電力系統(tǒng)

由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產與消費系統(tǒng)。它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動力裝置轉化成電能，再經輸電、變電和配電將電能供應到各用戶。為實現這一功能，電力系統(tǒng)在各個環(huán)節(jié)和不同層次還具有相應的信息與控制系統(tǒng)，對電能的生產過程進行測量、調節(jié)、控制、保護、通信和調度，以保證用戶獲得**、經濟、上等的電能(圖1)。

電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)的出現，使電能得到廣泛應用，推動了社會生產各個領域的變化，開創(chuàng)了電力時代，出現了近代史上的**次技術**。20世紀以來，電力系統(tǒng)的大發(fā)展使動力資源得到更充分的開發(fā)，工業(yè)布局也更為合理，使電能的應用不僅深刻地影響著社會物質生產的各個側面，也越來越廣地滲透到人類日常生活的各個層面。電力系統(tǒng)的發(fā)展程度和技術水準已成為各國經濟發(fā)展水平的標志之一。

　發(fā)展簡況 　*早的電力系統(tǒng)是簡單的住戶式供電系統(tǒng)，由小容量發(fā)電機單獨向燈塔、輪船、車間等照明供電。白熾燈的發(fā)明，使電能的應用進入千家萬戶，從而出現了中心電站式供電系統(tǒng)，如1882年T.A.愛迪生在紐約主持建造了珍珠街電站。它裝有6臺直流發(fā)電機,總容量為900馬力（約670千瓦）,用110伏電壓供給電燈照明（開始時，近1300盞燈）。19世紀90年代初，三相交流輸電研究成功，隨之，三相感應電動機及交流功率表也先后研制成功，推動了電力系統(tǒng)的發(fā)展。1895年在美國尼亞加拉建成了復合電力系統(tǒng)，這是早期交流電力系統(tǒng)的代表。它裝有單機容量為5000馬力的交流水力發(fā)電機，用二相制交流2.2千伏向地區(qū)負荷供電,又用三相制交流11千伏輸電線路與巴伐洛電站相連，還使用了變壓器和交直流變換器將交流電變?yōu)?/span>100～230伏直流電，供應照明、化工、動力等負荷。尼亞加拉電力系統(tǒng)的成功，結束了長達10年的關于直流輸電（以愛迪生為代表）與交流輸電（以G.威斯汀豪斯為代表）方案之爭。交流電力系統(tǒng)可以提高輸電電壓，增加裝機容量，延長輸電距離，節(jié)省導線材料，具有無可爭辯的優(yōu)越性。交流輸電地位的確定，成為電力系統(tǒng)大發(fā)展的新起點。

　　進入20世紀后，人們普遍認識到擴大電力系統(tǒng)規(guī)模可以在能源開發(fā)、工業(yè)布局、負荷調整、**與經濟運行等方面帶來顯著的社會經濟效益。于是，以電力負荷的增長、發(fā)電機單機容量的增大和輸電電壓的提高為基礎，電力系統(tǒng)的規(guī)模迅速發(fā)展。發(fā)達國家的動力、冶煉、化工、輕工、生活用電等電力總負荷平均每10年增加一倍。70年代，火力發(fā)電的單機容量已達到130萬千瓦,水力發(fā)電的單機容量達73萬千瓦，核電站的*大單堆電功率達130萬千瓦。輸電電壓等級的提高是擴大電力系統(tǒng)規(guī)模的主要技術手段和必然途徑。從20世紀初開始出現110千伏輸電電壓，到80年代許多國家普遍建立了500～765千伏超高壓輸電的電力系統(tǒng)。1150千伏和1500千伏特高壓輸電也已進入試驗或試運行階段。50年代以來，電力電子技術的進步，使直流輸電技術獲得新生，實現了高壓和超高壓直流輸電，配合交流輸電組成交直流混合系統(tǒng)，改進了電力傳輸和系統(tǒng)互聯(lián)的功能。

