电力系统研究分析大全11篇

绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇电力系统研究分析范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。

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0 引言

能源和环境是每个国家发展战略中不可忽略的重要的两个环节[1]。自从上世纪工业革命以来，各国的工业技术水平得到了飞速发展，人类生存质量得到了显著的提高，以火力发电为主的电网系统控制技术已经得到了相当完善的研究与应用。但与此同时，环境污染问题也变得越发严重。并且随着以煤炭、石油为主的传统能源的日益短缺，开发利用新型的、清洁的、可再生的能源，已经成为了当务之急。

随着低碳经济的概念在全球范围内的推广，并且伴随着只能电网技术的飞速发展，开展基于可再生能源的电网控制技术研究，逐渐成为了各国科研人员的关注重点。以风力发电和太阳能发电为代表的新能源发电技术逐渐走进了人们的视野，并且受到了越来越多的关注。可以说，新能源发电系统是未来电力系统发展的必然方向，也是我国十二五工业4.0转型顺利推进的前提保障。所以，开展基于新能源发电系统的研究与应用，对于我国进一步提升国家竞争力，提升工业技术水平，具有十分重要的战略意义。

1 分布式风力发电系统国内外研究现状

分布式发电系统按照其能源来源分类，大致可以分为分布式风力发电系统与分布式太阳能发电系统。其中，风力发电以其资源保有量大、发电成本低，发电系统运行容错率高的特点，逐渐成为各国分布式新能源发电系统研究的主流方向。

分布式风力发电系统主要由以下部件组成：风轮机、发电机、储能装置以及分布式风力发电系统控制器组成。随着机械控制技术的发展，风轮机经历了定桨距到变桨距的演变历程，其中，定桨距风轮机以其相对较高的控制稳定度，成为了分布式风力发电系统的首选。

目前，风力发电机以永磁同步电机、双馈异步电机和无刷直流电机3大类为主。其中，永磁同步电机功率密度低，且机械结构复杂，加工难度成本高，逐渐被后两个取代，而双馈异步电机同样存在系统控制策略设计复杂的问题。无刷直流电机是近年来电气研究领域的新发现，其励磁、电枢绕组均设置在转子上，电流换向无需辅助装置，已经在风力发电市场中有了一席之地。

风力发电系统控制器，一直以来都是风力发电系统研究的核心技术难点之一。其承担着系统各运行部件的实时监控、最大风能跟踪，负载需求管理等功能。随着DSP，FPGA等集成电路芯片的诞生，系统控制器的设计也由原先的硬件控制设计转为软件研发为主。可以说，系统控制器的设计水准，很大程度上决定了整个分布式风力发电系统的运行性能。

2 分布式风力发电系统控制设计

本文建立的分布式风力发电系统如图1所示。其基本运行原理如下：风轮机捕获风能，然后经无刷直流发电机将风能转换为电能，无刷直流输出端直接构造系统直流母线，直流负载直接挂接在直流母线上工作，交流负载可以通过直流母线电压外接逆变器实现供电，蓄电池通过双向DC/DC与直流母线交联，分布式风力发电系统控制器实现整个系统的监控、控制、调节功能，当双向DC/DC失效时，分布式风力发电系统控制器可以利用相关接触器控制，实现双向DC/DC的切投，此时蓄电池可以直接通过汇流条与直流母线相连，从而实现了系统的备份运行。

双向DC/DC的设计选择是影响系统运行性能的关键。因双向DC/DC具有能量双向流动的特性，因此，仅采用一套电路即可实现蓄电池充放电的实时控制，可以显著节约系统硬件成本。基于控制复杂度考虑，双向DC/DC拓扑中的电子开关管不易过多，所以本文选择双向双管正激电路，其只需要2路两两互补的导通驱动信号，即可实现系统需求的控制功能。

风力发电机与风轮机的合理选型，也是影响风力发电系统效率的另一个关键因素之一。基于无刷直流电机结构简单、运行可靠、容错率高的特点，本文选择电励磁无刷直流电机作为系统发电机，将其与定桨距风轮机采用传动轴直接连接的方式，降低了机械部件之间的损耗，并可进一步提高系统运行效率。

分布式风力发电系统控制器是整个系统的核心部分，本文以主流的DSP2812为控制器基础单元，在芯片内部驻留母线电压、蓄电池电流双闭环控制策略，结合风轮机自身最大风能输出-转速特性，可以通过控制器调节双向DC/DC的电子开关管占空比，实现系统的最大风能跟踪，并且完成直流母线电压的调压控制。

