电力系统分析基础知识：概念、组成与运行要求
电力系统分析基础知识：概念、组成与运行要求
电力系统分析是电力工程领域的重要基础课程，对于理解电力系统的运行原理和优化策略具有重要意义。本文将从电力系统的概念、组成、运行要求、接线方式、电压等级、中性点接地方式以及负荷等多个方面进行详细讲解，帮助读者建立对电力系统的基本认知。
1 电力系统的概念和组成
电力系统：生产、输送、分配与消费电能的系统。包括：发电机、电力网和用电设备
现代电力系统是由电力系统主体、信息通信系统和电网监测、控制系统组成的统一整体，是一个巨大而又复杂的系统
电力网：电力系统中输送与分配电能的部分
动力系统：动力部分与电力系统组成的整体
2 对电力系统运行的基本要求
2.1 电能的特点
电能不能大量储存——目前通过储能改善
暂态过程非常短促
与国民经济及日常生活关系密切
2.2 电力系统运行的基本要求
八字方针：安全、优质、经济、环保
1、安全：保证可靠的供电
2、优质：保证电能质量合格
衡量电能质量的基本指标 ：电压、频率、波形
3、经济：要有足够的经济性
考核电力系统运行经济性的指标：煤耗率和网损率
煤耗率（水耗率）：生产一度电消耗的标准煤重
网损率：电网中损耗电能与供应电能的百分比
4、环保：坚持可持续发展和环境保护
发电过程中的固体、气体废料；核电的放射问题；输变电设备的电磁干扰问题。噪声问题等等
智能电网中：坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动
3 电力系统的接线方式和电压等级
3.1 电力系统的接线方式
分为有备用和无备用接线
1、无备用接线：负荷从一个方向取得电源
优点：简单、经济、运行方便
缺点：供电可靠性差
适用范围：二级负荷
（a）放射式 （b）干线式样 （c） 链式
2、有备用接线
（a）放射式样 （b） 干线式 （c） 链式
（d） 环式 （e） 两端供电网络
3.2 电力系统的电压等级
为什么电力系统规定如此多的电压等级？
根据S = U I S=UIS=UI输送一定功率时
电压高，电流小，材料投资少，绝缘投资大；
电压低，电流大，绝缘投资少，材料投资大。
所以，输送一定的功率有一个合适的电压。
但是一个系统中，电压等级也不能过多，应综合考虑
电气设备的额定电压(发电机,变压器,线路，用电设备)：
额定电压：电气设备在此电压下长期工作，效率和寿命最好
最高电压：考虑设备的绝缘性能确定的最高运行电压值
上表中用电设备、发电机、变压器额定电压不一致，原因：
1.负荷节点电压偏移要求±5%;
2.输电线路和变压器都有电压降
各设备额定电压选取规定如下：
用电设备：等于系统的额定电压
线路：等于系统的额定电压
发电机（电源）：规定比系统的额定电压高5%
变压器：
一次侧：相当于用电设备（等于系统的额定电压）；
与发电机直接相连时，则与发电机相同（比系统的额定电压高5%）
二次侧：相当于电源，其额定电压应比系统高5%；
一般情况下，考虑变压器内部的电压损耗（5%），实际应定为比线路高10％;
只有当漏抗很小、与电动机直接相连时或电压特别高时，才考虑比线路高5％。
4 电力系统的接线方式和中性点接地
星形联结变压器或发电机的中性点，即电力系统中性点的运行方式，是一个十分复杂的问题：关系到绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线等
中性点运行方式主要分为：直接接地和不接地
4.1 中性点直接接地系统
直接接地系统供电可靠性低
可靠性差原因：
中性点接地系统当发生单相接地时，故障相由接地点通过大地形成单相的短路回路。单相短路回路电流值很大，可使继电保护装置动作，断路器断开，将故障部分切除，故供电可靠性差
4.2 中性点不接地系统
中性点不接地系统又分为中性点不接地和中性点经消弧线圈接地
不接地系统供电可靠性高，但对绝缘水平的要求也高
正常运行时：
单相接地故障时：
不构成短路回路，接地电流不大，三相间线电压仍对称，不必切除接地相；
非故障相对地电压（相电压）升高为线电压（3 \sqrt{3}3 倍相电压），对绝缘要求高；
