电力系统(卷名：电工)
power system
由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能(图1)。
电力系统的出现，使电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，出现了近代史上的第二次技术革命。20世纪以来，电力系统的大发展使动力资源得到更充分的开发，工业布局也更为合理，使电能的应用不仅深刻地影响着社会物质生产的各个侧面，也越来越广地渗透到人类日常生活的各个层面。电力系统的发展程度和技术水准已成为各国经济发展水平的标志之一。
发展简况 最早的电力系统是简单的住户式供电系统，由小容量发电机单独向灯塔、轮船、车间等照明供电。白炽灯的发明，使电能的应用进入千家万户，从而出现了中心电站式供电系统，如1882年T.A.爱迪生在纽约主持建造了珍珠街电站。它装有6台直流发电机，总容量为900马力（约670千瓦），用110伏电压供给电灯照明（开始时，近1300盏灯）。19世纪90年代初，三相交流输电研究成功，随之，三相感应电动机及交流功率表也先后研制成功，推动了电力系统的发展。1895年在美国尼亚加拉建成了复合电力系统，这是早期交流电力系统的代表。它装有单机容量为5000马力的交流水力发电机，用二相制交流2.2千伏向地区负荷供电，又用三相制交流11千伏输电线路与巴伐洛电站相连，还使用了变压器和交直流变换器将交流电变为100～230伏直流电，供应照明、化工、动力等负荷。尼亚加拉电力系统的成功，结束了长达10年的关于直流输电（以爱迪生为代表）与交流输电（以G.威斯汀豪斯为代表）方案之争。交流电力系统可以提高输电电压，增加装机容量，延长输电距离，节省导线材料，具有无可争辩的优越性。交流输电地位的确定，成为电力系统大发展的新起点。
进入20世纪后，人们普遍认识到扩大电力系统规模可以在能源开发、工业布局、负荷调整、安全与经济运行等方面带来显著的社会经济效益。于是，以电力负荷的增长、发电机单机容量的增大和输电电压的提高为基础，电力系统的规模迅速发展。发达国家的动力、冶炼、化工、轻工、生活用电等电力总负荷平均每10年增加一倍。70年代，火力发电的单机容量已达到130万千瓦，水力发电的单机容量达73万千瓦，核电站的最大单堆电功率达 130万千瓦。输电电压等级的提高是扩大电力系统规模的主要技术手段和必然途径。从20世纪初开始出现110千伏输电电压，到80年代许多国家普遍建立了500～765千伏超高压输电的电力系统。1150千伏和 1500千伏特高压输电也已进入试验或试运行阶段。50年代以来，电力电子技术的进步，使直流输电技术获得新生，实现了高压和超高压直流输电，配合交流输电组成交直流混合系统，改进了电力传输和系统互联的功能。
经过一个多世纪的发展，许多国家都建成了总装机容量数亿千瓦的区域性大电力系统，并且在本国或跨国间互联，例如英、法、德、意电力系统互联，加拿大与美国电力系统互联，苏联与东欧国家电力系统互联等。苏联还在全国范围建立起统一电力系统，东西延伸7000公里，南北延伸3000公里，覆盖了大约1000万平方公里的领土。从19世纪80年代的住户电站到20世纪80年代的联合电力系统，电力系统已经成为现代社会的能源动脉和基础产业，并且仍在继续发展和提高。
中国的电力系统从50年代以来迅速发展。到1991年底，电力系统装机容量为14600万千瓦，年发电量为6750亿千瓦时，均居世界第4位；220千伏输电线路达46056公里，330千伏输电线路3817公里。装机容量超过1500万千瓦以上的有东北、华北、华东、华中等 4个大区的电力系统。各大区电力系统之间已开始互联，逐步形成全国范围的联合电力系统。全国各级调度中，已经有约60个程度不同地建立了电力系统监控系统，其中投入运行的在线计算机约70台，省级调度管辖的远动装置约1200台。此外，1989年中国台湾省电力系统的装机容量达1659万千瓦，年发电量769亿千瓦时，345千伏输电线路1192公里。
