电能系统基础
河海大学电气工程学院
陈星莺 廖迎晨
第七章 电能系统的运行与管理
7.1 电能系统的运行与管理问题
7.2 电能系统的有功平衡与频率调整
7.3 电力系统的无功平衡与电压调整
7.4 电能系统有功, 无功经济分配
7.5 电能系统运行稳定性的基本概念
7.6 电力电子技术在电能系统运行中的应用
7.7 能量管理系统 EMS
7.8 配电管理系统 DMS
7.1电能系统的运行与管理问题 (1)
电能系统运行与管理的主要内容有:
1) 调整系统频率在规定范围内 。
系统频率偏移过大的危害:
? 对用户的影响:生产效率下降, 产生次品和废品 。
? 对发电厂的影响:汽轮机叶片谐振, 发电机温度升高,
电压下降, 辅机功能下降 。
? 对系统运行的影响:互联电力系统的解列,发电机解
列。
7.1电能系统的运行和管理问题 (2)
2) 监视和控制电压在规定范围内 。
3)确保运行调度的经济性。
4) 安全分析和安全控制 。
5)尽可能满足环保要求。
系统电压过低或过高都会影响用电设备运行的安全性和
经济性。
6) 对复杂的电力市场要求所提出的运行方式评
估其可操作性 。
7.2.1电能系统的有功平衡 (1)
gLG PPPP ????????? 1
∑P G-电网中所有发电机发出功率的总和 。
∑ PL-电网用户负荷总和 。
∑ ?Pl-网络中线路和变压器上的有功功率损耗 。
∑ ?Pg-网络内发电厂本身厂用电总和 。
1.有功功率平衡关系:
7.2.1电能系统的有功平衡 (2)
2.备用容量:
系统中的发电容量大于负荷的部分。
热备用:运行着的发电设备可能发的最大功
率与系统实际的负荷之差;
冷备用:系统中未运行的发电设备可能发的
最大功率。检修中的发电设备不属于冷备用。
7.2.2发电机与负荷的功率 ——频率特性 (1)
1,电力网负荷的功率 ——频率特性
负荷的功率 — 频率特性:系统的其他因素保持不
变, 负荷吸取的有功功率的大小随系统频率变化的
静态关系 。
f
PK L
L ?
??
负荷功频静特性的斜率:
7.2.2发电机与负荷的功率 ——频率特性 (2)
2,发电机的功率频率 ——特性
发电机的功 — 频静特性:发电机原动机随机
组转速变化不断改变进气量或进水量, 而频率将
随发电机功率的增大而线性的降低的特性 。
7.2.3 电能系统频率的一次调整
一次调频指通过发电机的调速器实现的,对
幅度小的负荷变化引起的频率偏移的调整。
在图中起始运行点 --O
点, 系统负荷与发电机发
出功率相平衡 。
当系统负荷突然增加, 系
统工作于新的平衡点 O'
OG S OLO PPP ??
LLOOO PPPP ??????
GSO PP ???
7.2.4 电能系统频率的二次调整 (1)
二次调频是通过发电机的调频器实现的,对
由于幅度较大的负荷变动引起的频率偏移的调整。
调频器的作用是使发电机的功频静特性平行移动。
7.2.4 电能系统频率的二次调整 (2)
OOO ????? ?????? ?? 运行点运行点初始运行点 二次调频一次调频
7.2.4 电能系统频率的二次调整 (3)
二次调频后,负荷的变化量由三部分组成:
? 二次调整后,发电机组增发的功率 ΔPG0(图中
线段 OC)。
? 调速器动作,发电机增发的功率:图中线段 BC
? 负荷本身因调节效应而减少的功率:图中线段
AB。
7.3.1 电力系统的无功平衡 (1)
无功平衡,系统无功电源发出的无功功率与
系统的无功负荷及无功损耗相平衡。
1.无功负荷及无功损耗
1) 无功负荷:滞后功率因数运行的用电设备所吸取的
无功功率 。
2)无功损耗,包括输电线路无功损耗和变压器的无功
损耗。
7.3.1 电力系统的无功平衡 (2)
2,无功电源
包括同步发电机、调相机、电容器、静止无功
补偿、线路充电功率。
3,无功平衡
TLLGC QQQQ ?????????
