第四章 电力系统的正常运行与控制 正常运行状态下，负荷会随时变化，为保证系统安全可靠运行并满足用户对电能质量的要求，必须采取控制手段对系统进行调节电压频率控制无功功率平衡有功功率平衡安全、经济、可靠 4.2 电力系统的有功功率平衡和频率调整频率是衡量电能质量的重要指标， 允许误差±(0.2-0.5)Hz.我国频率(额定)为50Hz，合格频率为50±(0.2-0.5)Hz.(1) 异步电动机转速 转/分 f↑ n↑; f↓n↓影响产品质量(纺织) 、电子产品的准确性；(2) 电厂本身f↓，汽机叶片振动，缩短寿命，发电机出力减少；(3)电网运行f↓，异步电机、变压器励磁电流增加，无功损耗增加频率调整的必要性：频率调整的必要性：频率对用户和电力系统本身有影响 有功功率负荷的变化及调整有功功率负荷的变化及调整 要使频率维持额定，则必须使发电机的转速保持额定，而且其输入和输出功率相等功率不平衡，转速就要变化。
由于电能不能大量存储，而负荷又是随时间不断地变化的，发电机输出功率随负荷变化而变化，因而发电机原动机输入的功率也应不断地变化，以维持功率平衡又由于电磁功率的变化是极快的，原动机功率的变化相对迟缓，因而不平衡是绝对的，频率的变化是必然的 问题是我们应设法使这种变化在一定的范围内，使频率的偏差越小越好分析负荷的变化性质，进行负荷追踪！ 第一种 第二种 第三种 负荷的变化主要由单位的性质，作息时间，人们的生活规律，气象变化等决定 1. 系统负荷的有功功率－频率静态特性 有功负荷随频率的变化特性称为负荷的频率特性，稳态下称静态频率特性综合负荷与频率的关系：PDN：频率为额定值时的总有功负荷 ； PD：频率为f时的总有功负荷； ai ：为与频率成i次方的 各有功负荷所占的份额 一、电力系统频率特性 用曲线表示用标么值表示(基准fN，PDN ) 由上式可见: f↑，PD↑；f↓， PD↓ 在额定频率附近，近似用直线表示I.KD*的值与负荷的性质及其所占的比重有关，不同系统或同一系统不同时刻不同， KD*一般为1~3，含义是频率变化1%时，负荷有功相应变化（1~3）%；II.KD*是调度部门按频率减负载方案和低频率事故时减载恢复频率的计算依据；III.KD*无法整定，通常由试验或计算求得。
KD和KD*称为负荷频率调节效应系数 2. 发电机组的有功功率－频率静态特性发电机的频率与转速的关系： 频率由发电机的转速决定的，当系统的有功功率变化时，系统的频率就跟着变化，原动机的调速系统测出这种变化后将自动改变原动机的进汽(水)量，从而改变发电机的出力，达到新的稳态运行点 1) 发电机的调速系统 (离心式机械液压调速系统)Ⅰ 转速测量元件：离心飞摆；Ⅱ 放大元件：错油门；Ⅲ 执行机构：油动机（接力器）；Ⅳ 转速控制机构：同步器（调频器） 工作原理： 当发电机转速下降时，离心飞摆转速变慢，弹簧拉紧，B点下降到B'点(A点不动)，O下降到 O'，E点下降到E'点，带动F点下降到F'点，两个活塞下移，油路打通，油动机活塞上移，进汽(水)阀门开大，发电机转速增加，A点到点A' ，O'点到O点，由于A点到了A'点，故点B'不能回到B点，而是到点B'' ，这个位置相应的转速略低于原来的值 这就是频率的一次调整，为有差调节，频率不能回到原来的值 为使转速仍能维持原来转速，在外界信号的作用下，同步器动作，令D点上移，这时由于E点不动，使得F点下降，错油门打开，油动机动作，再次抬高活塞，开大进汽门，可使转速回到初始值。
这就是频率的二次调整 2） 发电机组的有功功率－频率静态特性 由以上分析可见，PD↑， PG↑，f↓低于初始值，反之 PD↓，PG↓，f↑高于初始值 发电机输出功率和频率关系的曲线称为发电机组的功－频静特性在额定频率附近可近似为一条直线OPGPG2PG1ff1f212 静态调差系数也叫调差率，表明机组负荷改变时，相应的转速(频率)偏移 调差系数的倒数是机组的单位调节功率，表示频率发生单位变化时，发电机组输出功率的变化量 若取点2为额定运行点，即 ， ；点1为空载运行点 ， ，则有静态调差系数单位调节功率 与负荷的频率调节效应KD*不同，发电机的调查系数δ*或对应的单位调节功率KG*是可以整定的调差系数越小（即单位调节功率越大），频率便宜越小但是因受机组调速机构的限制，KG*的调整范围是有限的一般 汽轮发电机组：KG*＝25～， δ*＝～； 水轮发电机组：KG*＝50～25， δ*＝～； 3. 电力系统的有功功率－频率静态特性 现把负荷和发电机的频率调整效应统一起来考虑(一台机组) 原始运行点，即平衡点是负荷的功频特性曲线PD(f)与发电机的PG(f)的交点A，对应的频率为 f1 ，发电机输出功率为 P1。