3 结语

本文在介绍分布式风力发电系统的国内外研究现状的基础上，以无刷直流发电机为核心构架，在此基础上提出一种分布式风力发电系统，对该系统各关键组成部分进行了基本原理分析，并对该分布式风力发电系统控制策略进行了详细论证，初步论证了系统控制原理的可实现性。后续研究可以围绕系统仿真、系统样机试验验证展开，从而以更深入的切入点，论证本文所设计的分布式分布式风力发电系统的运行特性。并且，随着锂电池技术的发展，可以考虑用锂电池代替铅酸、镍镉蓄电池的方案可能性，以期得到更好的系统控制性能，最终实现一种高效、可靠的分布式风力发电系统。

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随着我国电力通信事业的不断发展，光纤通信技术逐渐取代了原来的微波通信技术，我国很多地区的电力通信网已经采用了光纤通信技术，光纤复合地线(OPGW)和全介质自承式光缆(ADSS)等电力特种光纤应用技术日趋成熟并得到大量使用。随着光纤复合地线和光纤复合相线等电力特种光纤的大规模使用和长时间运行，光纤易出现老化和外力损伤，光纤线路故障已成为影响电力通信系统安全关键因素。

1.电力系统光纤通信网种光纤简介

我国电力由于电力系统的特殊性，电力系统光纤通信网建设是一项复杂的系统工程，一些专门用于电力光纤通信系统的的特种光纤也逐渐产生。电力特种光纤主要包括光纤复合相线、光纤复合地线、金属自承光缆、相/地线缠绕光缆、相/地捆绑光缆和全介质自承光缆等几种。目前，光纤复合地线和全介质自承光缆在我国应用较多，以下做简要说明。

1.1光纤复合地线

光纤复合地线又称地线复合光缆、光纤架空地线，是指在电力传输线路的地线中含有供通信用的光纤单元，兼具地线和光纤的作用，具有使用可靠，不需维护等优点。但总投资额较大，主要适用于新建线路或旧线路更换地线时使用。光纤复合地线不仅可以对输电导线抗雷闪放电提供屏蔽保护，还可以通过复合在地线中的光纤来传输信息。除了具有优越的光学性能外，还完全满足架空地线的机械、电气性能要求。常见的光纤复合地线主要有不锈钢管型、铝管型和铝骨架型三大类。由于我国地域广阔，电力传输线路长，特别是是水电资源大部分集中在西部，而工业城市主要集中在东部沿海地区，因此这就需要大量的长距离超高压架空线来输送电力，光纤复合地线对于进一步发展我国电力工业，进一步提高输电容量有着非常重要的意义。

1.2全介质自承式光缆

全介质自承式光缆是一种使用全介质材料并能够承受自重及外界负荷的光缆。由于采用了全介质材料，不含金属，因此光缆可以耐受高压强电的影响。全介质自承式光缆具有重量轻、价格适中，在线路架时可带电操作，可提供数量很大的光纤芯数，因此在我国得到电力部门的广泛应用。全介质自承式光缆一般应用于已建成的220kV及以下的输电线路，尤其是区域变电所之间的通信线路。全介质自承式光缆可分为中心束管和层绞束管两大类。

2.电力通信系统光纤故障分析

在电力系统光纤通信网中，光纤的故障主要包含以下两个方面：一是光纤在长期使用过程中逐渐老化。造成光纤老化的原因是多方面的，主要因素有电腐蚀、环境腐蚀性等。二是光纤由于外力破坏而收到损伤。如虫蚁鼠咬、偷盗剪断、雷击灾害、火灾火烧等。

光纤复合地线较易收到雷电攻击而损坏，由于有的输电线路经过的地理环境或气象条件比较恶劣，光纤复合地线为了避免雷击对相线的伤害，又是与输电导线一共架设在架空线路的最上部，因此光纤复合地线遭受雷击而断股是无法避免的。一般而言，光纤复合地线架设较多的地方断股故障比较多，且断股大多数出现在档距中。从材质上来说，外层为单丝直径较小绞线或铝合金绞线的光纤复合地线更易发生断股。多数情况下，外层断股与光纤复合地线内层结构型式无关，因此断股大多数未对光纤通信造成影响。因此，要在耐雷方面进一步提高光纤复合地线的性能。

全介质自承式光缆则较易收到电腐蚀的伤害。干带电弧是造成全介质自承式光缆表面产生电腐蚀的最主要原因。电弧产生的高热，使外护套表面的温度升高，产生树枝化的电痕，直至烧穿光缆的外护套，最后造成断缆事故发生。光缆铝丝端部电晕放电引起的劣化，造成光缆的出现电腐蚀。若全介质自承式光缆的悬挂点位置较为偏高，导致全介质自承式光缆承受的空间电位和电场强度大大超过设计水平，引起光缆表面电腐蚀。

