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乃力:电力系统漫谈 (一) 引子

电力系统和其它学科一样，需要用到很多基础知识。而能把最基本的东西一下就讲明白的都是大牛级的人物，我在这里就不做这个尝试了。只是从内容连贯性考虑，简单地给出一些基本概念。

电力系统运行说起来也很简单，最基础的知识就是欧姆定律和基尔霍夫定律。基本上，懂了这两个定律（实际上是三个，基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律），就可以搞一搞电力系统运行了。另外，由于现代电力系统基本上是个交流系统，所以还要有一些交流电的基本知识，比如要知道电压、电流和阻抗都是复数，都有一个幅值分量和一个相角分量。还要知道什么是视在功率、有功功率、无功功率。具体地，

Z = R+jX; V = I*Z; S=VI* ; S = P+jQ

Z 是阻抗，V是电压，I是电流，S是视在功率（单位是MVA），P是有功功率（MW），Q是无功功率（MVAR）

但不要真的以为万事大吉，搞着搞着就会遇到麻烦了。

先来看看电力系统的构成。三个最基本的组成部分：发电机、输电网络、负荷。现在实时运行着的电力系统，由于电能不能大规模存储，所以必须保持发电和负荷随时平衡。我们知道，系统负荷在一天之内变化很大，夏天一般在下午4~6点到最高，凌晨到达最低，变化可以从100%到30%甚至更低。另一方面，一些发电机也可能遇到故障或例行检修；电网也可能有故障，使电力传输的路径发生变化。为了保证电力系统的功率平衡，我们要提前决定哪些发电机应该发电，哪些不需要发电。如何决定呢？前面说过，电力系统的发电和负荷要平衡，所以，首先要知道负荷是多少。这就是负荷预测要做的工作。根据负荷预测的结果，我们知道什么时候需要多少发电量。但这只是一个总量，我们还需要把它分配到各个发电机。为此，我们需要做机组组合和经济调度。机组组合和经济调度的核心是优化计算。目标函数一般是发电总成本最小，约束条件则五花八门，除了基本的设备容量上下限约束以外，还可以包括各种额外的安全约束。由此而来，有了安全约束机组组合和安全约束经济调度。

在机组组合和经济调度这一领域的研究几乎贯穿了电力系统自身的历史，可以说经久不息。这也是电力系统各学科中最庞大的两个中的一个。几十年来，论文，专著汗牛充栋。发展到今天，在电力市场改革的大环境下，已经成为了电力系统运行的重中之重。

在电力系统的三个基本元素中，发电机（特别是传统的水火电）是旋转设备，要保证整个系统的正常运行就必须让所有发电机按同一个速度旋转，要不然会损坏发电机，进而引发连锁反应，有可能导致系统崩溃（大停电）。这个同步速度就对应着大家熟知的系统频率（各国电网不一样，国内是50Hz，美国是60Hz）。

这不难理解。举个身边的例子，比如说双汇火腿肠吧。如果你没有刀也没有其它工具，你如何把外包装剥掉呢？有人愿意用牙咬。我不行，只能拿住两头，两只手往相反方向转，转啊转，中间越来越细，最后就断了。发电机旋转速度不同步对发电机的破坏和这个差不多。

我们有了负荷预测和机组组合，但系统内负荷、发电设备等的状态总是处于变动中，系统频率还是会发生变化。这里可以把电力系统想象成一个简单的动力系统。发电机提供拉力或推力，如果负荷变小了，这个动力系统就会加速，反之就会减速。对应的就是频率的上升或下降。由此而来，电力系统运行需要解决的一个问题就是如何保持频率稳定。答案是安装自动发电控制（AGC）系统。AGC主要负责的是自动调整发电机出力（输出功率），以适应系统变化导致的功率不平衡。这种调整相对整个系统的容量来说是微小的。系统中参加AGC的发电机并不是很多，一般占系统发电容量的5%左右。这些机组需要安装特殊的控制设备。

有了前面说的这几样，电力系统运行好象差不多了。

话音刚落，那边的调度员马上就站起来了：“系统电压好象有点儿低了？”

“是吗？我看看，”我敬畏地回答着，一边盘算着：“这几个母线的电压还都在525kV左右，暂时问题不大，我还是先歇歇吧。”

