配电网综合自动化技术(第3版)
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第1章 绪论

1.1 电力系统的基本概念

1.1.1 电力系统的组成

电能是现代社会的主要能源,它在国民经济和人民生活中起着极其重要的作用。一个完整的电力系统由各种不同类型的发电厂、变电站、输电线路及电力用户组成。在发电机中机械能转化为电能,变压器、电力线路输送分配电能,电动机、电炉、电灯等用电设备消费电能,在这些用电设备中电能转化为机械能、热能、光能等。这些生产、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、电力线路、各种用电设备联系在一起组成的统一整体,就是电力系统。

1.发电厂

发电厂将一次能源转换成电能,根据一次能源的不同,有火力发电厂、水力发电厂和核能发电厂。此外,还有风力发电厂、地热发电厂和潮汐发电厂等。另外,还有各种新能源发电形式,详见本章1.1.2节的叙述。

火力发电厂将煤、天然气、石油的化学能转换为电能。我国火力发电厂燃料以煤炭为主,随着西气东输,将逐步扩大天然气燃料的比例。火力发电的原理是,燃料在锅炉中充分燃烧,将锅炉中的水转换为高温高压蒸汽,蒸汽推动汽轮机转动,带动发电机旋转发出电能,如图1-1所示。

图1-1 火力发电原理示意

水力发电厂将水的位能转换成电能。其原理是水流驱动水轮机转动,带动发电机旋转发电。按提高水位的方法,水力发电厂有堤坝式水电厂、引水式水电厂和混合式水电厂3类。堤坝式水电厂是在河流上落差较大的适宜地段拦河建坝,形成水库,抬高上游的水位,利用上、下游形成水位差进行发电。引水式水电厂则是由引水系统将天然河道的落差集中进行发电,一般不需修坝或者只需要修低堰。水电厂建设的初期投资较大,但发电成本低,仅为火力发电成本的1/4~1/3,并且水电属于清洁、可再生能源,利于环保,还兼有防洪、灌溉、水产养殖功能,因此,综合效益好。

核能发电厂利用原子核的核能生产电能。核燃料在原子反应堆裂变释放核能,将水转换成高温高压的蒸汽,其生产过程与火电厂基本相同。

风力发电的原理是风的动能作用在叶片上,转化为机械能推动风机风轮转动。

太阳能发电分为太阳光能发电和太阳热能发电。太阳光能发电是利用光电转换元件,如光电池直接将太阳光能转换成电能。太阳热能发电分直接转换和间接转换两种。直接转换有温差发电、热离子发电等,间接转换原理与火力发电相似。

2.变电站

变电站的功能是接受电能、变换电压和分配电能。为了实现电能的远距离输送和将电能分配到用户,需将发电机电压进行多次电压变换,这个任务由变电站完成。变电站由电力变压器、配电装置和二次装置等构成。按变电站的性质和任务不同,可分为升压变电站和降压变电站。按变电站的地位和作用不同,又分为枢纽变电站、区域变电站和用户变电站。枢纽变电站在整个电力系统中起纽带连接作用;区域变电站将枢纽变电站来的电能进行再次降压处理;用户变电站接受区域变电站的电能,进行再次降压,合理分配给各个用户设备。

3.电力线路

电力线路将发电厂、变电站和电能用户连接起来,完成输送电能和分配电能的任务。电力线路有各种不同的电压等级,通常将220kV及以上的电力线路称为输电线路,110kV及以下的电力线路称为配电线路。配电线路又分为高压配电线路(110kV)、中压配电线路(35~6kV)和低压配电线路(380V/220V),前者一般作为城市配电网骨架和特大型企业供电线路,中者为城市主要配网和大中型工厂供电线路,后者一般为城市和企业的低压配网。

4.电能用户

所有消耗电能的用电设备或用电单位称为电能用户。电能用户按行业可分为工业用户、农业用户、市政商业用户和居民用户等。

在上述介绍的电力系统中,属于配电电压等级的电力线路及相应的变电站组成的统一整体,就称为配电网(Distribution Network),也即电力系统中二次变电站低压侧直接或降压后向用户供电的网络,配电网络由架空配电线路、电缆配电线路、变电站、开闭所、降压变压器等构成。配电网也正是本书的研究对象。

