电网络分析理论第一章网络理论基础1精简版

电网络理论（电网络分析理论）电网络理论是建立在电路模型基础上的工程学科。既是电力类各专业硕士研究生的一门专业基础课，也是理论电工专业的一个重要研究方向。1.电路、网络与系统由电路元件(发、变、输、配（控）、用)与导线构成的电流的通路(广义性)。简单的如手电筒；复杂的如大规模集成电路、东北、华北、华东、华中电网等。电路（circuit）网络（network）是指电路或电路的一部分；作为一个整体看待的、由相互连接的电路元件所构成的集；可用支路和结点表示的，由节点和连线构成的图。网络（network）网络是从某种相同类型的实际问题中抽象出来的模型，习惯上就称其为某某类型网络，如电力网络、开关网络、运输网络、通信网络等。“三网”：电信网络、有线电视网络、计算机网络。网络（续）主要指对信号进行加工处理的某个具体结构，如滤波器，积分器等，实际就是一个具有某种特定功能的电路（复杂的如计算机网络，网络电路可通用）。网络（续）网络是指把若干元件有目的地，按一定的形式联接起来，完成特定任务的总体。一群有相互关联的个体组成的集合称为系统。系统是由若干要素（部分）组成的；系统有一定的结构；系统有一定的功能。可以分为自然系统、人工系统、复合系统。例如交通系统、电力系统、计算机系统等都是人工系统。系统（system）电力系统electricpowersystem，powersystem由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产、传输、分配和消费的系统。它把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。由若干互有关联的单元（元件，器件）组成的，用来表达（实现）某些特定目的（功能）的整体。如通信系统，电力系统，计算机网络系统等。最简单的RC电路也可以构成一个初级的信号处理系统（有积分和微分的运算功能）。系统（续）随着大规模集成技术的发展，三者之间的界限越来越模糊，它们的差别主要在处理问题的角度不同（看待问题的观点不同）。电路的观点：确定电路中各支路或网络的电流，电压；分析和综合。网络的观点：确定一定结构和参数的网络具有的特性；系统的观点：着重在输入、输出的关系（整体功能！）。一般系统关心的是“全局问题”，网络关注“局部问题”，但没有严格的界限。国际上顶级专业学刊称为CAS,IEEEtransactionsonCAS（Circuitandsystem)SourceLoad2Load3Load1Load4Load5Load6Source1Load2Load3Load1Load4Load5Source2Source1Load2Load3Load1Load4Load5Source2华北电力大学附近北清路两侧的输电线路北京北清路附近北京马齿口附近北京海淀驾校后山6分裂导线(a)直流试验基地2．古典网络理论与现代网络理论古典网络理论（20世纪30年代）(2)电路元件：线性时不变，两端（一端口）元件R，C，L，M。(1)围绕强电系统（电力系统）及简单控制系统（单输入，单输出）发展起来的，解决电能的生产，传输，分配，使用及控制。(3)激励：独立电源，直流或正弦交流(4)线性时不变连续时间系统(5)数学方法：稳态分析：线性代数方程组；瞬态分析：线性微分方程组；变换域：相量变换，拉氏变换等现代网络理论（20世纪60～70年代）(1)围绕弱电系统（如通讯系统，复杂控制系统，计算机系统）解决电信号传输，转换，处理，控制等。(2)元件：非线性，时变元件，多口元件：受控源（非独立源）(3)激励：各种不规则信号源(4)非线性或时变系统，发展了离散系统（数字通信，计算机）多输入，多输出系统(5)数学方法：稳态分析：矩阵方法，网络图论；瞬态方法：发展了卷积法，状态方程，差分方程；变换域：发展了拉氏变换，离散富氏变换；计算机方法（稳，瞬变）：CAD，ATLAB，LABVIEW等。现代网络理论不能完全代替古典(例如波特图、网络函数的零极点图等）。二者为继承发展关系。800kV特高压直流和1000kV特高压交流输电工程。