区域性的电力系统规划设计

1 引言
电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。

作为一种先进的生产力和基础产业，电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到重要作用。

近些年来，随着我国经济的持续快速健康发展，电力工业也突飞猛进，电力建设项目在全国遍地开花。

因此，做好电力系统的设计规划工作，事关国家的长治久安和人民群众的切身利益，也是我们这些即将走上工作岗位的大学生义不容辞的责任。

本课题就是一个区域电力系统的规划设计，它的背景来源于我国南方水利资源较丰富，但又不足以满足全部电力需求的地区。

这样的规划设计对于促进这些地区的经济协调发展有十分重要的意义。

在设计中，我们要实现投资的合理性，同时又要保证系统具有很高的可靠性。

我国电力系统运行的八字方针是：“安全可靠，优质经济”。

做好电力系统的规划设计，电力系统的可靠性是首先要保证的问题。

在电力系统的规划、设计、运行的全过程中，坚持系统全面的可靠性定量评估制度是提高电力系统效能的有效方法。

在可靠性评估中，除了对可能出现的故障进行故障分析，采取相应措施以减少故障造成的影响外，还可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，首先要确定可靠性目标，然后应用评估手段，依据可靠性准则确定故障准则并对故障严重性做出估计。

2003年美加大停电给我们留下的记忆还历历在目，当时局面一片混乱，人行道和马路上挤满了步行的人群，许多乘客在30摄氏度的高温下手足无措，地铁全部瘫痪，成千上万名在地铁车站内等车的乘客呆在黑暗中，美国和加拿大东部广大地区一切都陷入停滞之中。

这次事故发生的直接原因是多重并发事故同时发生，但根本原因却是控制相互联接的电网系统之间所必须的计划、协作和沟通体系的崩溃。

随着我国各大区域电网公司的组建，在区域电力市场发展的同时，需要加强区域电网的统一调度，运行方式的统一安排和电网的统一管理。

包括负荷的统一安排，电厂检修的统一安排，负荷的统一平衡。

同时，在区域电网之间建立一个机制来加强计划、协调、沟通和控制，也是亟待考虑的一个重要课题。

强制性的电力可靠性标准和规程可以在电力系统控制的基础层面帮助解决
计划，协调和沟通系统之间的崩溃。

中国实行“厂网分开”以后，必须建立合理的电网投资回报机制，设计合理的输电电价体系，以吸引电网的持续投资。

与此同时，为适应电力需求快速增长，电网规划需要有一定的提前性，适度超前以较好地适应发展的需求。

2 电力系统有功功率平衡和发电厂装机容量的确定
2.1 电力系统有功功率平衡
电力系统有功功率平衡是指运行中，所有发电厂发出的有功功率的总和∑max
P
，在任何时
刻都等于该系统的总负荷
∑max
i P。

(1) 不同时期的各类负荷值： 系统综合最大用电负荷:0
max
max i P
K P
=∑∑
式中：0K ——同时率，0K 1≤，取0K =90%; 系统综合最大供电负荷：*10%y y s P P P =+初
(13%)%y y s P P P =-+中（1-3）*10% %%*10%y y s P P P =末（1+10）+（1+10）
()%=%g P P -火发
初中末水发（1-10）P （1-2） 系统综合最大发电负荷: P =g P P +厂用发
表2-1：不同时期的各类负荷
其中：系统的有功备用容量∑P R 包括： 1.国民经济备用：取最大负荷的5%。

2.负 荷 备 用 ：取最大负荷的（2～5）%。

大系统取小值，小系统取大值。

3.事 故 备 用 ：取最大负荷的10%，但不得小于最大一台机组的容量。

4.检 修 备 用 ：如在一年中最小负荷季节（大修）和节假日（小修）能够完全分期分批地安排所有机组的检修，则不需设置。

2.2 火电厂装机容量的确定
根据事故备用负荷不小于电厂中最大一台机组容量来重新确定火电厂的装机容量。

根据上述，拟建火电厂的容量为100MW 机组6台，同时根据火电厂机压负荷最终确定汽轮机型号、参数.
查《电气工程电气设备手册》，选用双水内冷系列的汽轮机，型号为 QFS-100-2。