“还不能放松，”老板看出了我的心思，“刚得到通知有两条线路有故障要检修，还有一个电厂要停运，赶紧给我算一算潮流，看看到时候电压还能不能维持，其它线路有没有过载。对了，再算一算如果到时候葛洲坝直流突然间断了，会怎么样？”

上面这段对话当然不是真实的场景，但从这里引出来的却是每一个电力系统工程师 每天要面对的严峻挑战：如何保证电力系统的稳定性。

电力系统是一个动态的系统，除了计划的检修停运以外，每天都有大量的意外的故障导致一些设备不能正常运行。当这些故障发生时，系统的平衡会遭到瞬间的破坏。当重大故障发生时，AGC受调节能力和响应速度的限制可能已经无法保证系统频率（有时侯AGC在故障发生时会对系统失稳推波助澜），同时，系统的电压也可能会显著下降。一些设备自身的保护装置可能会被触发，把受保护设备从系统中隔离，从而进一步加剧系统的不平衡。不知不觉中，系统已经在崩溃的边缘。必要的时候，我们需要使用一些极端的控制措施，比如，断开发电机或负荷。属于断臂求生。

在学术领域，电力系统稳定是另一个最庞大的电力系统分支学科。电力系统早期，主要是基于潮流计算和热稳定极限的静态稳定。到60、70年代，一些从阿波罗航天计划退下来的研究人员转入电力系统，推动了现代控制理论在电力系统动态稳定研究中的应用。从70年代末到90年代末，电力系统稳定的研究一浪高过一浪。研究者们几乎尝试了所有的数学方法和控制理论，催生了一大批IEEE Fellow和工程院院士。研究范围覆盖了次暂态、暂态稳定、小干扰稳定和电压稳定等等。这期间，还夹杂着很多Fellow、院士们的恩怨情仇，有空可以小小八卦一下。

这股研究热潮到上个世纪末期突然沉寂了。大家发现电力系统实在是太复杂，竟然没有一个方法能在实际运行中放心地使用，于是人们都累了。但是，随着计算机性能的提高，以及新的数据采集和电网监视设备的推广，近年来不同国家都开始尝试把原有的一些稳定性研究成果和高性能计算结合起来，试图推进电力系统在线稳定评估和控制的应用。

前面讲的内容给出了传统电力系统运行的一个大致轮廓。基本上，需要做的是维持功率平衡、维持系统稳定、尽量降低成本。近十年来，这个轮廓发生了些变化。这一切都源于电力市场改革的兴起。这是一场自上而下的改革，主要的推手是各国政府及其经济顾问。可以说是经济学家主导了这场电力系统的变革。变革是如此之快，对于我这样的传统电力工程师来说，似乎有些跟不上形势。但不管怎样，现在讲电力系统就不能不讲电力市场，我在后面也会硬着头皮讲一讲，以一个电力工程师的立场。

以上几个方面我会试着逐一“漫谈”。除此之外，还准备谈一谈电力系统运行必不可少的SCADA/EMS系统，与系统运行相辅相成的系统规划和可靠性评估，当前火爆的新能源及其对系统运行的影响。最后还想争取关心一下姥姥不疼舅舅不爱的配电系统。各个话题之间没有一定的先后顺序，哪盘菜好了就先端上来。如果大家发现哪盘菜不合胃口，尽管提出来。如果自己做不好，我还可以请大厨帮忙。或者干脆哪个河友上来掌勺也可以。

本节最后，补充说明一下前面出现的几个专业词汇，以供非专业内朋友参考。

母线：英文对应词汇BUS（好象越来越糊涂了？）。是一般安装在变电站内、呈偏平状的导电体，可以连接多条输电线路，是电流的集散地。曾用名：汇流排。

潮流：英文对应词汇Power Flow 或者Load Flow （有个河友用这个ID，一看就是搞电力系统的，但不知道是搞哪个方向的）。指在电力网络中流动的电流或功率。

写到这里，看到长街看海河友（也是电力系统的专家）提醒我别忘了发电的问题。具体的发电设备我不是很熟悉，所以这个问题也许不会单独谈。但发电的内容会穿插在不同章节里，例如在机组组合、电力市场和新能源等部分。

乃力:电力系统漫谈（三）无功功率

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