1電力繫統概述(1)

1.1電力繫統的內涵(1)

1.2電力繫統的歷史沿革與現代社會(11)

1.3習題(16)

2電力繫統的繫統性(17)

2.1引言：萬物皆為繫統(17)

2.2繫統論與圖論(18)

2.3電力繫統是典型的非平衡繫統(20)

2.4電力繫統的時空表現(22)

2.5習題(33)

3電能的“生產”：發電機(34)

3.1發電機在電力繫統中扮演的角色(34)

3.2理想同步電機的基本假設(36)

3.3同步電機原始模型(39)

3.4派克變換和dq0坐標繫(48)

3.5同步電機穩態模型(54)

3.6同步電機暫態模型(61)

3.7不同電力繫統分析場合中同步電機的模型(91)

3.8習題(92)

4電力網絡的數學模型(93)

4.1電力網絡通用模型(93)

4.件模型(107)

4.3配電網與輸電網(121)

4.4習題(123)

5電能的“消費”：負荷(124)

5.1電力繫統負荷的概念及組成(124)

5.2負荷曲線(126)

5.3負荷特性和負荷模型(134)

5.4習題(138)

6電力繫統穩態分析的基本問題(139)

6.1電力繫統穩態的物理本質和數學本質(139)

6.2解析計算和數值計算(140)

6.3電力繫統穩態分析的內容(144)

6.4習題(145)

7電力繫統狀態的微觀分析(146)

7.1電力繫統狀態的微觀層面表達(146)

7.2簡單支路傳輸功率過程中的電壓降落和功率損耗(146)

7.件的電壓降落和功率損耗(153)

7.4習題(155)

8電力繫統潮流計算的基本方法(156)

8.1潮流計算的定義和經典模型(156)

8.2開式網絡潮流計算的前推回代法(163)

8.3復雜電網潮流計算的高斯賽德爾法(171)

8.4復雜電網潮流計算的牛頓拉夫遜法(173)

8.5牛頓拉夫遜法潮流計算的改進(180)

8.6牛頓拉夫遜法的擴展(188)

8.7直流潮流(206)

8.8習題(208)

現代電力繫統目錄9稀疏技術在電力繫統計算中的應用(209)

9.1網絡方程求解的高斯消去法(209)

9.2稀疏矩陣的概念(217)

9.3節點導納矩陣的稀疏性及其稀疏存儲(218)

9.4因子表分解的稀疏計算(222)

9.5方程求解過程中的稀疏計算(227)

9.6稀疏向量求解(228)

9.7節點優化編號問題(232)

9.8習題(237)

10電力繫統的功率平衡和頻率電壓調整(238)

10.1電力繫統功率平衡問題概述(238)

10.2電力繫統的有功功率平衡和無功功率平衡(240)

10.3參與有功功率平衡的各個角色(243)

10.4頻率的一次調整和二次調整(252)

10.5互聯繫統有功功率平衡和頻率調整(258)

10.6參與無功功率平衡的各個角色(263)

10.7允許電壓偏移和中樞點電壓管理(271)

10.8中樞點電壓調整的通用數學模型(274)

10.9頻率調整和電壓調整的關繫(275)

10.10習題(276)

11電力繫統的經濟運行(277)

11.1電力繫統經濟運行的基本概念(277)

11.2電網側的經濟運行問題(277)

11.3發電側的經濟運行問題(287)

11.4源網荷儲聯動的經濟性(297)

11.5習題(298)

12基本的電力繫統故障分析：三相短路故障計算(299)

12.1電力繫統短路的一般概念(299)

12.2電力繫統中短路計算的近似處理(303)

12.3互阻抗和轉移阻抗的概念(305)

12.4三相短路計算的具體方法(306)

12.5習題(309)

13簡單不對稱故障分析(311)

13.1對稱分量法(311)

13.2典型電力繫統設備的序阻抗(320)

13.3各序網絡的制定方法(330)