321 CCCGGC QQQQQ ?????????
QG-发电机发出的无功。 QC1-调相机发出的无功。
QC2-电容器供给的无功。 QC3-静止补偿器供给的无功。
7.3.2电力系统无功功率对电压的影响
负荷的静态电压特性:仅考虑电压变化对负荷
吸取无功功率的影响特性,即负荷的无功功率与端
电压的关系。
结论,系统无功
不足将导致网络电压
水平降低。
7.3.3电压监视点与电压管理 (1)
1,电压监视中枢点
在系统中选择少数有代表性的发电厂、变电
所作为电压监视点,称为电压监视中枢点。
一般选择区域性发电厂的高压母线,枢纽变
电所的二次母线以及有大量地方性负荷的发电厂母
线及少量负荷端母线作为电压监视中枢点 。
7.3.3电压监视点与电压管理 (2)
2,中枢点电压控制
? 逆调压方式
顺调压方式
?恒调压方式
7.3.4 电压调整的方法
1.发电机调压
通过调节励磁电流改变发电机电压,允许调节
范围(95%~105%) UN。
2.调节变压器分接头调压
3.改变电力网无功功率分布调压
4.改变输电线路参数调压
7.4.1忽略线损时电能系统有功经济分配 (1)
整个系统单位时间的燃料费用:
? ?Gi
m
i
i PFF ?
?
?
1
发电机组的燃料费用特性:
发电机组的燃料费用与有
功出力的关系。
燃料费用微增率:
?t a n?
GdP
dF
7.4.1忽略线损时电能系统有功经济分配 (2)
设系统只有火电厂, 系统进行有功经济分配时,
应保证:全系统每小时的燃料费用最小 。
即,F=min。 并应满足以下条件:
1)电能系统的有功功率平衡:
? ? 0,,
1
21 ??? ?
?
m
i
GiDGmGG PPPPPh ?
式中,PD-有功负荷的总和。
7.4.1忽略线损时电能系统有功经济分配 (3)
只考虑等式约束, 可得拉格朗日函数:
2) 各发电机出力均不越限 。
m a xm i n GiGiGi PPP ?? m a xm i n GiGiGi QQQ ??
3) 系统各点电压不越限。
m a xm i n KKK UUU ?? nK,,2,1 ????
? ? ? ?GmGGGi
m
i
i PPPhPFL ?21
1
,??? ?
?
7.4.1忽略线损时电能系统有功经济分配 (4)
0??
?
??
?
? ?
iG
i
Gi P
F
P
L
?????
Gm
m
GG dP
dF
dP
dF
dP
dF ?
2
2
1
1
拉格朗日函数 L的无条件极值的必要条件:
或写成:
dFi/dPGi- 发电机i的燃料费用微增率。
7.4.1忽略线损时电能系统有功经济分配 (5)
等耗量微增率准则:
为使系统的燃料总耗量最小, 应按相等的燃
料费用微增率在发电机组 ( 或发电厂 ) 间分配有
功功率负荷 。
7.5 电能系统运行稳定性的基本概念
7.5.1 电能系统的同步运行稳定性
7.5.2 电能系统的频率稳定
7.5.3 电能系统的电压稳定
7.5.1电能系统的同步运行稳定性
当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后, 经过
一定时间能回到原来的运行状态, 或者过渡到一个新的稳
定运行状态, 则认为系统在该方式下运行是稳定的 。
反之,若系统不能回到原来的运行状态,或者不能建
立一个新的稳定运行状态。则系统是不稳定的。
静态稳定
电力系统受到小干扰后, 不发生周期性的失步, 自动
恢复到原始运行状态的能力 。
暂态稳定
电力系统受到大的干扰后, 各同步发电机保持同步运
行, 并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力 。
7.5.2电能系统的频率稳定
当系统有较大的功缺额时, 频率将大幅下降, 最终
将破坏系统的稳定运行, 造成系统大面积停电 。
按频率自动减负荷,是防止频率崩溃的有效措
施。
7.5.3电能系统的电压稳定
电压稳定:系统 在正常运行情况下, 当负荷变动时,
系统电压可以随时稳定于某一定值, 就称这时的系统电
压是稳定的 。
图中,
a是系统电压稳定运行
点,b点为系统电压的不
稳定运行点。
系统电压稳定的判据:
0
2
??