1.1.2 各种新能源发电形式

能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础,当前我国能源供应主要依赖煤炭、石油、天然气等化石能源,但化石能源的资源有限性和开发利用带来的环境问题严重制约着经济和社会的可持续发展。随着全球经济的快速发展,煤炭、石油等不可再生能源供应日趋紧张,开发使用新能源已经成为当务之急,而全球气候变暖所导致的灾难性后果更为可再生能源的发展提供了动力。世界各国都把支持可再生能源发展作为实现经济可持续发展的重要手段,美欧等国普遍加大对可再生能源技术开发和应用的投入。我国早在2008年制定的《可再生能源发展“十一五”规划》中提出“到2010年,可再生能源在能源消费中的比重达到10%”。

下面举例说明常见的几种新能源发电形式。

1.太阳能

太阳能发电分为太阳光能发电和太阳热能发电。太阳光能发电是利用光电转换器件,如光电池直接将太阳光能转换成电能,即光伏发电。太阳热能发电分直接转换和间接转换两种。直接转换有温差发电、热离子发电等。间接转换原理与火力发电相似。

光伏建筑一体化(Building Intergrated Photovoltaic,BIPV)是指在建筑上安装光伏系统,并通过专门设计,实现光伏系统与建筑的良好结合。这样可以加快推进太阳能光伏发电技术在建筑领域中的应用,是降低建筑能耗、调整建筑用能结构的有效措施之一。下面列举一些典型的BIPV应用工程案例。

1)仰天岗自然科学博物馆。该建筑位于江西新余市,总装机容量约为3.05MWp,建筑安装面积约36 455m2,系统没有储能装置,太阳电池将日光转换成直流电,通过逆变器变换成380V交流电,建筑物用电通过10kV市电供给。

2)威海市民文化中心。该建筑位于青岛路东,海滨南路西,总建筑面积63 314m2,地下1层,地上4层,主体高32m,锥体高50m。其总装机容量为480kWp,建筑安装面积为5 556m2,屋顶全部使用内嵌薄膜电池的玻璃,是世界上最大的非晶硅光伏屋面工程,该工程也打破了“玻璃电池”全部是平面的常规,是世界上首个采取波浪形设计的“玻璃电池”屋顶。

3)广州珠江城。该建筑属于超高层国际写字楼,在珠江城31~70层东西立面遮阳板(安装面积各约为650.5m2)和塔楼屋顶位置(安装面积约为360m2)建设太阳能光伏发电系统,总装机容量为184.96kWp,于2011年初竣工。

4)日新科技光伏工业园。日新工业园位于武汉东湖新技术开发区汽车电子工业园内,建筑类型包括工业建筑、公共建筑和民用建筑三种形式。整个光伏安装面积为9 823m2,主要在建筑屋面、天窗、幕墙及园区照明安装光伏并网发电系统,总装机容量达1.2MWp,年发电量可达1.5×106kW·h,发出的电能通过光伏专用逆变器并入用户侧电网。该项目2008年11月被国家财政部和建设部批准为可再生能源建筑应用示范项目,已经于2010年6月竣工验收。

另外,还有如深圳园博园总装机容量为1MWp、北京土地技术开发区软件园为50kWp、住建部主楼为75.6kWp、淮安清河文展中心为40.32 kWp、广东金刚玻璃公司园区内厂房为400kWp、湖北黄金山科技园为3MWp、青岛火车站为103kWp、珠海东澳岛文化中心为1 004.4kWp、深圳拓日光伏工业园办公大楼为70.4 kWp等诸多的光伏建筑一体化的示范工程。这些光伏建筑一体化工程的建设充分考虑了城市的可持续发展需求,贯彻了节能减排政策,充分利用可再生能源,很好地发挥公共建筑的节能示范作用。

2.生物质能

生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行发电,是可再生能源发电中的一种,包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电等多种形式,生物质能源中的有害物质(硫和灰分等)含量仅为中质烟煤的10%左右,可实现二氧化碳零排放。