3.电力系统通信光纤保养与维护

对于光纤复合地线，首先要选择合理的光纤外护套。当前，光纤外护套有铝管、钢管和塑料管三种管材。其中塑料管造价低，塑料管光纤复合地线最高承受短路电流引起的短时温升不能超过180℃；而铝管造价相对较低，承受短时温升的能力不超过300℃；不锈钢管造价高，承受短时温升的能力可达450℃。用户可根据工程具体情况，合理选择光纤外护套，已达到保护光缆的作用。

于全介质自承式光缆，首先要选择电场强度小于25kV的地方作为光缆挂点，避免发生导线鞭击光缆。其次，要根据电场强度合理的选择光缆外护套材料，当空间电势小于12kV时，采用黑色高密度聚乙烯外护套。当空间电势在12～25kV时，则可采用黑色高密度抗电痕外护套。在污染较为严重的地区，应对光缆进行特殊处理，减少表面污层形成。

4.小结

电力系统通信是电力工业的一部分，能够保证电力系统安全、稳定、经济运行。随着光纤通信技术的不断发展，光纤通信技术在电力通信系统中得到了广泛的应用。本文简要分析了电力系统中常用的特种光纤，并分析了常见的光纤故障，最后对光纤的保养和维护做了简要的分析。■

【参考文献】

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中图分类号：TM715 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 20-0000-02

一、引言

目前用于衡量一个国家信息技术发展程度的重要标志之一就是通信技术，这也是各个国家竞相发展的主要内容，很多具有现实意义的通信技术已经形成了具有规模化的生产和应用。而电力线载波通信和网络通信技术的结合又是通信领域内的一次巨大的飞跃，具有极大的现实意义[1]。

二、含义

电力线通信全称是电力线载波通信，是指利用高中压电力线或低压配电线（380/220V用户线）作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式[2]。该技术的具体工作方式通常是把载有信息的信号加载到电流上然后用电力线进行传输，接受端的适配器把传送的信号从电流中分离出来并且传送到计算机或电话上进而实现信息的传递。该技术的关键和优势是不需要重新布线，利用现有的无处不在的电力线，只需要终端用户插上电源插头或接线就可以完成信息传送。通过电力线进行宽带上网进行网络IP数字信号的传输已经成为电力线传输信息的最普遍的应用。

三、现状

电力线通信技术出现于20世纪20年代初期，当时主要用于电话信号的传输，后来技术进展逐渐加快。已经出现了共同的家用电力线网络通讯技术标准。在中国，20世纪40年代开始逐步进行电力线通信应用。在2001年8月，第一个实验网络在沈阳建成；2001年12月国电通信中心在北京某居民区开展电力线通信应用试验；福建省电力试验研究院又研制成功了“数字化输电线路技术”的核心产品，并在北京某生活小区成功地进行了因特网接入试验，初步取得较理想效果。目前，高速电力线通信已经为宽带接入通信做出了巨大贡献。

中国的电力通信网络经过若干年的辛苦建设，已经初具规模，从通信电缆和电力线载波通信方式到包含光纤、微波、卫星等多种通信方式并用的覆盖全国30多个省（市、区）的交叉式立体通信网络。整个中国电力系统电力通信的发展，从无到有，从小到大，并且占据了越来越强大的地位。随着通信行业的成熟发展以及在社会中作用的不断提高，以电力线通信为基础的业务在各种信息的传输场合得到了巨大的应用。不但在电力系统的发电、送电、变电、配电、用电等部分的联合运转中卓有成效，而且在保证电力系统电网安全、经济、稳定、可靠的运行方面发挥了应有的作用。另外在各行各业如客户服务中心、营销系统、地理信息系统（GIS）、视频会议、人力资源管理系统、办公自动化系统（OA）、IP电话等多种数据业务方面和基建、行政、水库调度、防汛、燃料调度、电力调度、继电保护等场合得到发展。虽然电力线通信对于电力系统自身的经济效益的取得没有很直接的体现，但是它能够产生并隐含在电力系统管理及生产中的经济效益是极其巨大的。

四、电力线通信具体应用

电力线通信方式利用其独特的成熟的发展优势越来越被社会所重视，因为输电线路是架设电力特殊光缆的极好资源，经济、快速、安全、可靠；而遍布全国各大城市的电缆管道和电杆是建设光纤接入网的极好资源；电力线通信技术日益成熟，为用户接入提供了首选手段；其它具有电力特色的技术，如无源光纤接入、无线宽带、多点扩频系统等，使电力资源得到充分有效的利用和发挥。

（一）可以发挥自身优势促进本系统发展

目前国内外研究出来很多可供电力部门所使用的防盗设备或软件，但是这些设备或系统大部分是与目前电力部门所主要依靠的并且普遍使用的电力线没有任何的关系，是一套独立与电力线的设备，这就给电力部门造成了很大的压力。例如在防窃电方面，现在的窃电者越来越会采用高科技手段进行盗窃，对于使用普通GSM报警器对变压器设备进行防盗的场合，作用不大，因为盗窃者会利用GSM屏蔽器先把报警器屏蔽而不能报警，然后再对电力能源进行盗窃或对电表箱进行破坏，因此给电力系统带来很多的不安全因素。