随着四川复龙至上海南汇800kV特高压直流示范工程、晋东南南阳荆门1000kV特高压交流试验示范工程相继由国家发展改革委员会核准建设，我国的特高压交、直流输电技术研究及其基础实验设施亟待完善（2007.11）。国家电网公司特高压交流试验基地和直流试验基地的建设和逐步投付使用，将使我国具备可靠的试验和测试平台，同时可以为我国特高压交、直流输电技术在工程设计和建设方面起到重大的支撑作用。我国特高压输电技术研究始于1986年，在过去的20多年里，我国的科研机构在特高压交、直流输电领域相继开展了“远距离输电方式和电压等级论证”、“特高压输电前期论证”和“采用交流百万伏特高压输电的可行性”等研究，在特高压输电系统过电压水平、绝缘配合、输电线路对环境影响以及设备、线路、铁塔、典型变电站(换流站)的选择与论证方面，取得了初步成果。12.5三纵三横，直流1100kV示范试验工程已经开工！我国特高压输电技术实验基地图1直流试验基地（北京中关村科技园区昌平园东区）800kV图3特高压直流试验基地户外场图2交流1000kV试验基地（武汉500kV凤凰山变电站西侧）目前我国在特高压输电工程中的过电压与绝缘配合、外绝缘特性、电磁环境以及特高压设备的长期带电考核、检验与运行检测技术研究等方面已取得一定进展，所得的部分试验和数据分析结果可直接用于我国特高压交、直流输电工程建设。2009.3智能电网随着奥巴马能源新政策开始进入公众视野。所谓智能电网就是把最新的信息化、通讯、计算机控制技术和原有的输、配电基础设施高度结合，形成一个新型电网，实现电力系统的智能化。智能电网可以提高能源效率、减少对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少输电网的电能损耗。智能电网复杂的电力系统要求电网向智能化方向发展。从发电、输电到配电和用电是个环环相扣的系统（发、变、输、配、用、调），因此对各个环节环境压力的不断增大，电力市场化进程的不断深入，以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战和机遇，建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统，已经成为全球电力行业的共同目标。除了这些驱动力，电力系统首先应该满足经济发展的需求。智能电网概念，从提出到形成只有8～9年的时间。发展超导输电和智能电网，大力改善需求侧用电波动影响，提高电网调度调配能力，减少输配环节损耗，无论是经济价值、社会价值，还是环境价值都具有深远意义。美国还计划使用超导输电技术而并非特高压输电技术，超越四个时区将全国主要电网连接起来，以提高电网的安全性和电力调配能力。目前，智能电网在国外先进电网企业的实施和应用已经为企业带来了卓著的价值回报。有关专家指出，中国发展智能电网也与其他国家有所差别。“外国智能电网更多地关注配电领域。目前，我们需要更多地关注智能输电网领域，把特高压电网的发展融入其中，保证电网的安全可靠和稳定，提升驾驭大电网安全运行的能力。”而在灾害天气来临时,智能电网将预期输电线路是否会发生故障,并采取补救措施。这是智能电网的特征之一——自愈。智能电网通过实时掌控电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患，提升电网运行的可靠性。智能电网的“核心技术”是数字化电网、分布式能源系统、信息化家电和蓄能式混合动力交通工具。智能电网主要包括数据采集、数据传输、信息集成、分析优化和信息展现五大方面。高级分析和优化是智能电网应用的核心。有效地解决电网企业普遍存在的数据收集体系残缺、通信体系兼容性差、应用系统相互割裂、数据缺乏深度利用等问题，在调度信息与生产管理信息有效集成的基础上，实现从不同维度和层次对数据进行分析，是智能电网建设必须解决的问题。智能电网概念，从提出到形成只有10年的时间。发展超导输电和智能电网，大力改善需求侧用电波动影响，提高电网调度调配能力，减少输配环节损耗，无论是经济价值、社会价值，还是环境价值都具有深远意义。