系统构成 电力系统的主体结构有电源（水电站、火电厂、核电站等发电厂），变电所（升压变电所、负荷中心变电所等），输电、配电线路和负荷中心。各电源点还互相联接以实现不同地区之间的电能交换和调节，从而提高供电的安全性和经济性。输电线路与变电所构成的网络通常称电力网络。电力系统的信息与控制系统由各种检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调度自动化系统组成。电力系统的结构应保证在先进的技术装备和高经济效益的基础上，实现电能生产与消费的合理协调。其典型结构如图2。
根据电力系统中装机容量与用电负荷的大小，以及电源点与负荷中心的相对位置，电力系统常采用不同电压等级输电（如高压输电或超高压输电），以求得最佳的技术经济效益。根据电流的特征，电力系统的输电方式还分为交流输电和直流输电。交流输电应用最广。直流输电是将交流发电机发出的电能经过整流后采用直流电传输。
由于自然资源分布与经济发展水平等条件限制，电源点与负荷中心多处于不同地区。由于电能目前还无法大量储存，输电过程本质上又是以光速进行，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就成为制约电力系统结构和运行的根本特点。
系统运行 指系统的所有组成环节都处于执行其功能的状态。电力系统的基本要求是保证安全可靠地向用户供应质量合格、价格便宜的电能。所谓质量合格，就是指电压、频率、正弦波形这 3个主要参量都必须处于规定的范围内。电力系统的规划、设计和工程实施虽为实现上述要求提供了必要的物质条件，但最终的实现则决定于电力系统的运行。实践表明，具有良好物质条件的电力系统也会因运行失误造成严重的后果。例如，1977年7月13日，美国纽约市的电力系统遭受雷击，由于保护装置未能正确动作，调度中心掌握实时信息不足等原因，致使事故扩大，造成系统瓦解，全市停电。事故发生及处理前后延续25小时，影响到900万居民供电。 据美国能源部最保守的估计，这一事故造成的直接和间接损失达3.5亿美元。60～70年代，世界范围内多次发生大规模停电事故，促使人们更加关注提高电力系统的运行质量，完善调度自动化水平。
电力系统的运行常用运行状态来描述，主要分为正常状态和异常状态。正常状态又分为安全状态和警戒状态，异常状态又分为紧急状态和恢复状态。电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移(图3)。
各种运行状态之间的转移，需通过控制手段来实现，如预防性控制，校正控制和稳定控制，紧急控制，恢复控制等。这些统称为安全控制。
电力系统在保证电能质量、安全可靠供电的前提下，还应实现经济运行，即努力调整负荷曲线，提高设备利用率，合理利用各种动力资源，降低煤耗、厂用电和网络损耗，以取得最佳经济效益。
安全状态 指电力系统的频率、各点的电压、各元件的负荷均处于规定的允许值范围，并且，当系统由于负荷变动或出现故障而引起扰动时，仍不致脱离正常运行状态。由于电能的发、输、用在任何瞬间都必须保证平衡，而用电负荷又是随时变化的，因此，安全状态实际上是一种动态平衡，必须通过正常的调整控制（包括频率和电压──即有功和无功调整）才能得以保持。
警戒状态 指系统整体仍处于安全规定的范围，但个别元件或局部网络的运行参数已临近安全范围的阈值。一旦发生扰动，就会使系统脱离正常状态而进入紧急状态。处于警戒状态时，应采取预防控制措施使之返回安全状态。
紧急状态 指正常状态的电力系统受到扰动后，一些快速的保护和控制已经起作用，但系统中某些枢纽点的电压仍偏移，超过了允许范围；或某些元件的负荷超过了安全限制，使系统处于危机状况。紧急状态下的电力系统，应尽快采用各种校正控制和稳定控制措施，使系统恢复到正常状态。如果无效，就应按照对用户影响最小的原则，采取紧急控制措施，使系统进入恢复状态。这类措施包括使系统解列（即整个系统分解为若干局部系统，其中某些局部系统不能正常供电）和切除部分负荷（此时系统尚未解列，但不能满足全部负荷要求，只得去掉部分负荷）。在这种情况下再采取恢复控制措施，使系统返回正常运行状态。
系统调度 电力系统需要依靠统一的调度指挥系统以实现正常调整与经济运行，以及进行安全控制、预防和处理事故等。根据电力系统的规模，调度指挥系统多是分层次建立，既分工负责，又统一指挥、协调，并采用各种自动化装置，建立自动化调度系统。