电力系统本身最主要也是最基本的功能就是输配电，那么除了这个作用，电力系统还可以对本系统中其它功能的实现做出巨大贡献，比如电力系统的智能抄表、变压器防盗、电力系统电表箱防盗、远程电力防盗系统等均可以利用电力线来实现。我国在早期的实际电力应用中，由于电网环境比较恶劣，信道衰减大、干扰较强和波动范围大等特点，导致数据采集的准确率和实时性不能全面的满足用户对实际通信的需求。但是随着数字技术的不断改进和发展，改善并提高了电力线通信的可用性和可靠性，并且不需要大规模改造电力系统现有设备，只需增加相应装置，利用电力线实时传输信号和设备状态至集中的控制位置并采用专门的软件进行识别。电力线通信技术的应用前景变得越来越广阔，对于电力系统本身的发展会起到非常大的促进作用。

电力线通信和输配电线路具有等时性，只要电力输电线架通到哪里，电力通信就可以延伸到哪里，目前我国110kV输电线路上和35kV的农网上还有大量的电力线载波机在运行，庞大的电力线载波通信担负着电网内调度和远程信息的传输，对电力系统的安全、稳定、经济运行起着重要的作用，因此对这种廉价的电力系统具有的信道资源应该大力开发，加以合理的发展和利用，使之与高速信息传递技术长期并存，互为补充[3]。对电力系统的现代化电力管理提供传输通道，实现电力、数据和图像信息综合业务传输的通信技术。

（二）可以作为常规通信介质使用

在我国，电力系统已经普及，电力线几乎遍布城乡、四通八达，利用这种与用户直接相连的220W380V低压电力线进行高速传输信息，不但可以免除布线这个最麻烦的环节，而且具有覆盖范围广、连接方便的显著优点，电力线通信网络被认为是提供“最后一公里”通信解决方案中最具竞争力的技术之一[3]。与常规通信介质网络相比较，电力线通信基础设施完备，无需任何布线，避免了对建筑物的损坏，节约资源，节省资金、人力、物力和时间。

电力线通信这个传输媒介是全球覆盖最广阔的网络，无需新布线就可以将信号传输到任何有电的地方，不受地形、地貌的影响，投资少，施工期短，设备简单，可以同其他通信手段一起实现网络互联。如果使用高压输电线进行信息传送，那么这种通信方式可靠性会更高，因为高压输电线结构稳固，安全设计系数比光纤的安全设计系数还要高很多。

（三）现代生活智能管理的美好展望

实现现代家居的智能自动化管理的有效手段常采用低速的电力线通信网络，通过在住宅内遍布的电源插座，可对智能家用电器连网，并通过网关与外部连接。住宅主人在家可以享受数字化住宅设施的舒适和便利，在外可以通过接入的网络及时了解和设定住宅内设施。高速的电力线通信网络可以为人们提供Internet接入服务，并且可以享受居家视听一体化的服务。通过电力线通信实现网络浏览、网上购物、视频点播以及可视电话等[4]。利用电力线通信的永久连接在线，可构建住宅楼宇自动化系统，如防火、防盗、防有毒气体泄漏的保安监控系统让上班族倍感放心，医疗急救系统让住有老人、儿童或病人的家庭心里踏实。以上技术有些已经在国外成为现实，而其它甚至更好的未来正在探求之中。可以预测，电力线通信网络这一新技术对促进经济发展必将带来新的机遇。尤其对于中国这样的发展中国家，经济实力不够强大，要赶超发达国家的信息化水平，需要投入巨大的资金，而电力线通信网络提供了另一种可能的技术手段，这种技术手段可以帮助我们以较少的投入加快国家信息化的进程，加快脚步研究出适合中国电力网环境的电力线通信网络技术[5]。

五、总结

在现代社会，电力供应在人们的工作和生活中扮演着非常重要的角色。电力系统本身优势明显，不但可以为本系统做到最好的服务和管理，还可以发挥其它功效，从而使其优势进一步得到更大的发挥，可以有效解决自身的功耗问题，使电力系统的经济损失显著减少，并提高了电力使用的安全性和可靠性。基于电力线通信的系统研究可以使用的区域范围广泛，不仅用于分布集中的住宅区，更可以主要应用于大型工矿企业和自助变电站、储存仓库、金融的房间、停车场等，使电力系统发挥出巨大的作用。

电力线通信技术是一个刚刚兴起的研究课题，在国内外仍处于不成熟的初期研究阶段，需要我们从概念定义、理论研究、技术标准、工程试点以及管制政策等方面进行大量不懈的深入研究，才能够取得美好的前景。

参考文献：

[1]靳保康.低压电力线路通讯网络技术发展的研究[J].计算机光盘与软件应用，2013，8：289-290.

