电力系统基本概念及系统稳定简介.ppt

7/26/2024总目录第一部分 基本概念&原理第二部分 电力系统基本分析方法第三部分 电力系统稳定综述第四部分 发电厂实时监测系统1 基本概念2 叠加原理3 基本构造元素R/C/L特征 1 相量分析法 2 对称分析法 3 分析法之间关系 1 简介 2 内电势描述及测量 3 振荡4 系统稳定1 基本功能 2 平台结构 3 系统特点 7/26/2024第一部分 基本电路原理1 基本概念2 叠加原理3 基本模型元素R/C/L特征7/26/2024•电功电功－ 标量•电功率电功率－正电荷从电路元件的电压“＋”极，经元件移到电压的“－”极是电场力对电荷作功的结果，这时元件吸收能量相反“－”到“＋”释放能量•瞬时功率瞬时功率：•有功功率有功功率：用电设备真实消耗掉的功率称为有功功率有功与频率相关；•无功功率无功功率：在完成电能转换为机械能的过程中，建立电、磁场需要的功率称为无功功率，无功与电压相关1 基本概念7/26/2024•电压电压－两点间的电压等于电场力将单位正电荷由A点移到B点时所作的功，无方向，表示为：•电流电流－单位时间内所通过的电量，表示为：•集总电路集总电路－实际电路的尺寸远小于工作时电磁波的波长•分布电路分布电路－实际电路的尺寸不远小于工作时电磁波的波长或具有分布参数的电路7/26/2024•支路支路－连接于电路中的每一个二端元件称为一个支路。

•节点节点－连接于电路中的支路的连接点称为节点•回路回路－由支路构成的闭合路径•参考方向参考方向－电路分析时，将支路上某一个方向作为电压或电流的方向，对一段电路或一个元件上电压的参考方向和电流的参考方向可以独立地加以任意指定•关联参考方向关联参考方向－如果指定电流从标以电压“＋”极性的一端流入，并从标以“－”极性的另一端流出，即电流的参考方向与电压的参考方向一致，则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向7/26/2024•标么值标么值－电力系统的有名值参数或变量与所选定的基值的比，十进制表示 工程计算时，功率基准值一般选100MVA或1000MVA；线电压基准值一般选基本级的额定电压或平均额定运行电压7/26/2024 约定约定•一次，以母线流向线路为电流正方向；母线对地为电压正方向•二次，极性端流入继电保护装置为电流正方向；极性端对地为电压正方向 在这样规定，才有：在这样规定，才有：•发电机接入R时，发出P，P>0；负荷接受P，Q=0电压电流同相•发电机接入L时，发出Q，Q>0；负荷接受Q，P=0电压超前电流90度•发电机接入C时，受入Q，Q<0；负荷发出Q，P=0。

电压滞后电流90度7/26/20242 叠加原理 性电路中，任一支路电流（或支路电压）都是电路中各个独立电源单独作用时在该支路产生的电流或电压之叠加7/26/2024节点1电压：2.8V=1.2V+0.8V+0.8V节点2电压：1.2V=0.8V-0.8V+1.2V7/26/2024说明：•不适用于非线性电路；当将非线性电路局部线性化之后（给出假定条件），也可以应用叠加原理；•叠加时，电路连接及所有的电阻和受控源保持位置不变电压源置零(电压源短路)，电流源置零（开路）；受控源作用体现在自阻、互阻或自导、互导中，所以在进行分析是要始终保留在电路中7/26/2024•叠加时，先选好电压和电流参考相量；•叠加定理只适合计算电压和电流一次函数的内容，不适合用来计算功率，计算功率由戴维南或诺顿定理来实现•叠加定理是分析线性电路的基础，线性电路的许多定理可以由此推导线性电路的定理包括齐性、替代、戴维南、诺顿、特勒根和互易等•举例：同步发电机派克方程，对称分析法等7/26/20241 12 27/26/20243 基本构造元素R/C/L特征7/26/2024 从上可见，虽然储能元件电感、电容的瞬时功率可正、可负，它在一段时间内（t1至t2时刻）吸收的能量可正、可负，但是，在零状态响应时，吸收的能量恒大于零。

