电力系统工程基础 教学课件 韩学山 张文 5控制篇

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2、电线的最大载荷是400MW。,,目前的调度方式是没有问题的。,电力系统运行的安全性,若某一回线路由于故障退出运行， 情况会怎样？,若想满足负荷需求，另一回输电线路就会过载，出现不安全的隐患 。,电力系统运行的安全性,若将机组1的发电功率调整为400MW，机组2的发电功率调整为800MW，就会避免上面的问题。,,这种调度方式安全水平更高。,电力系统运行的安全性,所谓电力系统运行的安全性是指应付各种可能的扰动以保持电力系统连续运行的能力。,,应付的手段主要包括：电力系统的运行调度与调节、保护、控制、用户侧管理等。,15.1.2 电力系统安全性的防御,电力系统运行的监测,,电力系统监测的任务,,

3、监测的主要信息,,SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)系统,,预想事故评估,,,根据SCADA系统可以完成电力系统的状态估计，在此基础上对预想的事故集进行分析称为预想事故评估。,电力系统的运行状态,,,15.1.3 电力系统的安全准则,电力系统运行部门都有自己的安全准则，该准则视技术、经济水平的发展而不断的修正，不同国家、地区其准则也是不同的。,,我国的《电力系统安全稳定导则》、《电力系统技术导则》和《电力系统设计技术规程》等中，从各个角度对各类扰动都有相应的对策和要求。,,安全准则的制订属于风险决策问题，无风险的决策是不可能的，这

4、是一个十分复杂的问题。,15.2 电力系统的有功与频率控制,15.2.1 有功功率平衡及备用,,15.2.2 有功功率负荷变动及控制,,电力系统的频率特性,,,频率的一次调整,,,频率的二次调整,,,频率的三次调整,,,15.2.3 自动发电控制概念,15.2.1 有功功率平衡及备用,电力系统运行中，各类发电厂发出的有功功率的总和，在任何时刻都应同系统的总负荷相平衡。,,系统中的电源总容量必须大于系统的最大负荷，即要有备用。,,设置备用的理由在于：,,机组必须定期检修；,,水电机组容量由于来水量的不确定性也难以时刻保持有效的发挥；,,最大负荷是不确定的；,,发、输电设备故障的不确定性

5、。,系统备用容量,,一般来讲（网络无制约），系统电源总容量大于发电负荷的部分称为系统的备用容量。,,系统备用容量按其作用可分为：,,负荷备用,,事故备用,,检修备用,,国民经济发展备用,,按其存在形式可分为：,,热备用,,冷备用。,15.2.2 有功功率负荷变动及控制,负荷时刻都在变化，但又有较好的周期变化规律。,,电力系统负荷可以看作由3种变化规律不同的成分组成：,,第一种负荷变动幅度很小，周期很短（一般在10s以下），而且其变动具有很大的偶然性；,,第二种负荷变化幅度较大，变化周期较长（10s到2~3min范围内）；,,第三种负荷幅度最大，周期也最长，引起负荷变化的原因主要是工厂的作息制

6、度、居民生活、气象规律的变化等，这部分通过预测技术可以较准确的把握，即是有显著变化规律的主部，可以做到预先的安排。,有功功率负荷变动及控制,负荷的变化将引起电力系统频率的变化。,,电力系统的运行频率有严格的限制条件，违背这一条件电能质量是不合格的。,,必须予以控制。,,对第一种变化负荷引起的频率偏移将由发电机的调速器进行调整，通常称为频率的一次调整；,,对第二种变化负荷引起的频率偏移往往通过调速器的作用无法满足要求，此时需要调频器参与频率调整，称为频率的二次调整；,,对第三种变化负荷，也可称为三次调整（不常用），其实质是按某种准则的发电优化调度。,电力系统的频率特性,,,频率的一次调整,,【,

