电力系统的基本概念

电力系统基本知识培训讲稿
第二讲电力系统的基本概念
本讲目的：
通过本讲希望大家对电能的生产、输送、分配及消费整个过程有所了解。

本讲知识点：
●发电厂的种类，电厂中如何将其他形式的能量转化为电能；
●电力系统的结构；
●电力系统的特点；
●电能质量的主要指标；
●电压等级的概念；
●电力系统的负荷类型；
1电能的生产过程
1.1 发电厂的种类：
1.1.1火力发电厂：要耗用大量燃料，发电成本较高，技术管理较为复杂，但却具有投
资少、建期较短、布局和规模灵活、可以既供电又供热等许多优点。

这就决定了
热力发电在绝大多数国家的电力工业中均占有很大的比重，也是我国电力工业中
生产电能的主要方式之一；
1.1.2水力发电厂：不需要消耗燃料，发电成本较低，运行操作比较简单，但水电站工
程浩大、投资多、建期长，布局和规模受自然条件的限制，其发电能力在枯水季
节将大幅度减小；
1.1.3原子能固然是巨大的能源，但由于原子能用于发电起步较晚，以致原子能发电量
在全世界总发电量中所占的比重仍然不大；
1.1.4风力发电厂：受到地理环境的很大限制，况且容量较小，又不易控制；
1.1.5至于太阳能发电、地热发电和潮汐发电等，目前它们的规模都还很小，其应用场
所亦受客观特定条件的限制。

1.2 电能的生产过程
以火力发电厂为例，电能产生的流程如图1所示
从能量转换的角度来看，各热力发电厂的生产过程本质上都是一样的。

因为它们的能量转换都是由燃料的燃烧开始，燃料在炉内燃烧时，它的化学能首先转变为烟气的热能；当烟气沿锅炉炉膛及其后面的烟道流过时，它的热能就逐步传递给在锅炉各部分受热面内流动的水、蒸汽以及空气(在此单纯传热的过程中，显然，并未发生能量形式的变化而只不过是热能从一种介质传递给另一种介质)。

锅炉所产生的新蒸汽进入汽轮机后逐级进行膨胀，蒸汽的部分热能就转变为汽流的动能；高速汽流施加作用力于汽轮机的叶片上，推动了叶轮连同整个转子旋转，汽流的动能于是被转换成汽轮机机轴上机械能。

汽轮机通过靠背轮(联轴器)带动发电机转动，机械能则被转换成发电厂的产品——交流电。

由上述可见，现代热力发电厂的主要组成部分包括热力和电气两大部分，其中锅炉、汽轮机、发电机为发电厂的三大核心设备。

图1
2 电力系统的结构
如附录上图所示，电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电五个环节组成的。

附带说说能量管理系统(EMS)和 配电管理系统（DMS ）
能量管理系统(EMS)是监督、控制和管理以发电、输电和变电为主的综合自动化系统，它主要包括数据采集与临控(SCADA)、自动发电控制(AGC)和发电计划、网络分析(NA)、调度员培训模拟（DTS ）几大部分。

配电管理系统（DMS ）是变电、配电用电过程的综合自动化系统，主要包括数据采集与监控（SCADA ）、网络分析（NA ）、自动负荷控制（ALC ）、
煤
高质量煤粉
热量
水
蒸汽
推动汽轮机转子转动获得机械能
拖动发电机转子发出交流电
主变压器升压产生高压电
进电网
厂用配电设备
厂用电
调度员培训模拟（DTS）几大部分。

附录下图示出了一个电力系统和电力网络示意图。

其中，锅炉和反应堆分别将化学能和核能转化为热能，汽轮机又将后者转化为机械能，水轮机则直接将水能转化为机械能。

发电机将机械能转化为电能，而变压器和电力线路则变换、输送、分配电能，电动机、电热电炉、电灯等消耗电能。

在这些设备中，电能又分别转化为机械能、热能、光能，等等。

由此可见，广义的电力系统应该是由锅炉、反应堆、汽轮机、水轮机、发电机等生产电能的设备，变压器、电力线路等变换、输送、分配电能的设备，电动机、电热电炉、电灯等各种消耗电能的设备，以及未示于图中的测量、保护、控制装置乃至能量管理系统所组成的统一整体，是一个十分庞大而复杂的研究对象。