参数为：
cos ϕ=0.85，N U =10.5kV ，''d x =0.67. 2.3 发电机组检修计划的制定
(1)根据上述数值，可分别计算出机组年初、年中、年末发出的功率，即：年初：sh P =598.89MW; 年中：sh P =580.923MW ；年末：sh P =658.78MW 。

由此，可绘制出有功年最大负荷曲线，如图3-1所示：
图3-1 有功年最大负荷曲线
(2)各时期，需要检修的机组容量表3-2所示：
表3-2.检修计划表
3确定电力网的最佳接线方案
3.1 电力网络的方案初选
考虑可能的网络连接方式，对显然不合理的方案予以淘汰：
其首要依据为电力系统的供电可靠性，其次可通过满足备用情况的线路长度、高压断路器的数量及调度的灵活性等指标来取舍，最后只保留少数几个方案进行下一步的经济比较。

从可靠性角度分，电网接线基本上可以分为无备用网络和有备用网络两大类。

无备用网络又可分为单回路放射式和单回路链式；有备用网络又可分为双回路放射式、双回路链式、环网和双回路与环网混合型等。

从电网结构繁简程度分，并从如何分析、控制稳定水平着眼，电网结构又可分为简单结构和复杂结构两种。

属于简单结构的电力系统是分析机电暂态过程时可以归结为等值两机系统的电力系统。

如果在分析电力系统机电暂态时不能归结为两机系统，则电力系统应该用3台或更多台等值发电机来表示，这就属于复杂结构的电力系统了。

本题目属于复杂电力系统。

电力网络初选的情况见表3.1。

表3.1 电力网络方案初选
3.2 确定电力网的最佳接线方式
针对网络方案初选后剩下的两个方案，从总投资和总年运行费两个方面进行经济技术比较。

若总投资和总年运行费一大一小时，则采用偿还年限法进行经济比较，最后确定其中之一为最佳接线方案。

3.2.1 导线的选型和校验
（1）导线型号的选择 方案三
对于双母线接线方式，导线传输的最大功率，在最大负荷的70%和重要负荷中选大者。

本方案中各变电所的进线均为双母线接线，其上传输的最大负荷见表3-2。

由于最大负荷利用小时数max T =5000h ，查经济电流密度表，J=1.15A/2mm 。

又cos φ=0.85。

根据max I S J =
= 方案六
对于双母线接线方式，导线传输的最大功率，在最大负荷的70%和重要负荷中选大者。

本方案中3、4变电所和水厂组成环网，其余各变电所的进线均为双母线接线，其上传输的最大负荷见表3-3。

⑵按电晕条件校验导线截面
武汉高压研究所推荐，在年平均电晕损失△P 不大于线路电阻损失的20%、导线表面最大电场强度不大于临界电场强度的85%时，可不必验算电晕的导线最小直径如下表
[10]
：
表3.4 不必验算电晕的导线最小直径（mm ） 故方案三和方案六所选的导线都无需进行电晕校验。

⑶按导线长期容许电流校验导线截面
按容许发热条件的持续极限输送容量的计算公式为：
max max e W I
式中： max W ——极限传输容量（MVA ）；
e U ——线路额定电压（kV ）；
max I ——导线持续容许电流（kA ）。

⑷按机械强度校验导线截面
为了保证架空线路必要的安全机械强度，对于跨越铁道、通航河流和运河、公路、通信线路、居民区的线路，其导线截面不得小于352
mm 。

所以，方案三和方案六不需要进行机械强度校验。

⑸按电压损失校验导线截面
线路的允许电压损失，应根据线路首端的实际电压水平而确定。

一般允许电压损失，在无损失要求的条件下，线路正常运行方式为额定电压的10%，事故时为额定电压的15%。

利用阻抗关系的功率分布求得各段线路的电压损失，数据如下表4-9所示：
通过上表可知，两方案的电压损失均满足要求 3.2.2 确定电力网络的最佳接线方式
针对网络方案初选后剩下的两个方案，从总投资和总年运行费两个方面进行经济技术比较。