13.4簡單不對稱短路故障中短路點處的分析計算(334)

13.5簡單不對稱短路故障中電網任意位置的分析計算(342)

13.6非全相斷線故障的分析方法(351)

13.7非全相斷線故障的邊界條件和復合序網(353)

13.8習題(354)

14復雜故障分析(355)

14.1復雜故障的通用邊界條件(355)

14.2單一故障求解的通用表達方法(357)

14.3多重故障的一般性推廣(359)

14.4電力繫統工程實際中的復雜故障分析(360)

14.5習題(361)

參考文獻(362) 

本書在分析電力繫統的繫統性的基礎上，首先介紹構成電力繫統的各種發輸配用設備的數學模型，並介紹這些設備相互聯繫、相互影響的基本原理。針對由這些設備構成的電力繫統，分別介紹其穩態分析和故障分析的理論，前者包括獲取穩態詳細信息的潮流計算模型及相應算法、穩態時的有功無功平衡及對應的頻率電壓調整問題、電力繫統經濟運行問題，後者由簡單到復雜地介紹三相對稱故障、簡單不對稱故障和通用復雜故障的分析計算方法。本書可作為電氣工程專業的本科生教材或參考書，涉及少量在碩士階段講解的知識點（如稀疏計算），也可作為電力工業的專業技術人員、科研人員的參考書。本書內容包括電氣工程及其自動化專業核心專業課程“電力繫統分析”的主要知識點，由於涉及以新能源為主體的新型電力繫統相關內容，且試圖加強關於繫統論概念和思維方式的介紹，故將本書命名為《現代電力繫統》。書中所提的概念、分析方法、思維方式不僅可用於電力工業工程實際領域，對學生認識和分析復雜的現實世界也有一定的參考意義。本書圍繞電力繫統基本模型和穩態分析、故障分析的方法和理論來展開，全書分為14章，主要內容如下。第1～2章為概要性介紹。第1章介紹了電力繫統相關基本概念、發展沿革及與現代社會的密切關繫等，為讀者奠定初步的認識基礎；第2章重點從繫統論角度對電力繫統做全景化描述，指出其復雜開放繫統的特點，從而引出電力繫統分析核心問題及基本框架。第3～5章為電力繫統中各種主體的數學模型，目的是用於將發輸配用各環節整合成同一繫統後的分析。第3章介紹了發電機的基本概念，指明發電機是電力繫統中將其他形式能量轉化成電能的設備，包括同步電機基本假設、派克變換、同步電機穩態模型、暫態/次暫態模型，通過歸納/演繹的邏輯組織知識；第4章介紹了輸配電環節的數學模型，包括交流電網本身的模型（拓撲結構 支路參數）和組成電網的輸電線路和變壓器等設備的模型，是典型電力繫統分析計算的基礎；第5章介紹了電力繫統負荷的基本概念，指明負荷是電力繫統中將電能轉化成其他形式能量的設備類型，強調負荷的復雜性，指出常見電力繫統分析計算中所用的負荷都是海量主體群體效應的近似和簡化。以上述電力繫統中各種主體模型為基礎，本書餘下的篇幅分別介紹電力繫統穩態分析和故障分析的內容。電力繫統穩定性分析的內容相對獨立，而且隨著新能源在電力繫統中占比越來越大，繫統的穩定特性發生了質的變化，對現有電力繫統穩定理論框架進行改造和升級的任務尚未完成，可在將來專門著述。第6～11章為電力繫統穩態分析的內容。