电力系统中，由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的部分称电力网络。

电力系统的结线方式：分无备用和有备用结线两类。

无备用界线：单回路放射式、干线式和链式网络；
有备用结线：双回路放射式、干线式、连式、以及环式和两端供电网络。

3电力系统的特点
3.1 电能生产、输送、消费的特点
电能也是商品，和其它商品一样，也有其生产、输送和消费。

但电能及其生产、输送和消费，却有极明显的特殊性。

3.1.1电能与国民经济各个部门之间的关系都很密切
由于电能与其它能量之间转换方便，宜于大量生产、集中管理、远距输送、自动控制，使用电能较其它能量有显著优点，各部门都广泛使用电能。

电能供应的中断或减少将影响国民经济的各个部门。

3.1.2电能不能大量储存
电能的生产、输送和消费实际上是同时进行的。

即发电设备任何时刻生产的电能必须等于该时刻用电设备消费与输送中损耗电能之和，而且这一数值还随时间不断变化。

3.1.3生产、输送、消费电能各环节所组成的统一整体不可分割
由于电能不能大量储存，必须保持电能生产、输送、消费流程的连续性，由这些环节组成的统一整体——电力系统，是不可分割的。

3.1.4电能生产、输送、消费工况的改变十分迅速
发电机、变压器、电力线路、用电设备的投入或退出都在一瞬间完成，且电能从一处输送至另一处所需的时间以10－3 ~10－6 s计，所以电能生产、输送、消费工况的改变十分迅速。

3.1.5对电能质量的要求颇为严格
电能质量的好坏指电源电压的大小、频率和波形能否满足要求。

电压的大小、频率偏离要求值过多或波形因谐波污染严重而不能保持正弦时，都可能导致产生废品、损坏设备，甚至大面积停电。

因此，对电压大小、频率的偏移以及谐波分量都有一定限额。

而且，由于系统工况时刻变化，这些偏移量和谐波分量是否总在限额之内，需经常监测，要求颇严。

3.2 对电力系统运行的基本要求
根据电能生产、输送、消费的特殊性，对电力系统的运行有如下三点基本要求。

3.2.1保证可靠的持续供电
供电的中断将使生产停顿、生活混乱，甚至危及人身和设备安全，形成十分严重的后果。

停电给国民经济造成的损失远远超过电力系统本身的损失。

因此，电力系统首先要满足
可靠、持续供电的要求。

3.2.2保证良好的电能质量
电能质量包含电压质量、频率质量和波形质量三个方面。

电压质量和频率质量一般都以
偏移是否超过给定值来衡量，例如给定的允许电压偏移为额定值的±5%，给定的允许频
率偏移为±0.2～0.5Hz等。

波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量(畸变率指周期性
交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比(用百分数表示)。

所谓保
证波形质量，就是指限制系统中电流、电压的谐波，而其关键则在于限制各种换流装置、电热电炉等非线性负荷向系统注入的谐波电流。

3.2.3保证系统运行的经济性
电能生产的规模很大，消耗的一次能源在国民经济一次能源总消耗中占的比重约为1/3，而且电能在变换、输送、分配时的损耗绝对值也相当可观。

因此，降低每生产一度电所
消耗的能源和降低变换、输送、分配时的损耗，有极重要的意义。

在这一方面，又有两
个考核电力系统运行经济性的重要指标，即煤耗率和线损率。

所谓煤耗率，是指每生产
1kW·h电能所消耗的标准煤重，以g/kW·h为单位，而标准煤则是指含热量为29.31MJ/kg
的煤。

所谓线损率或网损率，是指电力网络中损耗的电能与向电力网络供应电能的百分
比。

4电能质量的主要指标
电压合格率为系统中所有电压监视点定时测得的合格电压次数与全部测量次数的百分比，频率合格率为系统频率合格的时间长度与全年时间长度的百分比。

其它的一些指标：
发电设备利用率（或发电设备平均利用小时数）指发电设备全年所发电能与设备容量之比。

负荷率指全年平均负荷与最大负荷的百分比，
5电力系统的联合
根据对电力系统运行的基本要求，最好将单一系统联合，组成联合电力系统。

这样，可大大提高供电的可靠性，减少为防止设备事故引起供电而设置的备用容量；更合理地调配用电，降低联合系统的最大负荷，提高发电的利用率，减少联合系统中发电的总容量；更合理地利用系统中各种类型的发电厂，从而提高运行的经常性。