7、例15-1,】,设系统中发电机组的容量和它们的调差因数分别为水轮机组：100 MW/台5台=500 MW，%=2.5%，75 MW/台5台=375 MW， %=2.75%；汽轮机组：100 MW/台6台=600 MW，%=3.5%，50 MW/台20台=1000 MW %=4.0%；较小容量汽轮机组合计：1000 MW，%=4.0%；系统总负荷为3300MW，负荷的单位调节功率。试计算：(1)全部机组都参加调频；(2)全部机组都不参加调频；(3)仅水轮机组参加调频；(4)仅水轮机组和20台50MW汽轮机组参加调频等4种情况下系统的单位调节功率。计算结果分别以MW/Hz和标幺值表示。,频率的二次

8、调整,,频率的三次调整,15.2.3 自动发电控制概念,自动发电控制（AGC， Automatic Generation Control）是现代电网控制的一项基本和重要的功能。,,即将上述一次、二次调整按电力系统整体设计的自动频率控制系统。,,,,自动发电控制的基本目标,,发电功率与负荷平衡；,,保持系统频率维持在额定值；,,使区域联络线潮流与计划值相等；,,最小化区域运行成本。,[例]某一联合电力系统,,自动发电控制,,AGC按频率控制特性来讲实质上是二次调整的概念，比较特殊的含义是实现汽轮机汽门、水轮机水门的自动控制，而且遵循一定的安全、可靠、经济指标。,,AGC机组将按一定的时间间隔（

9、如5min）由三次调整以整定参与AGC的基态，该基态对电力系统AGC的整体性能有重要的影响。,,从广义角度，电力系统一次、二次、三次联合、统一的自动功能就是电力系统的AGC，其中一次调整是自然的，伴随频率偏差为0而停止，二次调节与三次调节紧密相关，将电力系统安全、可靠、经济进行统筹考虑。,15.3 电力系统的电压控制,电力系统中各用电设备都是按照额定电压来设计制作的，这些设备在额定电压下运行将能取得最佳的效果。,,电压过大地偏离额定值将对用电设备和电力系统本身产生不利影响。,,为了保证正常工作，在电力系统的运行中必须进行系统各节点电压的监视和调节，保证其电压偏移在允许的范围以内。,15.3.

10、1 电力系统的无功功率 电压静态特性,电力系统综合负荷的无功功率电压静态特性,,,发电机无功功率的电压静态特性,,,电力系统的电压静态特性,,电力系统综合负荷的无功功率电压静态特性,,发电机无功功率的电压静态特性,发电机无功功率的电压静态特性,,电力系统的电压静态特性,,15.3.2 电力系统无功功率的平衡,无功功率负荷和无功功率损耗,,,无功功率负荷 、变压器中的无功功率损耗 、电力线路上的无功功率损耗,,无功功率电源,,,同步发电机、同步调相机、并联电容器、静止补偿器、并联电抗器等,,无功功率的平衡,,,15.3.3 电力系统的电压管理,中枢点电压调整的概念,,中枢点的调压方

11、式,,(1)．逆调压 在高峰负荷时升高中枢点电压、低谷时降低中枢点电压的调压方式称为“逆调压”。通常用于供电线路较长、负荷变动较大的中枢点。采用逆调压方式，在高峰负荷时可将中枢点电压升高至105%，低谷负荷时将中枢点电压降为额定电压。,,(2)．顺调压 在高峰负荷时允许中枢点电压略低，而低谷负荷时却允许中枢点电压略高的调压方式称为“顺调压”。顺调压方式适用于供电线路不长、负荷变动不大的中枢点。采用顺调压方式，在高峰负荷时中枢点电压允许不低于102.5％，低谷负荷时中枢点电压允许不高于107.5%。,,(3)．常调压 在任何负荷下都保持中枢点电压为一基本不变的数值，这种调压方式称为“常调压

12、”。通常适用于负荷变动小、线路上电压损耗小的情况。采用常调压方式，其电压可以保持为(102％~105％) 的一个常数。,电力系统电压调整措施,,电力系统的调压措施中，首先应该充分利用发电机进行调压，也要充分利用改变变压器电压比或选择有载调压变压器进行调压，这两种调压措施都是不需要增加投资而且是直接的调压措施。当电力系统中无功功率不足时，就应该采用各种附加的补偿设备进行调压。,发电机调压,,大中型同步发电机都装有自动励磁调节装置（AVR），根据运行情况调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压（一般有5%的调节范围）以达到调压的目的。,,但在这某些情况下，改变发电机机端电压调压只能作为一种辅助性的调

