求是电价、国民收入、季节气候、物价指数等的函数，用公式表示为： (1-5)世界各国的历史统计资料表明，国民收入(或国民生产总值)和电力消费之间有一定的相关关系，通常是电力消费的增长速度快于国民收入的增长速度，这种规律称为电力工业超前发展的规律。在若干年的时期内，电力消费平均年增长率与国民收入平均年增长率之比，称为电力弹性系数，用公式表示为： (1-6)式中： 电力弹性系数； 用电量年均增长率； 国民收入或国民生产总值年均增长率； 、 计算期末、期初用电量，单位为kWh； 、 计算期末
11、、期初国民收入。电能在短期内的需求价格缺乏弹性，但在长期内的需求价格是富有弹性的。在电力市场中的实时交易阶段，为调整负荷的供需平衡，可人为地将需求价格弹性地进行调整。1.2.2 对现代电力系统运行的基本要求根据电能生产、输送、消费的同时性，交易的提前性以及不能大量储存的特殊性和电网不可分割、交易调度的统一性等特点，现代电力系统的运行必须达到如下3点要求。1可靠持续的供电持续、安全、可靠地供电是国民经济稳定、快速发展与人民生活安全、幸福的保障。由于电力系统的事故难以绝对避免，电力负荷的瞬变性随时存在，要长期保证所有电力用户绝对可靠供电是相当困难的。为此，可按供电可靠性的要求将电力负荷进行分级管理
12、和调度。在我国，通常按民用建筑电力负荷与工业电力负荷而分为一级、二级和三级负荷。(1)民用建筑物电力负荷分级一级负荷：因中断供电能造成重大政治影响的建筑物和因中断供电能造成人员伤亡的建筑物，如人民大会堂、大型体育馆、重要宾馆、医院的手术室。二级负荷：因中断供电能造成经济上较大的损失的建筑物和因中断供电能造成秩序混乱的重要公共建筑物，如某些实验室、大型影剧院、大型商场。三级负荷：停电造成的影响和损失不大的一般建筑物。民用建筑中常用用电设备及部位的负荷分级见表1.4。表1.4 常用民用用电设备的负荷级别序号建筑类别建筑物名称用电设备及部位名称负荷级别1住宅建筑高层普通住宅客梯电力，楼梯照明二级2宿
13、舍建筑高层宿舍客梯电力，主要通道照明二级3旅馆建筑一、二级旅游宾馆经营管理用电子计算机及其外部设备电源，宴会厅电声、新闻摄影、录像电源，宴会厅、餐厅、娱乐厅、高级客房、厨房、主要通道照明，部分客梯电力，厨房部分电力一级其余客梯电力，一般客房照明二级高层普通建筑客梯电力，主要通道照明二级4办公建筑省、市、自治区及部级办公楼客梯主力，主要办公室、会议室、总值班室、档案室及主要通道照明一级银行主要业务用电子计算机及其外部设备电源，防盗信号电源一级客梯主力二级5教学建筑高等学校教学楼客梯主力，主要通道照明二级高等学校的主要实验室一级6科教建筑科研院所的重要实验室一级市(地区)级及以上气象台主要业务用电
14、子计算机及其外部设备电源，气象雷达、电报及传真收发设备、卫星云图接收机、语言广播电源，天气绘图及预报照明一级客梯电力二级计算中心主要业务用电子计算机及其外部设备电源一级客梯电力二级7文娱建筑大型剧院舞台、贵宾室、演员化妆室照明，电声、广播及电视转播、新闻摄影电源一级8博览建筑省、市、自治区级及以上博物馆、博览馆珍贵展品展室的照明，防盗信号电源一级商品展览用电二级9体育建筑省、市、自治区级及以上体育馆、体育场比赛厅(场)、主席台、贵宾室、接待室、广场照明，计时计分、电声、广播及电视传播、新闻摄影电源一级10医疗建筑县(区)级及以上医院手术室、分娩室、婴儿室、急诊室、监护病房、高压氧仓、病理切片分析、区域性中心血库的电力及照明一级