　　經過一個多世紀的發(fā)展，許多國家都建成了總裝機容量數億千瓦的區(qū)域性大電力系統(tǒng)，并且在本國或跨國間互聯(lián),例如英、法、德、意電力系統(tǒng)互聯(lián),加拿大與美國電力系統(tǒng)互聯(lián)，蘇聯(lián)與東歐國家電力系統(tǒng)互聯(lián)等。蘇聯(lián)還在國內范圍建立起統(tǒng)一電力系統(tǒng)，東西延伸7000公里，南北延伸3000公里，覆蓋了大約1000萬平方公里的領土。從19世紀80年代的住戶電站到20世紀80年代的聯(lián)合電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)已經成為現代社會的能源動脈和基礎產業(yè)，并且仍在繼續(xù)發(fā)展和提高。

　　中國的電力系統(tǒng)從50年代以來迅速發(fā)展。到1991年底，電力系統(tǒng)裝機容量為14600萬千瓦,年發(fā)電量為6750億千瓦時,均居世界第4位；220千伏輸電線路達46056公里,330千伏輸電線路3817公里。裝機容量超過1500萬千瓦以上的有東北、華北、華東、華中等4個大區(qū)的電力系統(tǒng)。各大區(qū)電力系統(tǒng)之間已開始互聯(lián)，逐步形成國內范圍的聯(lián)合電力系統(tǒng)。國內各級調度中，已經有約60個程度不同地建立了電力系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，其中投入運行的在線計算機約70臺，省級調度管轄的遠動裝置約1200臺。此外，1989年中國臺灣省電力系統(tǒng)的裝機容量達1659萬千瓦，年發(fā)電量769億千瓦時，345千伏輸電線路1192公里。

系統(tǒng)構成　電力系統(tǒng)的主體結構有電源（水電站、火電廠、核電站等發(fā)電廠），變電所（升壓變電所、負荷中心變電所等），輸電、配電線路和負荷中心。各電源點還互相聯(lián)接以實現不同地區(qū)之間的電能交換和調節(jié)，從而提高供電的**性和經濟性。輸電線路與變電所構成的網絡通常稱電力網絡。電力系統(tǒng)的信息與控制系統(tǒng)由各種檢測設備、通信設備、**保護裝置、自動控制裝置以及監(jiān)控自動化、調度自動化系統(tǒng)組成。電力系統(tǒng)的結構應保證在先進的技術裝備和高經濟效益的基礎上，實現電能生產與消費的合理協(xié)調。其典型結構如圖2。

電力系統(tǒng)

　　根據電力系統(tǒng)中裝機容量與用電負荷的大小，以及電源點與負荷中心的相對位置，電力系統(tǒng)常采用不同電壓等級輸電（如高壓輸電或超高壓輸電），以求得*佳的技術經濟效益。根據電流的特征，電力系統(tǒng)的輸電方式還分為交流輸電和直流輸電。交流輸電應用*廣。直流輸電是將交流發(fā)電機發(fā)出的電能經過整流后采用直流電傳輸。

　　由于自然資源分布與經濟發(fā)展水平等條件限制，電源點與負荷中心多處于不同地區(qū)。由于電能目前還無法大量儲存，輸電過程本質上又是以光速進行，電能生產必須時刻保持與消費平衡。因此，電能的集中開發(fā)與分散使用，以及電能的連續(xù)供應與負荷的隨機變化，就成為制約電力系統(tǒng)結構和運行的根本特點。