假定系统的负荷增加ΔPD0 ，其特性曲线变为P'D(f) ，发电机仍是原来特性，则新的平衡点为B，与此相应的频率为f2，发电机出力变为 P2 调整过程：负荷增加 ΔPD0，发电机组将减速，系统频率将下降，发电机出力因调速器动作而增大，负荷的有功将因本身的调节效应而减少，发电机有功沿发电机的特性曲线AB变化，负荷沿负荷曲线BC下降，最后到两者的交点B点平衡 频率变化量发电机的功率输出增量负荷功率变化 当频率下降时， 是负的，故负荷功率的实际增量定义K为系统的有功功率-频率静特性系数(单位调节功率 ) 表示在计及发电机组和负荷的调节效应时，引起频率单位变化的负荷变化量 式中 为备用系数，一般 把KG，KD 用标么值代替，有： 两端除以 ，有：可得标么值公式 如果发电机已经满载运行，负荷再增加时，由于发电机有功出力已达最大，不能再增加，那么负荷的增量只能全部由负荷本身的调节效应来解决，即K*= KD* ，由于KD* 很小，因而频率下降的很厉害。
推出：系统中有功电源的出力不但要能满足额定功率下系统对有功功率的要求，而且需要满足负荷增长时调频的需要，因此系统电源需要具有足够的备用容量 二、电力系统的频率调整1. 频率的一次调整 n台机组并联运行时，可根据各机组的调差系数和单位调节功率算出总的等值调差系数δ(δ*)或单位调节功率KG(KG*)当频率变化△f 时，第i台机组输出功率增量n台机组的功率总增量 所以n台机组的等值单位调节功率为若把n台机组用一台等值机来代表其倒数为等值调差系数 必须注意：在计算KG或 δ时，如第j台机组已满载运行，当负荷增加时应取KGj＝0或δj＝∞ 频率的一次调整的作用是有限的，它只能适应变化幅度小，变化周期较短的变化负荷这是由于 KG不能过大（即δ不能过小）所以对于较大的负荷变化，频率的一次调整不能保证频率的偏差在允许范围内各台机组所承担的功率增量则为 ＝> KG越大的机组增加有功出力（相对于本身的额定值）就越多 2. 频率的二次调整 频率的二次调整它是通过发电机组的转速控制机构（同步器）来进行的1)同步器的工作原理如前所述同步器动作时，D点上移，E点不动，F点下降，活塞上移，增大进气量，因而使原动机输出功率增加，机组转速随之上升。
适当控制D点的移动，可使转速恢复到初始值 同步器的动作使得原来的功率静特性2平行右移为1反之，如果机组负荷降低使转速升高则可通过伺服电动机使D点下移来降低机组转速调整的结果使原来的功频静特性2平行左移为特性3 l由手动控制同步器的称为人工调频；l由自动调频装置控制的称为自动调频 当机组负荷变动引起频率变化时，利用同步器平行移动机组功频静特性来调节系统频率和分配机组间的有功功率，就是频率的二次调整 2）频率的二次调整过程A点为初始运行点，当负荷增量为 △PD0时，没有二次调频则新的运行点为B，频率为f2若进行二次调频，发电机组的功率静特性变为P ‘G(f) ，运行点就变为B’点，新的频率为f ‘2，它比 f2高，与f1的偏移变小，可见初始增量△PD0 由三部分组成AE 为二次调频发电机的增量；EF为一次调频发电机的增量；FC为负荷本身的调节效应引起的减量 或 即：由此可见，虽然二次调频不能改变系统的单位调节功率K ，但增加了发电机的出力，致使频率偏移变小了 二次调频可实现无差调节，即当负荷增量△PD0完全由二次调频发电机增发功率△PG承担，也就是 △PD0 ＝△PG。