[2]李洪民.电力线通信技术及其应用[J].数字技术与应用，2013，6：42，44.

[3]王军凯.电力线载波通信电路设计[J].中小企业管理与科技，2013，6：269.

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电力系统通信设备中采用大量的微电子设备，运行中对雷击的敏感性较高，各地发生的雷电损害电力通信系统现象经常出现，对于电力系统的稳定性造成了较大影响。如何有效增强电力通信系统的防雷击能力，对于保障电力系统的正常运行具有重要意义，各级电力主管部门和企业应当强化对电力通信你系统的防雷击研究工作，为电力系统的有效、稳定运行创造良好条件。

1 电力通信系统雷击损害产生的原因

目前，微电子设备在电力系统运行中得到了普遍运用，但是微电子设备绝缘强度相对不高，耐压能力不足，受雷击影响的可能性较大，对于电力通信系统而言，微电子设备较多，如计算机网络以及指挥系统和公用天线等，受雷击干扰的影响较为明显。雷击主要通过直击雷以及感应雷击两种方式对电力通信系统的设备产生影响，直击雷的杀伤力最为强烈，能够损毁通信设备，导致系统无法正常运行，当前在建筑防雷接地设施配备中做得较为到位，在雷电多发季节能够有效保护各种设备，有效降低了直击雷对电力通信系统的损害概率。与此相对的是感应雷击的破坏性，由于雷击引发较大的磁场，感应雷击和脉冲电压有可能绕过防雷接地体系对微电子设备进行破坏，主要可能有以下几种途径：一是在雷击电流沿着接地引线进入地表的过程中，电流过于强大会造成具有明显冲击力的电磁脉冲，对电力通信系统的微电子设备运行产生干扰，影响运行效果；二是雷击击中区域靠近通信线路，引发地表电位暂时性飙高，对电力系统中一些敏感性高的设备形成反击，损坏设备功能导致无法正常运行，甚至瘫痪；三是在天线以及电缆等设备被雷击之后，由于内部传播引发较大的感应电压，导致电力系统中的微电子设备受到损坏，严重影响整个系统的运行。

2 电力通信系统雷击损害造成的巨大影响

雷击灾害对电力通信系统造成的危害性是巨大的，能够对相关的敏感设备造成破坏性的损失，甚至会导致线路瘫痪，引发整个电力系统的无法正常运行。当前，电力技术不断发展，以微电子设备为代表的敏感性设备与原件不断增多，在敏感性与精密度不断提高的同时，其耐压性也在相应降低，电力通信系统在维护与建设过程中的微小失误有时就会造成敏感设备的损坏，雷击事件的破坏力更为强大，对于系统的安全运行具有较大隐患。雷击较为轻微的状态下，能够引发信号传输不畅，影响系统设备的正常运行以及出现误动，如果雷击强度较大则会损坏电力通信系统中的元件或者设备，导致彻底无法正常工作，甚至会破坏数据、瘫痪系统，造成大面积停电等恶性事故。所以，强化电力系统防雷保护是维护整个通信系统有效运行的重要手段，必须在建设与维护中切实加强。

3 增强电力通信系统防雷能力的主要途径

3.1 提高电力通信系统外部保护能力

在整个电力通信系统的防雷保护工作中，外部保护具有基础性作用，对于避免直击雷击对系统的损害意义重大，防止设备损害和造成系统瘫痪。一般来讲，对其进行外部保护主要是强化防雷接地系统的建设，安装避雷针和相应的接地装置，但是部分地区忽略了建筑物内部金属设施的接地防雷处理，有可能导致雷电传入，所以在强化建筑物外部避雷和接地处理的同时，要完善建筑内部金属构筑物和防雷体系的连接，充分提高整个电力系统的外部保护能力，提升电力通信系统的安全运行水平。