美国还计划使用超导输电技术而并非特高压输电技术，超越四个时区将全国主要电网连接起来，以提高电网的安全性和电力调配能力。目前，智能电网在国外先进电网企业的实施和应用已经为企业带来了卓著的价值回报。从2001年意大利电力公司安装和改造了3000万台智能电表至今，智能电网的发展只有10年的时间，在世界范围内，智能电网正在带动上下游产业形成庞大的“智网产业链”。2011年4月7日，美国电力科学研究院发布报告,对美国现代化电力系统以及部署智能电网技术的成本和收益进行了评估。该报告估计，全面落实现代化电力系统和智能电网将花费3380亿~4760亿美元，而收益将达到13000亿~20000亿美元。该报告还分析了各方面的成本和收益，包括改善智能电网对可再生能源更有效的支持，更可靠的电力传输及质量保证，到加强电网安全和保障。同时，报告指出，做出这些改变将带来更高的电源利用率和更有效的高峰负荷管理。预计到2030年美国整个智能电网建设需要的资金投入高达1.5万亿美元。这种国家层面的“自觉行为”，不仅为美国智能电网的发展提供了必要的资金和政策保证，而且为美国智能电网的发展注入了强大的驱动力。智能电网的核心技术是数字化电网、分布式能源系统、信息化家电和蓄能式混合动力交通工具。智能电网主要包括数据采集、数据传输、信息集成、分析优化和信息展现五大方面。高级分析和优化是智能电网应用的核心。有效地解决电网企业普遍存在的数据收集体系残缺、通信体系兼容性差、应用系统相互割裂、数据缺乏深度利用等问题，在调度信息与生产管理信息有效集成的基础上，实现从不同维度和层次对数据进行分析，是智能电网建设必须解决的问题。有关专家指出，中国发展智能电网也与其他国家有所差别。“外国智能电网更多地关注配电领域。目前，我们需要更多地关注智能输电网领域，把特高压电网的发展融入其中，保证电网的安全可靠和稳定，提升驾驭大电网安全运行的能力。”而在灾害天气来临时,智能电网将预期输电线路是否会发生故障,并采取补救措施。这是智能电网的特征之一——自愈。智能电网通过实时掌控电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患，提升电网运行的可靠性。在“2009年特高压输电技术国际会议”上,国务院副总理张德江表示，中国将从实际出发，积极探索符合中国国情的智能电网发展道路。在最近连续两次的政府工作报告中，国务院总理温家宝都讲到了积极发展新能源、可再生能源和加强智能电网建设。一次是在2010年3月5日的第十一届全国人民代表大会第三次会议上，一次是在2011年3月5日的第十一届全国人民代表大会第四次会议上。这说明智能电网建设已经受到我国政府最高层的重视。未来10年，我国智能电网预计年均投资约3000亿元。从产业链层面看，智能电网依次分为发电、输电、变电、配电、用电、调度等环节，其所涉及的技术极为庞杂，每个环节都将应用大量的新技术。到目前为止，国际上也尚未出现关于智能电网的国家标准或国际标准，我国的智能电网标准研究与国际上基本处于同一起跑线。国网正在制定中的智能电网建设规划将于近期出台，但国家层面的智能电网建设规划可能在能源和电力的“十二五”规划制定完毕之后再着手制定。目前南方电网也在制定智能电网的相关标准。2011年5月27~29日国家自然科学基金委主办了“双清论坛”，论坛针对我国未来智能电网的内涵、发展方略、关键的科学问题、重点发展方向等迫在眉睫的问题进行了探讨，研讨了智能电网领域的发展动态、前沿科学和关键技术问题。2011年6月8~10日，科技部主持在北京香山饭店召开了“中国的智能电网关键技术问题和发展战略”学术讨论会，对我国智能电网的内涵、发展方略、关键的技术领域和突破点，以及目前的合理可行的发展重点发展方向等迫在眉睫的问题进行了探讨，……并对我国智能电网总体发展战略思路和国家政策提出了建议。在短短十几天的时间内，自然科学基金委、发改委、科技部纷纷聚焦智能电网，足见国家对智能电网建设的关注程度。微电网微电网已成为一些发达国家解决电力系统众多问题的一个重要辅助手段。随着电网规模的不断扩大,超大规模电力系统的弊端也日益凸现