13、压措施。,改变变压器电压比调压,,降压变压器分接头的选择,,,,升压变压器分接头的选择,,,,其他变压器分接头的选择,,改变无功功率分布调压,,在电力系统适当的地点接入并联无功功率补偿装置 。,,常用的无功功率补偿设备有并联电容器、同步调相机和静止补偿器等。,,按调压要求选择无功补偿容量 。,,补偿设备为静止电容器,,补偿设备为同步调相机,15.4 电力系统的优化调度,尽可能提高电能生产和传输的效率，降低供电的成本。,,,,15.4.1 有功功率的最优分配,,,15.4.2 无功功率的最优分配,,15.4.1 有功功率的最优分配,有功功率电源的最优组合,,指系统中发电机组或发电厂的合理

14、组合，也可称为机组组合。（略）,,,有功功率负荷的最优分配,,指电力系统的有功功率负荷在各个正在运行的机组或电厂之间的合理分配。,有功功率负荷的最优分配,,,耗量特性,,,发电在单位时间内输入、输出的关系。,,比耗量,,耗量特性上某点纵坐标与横坐标的比值。,比耗量、效率和耗量微增率的变化,有功功率负荷的最优分配,,目标函数和约束条件,,,如果不考虑各机组（电厂）耗量的互相影响，则目标函数为 ：,,min,:,,等式约束：,,或,,不等式约束：,,分别是各机组有功功率、无功功率和各节点电压，不得逾越限制值,有功功率负荷的最优分配,,目标函数和约束条件,,,能源消耗受限时 ，目标函数为 ：,,mi

15、n,:,,约束条件：,,还应增加,最优分配负荷时的等耗量微增率准则,,按耗量微增率相等的条件分配各机组的负荷，总的能源消耗是最少的。,,,用等微增率准则计算负荷的最优分配方案,,【,例 15-2,】,15.4.2 无功功率的最优分配,包括无功功率电源的最优分布和无功功率负荷的最优补偿两个方面。,,此问题必须是在负荷的自然功率因数较高的情况下讨论才有意义。,,将负荷的自然功率因数尽可能提高后，才考虑采用补偿设备人为地提高负荷功率因数，讨论包括补偿设备在内的各种无功功率电源的最优分布问题才有较大的意义。,无功功率电源的最优分布,,目标函数为 ：,,,等式约束 ：,,,不等式约束 ：,,,按等

16、网损微增率准则计算无功电源最优分布,,无功功率负荷的最优补偿,,确定节点,i,最优补偿容量的条件为：,,,即：,,,最优网损微增率准则：,,,15.5 电力系统运行的自动化,电力系统自动化是通过各种具有自动检测、决策和控制功能的装置和仪表，并通过信号系统和数据传输系统对电力系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、协调、调节和控制，保证电力系统安全经济运行和具有合格的电能质量。,15.5.1 电力系统自动化的重要性,电力系统的特点,,生产、传输、分配、消费电能的各个环节同时进行，是一个复杂的连续生产和消费的实时平衡的过程。,,电压、频率偏离标准将引起产品质量和生产率的下降以及

17、人们生活的不便，突然停电会造成人身伤亡、设备损坏、社会经济损失等严重后果。,,电力系统中任何一个元件的参数和运行状态的变化都会迅速地影响到系统中其他元件的正常工作，所以在电力系统中任何一处发生故障，应及时而正确地处理，否则将使事故扩大，并波及电力系统其他运行部分，以至造成大面积停电。,,一次能源、机组起停和负载分配、电网结构和潮流分布、负载控制和管理的合理与否，都会影响电力系统运行的经济效益。,15.5.1 电力系统自动化的重要性,电力系统实现自动化的基本要求为：,,迅速而正确地采集、监测和处理电力系统各元件、局部系统或全系统的运行参数。,,根据电力系统的实际运行状态和系统各元件的技术、经济