第6章論述了電力繫統穩態分析的基本問題，指出關注的是與外部環境交換能量處於某種相對固定的動態結構的狀態特征；第7章分析了處於穩態電力繫統在微觀層面的問題，主要為功率在支路中流動可能造成的電壓變化和功率損耗產生的機理和特點；第8章介紹了上述微觀層面現像聚合成完整的電力繫統全局現像後的描述和分析計算方法，即電力繫統潮流計算的模型和經典算法，包括開式網絡的前推回代法、復雜電網的高斯賽德爾法、牛頓拉夫遜法（及其改進算法和模型擴展）、特殊條件下簡化的直流潮流等內容；第9章是第8章的延續，目的是將經典的數值計算方法用於實際大規模電網的分析計算，即稀疏技術在電力繫統計算中的應用，介紹了稀疏存儲、因子表分解、前代/規格化/回代等計算過程的稀疏計算、稀疏矢量法節點編號優化問題等內容；第10章分析了電力繫統穩態運行時常遇到的兩大類問題，分別是與有功平衡相關的頻率調整問題，以及與無功平衡相關的電壓調整問題，介紹了目前電力繫統解決這些問題的基本方法框架，強調問題的解決往往依賴於對繫統各類型設備相互配合方式的調整和優化，從而體現出繫統論思維方式；第11章介紹了電力繫統經濟運行的基本概念，指出其從某種意義上來說是對電力繫統運行水平的更高要求，分為電網和電源兩部分來介紹，前者關注電能傳輸過程中的損耗問題，後者關注其他形式能量向電能轉化的效率問題。第12～14章為電力繫統故障分析的內容，按照模型由簡單到復雜、問題由特殊到一般的思路來展開。第12章重點介紹了*簡單、*基礎的故障類型——三相對稱故障的分析計算方法，其核心內容是將問題表述為電力繫統在故障端口的戴維南等效電路，並用少量節點阻素和已知電源信息即可完成短路電流計算，本章其他內容可理解為這些內容的延伸；第13章介紹了簡單不對稱故障的分析計算方法，即隻在單一位置發生短路或斷線故障後電力繫統狀態如何分析計算，引入了對稱分量法和正負零序的概念，給出了更通用的模型，此時第12章中的三相對稱故障成為特例，可描述為不對稱程度*低的簡單不對稱故障，從而給出所有簡單故障統一的分析計算模型；第14章介紹了復雜故障的分析計算，在假設被分析電網為線性網絡的前提下，將任意多重故障解釋為單重故障的疊加效果，*終給出本書*通用的故障分析計算模型。本書各章結尾處提供若干習題。在作者的教學實踐中配合課程大作業，目的是讓學生能綜合應用書中知識解決相對復雜的問題，培養學生解決復雜工程問題的能力，這部分內容可依據讀者所在院校實際情況來處理。本書作者制作了配套的MOOC資源，目前部署在學銀在線上，讀者可配合該資源(https://www.xueyinonline.com/detail/228913040)來學習本書的內容。本書在編寫過程中注重突出新工科發展的需求。在作者所在單位本書重點用於電氣工程及其自動化卓越工程師班的課程教學，該班為本碩貫通培養，故課程知識組織時將本專業本碩“電力繫統分析”課程的知識點有機融合，並注意理論與實踐的結合，以及培養學生高階思維方式的需求。本書內容體繫由淺入深、循序漸進，既介紹了電力繫統分析計算領域的基本知識和方法，也介紹了繫統論思維的基本概念和方法，力圖使本書在作為典型專業課教材的同時具有更為廣泛的應用價值。本書由三位教師合作完成：第3～5章由朱林編寫；第7～9章由張堯編寫；其餘內容由武志剛編寫。全書由武志剛組織和統稿。全書撰寫過程歷經兩年有餘，個中甘苦不言而喻。在此對各位老師付出的辛勤勞動表示衷心感謝。本書中的理論體繫與目前主流的電力繫統分析理論大體一致，並對新型電力繫統已經或即將出現的新問題、新機理、新方法進行了介紹。若本書能為電氣工程領域專業教學做出一點綿薄的貢獻，完全是站在前人肩膀上的結果。也正因如此，作者在向前賢及當代大家致以誠摯謝意的同時，力圖能通過自己的努力為青年人纔的成長提供力所能及的輔助。書中如有錯漏或不足，均為作者個人能力所致，敬請讀者批評指正。