零状态响应吸收的能量恒大于零的物理意义是：耗能元件功率为正，u（t）i（t）永远同极性；储能元件初始无储存能量，初始阶段吸收能量功率为正，u（t）i（t）同极性，开始储存能量随后，进行能量交换，吸收、释放释放能量的前提是储存有能量，所以储存能量永远为正 7/26/2024第二部分 基本分析方法1 相量分析法2 对称分析法3 分析方法的关系7/26/20241 相量分析法 正弦量三要素，振幅、频率和初相角，在研究稳态工频量时，频率是常数，由欧拉公式，可以将同频率的正弦量转换为复数运算其中： 7/26/2024 用复数（相量）代表交流正弦量，用复数量进行电力系统的稳态分析交流正弦量的加、减、微分、积分等运算转换为复数量的代数运算交流正弦量对时间的导数转换为对应的复数量与jw的乘积；交流正弦量的积分转换为对应的复数量与1/jw的乘积这样就将交流微分、积分方程转换为复数的代数方程从而简化电力系统的稳态分析计算7/26/20247/26/20242 对称分析法基本原理： 不对称的三相电压和电流相量是它们的对称的正序、负序和零相量之和反之亦然分析步骤：•将故障点的不对称三相电压和电流分别用它们的三个序分量代替，并相应地形成从故障点看进去的正、负、零序三个等值网络；•以故障点对称分量（序分量）的相关表达式为边界条件，形成故障状态的复合序网络图；•根据复合序网图求出故障点的三相序电压和三相序电流，最终可求出三相实际的电压相量和电流相量。

7/26/20247/26/20247/26/20247/26/20241三序网相互独立2正常运行和对称故障只有正序不接地两相短路有正序和负序接地短路和不对称断线有正、负、零序3负序和零序属故障分量，其对应的序网络是无源网络，外加源在故障点4 相量图分析、对称分析是复杂现象分析的基础7/26/2024第三部分 电力系统稳定综述1 简介 2 内电势描述及测量 3 振荡4 系统稳定7/26/2024•自然功率（波阻抗负荷）自然功率（波阻抗负荷）－指的是输电线路的受端每相接入一个波阻抗为 的负荷引入自然功率是一种比较不同电压等级输电线路输电能力和分析电压、无功调节的一种方法•负荷角负荷角－功率因素角，表现了元件或负荷特性对于整个系统的能量特征1.1 名词7/26/20241.2 电力系统构成 由发、变、输、配、用（一次）等设备和相应的测量、监视、控制、保护、通信(二次)等系统，按规定的技术和经济要求组成的，将一次能源转换为电能，并输送和分配到电力用户的一个统一的系统 7/26/20241.3 功角•发电机功角δ是发电机内电势Eq与机端电压之间的夹角，内电势Eq所在位置与发电机q轴重合（对于隐极机），但q轴当前位置无法直接测量，工程实际中能通过测量键相脉冲信号间接得到内电势Eq的相位。

•定义定义：发电机送入系统的电功率与功率角的关系两种描述方式：发电机内电势与系统母线间的角差；应用中，也将两条母线间的角差作为功率角7/26/20241.4 有（无）功－角简化条件：•线路并联电抗完全补偿线路容抗•线路并联支路电抗近似为无穷大7/26/2024说明：隐极机发电机的转子是对称的，对于dq0坐标系统来说，发电机的d轴和q轴同步电抗相等7/26/20247/26/20247/26/20241.5 同步相量及其测量•3.1相量 phasor•正弦量可用相量表示, 相量的模代表正弦量的幅值, 在工程实践中相量的模有时也采用有效值；相量的幅角代表正弦量的初相角与前叙述一致)•3.2 同步相量 synchrophasor•以标准时间信号作为采样过程的基准，通过对采样数据计算而得的相量称为同步相量因而，电力系统交流电气量的相量之间存在着确定的相位关系7/26/2024•3.3 相量测量装置 phasor measurement unit (PMU)•用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态记录的装置PMU的核心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量、失去标准时钟信号的守时能力、PMU与主站之间能够实时通信并遵循有关通信协议。