同时，由于个别负荷在系统总负荷中所占比重的减小，其波动对系统电能质量的影响也将减小。

联合电力系统容量很大，个别机组的开停甚至故障，对系统的影响将减小，从而可采用大容量、高效率的机组。

这些都是建立我国全国性联合电力系统构想的重要依据。

但也应指出，为使个别系统联合，需要投资，尤其是系统间相距较远，所需资金很可观。

6电压等级的概念
6.1 电力系统的额定电压等级
近代电力系统中，各部分电压等级之所以不同，是因三相功率S和线电压U、线电流I之间关系为S＝3UI。

当输送功率一定时，输电电压愈高，电流愈小，导线等载流部分的截面积愈小，投资愈小；但电压愈高，对绝缘要求愈高，杆塔、变压器、断路器等绝缘的投资也愈大。

综
合考虑这些因素，对应于一定的输送功率和输送距离应有一最合理的线路电压，但从设备制造角度考虑，为保证生产的系列性，又不应任意确定线路电压。

另外，规定的标准电压等级过多也不利于电力工业的发展。

考虑到现有的实际情况和进一步的发展，我国国家标准规定的标准电压（又称额定电压）如表6-1所示。

选择电力线路电压时，只能选用国家规定的电压等级。

现将表中用电设备、发电机、变压器的额定电压之所以不一致，以及它们与线路额定电压之间的关系说明如下：
经线路输送功率时，沿线路的电压分布往往是始端高于末端。

所谓线路的额定电压U N实际就是线路的平均电压(U a+U b)/2,而各用电设备的额定电压则取与线路额定电压相等，使所有用电设备能在接近它们的额定电压下运行。

由于用电设备的容许电压偏移一般为±5%，而沿线路的电压降落一般为10%，这就要求线路始端电压为额定值的±105%，以使其末端电压不低于额定值的95%。

发电机往往接在线路始端，因此，发电机的额定电压为线路额定电压的105%。

变压器一次侧接电源，相当于用电设备，二次侧向负荷供电，又相当于发电机。

因此变压器一次侧额定电压应等于用电设备额定电压(直接和发电机相联的变压器一次侧额定电压应等于发电机额定电压)，二次侧电压应较线路额定电压高5%。

但又因变压器二次侧电压规定为空载时的电压，而额定负荷下变压器内部的电压降落约为5%。

为使正常运行时变压器二次侧电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压应较线路额定电压高10%。

只有漏抗很小时、二次侧直接与用电设备相联的和电压特别高的变压器，其二次侧额定电压才可能较线路额定电压仅高5%。

6.2 不同电压等级的适用范围
在表中所示的10种额定电压等级中，154、60kv电压等级不宜推广。

因根据经验，110kv以下的电压级差应超过三倍，如110、35、10kv；110kv以上的电压级差则以两倍左右为宜，如110、220、500kv。

因此，其它各级电压的使用范围，除3KV只限于工业企业内部采用外，大体是：500、330、220KV多半用于大电力系统的主干线；110KV既用于中小电力系统的主干线，也用于大电力系统的二次网络；35KV既用于大城市或大工业企业内部网络，也广泛用于农村网络；10KV则是最常用的更低一级配电电压；只有负荷中高压电动机比重很大时，才考虑以6KV配电的方案。

显然，这种划分不是绝对的，也不是一成不变的。

例如，在农业用电负荷较重的地区就以110KV作农村网络电压；随着容量的增大，大电力系统主干线电压级进一步提高后，330、220KV 就可能退而为二次网络电压。

用电设备额定线电压交流发电机线电压
变压器线电压
一次绕组二次绕组
3 3.15 3及3.15 3.15及3.3 6 6.3 6及6.3 6.3及6.6 10 10.5 10及10.5 10.5及11
15.75 15.75
35 35 38.5 (60) (60) (66) 110 110 121 (154) (154) (169) 220 220 242 330 330 345及363 500 500 525及550。