2.2　电力系统的接线方式与稳定问题

2.2.1　电力系统的接线方式

电力系统的接线方式对于保证安全、可靠、优质和经济地向用户供电具有非常重要的作用。电力系统的接线包括发电厂、变电所的主接线和电力网的接线。这里仅对电力网的连接方式作简略的介绍，发电厂和变电所的主接线将在第4章介绍。

电力网的接线方式大致可分为无备用和有备用两类。

无备用接线的网络中，每一个负荷只能靠一条线路取得电能，它包括单回路放射式、干线式和链式网络，如图2.3所示。这类接线的特点是简单，设备费用小，运行维护方便。缺点是供电的可靠性比较低，任一段线路发生故障或因检修而退出运行时，都会中断部分用户的供电；在干线式和链式网络中，当线路较长时，线路末端的用户电压往往偏低。这种每个负荷都只能沿唯一的路径取得电能的网络，也称为开式网络。

有备用接线的网络，包括具有双回路的放射式、干线式、链式以及环形网络和两端供电网络，如图2.4所示。双回路放射式、干线式和链式网络同样具有简单和运行方便的特点，而且供电可靠性和电压质量都有明显提高，但缺点也很明显，即设备的费用会增加很多。环形网络的供电可靠性是令人满意的，也比较经济；其缺点是运行调度比较复杂。在单电源环网中，如图2.4（d）所示，当线路a1发生故障而开环时，正常线路可能过负荷，负荷节点1的电压也明显降低。两端供电网络的可靠性相当于有两个电源的环形网络。环形网络和两端供电网络中，每一个负荷至少通过两个不同路径取得电能，具有这种接线特点的网络又统称为闭式网络。

电力系统中各部分电力网担负着不同的职能，因此对其接线方式的要求也不一样。电力网按其职能可以分为输电网络和配电网络。

输电网络的主要任务是，将大容量发电厂的电能可靠而经济地输送到负荷集中地区。输电网络通常由电力系统中电压等级最高的一级或两级电力线路构成。对输电网络接线方式的要求主要是，应有足够的可靠性，要满足电力系统运行稳定性的要求，要有助于实现系统的经济调度，要具有对运行方式变更和系统发展的适应性等。用于连接远离负荷中心地区的大型发电厂的输电干线和向缺乏电源的负荷集中地区供电的输电干线，常采用双回线或多回路。位于负荷中心地区的大型发电厂和枢纽变电所一般是通过环形电网相互连接。

配电网络的任务是分配电能。配电网络的电源点是枢纽变电所的相应电压等级母线，负荷点是低一级的变电所或者直接是用电设备。配电网络采用哪一类接线，主要取决于负荷的性质。无备用接线方式只适用于向第Ⅲ类电力用户供电。对于第Ⅰ类和第Ⅱ类用户，一般应采用有备用接线方式。实际电力系统的配电网络比较复杂，往往是由各种不同接线方式的网络组成的。在选择接线方式时，必须考虑的主要因素是，满足用户对供电可靠性和电压质量的要求，运行要灵活方便，要有好的经济指标等。

2.2.2　电力系统的稳定问题

衡量电力系统正常运行的一个重要标志，是系统中所有的发电机都保持在同步运行状态。所谓同步运行，是指所有并联运行的发电机都具有相同的电角速度，即每台发电机都以同步转速运行。

正在运行的发电机转速决定于作用在其大轴上的转矩。因此，当作用在机组大轴上的转矩变化时，转速也将相应地发生变化。正常运行时，原动机的输入功率与发电机的输出功率是平衡的，从而保证了发电机以恒定的同步转速运行。

但是，发电机在运行时的功率平衡是相对的、暂时的。例如，电力系统的负荷随时都在变化，负荷功率的瞬时变化将引起发电机输出功率的相应变化，但由于机组调节系统的惯性，使得原动机输入功率的变化总是滞后于发电机输出电磁功率的瞬时变化，于是输入功率与输出功率之间就产生了不平衡，相应地转矩也将产生不平衡。电力系统的电能生产过程也正是这种功率或转矩的平衡不断遭到破坏，同时又不断进行跟踪调节使其恢复平衡的过程。

功率及相应转矩的不平衡将引起发电机转速的变化。例如，当发电机输出功率减小时，由于原动机的输入功率暂时还来不及减小而出现功率过剩，结果使发电机转速增加；相反，当发电机输出功率增加时，因原动机输入功率暂时还来不及跟上输出功率的增加而出现功率缺额，结果使发电机减速。这样，当系统由于负荷变化、操作或发生故障（称为系统受到扰动）而平衡状态被打破后，各发电机组将因功率的不平衡而发生转速的变化。一般情况下，由于各发电机组功率不平衡的程度不同，因此转速变化也不同，有的变化小，有的变化较大，有的发电机增速，有的发电机减速，从而在各发电机组的转子间产生相对运动。如果系统各发电机组在经历了一段运动过程后，能自动恢复到原有的平衡状态，或在某一新的平衡状态下同步运行，这时系统的频率和电压虽然发生了一些变化但仍在允许的范围内，这样的系统称为稳定系统。相反，如果系统受到扰动后，产生自发性振荡，或者各机组间产生剧烈的相对运动，以至于系统的频率和电压大幅度变化，不能保证对负荷的正常供电，造成大量用户停电，系统就失去了稳定。

可见，所谓电力系统稳定问题就是当系统受到扰动后能否继续保持各发电机之间同步运行的问题。根据系统受到扰动的大小及运行参数变化特性的不同，通常将系统的稳定问题分为三大类，即静态稳定、暂态稳定和动态稳定。静态稳定是指电力系统在运行中受到微小扰动（如短时的负荷波动）后，能够自动恢复到原有运行状态的能力。暂态稳定是指系统在运行中受到大的扰动（如切除机组、线路或发生短路等）后，经历一个短暂的暂态过程，从原来的运行状态过渡到新的稳定运行状态的能力。动态稳定是指系统在运行中受到大扰动后，保持各发电机在较长的动态过程中不失步，由衰减的同步振荡过程过渡到稳定运行状态的能力。

不难看出，如果系统在受到扰动后是不稳定的，那么在系统的各发电机转子间一直存在相对运行，从而引起系统的电压、电流、功率等运行参数发生剧烈的变化和振荡，致使整个系统不能继续运行，造成系统瓦解。运行经验表明，电力系统的稳定性是影响运行可靠性的一个重要因素，特别是随着电力系统容量和规模的不断扩大，稳定性问题就显得愈加突出。国内外电力系统许多大面积停电和系统瓦解事故，大都源于系统稳定性遭到破坏。因此，研究电力系统稳定性的内在规律，采取措施保持和提高电力系统运行的稳定性，对于电力系统安全可靠地运行，具有极其重要的意义。