Admin由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能,再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能,电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统,对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度,以保证用户获得安全、经济、优质的电能(图1)。
电力系统的出现,使电能得到广泛应用,推动了社会生产各个领域的变化,开创了电力时代,出现了近代史上的第二次技术革命。20世纪以来,电力系统的大发展使动力资源得到更充分的开发,工业布局也更为合理,使电能的应用不仅深刻地影响着社会物质生产的各个侧面,也越来越广地渗透到人类日常生活的各个层面。电力系统的发展程度和技术水准已成为各国经济发展水平的标志之一。
发展简况 最早的电力系统是简单的住户式供电系统,由小容量发电机单独向灯塔、轮船、车间等照明供电。白炽灯的发明,使电能的应用进入千家万户,从而出现了中心电站式供电系统,如1882年T.A.爱迪生在纽约主持建造了珍珠街电站。它装有6台直流发电机,总容量为900马力(约670千瓦),用110伏电压供给电灯照明(开始时,近1300盏灯)。19世纪90年代初,三相交流输电研究成功,随之,三相感应电动机及交流功率表也先后研制成功,推动了电力系统的发展。1895年在美国尼亚加拉建成了复合电力系统,这是早期交流电力系统的代表。它装有单机容量为5000马力的交流水力发电机,用二相制交流2.2千伏向地区负荷供电,又用三相制交流11千伏输电线路与巴伐洛电站相连,还使用了变压器和交直流变换器将交流电变为100～230伏直流电,供应照明、化工、动力等负荷。尼亚加拉电力系统的成功,结束了长达10年的关于直流输电(以爱迪生为代表)与交流输电(以G.威斯汀豪斯为代表)方案之争。交流电力系统可以提高输电电压,增加装机容量,延长输电距离,节省导线材料,具有无可争辩的优越性。交流输电地位的确定,成为电力系统大发展的新起点。
进入20世纪后,人们普遍认识到扩大电力系统规模可以在能源开发、工业布局、负荷调整、安全与经济运行等方面带来显著的社会经济效益。于是,以电力负荷的增长、发电机单机容量的增大和输电电压的提高为基础,电力系统的规模迅速发展。发达国家的动力、冶炼、化工、轻工、生活用电等电力总负荷平均每10年增加一倍。70年代,火力发电的单机容量已达到130万千瓦,水力发电的单机容量达73万千瓦,核电站的最大单堆电功率达 130万千瓦。输电电压等级的提高是扩大电力系统规模的主要技术手段和必然途径。从20世纪初开始出现110千伏输电电压,到80年代许多国家普遍建立了500～765千伏超高压输电的电力系统。1150千伏和 1500千伏特高压输电也已进入试验或试运行阶段。50年代以来,电力电子技术的进步,使直流输电技术获得新生,实现了高压和超高压直流输电,配合交流输电组成交直流混合系统,改进了电力传输和系统互联的功能。
经过一个多世纪的发展,许多国家都建成了总装机容量数亿千瓦的区域性大电力系统,并且在本国或跨国间互联,例如英、法、德、意电力系统互联,加拿大与美国电力系统互联,苏联与东欧国家电力系统互联等。苏联还在全国范围建立起统一电力系统,东西延伸7000公里,南北延伸3000公里,覆盖了大约1000万平方公里的领土。从19世纪80年代的住户电站到20世纪80年代的联合电力系统,电力系统已经成为现代社会的能源动脉和基础产业,并且仍在继续发展和提高。
中国的电力系统从50年代以来迅速发展。到1991年底,电力系统装机容量为14600万千瓦,年发电量为6750亿千瓦时,均居世界第4位;220千伏输电线路达46056公里,330千伏输电线路3817公里。装机容量超过1500万千瓦以上的有东北、华北、华东、华中等 4个大区的电力系统。各大区电力系统之间已开始互联,逐步形成全国范围的联合电力系统。全国各级调度中,已经有约60个程度不同地建立了电力系统监控系统,其中投入运行的在线计算机约70台,省级调度管辖的远动装置约1200台。此外,1989年中国台湾省电力系统的装机容量达1659万千瓦,年发电量769亿千瓦时,345千伏输电线路1192公里。
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。
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