生物质发电在许多欧美国家自20世纪90年代开始大发展。我国已公布的《可再生能源中长期发展规划》也确定了“到2020年,生物质发电总装机容量达到3000万千瓦”的发展目标。截至2007年年底,国家和各省发改委已核准项目87个,总装机规模为2 200MW。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过15个,在建项目30多个。下面列举一些典型的生物质发电案例。

1)粤电湛江生物质发电厂。拥有2台50MW生物质发电机组,系目前世界单机容量及总装机容量最大的生物质电厂,采用农林作物废弃物等生物质作为燃料,已于2011年11月正式投入商业运营。电厂选址在雷州半岛,当地日照充沛、农林作物生长较快,在有限的收集半径内,燃料来源充足稳定,地理优势明显。该生物质发电项目每年可替代约100000 tec[1],① 减少二氧化碳排放约300000 t,减少二氧化硫排放近2000 t,这对于改善当地农村村容村貌、减少城乡大气污染将发挥重要作用。

2)北京德清源沼气发电。坐落在北京延庆县张山营镇的德青源蛋鸡场曾是亚洲最大的蛋鸡场,每天要面对220t鸡粪和270t废水的困扰。为解决循环发展、减少污染,德清源利用鸡粪、废液发酵产生的沼气发电,兴建12000m3的沼气池,年产沼气7000000m3,年发电14GW·h,实现了从“鸡粪”到“能源”的华丽转身。

3.海洋能

海洋能作为一种特殊的能源,它的能量主要来自潮汐、涌流和波涛的冲击力、温度差及海水中溶解的化学成分。

1)潮汐能发电。潮汐发电与普通水力发电原理类似,在涨潮时将海水储存在水库内,以势能的形式保存,然后,在落潮时放出海水,利用高、低潮位之间的落差,推动水轮机旋转,带动发电机发电。潮汐发电在国外发展很快,欧洲各国拥有漫长海岸线,因而有大量、稳定、廉价的潮汐资源,在开发利用潮汐方面一直走在世界前列。中国海岸线曲折漫长,相关电站主要集中在福建、浙江、江苏等省的沿海地区。其中,1980年投产发电的浙江温岭江厦潮汐试验电站是我国第一座双向潮汐电站,也是世界上仅次于法国朗斯潮汐电站和加拿大安纳波利斯潮汐电站的第三大潮汐电站,它当时的总装机容量为3200kW,设计年发电量为10.7GW·h。

2)波浪能发电。波浪能发电是以波浪的能量为动力生产电能,通过某种装置可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量,然后通过传动机构、汽轮机、水轮机或液压马达驱动发电机发电。日本当前发电容量最大的设备是1996年9月投运的由日本东北电力公司在原町火力发电厂南部防波堤上装设的130kW的波浪发电设备。中国科学院广州能源研究所于1989年在广东珠海建成了第一座示范实验波浪电站,1996年又建成了一座新的波浪实验电站。我国首座波浪独立发电系统,汕尾100kW岸式波浪电站,于1996年12月开工,2001年进入试发电和实海况试验阶段,2005年第一次实海况试验获得成功。根据规划,到2020年,我国将在山东、海南、广东各建1座1000kW级的岸式波浪发电站。

3)温差能发电。由于太阳光照射,海洋表层水温可达25~30℃,而水下400~700m深层冷水温度则为5~10℃,温差为20~24℃,这就为发电提供了一个总量巨大且比较稳定的能源。海洋温差发电的基本原理是利用海洋表面的温海水(26~28℃)加热某些低沸点工质并使之汽化,或通过降压使海水汽化以驱动汽轮机发电,同时利用从海底提取的冷海水(4~6℃)将做功后的乏气冷凝,使之重新变为液体。

4)盐差能发电。当两种不同盐度的海水被一层只能通过水分而不能通过盐分的半透膜相分割时,两边的海水就会产生渗透压,促使水从浓度低的一侧向另一侧渗透,使浓度高的一侧水位升高,直至膜两侧的含盐量相等为止。盐差能发电利用的是海水中的盐分浓度和淡水间的化学电势差。

