1.2电力系统的结构 克和新不伦瑞克(New Brunswick)之间的非同步电网互联。伴随着换流设备价格的降低 尺寸的缩小以及可靠性的提高，HVDC箱电的应用逐步扩大。 相邻电力公司电网的互联通常会导致系统可靠性和经济性的改善。可靠性的改善来自 于电力公司之间在紧急情况下的互相支授。经济性的改善突出表现在每一系统必需的备用 容量的减少。此外，电网互联使电力公司间可以实现经济输送，以便利用最经济的电源。 这些效益从联网起始就被认识到，使电网互联不断增加。今天美国和加拿大几乎所有的电 力公司都是互联系统的一部分。它形成了一个极端复杂的很庞大的系统。如此一个系统的 设计及其安全运行的确定非常具有挑战性的问题。 1.2电力系统的结构 尽管电力系统的大小和结构组成各不相同，但它们都具有相同的基本特性 ·由运行电压基本恒定的三相交流系统组成。发电和输电设施采用三相装置。工业负荷 总是三相；单相家用和商用负荷在各相之间等量分配，以便有效地形成平衡的三相系 练 采用同步发电机发电。原动机将一次能源（化石燃料、核能和水能）转换为机械能 然后由同步发电机将它转换为电能。 。将电力远距离输送到广大区城的电力用户。需经由运行于不同电压水平的子系统组成 的输电系统。 图1.1示出了现代电力系统的基本构成。首先在发电厂(GS)发出电力，再通过一个复 杂的网络将电力输送给用户。输电网络由输电线路、变压器和开关设备等单个元件组成。 实用上通常将输电网分为以下子系统： 1.输电系统。 2.次输电系统。 3.配电系统 输电系统连接系统中主要的发电厂和主要的负荷中心。它形成整个系统的骨干并运行 于系统的最高电压水平（通常为230kV及以上）。发电机的电压通常在11~35V范围内 经过升压达到输电电压水平后，电力被传输到输电变电站，在此再经过降压达到次输电水 平（通常为69-138kV)。发电和输电子系统经常被称作主电力系统(bulk power system)。 次输电系统将较少量的电力从输电变电站输往配电变电站。通常大的工业用户直接由 次输电系统供电。在某些系统中，次输电和输电回路之间没有清晰的界限。当系统扩展 更高一毁电压水平的输电变得必要时，原来的输电线路则常被降低起次输电的功能。 配电系统相当于将电力送往用户的传输过程中的前后一级。一次配电电压通常在4.0 ~34.5kV之间，较小的工业用户通过这一电压等级的主馈线供电。二次配电馈线以120/ 240V电压向民用和商业用户供电。 靠近负荷的小发电厂通常连接到次输电系统或直接连到配电系统
第1章现代电力系统的基本特性 龙○ +O发电r 1230kV 得线 +345W 5300kV 变地站 到试输电系经扣E蛋统 115kw 物水系统 伏箱电系绣 德赞 业八 ○+① 小发 配变爪器 代粥用 西业用 图1.1电力系统的基本枸成 相邻电网的互联通常在输电系统的水平上实现。 整个系统由多个发电电源和儿层输电网络组成：它们提供的高度结构冗余使系统能够 承受非正常的偶然故障而不致影响对用户供电。 1.3电力系统控制 电力系统的功能是将能量从一种自然存在的形式转换为电的形式，并将它输送到各个 用户。能量很少以电的形式消费，而是将其转换为其他形式，如热、光和机城能。电能的 优点是输送和控制相对容易，效率和可靠性高。一个正确设计运行的电力系统应满足下 列要求： 1,系统必须能够适应不断变化的负荷有功和无功功率需求。与其他形式的能量不同 电能不能方便地以足够数量储存。因而，必须保持适当的有功和无功旋转备用， 并始终给于适当的控制。 2.系统应以最低成本供电并其有最小的生态影响
1.3电力系统控制 3,考虑到如下因素，系统供电质量必须满足一定的最低标准 (a)频率的不变性： (b)电压的不变性； (c)可靠性水平 几个层次水平的控制，包括装置的复杂阵列被用来满足上述要求。图1.2描绘了一个 电力系统的各个子系统及相关的控制。在总体结构中，一些控制器直接作用于各单独系统 元件。在发电机组中，发电机控制由原动机控制和励磁控制组成。原动机控制与转速调节 有关，控制能量供应系统的变量如锅炉压力、温度和流量。励磁系统的功能是调节发电机 电压和无功功率输出。每个发电机组的有功功率(MW)输出由系统发电控制确定。 率获格线功率发电机出 海变计划 系统发电控制 经济分配的负简顿零 发电总 电《出力 老商 图1,2电力系统的子系统及相关控制 系统发电控制的首要目的是维持整个系统的发电与系统负荷和损耗的平衡，从而使所 希望的频率以及与相邻系统的功率交换（联络线潮流）得以保持。 输电控制包括功率和电压控制设备，例如静止无功补偿器、同步调相机、可投切电容 器和电抗器、可调分头变压器、移相变压器和高压直流(HVDC)输电控制等。 以上所述控制设备能将系统电压和频率及其他系统变量保持在允许的范围内，使得电 力系统能满意地运行。这些设备还对电力系统的动态特性和应付干扰的能力产生深刻的影 响。 控制目标取决于电力系统的运行状态。在正常方式下，控制的目标是使电压和频率接