若总投资和总年运行费一大一小时，则采用偿还年限法进行经济比较，最后确定其中之一为最佳接线方案。

一般，标准抵偿年限T 为10年（负荷密度大的地区取最小值；负荷密度小的地区取最大值）。

当T 大于标准抵偿年限时，应选择投资小而年费用较多的方案；反之，则选择投资多而年费用少的方案。

在本设计中，方案6的工程投资小于方案3的工程投资：
=-63Z Z =1220.08(万元)
而方案6的年运行费用也小于方案3的年运行费用 =-63F F 85.24（万元）
由于方案6的总投资和年运行费均比方案3要少，所以通过比较得出最佳接线方案为方案6。

4 发电厂及变电所电气主接线的确定
4.1 电气主接线设计原则
电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。

对主接线的基本要求，概括地说应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。

本设计主要进行技术比较，经济性只作定性论证。

技术比较是根据发电厂及变电所的容量、规模、运行方式、电压等级、负荷性质、回路数及其在系统中的作用等进行全面的分析论证。

一般从以下几个方面进行分析：
⑴供电的可靠性； ⑵运行的灵活性； ⑶检修与维护的方便性； ⑷接线与继电保护的简化； ⑸具有扩建的可能性。

4.2 电气主接线的基本接线形式
主接线的基本形式，包括有汇流母线和无汇流母线的接线方式。

有汇流母线的接线形式可概
括地分为单母线接线和双母线接线两大类；无汇流母线的接线形式主要有桥形接线、角形接线和单元接线。

⑴单母线接线及单母分段接线
单母线接线既可保证电源并列工作，又可使任一出线都可以从任一电源获得电能。

优点是：接线简单，操作方便，设备少，经济性好，并且母线容易向两边延伸，扩建方便。

缺点是：①可靠性差。

母线或母线隔离开关检修或故障时，所有回路都要停止工作。

②调度不方便。

电源只能并列运行，不能分列运行，并且线路侧发生短路时，有较大的短路电流。

所以，单母线接线一般只用在出线回路少，并且没有重要负荷的发电厂和变电站中。

将单母线用分段断路器进行分段，可以提高供电可靠性和灵活性。

对重要用户可以从不同段引出两回馈电线路，由两个电源供电；当一段母线发生故障时分段断路器自动将故障段隔离，保证正常段母线不间断供电，不致使重要用户停电；两段母线同时故障的概率很小，可以不予考虑。

在可靠性要求不高时，也可用隔离开关分段，任一段母线故障时，将造成两段母线同时停电，在判别故障后，拉开分段隔离开关，完好段即可恢复供电。

分段的数目，通常以两到三段为宜。

这种接线广泛用于中、小容量发电厂和变电站的6~10kV 接线中。

在重要负荷的出线回路较多、供电容量较大时，一般不予采用。

⑵双母线接线及双母线分段接线
双母线接线有两组母线，并且可以互为备用。

每一电源和出线的回路，都装有一台断路器，有两组母线隔离开关，可分别与两组母线连接。

两组母线之间的联络，通过母联断路器来实现。

这就使得运行的可靠性和灵活性大为提高，同时扩建也很方便。

双母线接线广泛用于：出线带电抗器的6~10kV配电装置；35kV~60kV出线数超过8回，或连接电源较大、负荷较大时；110~220kV 出线数为5回及以上时。

为了缩小母线故障的停电范围，可采用双母线分段接线。

双母线分段接线比双母线接线增加了两台断路器，投资有所增加。

但双母线不仅具有双母线接线的各种优点，并且任何时候都有备用母线，有较高的可靠性和灵活性。

双母线分段接线被广泛应用于发电厂的发电机电压配电装置中，同时在220~500kV大容量配电装置中，不仅常采用双母线三分段接线，也有采用双母线四分段接线的。

⑶带旁路母线的单母线和双母线接线
断路器经过长期运行和切断数次短路电流后都需要检修。

为了能使采用单母线分段和双母线
的配电装置检修断路器时，不致中断该回路供电，可增设旁路母线。

随着高压配电装置广泛采用六氟化硫断路器及国产断路器、隔离开关的质量逐步提高，同时系统备用容量的增加、电网结构趋于合理与联系紧密、保护双重化的完善以及设备检修逐步由计划检修向状态检修的过渡，为简化接线，总的趋势将逐步取消旁路设施。