3.2 提高电力通信系统内部防护能力

在电力通信系统内部防护工作中，要抓好三个方面的防护，首先要抓好电源的防护工作，一旦建筑被雷击之后，电流有可能借助电线对电力通信系统进行入侵并产生严重后果。这一环节，电源高压部位一般都设置有专门的高压避雷设施，受到雷击损害的可能性不高，但是对应的低压线路由于保护设施不足，受到雷击并受损的可能性较大，所以在电源保护环节要重点抓好电源低压部位的针对性保护，建议在建筑的总配电盘以及每一层的配电箱和重要设备的进线部位增设电涌保护设备，借助于分离科技分散雷击的能量，并将其导入地表，有效保护电力通信系统各项设备的安全，保障正常运行。其次，要强化对线缆的防护工作，因为光电缆属于电力通信系统中的重要部件，在输送电力以及信号等方面意义重大，强化对线缆部件的防雷能力，能够保护线缆设备，保障整个电力通信系统的有效运行。引发线缆损坏的主要原因的感应雷击的破坏，在建筑物被雷击，电流沿接地引线传输的过程中，能够在线路中出现阶段性的巨大电磁脉冲，严重影响线缆内部信号传输以及电力传输，导致整个电力通信系统运行出现故障。所以，在开展防雷接地系统设置中，要保证系统内部剑术构筑物全部热镀锌处理，按照需求对线缆开展升级，隔离动力电缆，低电压电缆传入钢管，并减少电缆间距离，从而实现电缆之间感应回路强度下降的效果。另外，还要开展建筑内部金属结构等电位连接处理，缩小电位差，提高线缆安全运行的保障能力。另外，还要强化通信设备的防护工作，由于整个电力通信系统中的设备大多数为微电子设备，击穿功率偏小，应当开展多重防雷处理，借助于建筑物法拉第笼以及设备屏柜金属壳、自身金属壳等开展逐级屏蔽，提高防雷效果。要做好系统设备防雷接地工作，同时做好电力通信系统设备以及周边金属部件的等电位连接，最大限度地避免感应雷击破坏系统设备，保证整个系统的有效运行。

综上所述，在电力通信系统建设与运行中，要充分重视防雷工作并有效落实到工作之中，在思想上重视，设施上完善，管理上细化，有效提高电力信息系统的运行安全性与稳定性。

参考文献：

[1]（德）彼得·哈塞（PeterHasse）著，傅正财，叶蜚誉译.低压系统防雷保护[M].中国电力出版社，2005.

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1 引言

随着中国经济高速发展，电能的消耗也不断增加，城市用电紧张的问题日益凸显，因此，增建变电站、扩大电网规模势在必行。但是另一方面，城镇化建设的加快也造成了人口的迁移，越来越多的人涌向城市，这就造成了原本就稀缺的城市土地资源越来越匮乏。这两个同样尖锐却又存在不可调和矛盾的问题导致了目前大型城市电网的建设越来越集约化，一个500kV中心变电站可能同时存在十回甚至更多的出线。牵一发而动全身，一旦发生故障，可能会造成城市中心区大面积停电，社会影响极其严重。比如2012年发生的深圳市“4.10”停电事件、2013年上海市“6.3”停电事件[1]以及2014年发生的东莞“4.11”停电事件，每一次大停电事件对这些超级城市的经济损失都无法估量，引起的社会反响更是成为全国关注的焦点。而造成这些大停电的原因除了设备折旧、母线短路故障之外，敏感时段（早上7：00-夜间23：00）的人为操作也是主要原因之一。相较于前两个因素的不确定性，敏感时间段的人为操作是更应该也更可控的一个基本要素。因此，对于大中型城市，减少在城市正常工作时间段的电力倒闸操作显得尤为必要。

本文通过一个具体的计划工作倒闸操作案例，分析了初始倒闸操作方案中存在的风险，结合该风险分析提出了一种减少倒闸操作步骤的新方案，进而得出优化后的操作方案。

2 案例分析

某市供电局计划对220kV变电站A内设备开展月度检修工作，图1所示是当日该变电站A的电气主接线图。220kV侧是双母线结构、分别为220kV1M和2M，母联2012开关在运行状态；110kV侧是双母单分段结构、分别是110kV1M和2M、6M，母联1012及分段1026开关均在运行状态。

图1 220kV变电站A电气接线图

现变电检修人员计划对110kV分段1026开关进行防水防潮改造及一次设备检修维护工作，申请将110kV分段1026开关由运行状态转为检修状态。为了确保电网的供电可靠性以及高压侧、中压侧零序网络的一致，在停电前，调度给出如下停电意见：

（1）将220kV变电站A的#3主变变高2203开关由挂220kV1M倒至220kV2M运行；

（2）变电站A的#2主变变高2202开关由挂220kV2M倒至220kV1M运行；

（3）变电站A的#3主变变中1103开关由由挂110kV1M倒至110kV6M运行；

（4）变电站A的#1主变变高和变中中性点接地运行；

（5）变电站A断开110kV分段1026开关，断开220kV母联2012开关

我们发现，该意见需要对220kV变电站A进行两次220kV的倒母线操作以及一次110kV倒母线操作，涉及的操作步骤较为复杂，很容易在倒母线的过程中出现双母跳闸的风险，从而引起大面积停电，造成不利的社会反响。

进一步分析操作方案可以发现，之所以要进行如此多地倒闸操作，一方面是为了保证供电的可靠性，采取步骤（3）；另一方面是因为零序电流的特殊性，因为零序电流三相相位一致，只有通过中性点才能可靠流通。为了能保证零序电流的流通，于是操作方案中进行了步骤（1）、（2）以及（4）的操作。