•备注：参见《电力系统实时动态监测系统技术规范》7/26/2024•同步相量－对采样脉冲的跳变时刻进行时刻校准，因处于不同地域的时刻均来自同一个时钟源，所以由不同地域的采样装置采集数据计算出的相量就具备了同步的特征7/26/20247/26/2024•同步相量测量－正常工作时，相量装置能收到GPS信号，1PPS对采样脉冲进行同步，然后，由装置保证在秒之间保证采样点间的等时均匀性(秒间时间均匀性)，从而不仅保证秒脉冲点的相量准确性，还能保证秒脉冲间的相量准确性•当装置不能得到GPS信号时，类似秒脉冲之间相量同步性特性一样，依靠精密的守时电路来保证失星之后一定时间内数据点的同步均匀性•所以失星的守时能力是反映同步相量测量精度的重要指标当然，同步相量测量的精度还体现在AD位上7/26/20242 内电势描述及测量•脉冲法•电气量法•神经网络法•零序谐波分量法7/26/20242.1 脉冲法脉冲法发电机内电势发电机内电势测测 量量 仪仪PMU 在转子周围安装光、电刷或电磁装置，后者接收由前者产生的脉冲信号或其它与转子位置或速度相关的量，进而通过一定的变换来实现功角的测量7/26/2024PEq=07/26/20247/26/20242.2 电气计算法电气计算法PMUU If(Xd ,Xq, Xd’,Xq’,U,I) 采集同步发电机的输出电压、电流或/和其他电气量，通过理论分析和计算获得功角。

7/26/20247/26/20243 振荡－定义•电路中的电场能和磁场能（与之对应的电荷Q和电流i）做周期性交替变化的现象叫做电磁振荡现象，微观实质是导线中的电子在其平衡位置附近做简谐振动•产生的大小和方向交替变化的电流叫做振荡电流，能产生振荡电流的电路叫振荡电路，如LC振荡电路．7/26/20243.2 类型•在电磁振荡中，如果没有能量损失，振荡应该永远持续下去，电路中振荡电流的振幅应该永远保持不变，这种振荡叫做无阻无阻尼振荡尼振荡或等幅振荡等幅振荡•事实上，任何电路都有电阻，要消耗能量，还有一部分能量要辐射到周围空间中去这样，振荡电路的能量将逐渐损耗，振荡电流的振幅将逐渐减小，直到最后停止振荡这种振荡叫做阻尼振荡阻尼振荡或减幅振荡减幅振荡7/26/2024 如果能适时地把能量补充到振荡电路中，用来补偿电路中的能量损耗，那么在振荡电路中也可以得到无阻尼振荡实际工作中需要的等幅振荡是用振荡器来产生的7/26/20243.3 电力系统振荡 电力系统运行机组间有时会出现功率振荡的问题，振荡频率的范围在0.23Hz，因此称为低频振荡在振荡过程中，参与振荡的机组转子会进行相对摆动，输电线路功率来回传输，影响系统的正常运行，严重时导致系统失步。

7/26/2024 在特定条件下，系统提供的负阻尼作用抵消了系统电机、励磁绕组和机械等方面的正阻尼，使系统总阻尼很小或为负而系统在负阻尼工况下受到扰动时，扰动会逐渐变大，引起低频振荡7/26/2024举例•2005年10月29日•这天入夜时分，在华中电网调度中心，当墙上的时钟指向22时22分时，调度台上红色的机突然发出刺耳的铃声，江西省电力调度中心汇报，鄂赣联络线负荷有摆动，摆动幅度为360至10兆瓦同时，网调发现斗双线潮流在800至1200兆瓦之间来回摆动同一时刻，湖北电力调度中心也接丹江电厂急报，该厂4条220千伏出线潮流发生明显摆动更为严重的是，22时22分至26分，丹江电厂机组发生剧烈振荡！发电机组轰鸣！电压大幅摆动！•紧接着，黄龙滩水电厂、襄樊电厂、荆门热电厂、葛洲坝二江电厂、汉川电厂、陡岭子电厂、十堰地调、220千伏随州变电站等地也纷纷报告发生功率振荡7/26/2024•此时，湖北电力调度中心调度显示，华中电网供鄂实际值在3000兆瓦至4600兆瓦间摆动•分秒之间，省电力调度中心值班人员，按照事故预案冷静思考，果断下令黄龙滩水电厂将出力由530兆瓦压减至300兆瓦，同时下令鄂东机组增加出力200兆瓦，与此同时三峡电厂运行人员对机组励磁调节等也采取相应措施，随即振荡衰减消失。