⑸变压器母线组接线
各出线回路由2台断路器分别接到两组母线上，变压器直接通过隔离开关接到母线上，组成变压器母线接线。

这种接线调度灵活，电源和负荷可以自由调配，安全可靠，有利于扩建。

在远距离大容量输电系统中，对系统稳定和供电可靠性要求较高的变电站中采用。

⑹单元接线
单元接线是所有主接线基本形式中最简单的一种。

单元接线，开关设备少，操作简便，以及因不设发电机电压级母线，而在发电机和变压器低压侧短路的几率和短路电流相对于具有发电机电压级母线时，有所减小。

4.3发电厂及变电所的电气主接线分析
在本题目所给的电力系统中，水电厂有4台机组，均采用发电机–双绕组变压器单元接线。

火电厂有6台机组，均采用发电机–变压器单元接线，220kV母线采用双母线接线。

3#、4#变电所高压侧均是环网连接，都只有2条线路和2个变压器，故采用外桥接线。

1#、2#、5#、6#变电所高压侧均是双回输电线路送电，也都只有2条线路和2个变压器，故采用双母线。

附：电力系统电气主接线图。

5发电厂及变电所的主变压器和高压断路器的选择
5.1发电厂主变压器的选型
发电机与主变压器为单元连接时，主变压器的容量可按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%裕度。

发电机电压母线与系统连接的变压器一般选用两台。

对装有两台变压器的发电厂，其变压器
容量按能承担70%的电厂容量选择，即当其中一台主变压器退出运行时，另一台主变压器仍能承担全部电厂的容量。

水电厂：=*110%/cos S S S ϕ-厂用水变水（）
火电厂：=*110%/cos S S S ϕ-厂用火变火（）
变电站：S=
P
COS ϕ
水电厂选择型号为OSFP-100000/220的变压器，参数如下表：
表5-1 水电厂主变压器参数表
火电厂选择型号为SFP-120000/220的变压器，参数如下表：
表5-2
火电厂主变压器参数表
5.2 变电站主变压器的选择
根据相关的设计规范：因为#1，#2，#3，#4， 4个变电所都有重要负荷，因此每个变电所都
选择两台主变为宜，变压器的最大负荷为
∑⨯=P
K P M 0，对具有两台主变的变电所，其中一
台主变停运时，其余变压器容量应满足全部负荷的70%以上。

各变电所的主变压器的型号、参数见表6-2所示
表5-3 各变电所变压器参数表
5.3 高压断路器的选择
5.3.1 短路电流计算原理 ⑴计算的目的
①选择断路器的遮断电流，并对今后高压断路器等设备的制造提出短路电流方面的要求及其研究限制系统短路电流水平的措施；
②为确定送电线路对附近通信线电磁危险的影响提供计算资料；
③电网接线和电厂、变电所电气主接线的比选。

（2）利用叠加定理，首先计算故障点处正常情况下的电压，然后将所有的电源置零（短路接地），通过网络化简，求得网络对短路点的等值电抗∑
X ，计算短路点电流之后，进一步计算其他待
求值。

5.3.2 短路电流计算及断路器选型
绘制等值电路图。

设B S =100MVA ，B U =av U ，计算各元件的电抗标么值。

23456789101111213141516
171819
20
2122
2324
2526
2728
29303132
图5-1 短路电流计算等值电路图
1. 选择基准电压和基准容量
基准电压B U 选择短路点所在的电网额定电压，此设计取av U 。

基准容量B S 选择100MVA 。

2. 求元件的电抗标幺值
（1）架空、电缆线路电抗标幺值： 2
*U S L
X X B
L L ⨯= （2）变压器电抗标幺值： T
B
k T S S U X ⨯
=
100%* （3）发电机电抗标值： GN
B
d
G S S X X *
*= 3. 求短路回路总电抗标幺值
从电源到短路点的总电抗是所在元件的电抗标幺值之和。