系統(tǒng)運行 　指系統(tǒng)的所有組成環(huán)節(jié)都處于執(zhí)行其功能的狀態(tài)。電力系統(tǒng)的基本要**保證**可靠地向用戶供應質量合格、價格便宜的電能。所謂質量合格，就是指電壓、頻率、正弦波形這3個主要參量都必須處于規(guī)定的范圍內。電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設計和工程實施雖為實現上述要求提供了必要的物質條件，但*終的實現則決定于電力系統(tǒng)的運行。實踐表明，具有良好物質條件的電力系統(tǒng)也會因運行失誤造成嚴重的后果。例如,1977年7月13日,美國紐約市的電力系統(tǒng)遭受雷擊，由于保護裝置未能正確動作，調度中心掌握實時信息不足等原因，致使事故擴大，造成系統(tǒng)瓦解，全市停電。事故發(fā)生及處理前后延續(xù)25小時，影響到900萬居民供電。 據美國能源部*保守的估計，這一事故造成的直接和間接損失達3.5億美元。60～70年代,世界范圍內多次發(fā)生大規(guī)模停電事故，促使人們更加關注提高電力系統(tǒng)的運行質量，完善調度自動化水平。

　　電力系統(tǒng)的運行常用運行狀態(tài)來描述，主要分為正常狀態(tài)和異常狀態(tài)。正常狀態(tài)又分為**狀態(tài)和警戒狀態(tài)，異常狀態(tài)又分為緊急狀態(tài)和恢復狀態(tài)。電力系統(tǒng)運行包括了所有這些狀態(tài)及其相互間的轉移(圖3)。

電力系統(tǒng)

各種運行狀態(tài)之間的轉移，需通過控制手段來實現，如預防性控制，校正控制和穩(wěn)定控制，緊急控制，恢復控制等。這些統(tǒng)稱為**控制。

電力系統(tǒng)在保證電能質量、**可靠供電的前提下，還應實現經濟運行，即努力調整負荷曲線，提高設備利用率，合理利用各種動力資源，降低煤耗、廠用電和網絡損耗，以取得*佳經濟效益。

**狀態(tài) 　指電力系統(tǒng)的頻率、各點的電壓、各元件的負荷均處于規(guī)定的允許值范圍，并且，當系統(tǒng)由于負荷變動或出現故障而引起擾動時，仍不致脫離正常運行狀態(tài)。由于電能的發(fā)、輸、用在任何瞬間都必須保證平衡，而用電負荷又是隨時變化的，因此，**狀態(tài)實際上是一種動態(tài)平衡，必須通過正常的調整控制（包括頻率和電壓──即有功和無功調整）才能得以保持。

警戒狀態(tài) 　指系統(tǒng)整體仍處于**規(guī)定的范圍，但個別元件或局部網絡的運行參數已臨近**范圍的閾值。一旦發(fā)生擾動，就會使系統(tǒng)脫離正常狀態(tài)而進入緊急狀態(tài)。處于警戒狀態(tài)時，應采取預防控制措施使之返回**狀態(tài)。

緊急狀態(tài) 　指正常狀態(tài)的電力系統(tǒng)受到擾動后，一些快速的保護和控制已經起作用，但系統(tǒng)中某些樞紐點的電壓仍偏移，超過了允許范圍；或某些元件的負荷超過了**限制，使系統(tǒng)處于危機狀況。緊急狀態(tài)下的電力系統(tǒng)，應盡快采用各種校正控制和穩(wěn)定控制措施，使系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)。如果無效，就應按照對用戶影響*小的原則，采取緊急控制措施，使系統(tǒng)進入恢復狀態(tài)。這類措施包括使系統(tǒng)解列（即整個系統(tǒng)分解為若干局部系統(tǒng)，其中某些局部系統(tǒng)不能正常供電）和切除部分負荷（此時系統(tǒng)尚未解列，但不能滿足全部負荷要求，只得去掉部分負荷）。在這種情況下再采取恢復控制措施，使系統(tǒng)返回正常運行狀態(tài)。

系統(tǒng)調度 　電力系統(tǒng)需要依靠統(tǒng)一的調度指揮系統(tǒng)以實現正常調整與經濟運行，以及進行**控制、預防和處理事故等。根據電力系統(tǒng)的規(guī)模，調度指揮系統(tǒng)多是分層次建立，既分工負責，又統(tǒng)一指揮、協(xié)調，并采用各種自動化裝置，建立自動化調度系統(tǒng)。