系统规划 电能是二次能源。电力系统的发展既要考虑一次能源的资源条件，又要考虑电能需求的状况和有关的物质技术装备等条件，以及与之相关的经济条件和指标。在社会总能源的消耗中，电能所占比例始终呈增长趋势。信息化社会的发展更增加了对电能的依赖程度。以美国为例，1920～1970年期间，电能占能源总消耗的比例由11％上升到26％，90年代将超过40％。为满足用户对电能不断增长的需要，必须在科学规划的基础上发展电力系统。电力系统的建设不仅需要大量投资，而且需要较长时间。电能供应不足或供电不可靠都会影响国民经济的发展，甚至造成严重的经济损失；发电和输、配电能力过剩又意味着电力投资效益降低，从而影响发电成本。因此，必须进行电力系统的全面规划，以提高发展电力系统的预见性和科学性。
制定电力系统规划首先必须依据国民经济发展的趋势（或计划），做好电力负荷预测及一次能源开发布局，然后再综合考虑可靠性与经济性的要求，分别作出电源发展规划、电力网络规划和配电规划。
在电力系统规划中，需综合考虑可靠性与经济性，以取得合理的投资平衡。对电源设备，可靠性指标主要是考虑设备受迫停运率、水电站枯水情况下电力不足概率和电能不足期望值；对输、变电设备，可靠性指标主要是平均停电频率、停电规模和平均停电持续时间。大容量机组的单位容量造价较低，电网互联可减少总的备用容量。这些都是提高电力系统经济性需首先考虑的问题。
电力系统是一个庞大而复杂的大系统，它的规划问题还需要在时间上展开，从多种可行方案中进行优选。这是一个多约束条件的具有整数变量的非线性问题，远非人工计算所能及。60年代以来出现的系统工程理论，以及计算技术的发展，为电力系统规划提供了有力的工具。
负荷预测 是制订电力系统规划的重要基础。它要求预先估算规划期间各年需要的总电能和最大负荷，并预测各负荷点的地理位置。预测方法有按照地区、用途（工业、农业、交通、市政、民用等）累计的方法和宏观估算方法。后者就是考虑电力负荷与国民生产总值的关系，电力负荷增长率与经济增长率的关系，按时间序列由历史数据估算出规划期间电力负荷的增长。由于负荷预测中不确定因素很多，因此，往往需采用多种方法互相校核，最后由规划者作出决策。
能源布局 可用于发电的一次能源主要有河流的水力、化石燃料(煤、石油、天然气)和核燃料等。一次能源的规划决定于各种能源的储量及开发条件。水力资源属再生能源，一般讲具有发电成本低的特点，但建造周期长。水力资源和大型水利枢纽的开发方案是发电、灌溉、航运、水土保持及生态环境效益综合平衡的结果。许多国家的电力系统在发展初期是优先发展水电，形成“水主火从”的局面。20世纪50年代末，发达国家中条件较好的水力资源已经充分开发，逐渐转为“火主水从”的局面。在火电开发中，以煤为燃料占主要地位。发达国家用于发电的煤炭约占煤炭总消费量的50％以上。利用天然气和石油为燃料的火电厂也占一定比例。70年代世界性石油危机后，以核燃料为动力的发电站得到了较快的发展。
电源规划 主要是根据各种发电方式的特性和资源条件，决定增加何种形式的电站(水电、火电、核电等)，以及发电机组的容量与台数。承担基荷为主的电站，因其利用率较高，宜选用适合长期运行的高效率机组，如核电机组和大容量、高参数火电机组等，以降低燃料费用。承担峰荷为主的电站，因其年利用率低，宜选用启动时间短、能适应负荷变化而投资较低的机组，如燃汽轮机组等。至于水电机组，在丰水期应尽量满发，承担系统基荷；在枯水期因水量有限而带峰荷。
由于水电机组的造价仅占水电站总投资的一小部分，近年来多倾向于在水电站中适当增加超过保证出力的装机容量（即加大装机容量的逾量），以避免弃水或减少弃水。对有条件的水电站，世界各国均致力发展抽水蓄能机组，即系统低谷负荷时，利用火电厂的多余电能进行抽水蓄能；当系统高峰负荷时，再利用抽蓄的水能发电。尽管抽水-蓄能-发电的总效率仅2/3，但从总体考虑，安装抽水蓄能机组比建造调峰机组还是经济，尤其对调峰容量不足的系统更是如此。
电网规划 在已确定的电源点和负荷点的前提下，合理选择输电电压等级，确定网络结构及输电线路的输送容量，然后对系统的稳定性、可靠性和无功平衡等进行校核。
配电规划 确定配电变电站的容量和位置、配电网络结构、配电线路导线截面选择、电压水平与无功补偿措施，以及可靠性校验等。
信息与控制 电力系统中的信息与控制子系统是实现电力系统信息传递的神经网络。它使电力系统具有可观测性与可控性，从而保证电能生产与消费过程的正常进行，以及在事故状态下的紧急处理。从电力系统诞生之日起，信息与控制子系统就是电力系统必不可少的组成部分，它在不同水平上的完善和发展，才使电能的广泛应用成为现实。