du
Qd
7.6电力电子技术在电能系统运行中的应用
7.6.1 直流输电系统及其运行特性
7.6.2 灵活交流输电系统及其运行特性
7.6.1 直流输电系统及其运行特性 (1)
1,直流输电的优点
1) 远距离输电时尤其是海底或地下输电的经济性好 。
2) 可以提高系统运行的稳定性 。
3) 由于阀控调节方便, 是 一种非常灵活的输电方式,
因而运行特性好 。
4) 以直流互联后的交流系统短路容量基本上不增大 。
5) 线损小 。
6) 无线路电容电流, 线路 电压分布平稳, 因而不须 无
功补偿 。
7) 运行可靠性好 。
7.6.1 直流输电系统及其运行特性 (2)
2,直流输电缺点
1) 换流站费用高, 在运行中需吸收较多无功且 需滤
波装置 。
2) 换流器过载能力较小 。
3) 目前尚无可靠的直流断路器, 限制了直流多 端的
联结方式 。
7.6.2 灵活交流输电系统及其运行特性
灵活交流输电系统 FASTS( Flexible Ac
Transmission Systems) 又称柔性交流输电系统。
7.7 能量管理系统 EMS( Energy Management System)
7.7.1,数据采集与监控系统 SCADA
7.7.2 状态估计 SE
7.7.3 安全分析 SA
7.7.4 安全控制 SC
7.7.5 自动发电控制 AGC
7,7.6 电压与无功功率控制
7.7.7 调度员培训仿真 DTS
7.7.1.数据采集与监控系统 SCADA
SCADA的主要功能:
1) 数据采集与数据处理 。
2) 监视与报警 。
3) 事件顺序记录与事故追忆 。
4) 数据管理
7.7.2 状态估计
用来对系统中某一时刻的遥测遥信信息进
行数据处理, 提高实时数据精度,剔除不良数
据, 补充测量的不足 。
7.7.3 安全分析 SA
对运行中的电能系统进行各种可能发生的
预想事故的预计算, 对计算后认为是不安全的
系统给出对策, 消除运行中存在的隐患 。
安全分析内容包括静态安全分析 (属于潮流计算
性质 )和暂态安全分析(属于稳定计算性质)。
7.7.4 安全控制 SC
7.7.5自动发电控制 AGC
7.7.6 电压与无功功率控制
1,在线运行时, 电压与无功功率控制的目的是:
1) 保证用户的电压水平 。
2) 合理利用无功能源使网损最小 。
3) 保持系统中枢点电压, 以满足电压稳定性
的需求 。
7.7.7 调度员培训仿真 DTS
DTS用于培训调度人员,使之有能力对电能系
统进行运行管理。
7.8配电管理系统 DMS
7.8.1 需方管理 DMS
7.8.2 无人值班变电所与变电所综合自动化 。
7.8.3 馈线自动化 FA
7.8.4 自动作图 /设备管理 /地理信息系统
DMS是面向用户供电的自动化系统,其目的是
提高配电网安全水平,提高供电质量,降低线损,
节约能耗,提高供电可靠性。
7.8.1 需方管理 DMS
DMS包括的内容有:
1) 负荷控制
2) 负荷曲线调整
3) 需方发电 DSG
4) 节电管理
5) 停电呼叫 TC与停电管理系统 OMS
7.8.2无人值班变电所与变电所综合自动化
主要功能有:
1、以计算机屏幕代替仪表盘,可监视原始测量数据和计
算机处理后的数据,可显示主系统状态和参数以及事故时
的故障范围,并对控制回路的状况进行监视。
2、可用计算机鼠标和键盘控制断路器与变压器调压开关。
3、数据的计算、统计、记录与打印。
变电站总和自动化的功能
4、利用计算机屏幕直接显示中央信号。
5、具有事件顺序记录功能。
6、具有事故追忆功能。
7、采用先进的微机保护,可实时监视继电保护运行参数
和工作状态。
8、可节省控制电缆和电压、电流互感器的负载容量。
9、可定期对系统进行自查自诊断,保证其可靠性。
变电所无人值班和变电所综合自动化的优点
变电所无人值班和变电所综合自动化的优点:
1、提高变电所与电网的安全经济运行水平。
2、处理故障迅速,恢复供电快,提高了系统的
可靠性。
3、为电能系统提供了完整的重要的实时数据与
历史数据。
4、减少变电站占地面积。
5、减少运行人员,减少人为故障机会。
馈线自动化 FA
7.8.3 馈线自动化 FA
馈线自动化的主要功能:
1、可以对远方各区段的电压、电流、功率及开关位置进
行正常监视。
2、可以根据需要对馈线上的各种开关进行远方控制实现
网络重构。
3、可以对馈线的配电变压器的电度量进行远方采集、记
录和计算。
馈电自动化的主要功能
4、可以对配电变压器低压侧的补充电容器进行远方
投切操作。
5、当馈线上任一区段发生永久性故障时,能快速自动
查找故障区段并自动隔离该区段,迅速恢复非故障区段
的供电。
自动作图 /设备管理 /地理信息系统
7.8.4 自动作图 /设备管理 /地理信息系统
主要功能:
1、拓扑网络着色。
2、自动动态链接。
3、小区分割处理。
4,Auto CAD双向接口。
5、跳闸事件报告。
6、能接入其它计算软件。