第1章 绪论

1.1 电力系统概述

1.1.1 电力系统组成

电能是一种清洁的二次能源，便于传输和使用，通过用电设备可以将电能转换成其他形式的能量加以利用，例如，通过电动机可以将电能转换成机械能带动机械负载做功，通过照明灯具可以将电能转换成光能进行照明。电能是现代生产和生活中重要的基础能源之一，由于其所处的基础性地位，因此对其质量和可靠性都有较高的要求。

电力系统（Power System）是包含生产电能、输送电能、分配电能、变换电能和使用电能的一个整体。图1-1是一个简单的电力系统结构示意图。

通过图1-1可以简单了解电能从生产到使用的整个过程。发电厂生产电能，经过升压变压器将电压升高后送到高压输电线上，由输电线路将电能送到变配电所，经过多次降压后，将电能送给用电设备使用。

电力系统去掉发电厂的电气部分和用电设备，其他部分称为电力网，简称电网。电力系统与发电厂的热能部分和动力部分合起来称为动力系统，三者之间的关系如图1-2所示。

电力系统包括4个组成部分：发电厂、变配电所、电力线路和电力用户。

1.发电厂

发电厂是生产电能的工厂，其将自然界中存在的某些一次能源转变成电能。由于自然界中不存在足量可控的电能，因此发电厂是电力系统不可缺少的组成部分。发电厂一般根据一次能源来命名，例如，火力发电厂、水力发电厂、核电站、风力发电场等。火力发电是传统的发电方式，技术成熟，但是耗能大，污染环境，目前仍然是我国发电的主要方式。风能是一种绿色能源，利用风力发电可以节约常规能源的使用，减少污染气体的排放，是一种具有潜力的发电方式。下面分别对火力发电和风力发电的工作原理进行简单介绍。

（1）火力发电 图1-3是某火力发电厂的生产过程示意图。首先将煤磨成煤粉喷入锅炉中燃烧，加热管壁内的水，经过加热成为高温、高压的水蒸气，推动汽轮机转动，带动同轴发电机发电产生电能，做过功的水蒸气经过冷凝器冷却后，经过水泵重新送回到锅炉内加热。

（2）风力发电 目前风力发电系统的结构主要分为双馈风力发电系统和永磁风力发电系统两种，下面以永磁风力发电系统为例介绍风力发电的工作原理，如图1-4所示。

风力机将风的动能转变为机械能，经过变速齿轮箱改变转速，再由永磁风力发电机将机械能转变成电能，然后由变频器改变电压频率，将电能送给电网。

2.变配电所

变配电所是电力系统的重要电力设施，其具有变换电压等级、接受和分配电能的作用。不含有变压器，只具有接受和分配电能功能的电力设施称为开关站、开闭所或配电所。发电机附近的变配电所为升压变配电所，其他为降压变配电所，设置升压变配电所的目的是为了大功率远距离传输电能时减小线路上的电能损耗，设置降压变配电所是出于安全和绝缘考虑，降压后将电能供给用电设备。

按照电压等级和地位不同，降压变配电所又分为枢纽变配电所、城市电源变配电所、区域变配电所、总降压变配电所、车间变配电所、公用变配电所和专用变配电所等。

3.电力线路

电力线路用于传输电能，其分为输电线路和配电线路，输电线路传输距离远，传输电能容量大，电压等级高，一般将发电厂升压后的电能送给各个变配电所。配电线路将电能送给下级变配电所或用电设备。

出于节约生产成本和提高经济效益的角度考虑，发电厂一般建设在一次能源丰富的地区，例如，盛产煤的地区，高山峡谷地势落差大的地区。因此发电厂离负荷中心较远，需要由输电线路将电能输送到负荷中心。负荷是分散的且归属不同，因此需要由配电线路将集中的电能分配给散布的用户。

4.电力用户

电力用户消耗电能，是电能使用者。按照行业划分，电力用户分为工业企业用户、商业用户和居民用户等。工业企业用户最多，占总耗电量的70%以上。

1.1.2 电力系统其他结构形式

以上包含发电、输变电、变配电和用电4个环节的电力系统是目前主流结构形式。而由于新能源发电、分布式发电和微网的兴起，电力系统结构形式变得更加多样化，以适应各种不同的场合。

由于常规能源短缺、大气污染严重等问题，结合“双碳”目标，各种分布式光伏发电系统得到了广泛应用。例如，许多企业在厂房的空闲屋顶安装光伏阵列板，自产自用电能，既减小电网电能消耗，减轻电网负担，又能节省企业用电开销，降低生产成本。这种自产自用系统省去了输电和配电环节，只含有发电和用电环节。

1.1.3 电力系统运行特点

1.可靠性高

电能是关系生产和生活的基础性能源，中断供电会在经济、政治和人身安全等方面产生影响，因此必须采取措施保证供电的可靠性。

2.生产和消费实时平衡

目前交流电能还不能大量存储，因此要求生产和消费实时平衡，消耗多少电能，发多少电能，并做好电能调度。电力系统通常采用联网运行方式，不同地区的电源连接起来构成网络，共同给用户供电，实现电源和负荷之间的电能平衡。

3.暂态过程要求短暂

系统故障会损坏系统元件，影响系统正常运行，因此出现故障时要求系统能够快速响应，切除故障，减小故障影响程度，快速恢复系统正常运行。因此电力系统一般配有自动监测和保护装置。