4. 三相短路最大冲击电流瞬时值
根据产生最大短路电流的条件，短路电流周期分量和非周期分量叠加的结果是在短路后经过半个周期的时刻将会出现短路电流的最大瞬时值，即12k sh sh I K i = ；此设计系数取1.85 5. 基本步骤
首先计算各断路器回路的最大持续工作电流。

然后按额定电压和额定电流来选择断路器：
N U ≥NS U ，N max I I ≥；式中：N U
，N I ——断路器的额定电压和额定电流； NS
U ——断路器安装处的网络额定电压；
max
I ——断路器回路的最大持续电流。

接着短路电流计算，进行断路器的动、热稳定校验
Ⅰ.短路的热稳定条件 K t Q t I >2
4 ；
式中K Q ——为周期分量热效应
()S kA *2； t I I I Q t
t k 412
10"2
22
2⨯++=
t
I ——t 秒内设备允许通过的热稳定电流有效值（kA ）；
t ——设备允许通过的热稳定电流时间（s ）。

Ⅱ.短路的动稳定条件 df
sh i i ≤
式中
sh
i ——短路冲击电流峰值（kA ）;
df
i ——电气设备允许的极限通过电流峰值（kA ）
查电气工程设备手册，选用LW-220型断路器，一下各表是断路器相关参数和计算数据的比较情况。

变电所1高压侧断路器的选择与校验，列表如5-4所示
表5-4 变电所１高压侧断路器的选择结果表
变电所2高压侧断路器的选择与校验，列表如5-5所示
表5-5 变电所2高压侧断路器的选择结果表
变电所3高压侧断路器的选择与校验，列表如5-6所示
表5-6 变电所3高压侧断路器的选择结果表
变电所4高压侧断路器的选择与校验，列表如5-7所示
表5-7 变电所4高压侧断路器的选择结果表
变电所5高压侧断路器的选择与校验，列表如5-8所示
表5-8 变电所5高压侧断路器的选择结果表
变电所6高压侧断路器的选择与校验，列表如5-9所示
表5-9 变电所6高压侧断路器的选择结果表
6电网潮流计算
电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算。

它的任务是根据给定的运行条件和网路结构确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布以及功率损耗等。

电力系统潮流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。

潮流计算的意义在于：
在电网规划阶段,通过潮流计算,合理规划电源容量及接入点,合理规划网架,选择无功补偿方案,满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求。

在编制年运行方式时,在预计负荷增长及新设备投运基础上,选择典型方式进行潮流计算,发现电网中薄弱环节,供调度员日常调度控制参考,并对规划、基建部门提出改进网架结构,加快基建进度的建议。

正常检修及特殊运行方式下的潮流计算,用于日运行方式的编制,指导发电厂开机方式,有功、无功调整方案及负荷调整方案,满足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求。