3 新倒闸操作方案

通过节2中的案例分析，我们明确了倒闸操作方案的目的是为了降低电网操作风险，同时也保证零序电流可以可靠流通。因此，我们可以采用另一种倒闸操作方案。以下我们称节2中的方案为方案1，新方案为方案2。

方案2：

（1）变电站A的#3主变变中1103开关由由挂110kV 1M倒至110kV 6M运行；

（2）变电站A的#1主变中中性点接地运行；

（3）变电站A断开110kV分段1026开关。

在该方案中，倒闸操作步骤被精简，而且不再涉及关键的220kV的倒母线操作，基本杜绝了220kV发生双母跳闸导致大面积停电的风险，提高了电网的可靠性。但是，是否这种方式安排就满足方案操作完毕后，110kV1M和2M上有两台主变，110kV 6M也有两台主变，保证了电网供电的可靠性。

4 新倒闸操作方案结论与分析

对于同一个变电站内的变压器，我们可以认为各台变压器高压侧、中压侧以及低压侧的阻抗分别相等；另外，降压三绕组变压器的中压侧阻抗一般为一个较小的负值，变高和变低阻抗绝对值要比变中的阻抗绝对值大，变高侧阻抗最大[2]，在方案1中，则当110kV 1M、2M侧的110kV线路发生短路故障时，当高压侧阻抗比低压侧阻抗大较多时，两种方案得出的零序电流相差不大。当低压侧阻抗较小时，也会进一步减小，从而和也会更加接近。

因此，当变压器低压侧的阻抗较小时，我们可以采用方案2替代方案1进行倒母线操作，所产生的零序电流偏差很小，对零序保护影响很小，而且方案2同样保证了电网的供电可靠性。

另外值得注意的是，当采用方案2进行倒母线操作后，若110kV 侧的110kV线路发生短路故障，会较大一些，此时的零序短路电流会略偏小，因此不存在零序保护的误动风险。考虑到目前电力系统继电保护冗余度的提高，从这个方面一定程度上提高了方案2的可靠性。

篇（6）

随着社会经济的不断发展，安全用电在社会的各个方面越来越重要，一方面供电企业不断地完善自身的设备为用电客户提供优质的服务，另一方面广大的用电客户也在不断地要求供电部门提供更多高效的设备保障其用电，随着更多的设备进入电力行业，电能的应用形式也在发生着不断的变化。但随着电子技术应用的深度和广度的出现，电力系统中的波形失真日益增大，电力系统中产生的高次谐波却危害着电力系统的稳定运行，高次谐波能使得电力系统运行时电压波形产生畸形，使电网瘫痪，对一些电容器也会造成巨大的损害。

电力系统中的三相交流电电压产生的波形基本上是正弦波，正常的波形基本上是无直流和高次谐波之分。但随着电力设备的发展和运用产生的谐波对电网造成的污染，有些用电器产生的非线性负荷及冲击负荷对电力系统发、供、用电设备的安全经济运行造成不良影响和危害。因此，防止和治理电力系统中的高次谐波成为目前电力系统中重要的问题。

1 高次谐波的定义及其产生原因分析

目前对于谐波的定义的说法较多，而国际上普遍认为谐波是一个有周期的正弦波的分量，其频率是基波的整数倍。当电力系统的频率为额定频率50Hz, 则基波频率为50Hz、2次谐波频率为100Hz、3次谐波频率为150Hz等。而目前在电力系统中存在危害的谐波较多，高次谐波的危害越来越大，这也是今后电力系统改革中首要解决的问题。

由于各种非线性的电子元件日益应用到电力系统中，使得原本能产生正弦波的电源由于非线性元件的存在使在系统中和用户处的线路中总会产生高次谐波的电流和电压，产生高次谐波的元件比较多，例如一些交流电动机、电焊机、电石炉、变压器和感应电炉等, 化工行业的高频炉、电解设备, 钢铁行业的大型轧钢机，铁道部门的电气机车、电车公司的整流站等, 家用电器如电视机等。最为严重的是大型的整流装置和电弧炉, 它们产生的高次谐波电流最为突出, 是造成电力系统中谐波污染的最主要的因素。

