电力系统的组成

　　来源

　　火电：锅炉－汽轮机－发电机水电：水库－水轮机－发电机核电：核反应堆－汽轮机－发电机其它：如风能、地热能、太阳能、潮汐等

　　基本概念

　　电力系统——是由发电厂、变电所、输电线、配电系统及负荷组成的。是现代社会中最重要、最庞杂的工程系统之一。电力网络——是由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分。动力系统——在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（例如火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）包含在内的系统。总装机容量——指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。年发电量——指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以千瓦时（KWh）、兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）为单位计。最大负荷——指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。额定频率——按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定功率为50Hz。最高电压等级——是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压。

　　系统构成

　　电力系统的主体结构有电源（水电站、火电厂、核电站等发电厂），变电所（升压变电所、负荷中心变电所等），输电、配电线路和负荷中心。各电源点还互相联接以实现不同地区之间的电能交换和调节，从而提高供电的安全性和经济性。输电线路与变电所构成的网络通常称电力网络。电力系统的信息与控制系统由各种检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调度自动化系统组成。电力系统的结构应保证在先进的技术装备和高经济效益的基础上，实现电能生产与消费的合理协调。其典型结构如图2。根据电力系统中装机容量与用电负荷的大小，以及电源点与负荷中心的相对位置，电力系统常采用不同电压等级输电（如高压输电或超高压输电），以求得最佳的技术经济效益。根据电流的特征，电力系统的输电方式还分为交流输电和直流输电。交流输电应用最广。直流输电是将交流发电机发出的电能经过整流后采用直流电传输。由于自然资源分布与经济发展水平等条件限制，电源点与负荷中心多处于不同地区。由于电能目前还无法大量储存，输电过程本质上又是以光速进行，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就成为制约电力系统结构和运行的根本特点。

　　系统运行

　　指系统的所有组成环节都处于执行其功能的状态。电力系统的基本要求是保证安全可靠地向用户供应质量合格、价格便宜的电能。所谓质量合格，就是指电压、频率、正弦波形这3个主要参量都必须处于规定的范围内。电力系统的规划、设计和工程实施虽为实现上述要求提供了必要的物质条件，但最终的实现则决定于电力系统的运行。实践表明，具有良好物质条件的电力系统也会因运行失误造成严重的后果。例如,1977年7月13日,美国纽约市的电力系统遭受雷击，由于保护装置未能正确动作，调度中心掌握实时信息不足等原因，致使事故扩大，造成系统瓦解，全市停电。事故发生及处理前后延续25小时，影响到900万居民供电。据美国能源部最保守的估计，这一事故造成的直接和间接损失达3.5亿美元。60～70年代,世界范围内多次发生大规模停电事故，促使人们更加关注提高电力系统的运行质量，完善调度自动化水平。电力系统的运行常用运行状态来描述，主要分为正常状态和异常状态。正常状态又分为安全状态和警戒状态，异常状态又分为紧急状态和恢复状态。电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移(图3)。各种运行状态之间的转移，需通过控制手段来实现，如预防性控制，校正控制和稳定控制，紧急控制，恢复控制等。这些统称为安全控制。电力系统在保证电能质量、安全可靠供电的前提下，还应实现经济运行，即努力调整负荷曲线，提高设备利用率，合理利用各种动力资源，降低煤耗、厂用电和网络损耗，以取得最佳经济效益。安全状态指电力系统的频率、各点的电压、各元件的负荷均处于规定的允许值范围，并且，当系统由于负荷变动或出现故障而引起扰动时，仍不致脱离正常运行状态。由于电能的发、输、用在任何瞬间都必须保证平衡，而用电负荷又是随时变化的，因此，安全状态实际上是一种动态平衡，必须通过正常的调整控制（包括频率和电压──即有功和无功调整）才能得以保持。警戒状态指系统整体仍处于安全规定的范围，但个别元件或局部网络的运行参数已临近安全范围的阈值。一旦发生扰动，就会使系统脱离正常状态而进入紧急状态。处于警戒状态时，应采取预防控制措施使之返回安全状态。

　　紧急状态

　　指正常状态的电力系统受到扰动后，一些快速的保护和控制已经起作用，但系统中某些枢纽点的电压仍偏移，超过了允许范围；或某些元件的负荷超过了安全限制，使系统处于危机状况。紧急状态下的电力系统，应尽快采用各种校正控制和稳定控制措施，使系统恢复到正常状态。如果无效，就应按照对用户影响最小的原则，采取紧急控制措施，使系统进入恢复状态。这类措施包括使系统解列（即整个系统分解为若干局部系统，其中某些局部系统不能正常供电）和切除部分负荷（此时系统尚未解列，但不能满足全部负荷要求，只得去掉部分负荷）。在这种情况下再采取恢复控制措施，使系统返回正常运行状态。

　　系统调度

　　电力系统需要依靠统一的调度指挥系统以实现正常调整与经济运行，以及进行安全控制、预防和处理事故等。根据电力系统的规模，调度指挥系统多是分层次建立，既分工负责，又统一指挥、协调，并采用各种自动化装置，建立自动化调度系统。

　　系统规划

　　电能是二次能源。电力系统的发展既要考虑一次能源的资源条件，又要考虑电能需求的状况和有关的物质技术装备等条件，以及与之相关的经济条件和指标。在社会总能源的消耗中，电能所占比例始终呈增长趋势。信息化社会的发展更增加了对电能的依赖程度。以美国为例,1920～1970年期间,电能占能源总消耗的比例由11％上升到26％，90年代将超过40％。为满足用户对电能不断增长的需要，必须在科学规划的基础上发展电力系统。电力系统的建设不仅需要大量投资，而且需要较长时间。电能供应不足或供电不可靠都会影响国民经济的发展，甚至造成严重的经济损失；发电和输、配电能力过剩又意味着电力投资效益降低，从而影响发电成本。因此，必须进行电力系统的全面规划，以提高发展电力系统的预见性和科学性。制定电力系统规划首先必须依据国民经济发展的趋势（或计划），做好电力负荷预测及一次能源开发布局，然后再综合考虑可靠性与经济性的要求，分别作出电源发展规划、电力网络规划和配电规划。在电力系统规划中,需综合考虑可靠性与经济性,以取得合理的投资平衡。对电源设备，可靠性指标主要是考虑设备受迫停运率、水电站枯水情况下电力不足概率和电能不足期望值；对输、变电设备，可靠性指标主要是平均停电频率、停电规模和平均停电持续时间。大容量机组的单位容量造价较低，电网互联可减少总的备用容量。这些都是提高电力系统经济性需首先考虑的问题。电力系统是一个庞大而复杂的大系统，它的规划问题还需要在时间上展开，从多种可行方案中进行优选。这是一个多约束条件的具有整数变量的非线性问题，远非人工计算所能及。60年代以来出现的系统工程理论，以及计算技术的发展，为电力系统规划提供了有力的工具。