电力系统信息与控制子系统的进步，保证了电能质量，提高了电力系统安全运行水平，改善了劳动条件，提高了劳动生产率，还为电力系统的经营决策提供有力支援，从概念上、方法上对电力系统运行分析和经营管理赋予新的内容。
功能 信息与控制子系统的作用主要在保证电力系统安全、稳定、经济地运行。它执行以下 3项任务。①正常运行状态的监测、记录，正常操作与调整(自动维持频率和电压等);②异常状态及事故状态下的报警、保护、紧急控制及事故记录；③运行管理，进行短期负荷预测，制定发电计划，实现经济调度等。
组成与运行 20世纪50年代以来，随着通信技术与控制理论的发展，以及电子计算机和微电子技术的应用，电力系统的信息与控制逐步向以计算机网络为标志的综合调度自动化方向发展。电力系统调度自动化计算机系统的基本组成如图4。
由被控端（发电厂、变电所）采集各种运行信息（包括开关量、模拟量和数字量），经转换后由通道（数据传输系统）传送到调度端，再由调度端计算机接受数据，经过处理后，或进行显示监测，或进行记录制表，或作出控制决策，再由通道传送到被控端进行操作、控制。由于电力系统结构复杂，地域广阔，一般采用分级、分层调度控制。图5是一个二层控制系统的示例。
研究与开发 电力系统的发展是研究开发与生产实践相互推动、密切结合的过程，是电工理论、电工技术以及有关科学技术和材料、工艺、制造等共同进步的集中反映。电力系统的研究与开发，还在不同程度上直接或间接地对于信息、控制和系统理论以及计算技术起了推动作用。反过来，这些科学技术的进步又推动着电力系统现代化水平的日益提高。
从19世纪末到20世纪20、30年代，交流电路的理论、三相交流输电理论、分析三相交流系统的不平衡运行状态的对称分量法、电力系统潮流计算、短路电流计算、同步电机振荡过程和电力系统稳定性分析、流动波理论和电力系统过电压分析等均已成熟，形成了电力系统分析的理论基础。随着系统规模的增大，人工计算已经远远不能适应要求，从而促进了专用模拟计算工具的研制。20世纪20年代，美国麻省理工学院电机系首次研制成功机械式模拟计算机──微分仪，后来改进成为电子管、继电器式模拟计算机，以后又研制成直流计算台和网络分析仪，成为电力系统研究的有力工具。50年代以来，电子计算机技术的发展和应用，使大规模电力系统的精确、快速计算得以实现，从而使电力系统分析的理论和方法进入一个崭新的阶段。
在电力系统的主体结构方面，燃料、动力、发电、输变电、负荷等各个环节的研究开发，大大提高了电力系统的整体功能。高电压技术的进步，各种超高压输变电设备的研制成功，电晕放电与长间隙放电特性的研究等，为实现超高压输电奠定了基础。新型超高压、大容量断路器以及气体绝缘全封闭式组合电器，其额定切断电流已达100千安， 全开断时间由早期的数十个工频周波缩短到1～2个周波，大大提高了对电网的控制能力，并且降低了过电压水平。依靠电力电子技术的进步实现了超高压直流输电。由电力电子器件组成的各种动力负荷，为节约用电提供了新的技术装备。
超导电技术的成就展示了电力系统的新前景。30万千瓦超导发电机已经投入试运行，并且还继续研制容量为百万千瓦级的超导发电机。超导材料性能的改进会使超导输电成为可能。利用超导线圈可研制超导储能装置。动力蓄电池和燃料电池等新型电源设备均已有千瓦级的产品处于试运行阶段，并正逐步进入工业应用，这些研究课题有可能实现电能储存和建立分散、独立的电源，从而引起电力系统的重大变革。
在各工业部门中，电力系统是规模最大、层次很复杂、实时性要求严格的实体系统。无论是系统规划和基本建设，还是系统运行和经营管理，都为系统工程、信息与控制的理论和技术的应用开拓了广阔的园地，并促进了这些理论、技术的发展。针对电力系统的特点，60年代以来在电力系统运行的安全分析与管理中，在电力系统规划和设计中，都广泛引入了系统工程方法，包括可靠性分析及各种优化方法。电子技术、计算机技术和信息技术的进步，使电力系统监控与调度自动化发展到一个新的阶段，并在理论上和技术上继续提出新的研究课题。
参考书目
W.D.Stevenson， Elements of Power System Analysis，McGraw-Hill Book Company，NewYork，1982.
陈珩著：《电力系统》，电力工业出版社，北京，1982。