•随后，消息传来，振荡波及华中地区6个省市，涉及全网500千伏线路、骨干机组和鄂西北220千伏电网7/26/20243.4 分析方法1.峰值法2.Prony算法3.自激法4.选择模式分析法7/26/20243.5 引发条件7/26/20243.6 抑制方法•坚强的网络结构•合理的运行方式•控制调节设备如PSS，呈容性，相位超前补偿由于励磁系统和电机励磁绕组引起的滞后，可较大幅度提高系统阻尼水平，有效抑制低频振荡•其他7/26/20244 系统稳定 发电机在电力系统受到扰动后保持同步的能力，由其电磁力矩，包括同步力矩和阻尼力矩决定 电力系统稳定性由各发电机的同步力矩和阻尼力矩的大小和正负决定没有足够的同步力矩会造成转子滑行步步没有足够的阻尼力矩会造成振荡失步或低频振荡 7/26/20247/26/20244.1 分类•静态稳定静态稳定－电力系统受到小扰动后，不发生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力（稳定储备系数）•暂态稳定暂态稳定－电力系统受到大的干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的平衡状态或恢复到原来稳定运行状态的能力（维持等面积能力），通常指第一或第二振荡周期不失步。

7/26/2024•动态稳定动态稳定－电力系统受大的或小的扰动后，不发生振幅不断增大的振荡而失步•电压稳定电压稳定－电力系统在给定的运行条件下，遭受扰动后，系统中所有母线电压能继续保持在可接受的水平的能力核心问题是输电网络在传输有功和无功时，线路电抗要产生电压降落•频率稳定频率稳定－电力系统在给定的运行条件下，遭受扰动后，系统中所有母线频率能继续保持在可接受的水平的能力频率稳定与频率特性有关，电力系统静态频率特性用系统频率调节系数表示 7/26/20244.2 静稳分析系统正常运行时，原动机机械功率Pm与发电机输出功率P0在功率角0点平衡系统出现微小扰动时，原动机功率不变Pm，a`点电功率大于原动机功率，发电机减速， 减小， 向原始平衡点移动，经若干次功率角摆动，重新回到平衡点7/26/2024•00< <900时，系统运行稳定•900< <1800时，系统运行不稳定•＝900时，7/26/20244.3 暂稳分析7/26/2024 系统正常运行时，原动机机械功率Pm与发电机输出功率P0在功率角0点平衡 线路故障时，系统由P1曲线的a点转移到P2的b点。

原动机机械功率来不及变化，当输出功率减小，发电机转子在过剩功率转矩的作用下开始加速，功率角增加 功率角增大到C，故障切除，运行点将由功－角特性P2上C点转移到故障后的P3上的e点此时输出功率大于原动机功率，发电机受到制动力矩作用而减速7/26/2024 转子在惯性作用下， 继续增加，直到f点上转子回到同步转速时， 角达最大值后，在制动力矩作用下开始减少，越过新的功率平衡点k后转子又开始加速，最终达到同步转速后在平衡点k运行  角沿功角特性曲线角沿功角特性曲线P3来回摆动，在发电机阻尼作用下，来回摆动，在发电机阻尼作用下，最终在新的最终在新的k点运行，保持同步，就说明暂态稳定点运行，保持同步，就说明暂态稳定7/26/2024 在曲线P3上继续增加时，当越过最高点之后，制动力矩作用不足以让 减小，导致故障后的功角越拉越大，最终导致发电机失去同步，说明系统在大扰动情况下失去暂态稳定7/26/20244.4 电压稳定分析7/26/2024小干扰电压稳定分析•在任意的负荷功率因数下，输电线路有一个固定的输送功率最大值，即功率极限•低于最大功率的任意功率可以有两个不同的电压UR值。

正常运行在较高的值•负荷功率因数对线路输送的最大功率有明显的影响感性负载Q为正，线路输送的功率极限和UR较低容性负荷Q为负，UR较高，因而线路输送功率极限高7/26/2024 电压稳定性判据和稳定性裕度目前尚处于研究和总结运行经验之中，尚不完善电压稳定性判据，除确定系统扰动判据外，还需要确定稳定性能判据，通常将扰动后母线电压幅值不低于某一指定值作为判据 小干扰电压稳定性裕度指输电线受端当前运行点到临界电压点或输电线路可能输送的最大有功或无功的距离，也可以用受端允许的电压降落来表示电压的稳定性裕度7/26/2024大干扰电压稳定 电力系统在给定运行点受到大的扰动，如果负荷节点电压能达到扰动后的平衡点的电压值，则称为电压稳定，否则系统将发生电压崩溃电压不稳定(崩溃)引发原因：• 系统负荷自然增长• 受端系统突跳发电机• 大功率输电线路的故障跳开• 扰动的连锁反应，导致多重或转移故障的发生• 过量地采用并联电容器电压不稳定(崩溃)根源：系统的无功储备不足7/26/2024 电压崩溃通常表现为电压缓慢的衰减过程但也有例外情况，如感应电动机和直流输电换流器引起的电压不稳定，电压崩溃的时间可能只有几秒钟，几乎与转子功角失稳的时间相同。