系統(tǒng)規(guī)劃 　電能是二次能源。電力系統(tǒng)的發(fā)展既要考慮一次能源的資源條件，又要考慮電能需求的狀況和有關的物質技術裝備等條件，以及與之相關的經濟條件和指標。在社會總能源的消耗中，電能所占比例始終呈增長趨勢。信息化社會的發(fā)展更增加了對電能的依賴程度。以美國為例,1920～1970年期間,電能占能源總消耗的比例由11％上升到26％，90年代將超過40％。為滿足用戶對電能不斷增長的需要，必須在科學規(guī)劃的基礎上發(fā)展電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的建設不僅需要大量投資，而且需要較長時間。電能供應不足或供電不可靠都會影響國民經濟的發(fā)展，甚至造成嚴重的經濟損失；發(fā)電和輸、配電能力過剩又意味著電力投資效益降低，從而影響發(fā)電成本。因此，必須進行電力系統(tǒng)的**規(guī)劃，以提高發(fā)展電力系統(tǒng)的預見性和科學性。

制定電力系統(tǒng)規(guī)劃首先必須依據國民經濟發(fā)展的趨勢（或計劃），做好電力負荷預測及一次能源開發(fā)布局，然后再綜合考慮可靠性與經濟性的要求，分別作出電源發(fā)展規(guī)劃、電力網絡規(guī)劃和配電規(guī)劃。

在電力系統(tǒng)規(guī)劃中,需綜合考慮可靠性與經濟性,以取得合理的投資平衡。對電源設備，可靠性指標主要是考慮設備受迫停運率、水電站枯水情況下電力不足概率和電能不足期望值；對輸、變電設備，可靠性指標主要是平均停電頻率、停電規(guī)模和平均停電持續(xù)時間。大容量機組的單位容量造價較低，電網互聯(lián)可減少總的備用容量。這些都是提高電力系統(tǒng)經濟性需首先考慮的問題。

電力系統(tǒng)是一個龐大而復雜的大系統(tǒng)，它的規(guī)劃問題還需要在時間上展開，從多種可行方案中進行優(yōu)選。這是一個多約束條件的具有整數變量的非線性問題，遠非人工計算所能及。60年代以來出現的系統(tǒng)工程理論，以及計算技術的發(fā)展，為電力系統(tǒng)規(guī)劃提供了有力的工具。

負荷預測　是制訂電力系統(tǒng)規(guī)劃的重要基礎。它要求預先估算規(guī)劃期間各年需要的總電能和*大負荷，并預測各負荷點的地理位置。預測方法有按照地區(qū)、用途（工業(yè)、農業(yè)、交通、市政、民用等）累計的方法和宏觀估算方法。后者就是考慮電力負荷與國民生產總值的關系，電力負荷增長率與經濟增長率的關系，按時間序列由歷史數據估算出規(guī)劃期間電力負荷的增長。由于負荷預測中不確定因素很多，因此，往往需采用多種方法互相校核，*后由規(guī)劃者作出決策。

能源布局 　

可用于發(fā)電的一次能源主要有河流的水力、化石燃料(煤、石油、天然氣)和核燃料等。一次能源的規(guī)劃決定于各種能源的儲量及開發(fā)條件。水力資源屬再生能源,一般講具有發(fā)電成本低的特點,但建造周期長。水力資源和大型水利樞紐的開發(fā)方案是發(fā)電、灌溉、航運、水土保持及生態(tài)環(huán)境效益綜合平衡的結果。許多國家的電力系統(tǒng)在發(fā)展初期是優(yōu)先發(fā)展水電，形成“水主火從”的局面。20世紀50年代末，發(fā)達國家中條件較好的水力資源已經充分開發(fā)，逐漸轉為“火主水從”的局面。在火電開發(fā)中，以煤為燃料占主要地位。發(fā)達國家用于發(fā)電的煤炭約占煤炭總消費量的50％以上。利用天然氣和石油為燃料的火電廠也占一定比例。70年代世界性石油危機后，以核燃料為動力的發(fā)電站得到了較快的發(fā)展。