在上述海洋能能源中,目前仅有潮汐能被大规模利用,潮汐是一项取之不尽的电力能源。

4.地热能

地球的地热能蕴量巨大,地热能是来自地球深处的可再生热能。地热发电是利用地下4km左右的岩浆产生200~350℃的蒸汽带动汽轮机发电。地热发电非常清洁,基本上不产生CO2。我国地热资源丰富,著名的羊八井地热电站年发电量超过1×108kW·h,在解决拉萨供电方面起着很大的作用。近10年,我国的地热开发以每年12%的速率增长,高于世界平均增长率。

地热在建筑中也有着广泛的应用,最典型的就是地源热泵。地源热泵,是利用地球表面浅层水源(如地下水、河流和湖泊)和土壤源中吸收的太阳能和地热能,并采用热泵原理,既可供热又可制冷的高效节能空调系统。下面介绍一些地源热泵的典型应用。

1)杭州朗诗国际街区高层住宅地源热泵项目。该小区位于浙江省杭州市下沙区,总建筑面积约为220000m2,地上建筑面积约为180000m2,地上高为100m。本工程末端为“天棚辐射+置换新风”系统。其中X户型为风机盘管+地板采暖系统,利用地埋管作为冷热源,采用四台地源热泵机组为末端天棚系统和新风系统提供冷热量。

2)北京第一个高温多功能地源热泵工程。该项目位于北京市大兴区工业开发区,即雨昕阳光太阳能公司综合办公楼,是北京地区第一个采用高温多功能热泵新技术和新产品集成与配套的,第一个真正实现了一机功能的大型地源热泵建筑节能应用示范工程。该项目的建成和使用,对投资者可带来良好的经济效益,每年可节省至少70%以上的空调冷暖费用和生活用热水加热费用。

3)天津市首座零碳建筑——中新天津生态城公屋展示中心项目。该项目于2012年11月正式投入使用,采用了地源热泵等13项节能环保技术,创立了绿色生态建筑标杆。

4)浙江海盐县客运中心地源热泵项目于2011年9月全面开工,将建成浙江省第一个使用地源热泵系统的汽车站。

地源热泵利用地能一年四季温度稳定的特点,冬季把地热能作为热泵供暖的热源,即把高于环境温度的地热能中的热能取出来供给室内采暖,夏季把地热能作为空调的冷源,即把室内的热能取出来释放到低于环境温度的地源中,从而达到节能的目的,并且整个系统在运行过程中,不产生任何有害物质,实现了环保。

5.可燃冰

可燃冰的学名是天然气水合物(Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate),因其外观像冰一样,所以又被称作“可燃冰”(Combustible Ice)或者“固体瓦斯”和“气冰”。它极易燃烧,燃烧产生的能量比同等条件下的煤、石油、天然气都要多,而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣和废弃物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境中。中国从1999年起才开始对可燃冰开展实质性的调查和研究,于2007年5月1日凌晨,在南海北部首次成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”,从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

6.化学电池

这是一种将化学能转换成电能的装置。自1800年意大利科学家伏打(Volta)发明伏打电堆算起,化学电池已经有200余年的历史。目前,全世界共有1000多种不同系列和型号规格的电池产品,常见的有金属氢化物镍电池、锂离子二次电池、燃料电池、铝电池、储能电池等。化学电池能量转换率高,方便并且安全可靠。

7.氢能

二次能源是联系一次能源和用户的纽带,二次能源又可分为“过程性能源”和“含能体能源”。电能是当前应用最广泛的“过程性能源”。由于目前“过程性能源”尚不能大量地直接存储,因此汽车等交通工具只能采用汽油、柴油这一类“含能体能源”。随着常规能源危机的出现,在开发新的一次能源(如可燃冰)的同时,人们将目光也投向寻求新的“含能体能源”,氢能正是一种值得期待的新型二次能源。氢能具有以下一些优点。