8 第1章现代电力系统的基本特性 近额定值以使运行尽可能有效率。当非正常状态发生时，新的控制日标必须是使系统恢复 到正常运行状态。 对于一个显然足安全的系统，任何一种单一的放障都不会造成全系统的坏。这种系 统破坏通常是由于几种情况相重叠使网络超出其承受能力而造成的。严重的自然火害（如 飓风、大暴风雨或冻雨)、设备失效、人为过失以及设计不当等合并发生使电力系统变得 脆璃并可能最终导致系统破坏。这种情况可能造成连锁停电，因此必须将其限制在系统的 小区域内以避免大范图停电。 。电力系统的运行状态和控制策略3， 为了分析电力系统安全性和恰当地设计控制系统，在概念上可以将系统运行条件分为 以下5种状态，这就是：正常、警戒、紧急、极端(n extremis)和恢复状态。图1.3绘出各运行状态以及从-个 状态能转移到另一个状态的通路 在正常状态下，所有系统变量都在其额定范剧内，没 有过负荷的设备。系统运行于一种安全的方式下，能够承 受偶然事故而不超出任何约束条件。 如果系统的安全水平下降到低于某一适当的界限，或 者出于不利的天气条件如特大暴风雨而使故障干扰的可能 性增加，则系统进人警戒状态。在这种状态下，所有的系 图1.3电力系统运行状态 统变量仍在允许的范围内，所有的约束条件都能得到满足。 然而此时系统已到了很脆弱的程度，一次偶然事故发生便会造成设备的过负荷，从而使系 统进人紧急状态。如果这一放障干扰非常严重，则可能使系统从警戒状态直接导致极端 (或极端紧急)状态。 可以采取预防措施如改变发电出力（安全调度）或增加备用容量等将系统恢复到正常 状态。如果恢复的步骤不能成功，则系统仍将处于警戒状态 如果在系统处于警戒状态时发生了一桩足够严重的扰动事故，则系统进入紧急状态 在这种状态下，许多母线的电压降低并且/或者设备负荷超出其短时紧急额定值。此时， 系统仍然是完整的，采取紧急控制措施，如：故障清除、励磁控制、快关汽门、切机、再 投人发电机、HVDC调制以及减负荷后，仍可能将系统恢复到警戒状态。 如果以上指施未能采取或者不能奏效，则系统将处于极端状态；其结果是连锁反应停 电并可能使系统的主要部分停机。可采取一些控制措施如切除负荷及有控制的系统解列， 其目的是将系统中尽可能多的部分从大范围的停电中挽救过来。 恢复状态表示正在采取控制指施的情形，以便将所有设备重新接人并恢复系统负荷 根据系统的条件，系统可从这一状态转到警戒状态或者正常状态。 上述系统条件的5种状态提供了一个框架，据此可设计控制策略并确认调度员的操 作，以便有效地应付每一种状态。 若一系统受故障扰动并进入某种降级的运行状态，电力系统控制将帮助调度员把系
1.4稳定性的设计和运行准则 9 统恢复到正常状态。如果故障扰动不大，电力系统控制本身就可能完成这一任务。然而如 果故障扰动很大。要使系统恢复到正常状态，则需要调度员的操作如发电出力再分配或元 件投切等。 为适应各种系统控制要求而发展的 策略方法组成一个分层结构如图1.4所 联合调发与护制中心 示。在这一结构中，有若干控制器直接 到兴他系统系统调废专粹风 到其他系统 运行于各单独系统元件如励磁系统、原 动机、钢炉、变压器抽头和直流换流器。 酸电系统 发电☐ 通常有一些类型的厂站控制器协调那些 相互紧密连接元件的控制器。而各个厂 站控制器受控制中心的系统控制器监控 发电机组 系统控制器的动作又受联合电网的主控 制器协调控制。整个控制系统是高度分 图1.4电力系统分层控制 布式的，依赖于众多不同种类的通测和控制信号。数据采集与监控(Supervisory Control ad Data Acquisition,SCADA)系统提供描述系统状态的信息。经状态估计程序过滤的监测数 据，提供系统状况的精确图景。在控制体系的不同水平和关键位置，调度人员是一个重要 的环节。调度员的主要任务是监视系统的运行情况并管理电源，在保持所需要的供电质量 和可靠性的同时保证经济运行。在系统紧急状态期间，调度员协调各种来源获得的相关信 息，拟定正确的策略将系统恢复到更安全的运行状态。 1.4稳定性的设计和运行准则 为了可靠供电，一个大规模电力系统必须保持完整并能承受各种干扰。因此，系统的 设计和运行应使系统能承受更多可能的故障而不损失负荷（连接到故障元件的负荷除外）， 能在最不利的可能故陈情况下不致产生不可控的、广泛的连锁反应式的停电。 165年11月美国东北部和安大略的大停电对电力工业产生了深远的影响，特别是在 北美洲。它对有关的设计概念和规划准则提出了很多问题。由此导致在1968年成立了国 家电力可靠性委员会(Nationl Electrie Reliability Council),以后改名为北美电力可靠性委 员会(North American Electric Reliability Council,NERC)。其作用是增强北美电力系统主电 网供电的可靠性和充裕性。NERC由9个地区性的可靠性委员会组成，实际上包括了美国 和加拿大所有的电力系统。每一地区委员会制定了自己的系统设计和运行的可靠性准则。 由于存在地域负荷模式和电源的差别，不同区城的准则有不同程度的差别)。 设计和运行准则对避免系统道受严重故障后产生对系统的大干扰方面起着重要的作 用。准则的应用可保证系统在遇到所有经常发生的故障时，在最坏的情况下，系统能从正 常状态转变为警戒状态，而不是转变为更为严重的紧急状态或极端状态。当系统由于偶发 事故进人警戒状态时，调度员可采取措施将系统转变为正常状态