中性点不接地系统，相对地的绝缘水平应根据线电压来设计
因此，在我国：
110kV及以上系统的中性点直接接地；60kV及以下的系统中性点不接地
中性点经消弧线圈接地
为什么要经过消弧线圈？
接地点通过的电流为容性电流，其大小为原来相对地电容电流的3倍。这种电容电流不易熄灭，可能在接地点引起“弧光接地”，周期性的熄灭和重新发生电弧。“弧光接地”的持续间歇电弧很危险，可能引起线路的谐振现象而产生过电压，损坏电气设备或发展成为相间短路
其实就是在中线上串联电抗器补偿电容电流，使得接地点电弧更容易自行熄灭，提高了供电可靠性
装设原则：
3-6kV 电力网 (接地电流 >30A)
10kV 电力网 (接地电流 > 20A)
35-60kV 电力网 (接地电流 > 10A)
补偿方式：
欠补（I L < I C I_L<I_CIL <IC ）
过补（I L > I C I_L>I_CIL >IC ），一般采用这种方式
全补（I L = I C I_L=I_CIL =IC ），不允许，容易谐振
三种接地方式比较：
参量 中性点不接地 中性点直接接地
电流 接地点的电容电流是正常运行时一相对地电容电流的3倍 故障相电流和流入故障点的电流很大
中性点电压 中性点电压升高为相电压 故障相和中性点电压为零
非故障相电压 非故障相对地电压升高为线电压 非故障相对地电压仍为相电压
线电压 三相之间的线电压保持与正常时相同 与故障相相关的线电压降低为相电压
经消弧线圈接地:适当选择线圈感抗,接地点电流可减小到很小,且熄灭接地电流产生的电弧。其他特点与不接地系统基本相同
5 电力系统的负荷
5.1 电力系统负荷的概念
负荷：系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率总和。也称电力系统的综合用电负荷。是所有用户的负荷总加
电力系统的供电负荷：综合用电负荷加上电力网的功率损耗
电力系统的发电负荷：供电负荷加上发电厂厂用电消耗的功率
负荷分类（按负荷性质分类）：工业、农业、交通运输业、商业、生活等
5.2 负荷曲线
用曲线描述某一时间段内负荷随时间变化的规律
曲线分类：按负荷种类分为有功功率和无功功率曲线；按时间分为日负荷曲线和年负荷曲线
1、 日负荷曲线：制定发电计划的依据
一天的总耗电量为（单位：h）：
A d = ∫ 0 24 P d t A_d=\int^{24}{0}PdtAd =∫024 Pdt
日平均负荷为：
P d a v = A d 24 = 1 24 ∫ 0 24 P d t P{dav}=\dfrac{A_d}{24}=\dfrac{1}{24}\int^{24}{0}PdtPdav =24Ad =241 ∫024 Pdt
定义：
负荷率：
k m = P a v P max k_m=\dfrac{P{av}}{P_{\max}}km =Pmax Pav
最小负荷系数：
α = P min P max \alpha=\dfrac{P_{\min}}{P_{\max}}α=Pmax Pmin
2、年最大负荷曲线：为安装新机组、安排检修计 划提供依据
描述一年内每月（或每日）最大有功功率负荷变化的情况
3、年持续负荷曲线：按一年中系统负荷的数值大小及其持续小时数顺序排列绘制而成
全年耗电量：
A = ∫ 0 8760 P d t A=\int^{8760}{0}PdtA=∫08760 Pdt
最大负荷利用小时数：
T max = A P max = 1 P max ∫ 0 8760 P d t T{\max}=\dfrac{A}{P_{\max}}=\dfrac{1}{P_{\max}}\int^{8760}{0}PdtTmax =Pmax A =Pmax 1 ∫08760 Pdt
T max T{\max}Tmax 的含义是什么:
当用户始终保持最大负荷P max P_{\max}Pmax 运行时，经过T max T_{\max}Tmax 小时后所消耗的电能恰好等于其全年的实际总耗电量，最大负荷利用小时数，较大时对电网有利。