所以电压崩溃的时间，短则几秒钟，长则几分钟，甚至十几分钟7/26/20244.5 稳定与输电距离的关系•对于中、长输电距离(300km及以上)来说，特高压输电线路的输电能力主要受功角稳定、包括静态稳定、动态稳定和暂态稳定的限制；•对于中、短距离(80～300km)来说，主要受电压稳定性的限制；•对于短距离输电(<80km)来说，主要受到热稳定极限的限制7/26/20244.6 功角工程应用的难点1 基准功角点难选取；2 功角的有效性；3 功角定值的动态性；7/26/20244.7三道防线及安全稳定控制系统 1）电力系统供电要求2）安全稳定的诱因 3）稳定控制措施 4）三道防线布置 5）安全稳定系统及其进展7/26/20241）供电可靠性要求•电力系统可靠性是在所有可能的运行方式、故障下，供给所有用电点符合质量标准和所需数量的电力的能力是保证供电的综合特性（安全性和充裕性）可靠性是通过设备投入、合理结构及全面质量管理保证的•安全性是指电力系统在运行中承受故障扰动的能力表现为两个特征（1）电力系统能承受住故障扰动引起的暂态过程并过渡到一个可接受的运行工况，不发生稳定破坏、系统崩溃或连锁反应；（2）在新的运行工况下，各种运行条件得到满足，设备不过负荷、母线电压、系统频率在允许范围内。

•充裕性是指电力系统在静态条件下，并且系统元件负载不超出定额、电压与频率在允许范围内，考虑元件计划和非计划停运情况下，供给用户要求的总的 电力和电量的能力•电力系统稳定性是电力系统受到事故扰动（例如功率或阻抗变化）后保持稳定运行的能力包括功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性7/26/20242）电力系统扰动7/26/20243）稳定控制措施7/26/20244）三道线布防 7/26/20245）安全稳定系统及其进展 •预决策模式•跨区域互连•混合策略表运行模式•多类型装置混连•多功能通讯融合•动态安全域功能扩展7/26/2024 安全稳定控制系统主要用于电力系统的大扰动控制，主要驻守在电力系统的第二道防线上，事实上，安全稳定控制系统的数据采集、故障判断、方式判别、策略搜索等功能完全可用于对系统安全稳定性的评估，有学者建议在安全稳定控制系统上实现动态安全域法，以实现大电网综合稳定的联合协调控制 7/26/2024第四部分 发电厂实时监测系统4.1 基本功能4.2 系统构成4.3 系统特点7/26/20244.1基本功能7/26/20244.2 系统构成7/26/20244.3 系统特点ü业内首创 PAC-3000/1是国内第一套专门针对发电厂开发的基于PMU的实时动态监测系统，提供了励磁特性、一次调频特性、AGC调节速率等针对电厂的大量高级应用模块。

ü运行可靠 PAC-3000/1采用分层架构，各模块独立运行的同时又保持协调作业，高级应用模块可裁剪、可扩充，应用调度模块实时监视系统的运行情况，保证了系统的可靠运行先进RAID5技术，实现硬盘的更换ü稳定高效 国内首次将extremedb实时数据库应用于电力系统的监测系统7/26/2024ü功能完备 PAC-3000/1系统具有实时监视、事故预警、历史数据分析等多种功能，同时通过接收由主站下发的参考相量PAC-3000/1系统还可以观测本厂与系统的参考相角间的相角差ü安全坚固 系统除具有坚强的UNIX内核操作系统安全体系外，还具有应用级的授权机制和完备的日志记录，保证系统运行的安全性和可追忆性7/26/20247/26/2024谢谢！。