18、和安全要求为运行人员提供调节和控制的决策，或者直接对各元件进行调节和控制。,,实现全系统各层次、各局部系统和各元件间的综合协调，寻求电力系统电能质量合格和安全经济运行。,,提高供电可靠性，减少电力系统事故，延长设备寿命，提高运行水平，节省人力，减轻劳动强度。,15.5.2 电力系统自动化的内容,电力系统调度自动化,,,火电厂自动化,,,水电厂自动化,,,变电站的自动化,,,配电自动化,,第16章 电力系统电能质量与可靠性,,,16.1 电能质量标准,16.1.1 概述,,电能质量的定义,,,电能质量的特征,,改善电能质量的意义,,16.1.2 电能质量的主要内容,,电压变动,,频率

19、偏差,,波形畸变,,三相不平衡,电能质量的定义,,电压质量 (Voltage Quality) 以标准的正弦波为基准，电压质量是指实际电压与该标准间的偏差程度(如幅值偏差，波形偏差和相位偏差等)。,,电流质量 (Current Quality) 以标准的正弦波为基准，电流质量是指电流的频率、波形，以及电流相位与该标准的偏差程度。,,供电质量 (Quality of Supply) 一般是指技术上涉及的质量（如电压质量、电流质量、可靠性、安全性等）和非技术上涉及的质量（如服务质量、价格）。,,用电质量(Quality of Consumption) 一般是指技术上涉及的质量（如电压质量、

20、电流质量、可靠性、安全性等）和非技术上涉及的质量（如按时缴纳电费、遵循电力法规等）。,电能质量的特征,,电能质量始终处于动态变化之中；,,电能是融合的不可区分的（生产厂家、用户）；,,电能不易大量储存，其生产、输送、分配和和使用是同时进行的；,,电能质量具有广泛传播性；,,用户对电能质量有直接作用。,改善电能质量的意义,,电能作为人们广泛使用的二次能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一。,,随着时代的进步和科技的发展，当代电力系统已经赋予了它新的概念和内容。,,随着电能质量标准的制定和实施，电能质量的监督管理法规体系将逐渐建立。,16.1.2 电能质量的主要内容,电压变动

21、,,电压偏差,,电压波动,,电压暂降与暂升,,短时间电压中断,,长时间电压中断,16.1.2 电能质量的主要内容,频率偏差,,频率偏差=实际频率-系统额定频率,,我国电力系统的额定频率为50Hz，GB/T15945-1995《电能质量 电力系统频率允许偏差》中规定：电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差值可放宽到±0.5Hz，标准中没有说明系统容量大小的界限。,16.1.2 电能质量的主要内容,波形畸变,,由于电力系统中存在有大量非线性阻抗特性的供用电设备，使得实际的电压或电流波形偏离正弦波。,,当畸变波形的每个周期都相同时，则该波形可用一系列频率为基波频率整数

22、倍的理想正弦波形的和来表示。其中，频率为基波频率整数倍的分量，称为谐波。,,GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》中规定：6~220kV各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是：0.38kV为5.0％，6~10kV为4.0％，35~66kV为3.0％，110kV为2.0％。,,谐波的产生,,谐波的危害,,谐波的抑制或减缓措施,16.1.2 电能质量的主要内容,三相不平衡,,对称三相系统是指三相电量（电动势、电压或电流）数值相等、频率相同、相位互差120°的系统；不同时满足这三个条件的三相系统是不对称的三相系统。,,电力线路的三相不平衡可分为事故性不平衡和正常性不平衡两大类。

23、,,三相电压或电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害 。,16.2 电力系统可靠性及其评估,16.2.1 可靠性的概念,,可靠性的定义及其发展,,,可靠性的研究目的、对象和手段,,16.2.2 电力系统可靠性评估,,可靠性目标,,,各阶段可靠性任务,,可靠性准则,,故障准则及故障严重性估计,,可靠性的评估步骤及其不确定性,可靠性的定义及其发展,,比较能为大家接受的可靠性的定义是：元件、设备、系统等在规定条件下和预定的时间内，完成规定功能的概率。,,而电力系统可靠性被定义为大电力系统供电给主要配电点的保证程度。保证程度就是可靠性，是指系统连续不断地供电给用户的一个概率，有它的定量指标