電源規(guī)劃;　主要是根據各種發(fā)電方式的特性和資源條件，決定增加何種形式的電站(水電、火電、核電等)，以及發(fā)電機組的容量與臺數。承擔基荷為主的電站，因其利用率較高，宜選用適合長期運行的高效率機組，如核電機組和大容量、高參數火電機組等，以降低燃料費用。承擔峰荷為主的電站，因其年利用率低，宜選用啟動時間短、能適應負荷變化而投資較低的機組，如燃汽輪機組等。至于水電機組，在豐水期應盡量滿發(fā)，承擔系統(tǒng)基荷；在枯水期因水量有限而帶峰荷。

由于水電機組的造價僅占水電站總投資的一小部分，近年來多傾向于在水電站中適當增加超過保證出力的裝機容量（即加大裝機容量的逾量），以避免棄水或減少棄水。對有條件的水電站，世界各國均致力發(fā)展抽水蓄能機組，即系統(tǒng)低谷負荷時，利用火電廠的多余電能進行抽水蓄能；當系統(tǒng)高峰負荷時，再利用抽蓄的水能發(fā)電。盡管抽水-蓄能-發(fā)電的總效率僅2/3,但從總體考慮，安裝抽水蓄能機組比建造調峰機組還是經濟，尤其對調峰容量不足的系統(tǒng)更是如此。

電網規(guī)劃;　在已確定的電源點和負荷點的前提下，合理選擇輸電電壓等級，確定網絡結構及輸電線路的輸送容量，然后對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和無功平衡等進行校核。

配電規(guī)劃 　確定配電變電站的容量和位置、配電網絡結構、配電線路導線截面選擇、電壓水平與無功補償措施，以及可靠性校驗等。

信息與控制 　電力系統(tǒng)中的信息與控制子系統(tǒng)是實現電力系統(tǒng)信息傳遞的神經網絡。它使電力系統(tǒng)具有可觀測性與可控性，從而保證電能生產與消費過程的正常進行，以及在事故狀態(tài)下的緊急處理。從電力系統(tǒng)誕生之日起，信息與控制子系統(tǒng)就是電力系統(tǒng)必不可少的組成部分，它在不同水平上的完善和發(fā)展，才使電能的廣泛應用成為現實。

電力系統(tǒng)信息與控制子系統(tǒng)的進步，保證了電能質量，提高了電力系統(tǒng)**運行水平,改善了勞動條件,提高了勞動生產率，還為電力系統(tǒng)的經營決策提供有力支援，從概念上、方法上對電力系統(tǒng)運行分析和經營管理賦予新的內容。

功能 　信息與控制子系統(tǒng)的作用主要在保證電力系統(tǒng)**、穩(wěn)定、經濟地運行。它執(zhí)行以下3項任務。①正常運行狀態(tài)的監(jiān)測、記錄,正常操作與調整(自動維持頻率和電壓等);②異常狀態(tài)及事故狀態(tài)下的報警、保護、緊急控制及事故記錄；③運行管理，進行短期負荷預測，制定發(fā)電計劃，實現經濟調度等。

>組成與運行 　20世紀50年代以來，隨著通信技術與控制理論的發(fā)展，以及電子計算機和微電子技術的應用，電力系統(tǒng)的信息與控制逐步向以計算機網絡為標志的綜合調度自動化方向發(fā)展。電力系統(tǒng)調度自動化計算機系統(tǒng)的基本組成如圖4。由被控端（發(fā)電廠、變電所）采集各種運行信息（包括開關量、模擬量和數字量），經轉換后由通道（數據傳輸系統(tǒng)）傳送到調度端，再由調度端計算機接受數據，經過處理后，或進行顯示監(jiān)測，或進行記錄制表，或作出控制決策，再由通道傳送到被控端進行操作、控制。由于電力系統(tǒng)結構復雜，地域廣闊，一般采用分級、分層調度控制。圖5是一個二層控制系統(tǒng)的示例。