预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及作出预想的运行方式调整方案。

总结为在电力系统运行方式和规划方案的研究中，都需要进行潮流计算以比较运行方式或规划供电方案的可行性、可靠性和经济性。

同时，为了实时监控电力系统的运行状态，也需要进行大量而快速的潮流计算。

因此，潮流计算是电力系统中应用最广泛、最基本和最重要的一种电气运算。

在系统规划设计和安排系统的运行方式时，采用离线潮流计算；在电力系统运行状态的实时监控中，则采用在线潮流计算。

本设计对最大负荷丰水期，最大负荷枯水期，最小负荷丰水期，最小负荷枯水期四种情况进行潮流计算。

电力网在传输功率的过程中要在输电线路和变压器上产生功率损耗。

由两部分组成：一部分是在网络元件阻抗上产生的损耗，这部分损耗随传输功率的增大而增大，另一部分是在网络元件导纳上产生的损耗。

6.1 元件参数计算
电流在输电线路阻抗上的功率损耗为 )(~2
1
2
121
JX R U Q P S L ++=∆ 变压器中阻抗上的功率损耗为 =
∆T S ~
2))(100%(N
C N S S S S
S U j
P +∆ 导纳中的功率损耗
输电线路 2
115.0BU Q B -=∆ 变压器 =∆0~
S N S I j P 100
%
00+∆
6.2电网潮流计算
丰水期最大负荷的潮流计算结果：
表6-1 丰水期最大负荷潮流计算结果
丰水期最小负荷的潮流计算结果：
表6-2 丰水期最小负荷潮流计算结果
枯水期最大负荷的潮流计算结果：
表6-3 枯水期最大负荷潮流计算结果
枯水期最小负荷的潮流计算结果：
表6-4 枯水期最小负荷潮流计算结果
7 无功平衡及电压调整
7.1 无功平衡计算
⑴运行时应满足：
∑Q G =∑Q D +∑ΔQ L
式中：∑Q G ——系统中所有无功电源发出的无功功率； ∑Q D ——系统中所有负荷所需要的无功功率；
∑ΔQ L —网络元件中的无功功率损耗。

⑵全系统应有一定的无功功率储备：
Q R =∑Q N —∑Q G
式中：∑Q R ——系统的无功储备；
∑Q N ——系统无功电源设备容量。

说明：必须保证Q R /∑Q D max ＞（7～8）%，否则说明无功电源不足，将不能保证系统运行中的电压水平，甚至会危及到系统的电压稳定性，造成极为严重的后果，此时就必须进行无功补偿。

本设计采用丰水期最大负荷时的无功功率来计算比较：
∑∑∑∆+=Q Q Q
D GC
经计算G Q ∑＞D C Q Q Q ∑+∑∆-∑（458.067＞358.791），满足要求。

7.2 调压计算
系统中的负荷不断发生变化，负荷的变化将引起电压的波动，由于负荷点数数目多且分散，不可能也没有必要对每一个负荷点的电压进行监视和调整，而是对一些主要供电点，即电压中枢点进行调整。

调整中枢点电压的措施常用的有四种，由于改变发电机励磁的调压措施简单、经济，就优先考虑；当系统中无功功率充裕时，各变电所的调压可以通过选择变压器分接头来解决；当电压变化幅度比较大或要求逆调压时，可以采用有载调压变压器；当系统中无功功率不足时，可采用同步调相机、并联电容器、静止补偿装置等无功补偿装置。

由上可知，本设计通过选择变压器分接头来调压。

1） 分别算出最大负荷和最小负荷方式下的分接头电压，即
max 2max max 1max 1U U U U T f ∆-=
；min
2min
min 1min 1U U U U T f ∆-=；
2） 分别选择一个最接近的分接头，校验最大负荷和最小负荷时低压母线上的实际电压是否符合要求。

计算结果如下表 丰水期
枯水期
2 电力系统有功功率平衡和发电厂装机容量的确定
2.1 电力系统有功功率平衡 ⑴系统综合最大用电负荷：
0max max i P K P =∑∑=90%×(130+120+65+70+50+125)=504MW
⑵系统综合最大供电负荷：
*10%y y s P P P =+初=504+504*10%=554.4 MW
(13%)%y y s P P P =-+中（1-3）*10%=488.88+48.89=537.77MW %%*10%y y s P P P =末（1+10）+（1+10）=554.4+55.44=609.84MW ()%=%g P P -火发初中末水发（1-10）P （1-2）
⇒ =332.89314.41394.49P 火发初、中、末
（3）系统综合最大发电负荷：
=P =g P P +厂用发初554.4+332.89*10%+260*2%=598.89MW
中537.77+314.41*10%+260*2%=580.41MW
末609.84+394.49*10%+260*2%=660.49MW 2.2 火电厂装机容量的确定 ⑴国民经济备用：504×5%=25.2MW ⑵国民经济备用：504×5%=25.2MW ⑶事故备用：。

504×10%=50.4MW ⑷检修备用
=25.250.425.2=100.8P MW ++备
=+=P P P 火装火末备394.49+100.8=495.29MW。