24、。,可靠性的研究目的、对象和手段,,16.2.2 电力系统可靠性评估,在电力系统的规划、设计、运行中，坚持系统的全面的可靠性定量评估制度，以提高电力系统的效能，对可能出现的故障要进行故障分析，采取措施减少故障造成的影响，对可靠性投资与相应带来的经济效益进行综合分析，以确定合理的可靠性水平，并使电力系统的综合效益达到最佳。,,为了实现电力系统可靠性评估，就要确定可靠性目标、各阶段可靠性任务、可靠性准则、故障准则及故障严重性估计和可靠性评估的步骤及其不确定性。,可靠性目标,,保证电力系统的充裕度，即以合格的质量连续地向用户提供所需的电力和电量；,,保证系统的安全性，采取措施使系统能经受住可能的偶

25、发事故而不必削减负荷或停电，并避免对系统和元件造成严重损坏；,,保持电力系统的完整性，避免主要部分的不可控解列；,,限制故障扩大，减小大范围停电；,,保证停电后迅速恢复运行。,各阶段可靠性任务,,规划阶段,,,设计阶段,,,运行阶段,,可靠性准则,,概率性指标,,规定满足可靠性目标值的数值参数，或者不可靠度的上界的准则。,,确定性指标,,规定了发输电合成系统应能承受的发电系统或输电系统计划和非计划停运组合的条件。,,在应用可靠性准则时，规划人员的任务是，在准则范围内，使电力系统的总费用最小。,故障准则及故障严重性估计,,系统故障的准则,,一旦发生下列情况，便认为系统处于故障状态：①负荷越界；②

26、频率越界；③电压超过极限；④有功功率不足；⑤无功功率不足，电压下降；⑥不可控的解列；⑦不稳定；⑧连锁反应；⑨电压崩溃；⑩频率崩溃。,,系统故障严重性估计,可靠性的评估步骤,,16.3 电网区域间的传输能力及评估,16.3.1 可用输电能力定义,,,16.3.2 ATC的基本研究方法,,,16.3.3 ATC的评估与决策,,16.3.1 可用输电能力定义,可用输电能力（ATC）是指在现有的输电合同基础上，实际物理输电网络中剩余的、可用于商业使用的传输容量。,,,,输电能力研究主要集中在两点：,,输电能力的定量计算,,输电能力的评估、决策,16.3.2 ATC的基本研究方法,在线ATC

27、计算,,预测时间较短，只需从大量预想事故中选择一些可能是最严重的故障进行研究，选择基于确定性模型的方法。,,离线ATC计算,,不确定性因素对计算的准确度影响较大。一般预测时间越长，不确定因素对ATC的影响越大。一般采用基于概率模型的方法。,16.3.3 ATC的评估与决策,输电可靠裕度（TRM）,,是指预留的必要的电网输电能力, 以确保当系统运行参数在合理范围内发生变化时, 整个系统能够安全稳定的运行，在性质上属于输电能力的备用，或看成抵御意外变化的输电响应能力预留。,,容量效益裕度（CBM）,,为了能够从其他互联系统中获得电力来满足发电可靠性需求而预留的输电容量裕度。,,现存方式对输电能力

28、的影响,16.4 可靠性及其技术经济评价,16.4.1 可靠性经济评价方法,,,16.4.2 可靠性经济分析,,,16.4.3 可靠性的经济评价原则,,16.4.1 可靠性经济评价方法,绝对可靠性评价法,,可靠性排列法,,可靠性比较分析法,,成本效益分析法,,可靠性优化法,16.4.2 可靠性经济分析,经济费用的计算方法,,现在价值法,,等年值法,,缺电和停电损失的计算,,缺电损失,,停电损失,,16.4.3 可靠性的经济评价原则,必须根据不同的系统可靠性工程方案或措施，选择和确定与各种费用相联系的可以定量化的可靠性指标，以作为经济分析的出发点；,,必须分清各种费用的属性 ；,,应选定适合的比较方法 ；,,保证各被比较对象进行比较的量具有可比性 。,