l电力系统中，频率的二次调整一般只由一台或几台机组承担（称调频机组或调频厂），实际中，调整时也是一台先调，依次2台……，不是n 台同时调l频率的一次调整是配备了调速器的机组同时调整 主调频厂的选择应考虑3. 主调频厂的选择主调频厂：一般是1~2个电厂，负责全系统的频率调整（即二次调整）；辅助调频厂：只在系统频率超过某一规定的偏移范围时才参与调整，一般也只有少数几个；非调频厂：在系统正常运行情况下则按预先给定的负荷曲线发电 按照是否承担二次调整可将电厂分为主（1）要有足够的调整容量及调整范围（2）具有与负荷变化速度相适应的调整速度（3）符合安全及经济原则安全性：各点电压是否超出范围，联络线是否过负荷经济性：是指全系统的经济性 据此： 在枯水季节 水电调频，其速度快，调整范围大，效率较低的火电机组辅助调频 ； 在丰水季节 充分利用水电，效率不高的火电厂调频，受技术最小出力限制，增减速度限制水轮机组：有较宽的出力调整范围，可达额定容量的50%以上，出力增长速度较快，操作方便、安全火力机组：受允许最小技术负荷的限制，出力调整范围不大，出力增减速度受汽轮机各部分热膨胀的限制，不能过快。
4.自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC） AGC是能量管理系统 EMS 的重要组成部分主要由3各控制环：计划控制环，区域调节控制环和机组控制环自动发电控制的总统结构如图 ①控制中心按照各机组的备用容量大小或功率调整速率，再结合经济分配规则，确定各机组应承担的功率变化量；②控制中心将控制命令发给参与控制的各发电机组;③再通过各机组的自动控制调节装置实现发电自动控制，从而达到调控目标 工作过程是：①调整全网的发电使之与负荷平衡，保持频率在正常范围内；②按联络线功率偏差控制，使联络线交换功率在计划允许范围内；③对电网的安全、经济调度方案进行执行 AGC控制的主要目标有： •例如某联合系统由3个区域及3条联络线组成，各区域内部由较强联系，各区域间有较弱联系正常情况下，各区域应负责调整自己区域内的功率平衡巩固：电力系统频率的调整过程巩固：电力系统频率的调整过程 当B区域介入一个新的负荷时候，起初联合电力系统全部气轮机的转动惯性提供能量，整个电力系统的频率下降系统中所有机组调节器动作，加大出力，提高频率达到某一水平，这时整个电力系统发电与负荷达到平衡，此为一次调节。
扰动后一次调节的频率变化 系统一次调节 •一次调节留下了频率偏差和净交换功率偏差，AGC因此而动作增加AGC发电机出力，提高区域B的发电功率，恢复频率到正常值和交换功率到计划值，这就是二次调节，从而实现系统的二次调节 AGC对调速器的二次调节 系统二次调节 •AGC将随时调整机组处理执行发电计划（包括机组起停），或在非预计的负荷变化积累到一定程度,按经济调度原则重新分配处理，这就是所谓的三次调节 •电力系统频率三次调节是按最优化的准则分配负荷进行有功功率和频率的三次调节时主要是根据事先短期负荷预测或超短期负荷预测结果系统三次调节 •一次调频动作是由同步发电机的调速器实现的控制； （其响应速度较快，可适应小负荷短时间的波动 ）•二次调频动作是由自动发电控制(AGC)实现的控制； （针对周期在10s至2～3min以内幅度变化较大的负荷） •三次调频动作是按照经济调度要求实现的控制 （针对于周期在3min以上的负荷波动) 整个系统只有一个频率，因此调频涉及整个系统；而无功平衡和电压调整一般都是就地解决 5. 频率调整和电压调整的关系有功功率和无功功率的需求既同频率有关又同电压有关 ； l当系统电压升高时，有功功率负荷将增加，（损耗虽然减少） 但总的是增加；l当系统电压下降时，有功功率负荷将减少，（损耗虽然增加） 但总的是减少。
当系统中有功和无功均不足引起频率和电压均降低时，应该首先解决有功功率平衡问题，因为频率的提高能减少无功的缺额，这对于调压是有利的若首先提高电压 则会扩大有功的缺额，导致频率会更下降 l当系统频率下降时，无功需求略有增加若系统无功不足，将影响到系统的电压下降 ；l当频率增高时，无功需求略有下降，系统电压有所升高 电力网损耗电量 损耗电量损耗电量供电量供电量 在给定的时间内，系统中所有发电 厂的总发电量同厂用电量之差 所有送电、变电和配电环节所损耗的电量不包括厂用电，不同管理部门所关心的范畴不同） 同一时间内，电力网损耗能量占供电量的百分比 网损率网损率线损率线损率电力网损耗率 ＝供电量4.3 电力系统的能量损耗与节能降损一、电网的能量损耗和损耗率 v 一部分同施加给元件的电压有关电网损耗① 两种类型：对地支路（其他）串联支路（功率流通途径）变压器励磁损耗对地B 变压器漏抗线路阻抗在电力网元件的功率损耗和能力损耗中：v 一部分同元件通过的电流（或功率）的平方成正比 例如变压器空载损耗与电压平方成正比，当电压变化不大时，可以近似认为不变 例如变压器绕组和线路导线中的损耗。