1)来源广。地球上的水储量为13.38×108m3,是氢取之不尽、用之不竭的重要源泉。

2)燃烧热值高。氢的热值高于所有化石燃料和生物质燃料。

3)清洁。氢本身无色、无味、无毒。

4)燃烧稳定性好。容易做到比较完善的燃烧,燃烧效率很高。

5)存在形式多。氢可以以气态、液态或固态金属氢化物出现,能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

1.1.3 节能减排形势下的绿色低碳建筑应用

目前全球气候变暖,温室效应正在不断威胁着地球的生态环境。在温室气体中,二氧化碳不是最有害的,但却是排放量最高的。而又有资料显示,建筑物产生了全球约40%的二氧化碳排放,是温室气体的主要排放源。因此,在所有减少温室效应气体排放的立法规划中,建筑都处于核心地位。目前,建筑能耗约占我国社会总能耗的30%左右,而这30%还仅仅是建筑物在建造和使用过程中消耗的能源比例,如果再加上建材生产过程中耗掉的能源(约占社会总能耗的16.7%),建筑相关的能耗将占到社会总能耗的46.7%。因此,“建设绿色低碳建筑、大力推进节能减排”已经刻不容缓。绿色建筑并不是一般意义上的立体绿化屋顶花园,而是指在建筑全生命周期内,最大限度地节约资源、保护环境和减少污染,为人类提供健康适用和高效的使用空间的同时,与周围自然环境和谐共生的建筑。零碳是指要实现建筑碳排放量为零。要实现建筑的绿色低碳,可以从两种途径来实施:一是通过增加可再生能源的使用量、提升化石能源的生产效率、采用低碳化的材料资源等来减少碳排放;二是通过发展海洋、湿地、土壤及林木等增加碳吸收。

世界上第一个二氧化碳零排放社区是英国伦敦贝丁顿社区(Beddington Zero Energy Development,BedZED)。该社区建成于2002年,拥有包括公寓、复式住宅和独立洋房在内的82套住房,另有大约2 500m2的工作空间。整个社区只使用可再生资源产生满足居民生活所需能源,强调对阳光、废水、空气和木材的循环利用,如利用废木头发电并制造热水,妥善利用水资源和先进的通风系统,使用氢气作为能源的零碳排放汽车等,旨在不向大气释放二氧化碳。该社区的建成为可持续建筑创造了新的标准。

我国第一个零碳建筑是上海世博会伦敦零碳馆。上海世博中心是按中国和国际标准建成的“绿色低碳”建筑,作为中国公共建筑节能科技的典范。世博中心在其设计过程中,围绕科技创新和可持续发展的理念,按照减量化(Reduce)、再利用(Reuse)、再循环(Recycle)的3R设计原则,从节能、节电、节水、节材、节地等环节入手,统筹安排资源和能源的节约、回收和再使用,减少污染物的排放量,减少建筑对环境的影响。下面重点阐述一下世博中心在电气节能方面的一些措施。

1)光伏发电。安装总容量为1MW的屋顶太阳能光伏发电系统,太阳电池方阵采用不透光的单晶硅电池板,其转换效率为12%~15%,系统采用并网运行方式。

2)电源点的节能设计。考虑到场馆建筑面积大且负荷分散,因此在整个建筑内除设置一座35/10kV总变电站外,还设置了5个10/0.4kV配电站,以使电源靠近负荷中心减少线路损耗。

3)变压器的选择。在型号上选用节能型的产品,实际负荷率基本控制在0.5~0.7范围内,属于较佳的负荷状态。因为若变压器容量偏小,则负荷率过高会引起负载损耗增大,效率变低、寿命变短;若变压器容量偏大,则负荷率过低又会引起空载损耗增大,效率也变低。

4)照明系统的节能。场馆的景观照明设计中,大面积使用了环保、耗电量低的发光二极管(Light Emitting Diode,LED)光源来代替传统光源。

5)设置电能管理及能耗监测系统。利用通信网络对各部分功能进行优化,对终端数据进行监测。

6)治理谐波。场馆中电力电子设备较多,工程中主要应用无源滤波装置对谐波进行治理,降损节能。