如图，在给定的运行时间T 内，其能量损耗为：计算较简单计算较简单计算较困难计算较困难 目前有SCADA自动采集系统的情况下，可近似认为两次采集时间之间（几秒到几分钟）的功率和电压不变 ，直接用上式求解 由于通过元件的，电流随时间不断变化，因而这部分损耗的计算较复杂精确计算应根据不同时刻的功率和电压分别计算最后累加——较繁且数据不够因此，工程实际中常采用简化的方法计算能量损耗，即最大负荷损耗时间法 定义：如果线路中输送的功率一直保持为最 大负荷功率Smax，在 τ 小时内的能量损耗恰等于线路全年的实际电能损耗，则称 τ 为最大负荷损耗时间二、最大负荷损耗时间法若认为电压接近恒定，则 假定线路向一个集中负荷供电（如图），在一年内线路的能量损耗为： 最大负荷损耗时间最大负荷损耗时间最大负荷功率最大负荷功率 τ和Tmax的关系见表4-1利用该表，根据τ和功率因数找出Tmax值，借以计算全年的电能损耗该方法计算简单，但准确度不高，只适用于规划设计中τ与用视在功率表示的负荷曲线有关，在一定的功率因数下视在功率与有功功率成正比，而有功功率负荷持续曲线的形状，在某种程度上可由最大负荷的利用小时数 Tmax反映出来。
电力网的电能损耗不仅耗费一定的动力资源，而且占用一部分发电设备容量因此，降低网损是电力企业提高经济效益的一项重要任务 为了降低电力网的能量损耗，可以采用各种技术措施以下从两个方面简要介绍： Ø运行管理措施运行管理措施Ø电网改造电网改造 着重建立基本概念，哪些因素可以影响网损大小，怎么影响 三、降低网损的技术措施 （一）运行管理措施 ① 提高用户的功率因数，减少线路输送的无功功率如何提高功率因数？ v 装设并联无功补偿设备 v 用户所选用的电动机容量应尽 量接近它所带的机械负载 R+jXP+jQ如图，线路损耗为： v 高压电接近于额定运行 v各级变电站尽量做好无功功率的就地平衡 （并联补偿投切→FACTS） 欲使网络的功率损耗为最小，功率应如何分布？② 功率的经济分布 功率经济分布 功率损耗为最小的分布功率自然分布是否一定为经济分布？1)无功功率优化减少网损→后边要讨论2)有功功率优化减少网损 如图所示，令 ， ， 网络的功率损耗为：由此解出： 将上式分别对 和 取偏导数，并令其等于零 Ø功率的实际分布为： 只有在每段线路的比值 R/X 都相等的均一网络中，功率的自然分布才与经济分布相等。
上面公式表明：Ø功率的自然分布不一定为经济分布！Ø在环形网络中与电阻成反比分布时，功率损耗为最小，也即为经济分布 为了降低网络功率损耗，可以采取一些措施使非均一网络的功率分布接近经济分布：1)选择适当的地点作开环运行； 3)在环网中增设混合型加压调压变压器，由它产生 环路电势及相应的循环功率，以改善功率分布； Ø变压器的铁损在网络总损耗所占比重小于50％的电力网，适当提高运行电压可降低网损；2)在环网中比值 特别小的线段进行串联电 容补偿；4)合理地确定电力网的运行电压水平；Ø铁损所占比重大于50％的电力网，情况正好相反 在一个变电所内装有 n 台容量和型号都相同的变压器时，根据负荷的变化适当改变投入运行的台数，可减少功率损耗 5)③ 组织变压器的经济运行； 总负荷功率为S 时，并联运行的 k 台变压器的总损耗为： 对k求偏导,并令其为零： 取 k 值相邻的整数进行功率损耗计算，校核其功率损耗是否最小 v 对于季节性变化的负荷，使变压器投入的 台数符合损耗最小的原则是有效的；5)组织变压器的经济运行；v 工厂中变压器容量的选择要适应经济性发 展的需要。
6)调整用户的负荷曲线； 7)合理安排检修计划 减少高峰负荷和低谷负荷的差值，提高最小负荷率，使形状系数接近于1 2、对原有电网进行技术改造② 提高线路电压等级； ③ 安装电客补偿设备； ④ 合理选择导线的截面 随着城市的发展，配电网络的负荷越来越重，为了满足日益增长的对电力的需求，极有必要对原有网络进行改造① 增设电源点； 提高运行电压： 电力线路 减少了串联阻抗中的功率损耗， 增大电容无功 变压器 减少了串联阻抗中的功率损耗， 增大了铁损 负荷 有功、无功负荷将略有增加一般地讲 在35KV以上网络 提高运行电压 可降低网损； 6～10KV因变压器较多、负荷轻，变压器铁损为主，应降低电压 本章结束！ 。