在电力系统中运用的电气设备都能产生高次谐波，并对电力系统的安全运行产生很大的影响，在这里可通过以下设备进行分析：整流装置是电力系统中最重要的谐波源，例如在很多的设备中都是用整流装置，例如电视机、电池充电器、电力机车等；电弧炉因为在燃烧方面不够稳定，容易产生三相谐波电流；变压器则由于铁芯处于饱和状态，磁化的曲线呈非线性，电流畸变也会变大，这是一种稳态的谐波源。在某些电网中，由于供电线路较长，负荷较轻，充电功率大，并且没有电抗器作为补充装置等因素会造成电网的电压过高，使得电流波形畸变严重。电力机车主要是采用工频单向全波整流电路系统，因此它与整流装置一样会产生谐波也会污染电网的安全运行；而家用电器中的电视机被称为是产生谐波电流的罪魁祸首，原因是电视机的回路一般是采用二级管桥式全波整流，在使用时会产生较强的奇次谐波电流，尤其是目前广大用户普遍使用的彩色电视机较为严重，奇次波具有负序特性，在电网中能够引起电压产生畸变的现象。随着家用电器的越来越普及的运用，一些家用电器，例如电冰箱、洗衣机、空调、吸尘器等电器也在走进千家万户，但这些用电设备会有绕组设备的不平衡电流的变化，也对电网的波形产生影响。此外。交流发电机也会在电力系统中产生高次谐波，原因是交流同步发电机定子绕组在布置上不可能做到完全的对称，总会导致转子磁极不对称情况的出现，结果会造成转子和定子铁芯之间有不均匀的空隙，同时会造成发电机定子、转子间气隙磁通分布不均匀，也会存在有非工频正弦波分量产生，但由于隐极发电机采用的是比较短的绕组以及分布绕组，并采用了三相定子绕组星形接线的方式，降低了5、7次以及3次谐波量，因此使得交流发电机的谐波分量较小。

2 高次谐波的危害

随着越来越多的设备在电力系统中的应用，以及大功率的整流器和变频调速装置的普及，这些设备所产生的高次谐波对电力系统的各个方面都产生了重大的影响甚至是危害。

2.1 对用电户用电质量的影响

由于电力系统中注入了谐波电流会在电网上产生谐波压降，从而会导致电压以及电流的波形发生畸变的现象，从而影响了电能的质量，使电力系统受到干扰。

2.2 对配电网的危害

电力系统中产生的高次谐波在有色金属中可以把基波的电流近似的认为是均匀分布的，由于肌肤效应而导致的电流往往是积聚在导体的表层，同时使得电流回路中的电阻增大，这样的情况下导体的有效电阻会逐渐增加，在电阻增加的情况下会使得电网内部功率的损耗以及能量的损失增加，与此同时，高次谐波还可能引起电压谐振，从而在线路上出现局部的高电压。众所周知，过高的电压有可能会击穿线路中电力设备的绝缘层，导致电路的用电的不安全或者是对周围的人群以及建筑产生不利影响。

2.3 降低用电设备的使用寿命

电力系统是由众多的电力设备组成的，这些用电设备在维护电力系统的稳定方面起到了重要的作用，因此，切实维护好电力设备的安全是保障电力供应的一个有效的途径。

图 1 非线性负荷的电流波形

在电力供应过程当中，由于谐波的增大会导致电压的增大，在并联中对电容器的危害更为严重，通过图1分析计算得出，当电压升高10%时，电容器的温升将会提高7%左右，在不考虑局部介质损耗的情况下，电容器的寿命将会减小到原来的70%左右，可见对用电设备的危害是如此严重

2.4 对电阻、电感负荷的影晌

在电力系统中，谐波对电动机也能产生影响，尤其是能够引起电动机附加的损耗的产生，尤其是当电动机中的谐波电流的频率和零部件的固有的频率相等或者相近时就会引起机械共振的产生，或者是使电压产生畸变。如果畸变的系数较大而没有得到及时的调整则会引起灯泡的寿命缩短或者导致电动器发生故障。

2.5 对测表计的影响

对于电能表来说，理论上相同频率的电压和电流能构成功率，假设输入的电流或者电压有一方含有谐波，即使电流中该次谐波的真实的功率为零，在电能表内任由输入的纯正弦工频电流因畸变而引起的同频率谐波会相互作用，也会形成虚假的谐波功率, 使电能测量出现随机的或正或负的误差。所产生的这种误差虽有可能部分相互抵消, 也有可能存在, 致使电能计量的准确度大大地降低。

2.6 干扰通信系统

在电力系统中，输电线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流在通过磁场耦合时, 在邻近电力线的通信线路中会产生相应的干扰电压, 这些干扰电压会影响通信系统的工作, 主要是影响通信线路通话的清晰度。此外, 由高压直流（HVDC）换流站换相过程中所产生的电磁噪声（3~10kHz）也会影响电力载波通信, 对于电力设备的安全运行也带来了极大的隐患。

2.7 对计算机和其它精密电子控制设备的影晌

几乎所有的数字线路的逻辑元件都会有自己的阀电平和干扰线号的容限，假如谐波的干扰超过容限，就可能会破坏触发器和存储器所保存的信息，排除干扰后, 它仍会在系统内部的存储器件里留下痕迹, 系统也不会再恢复到原来的工作状态。即使含有微处理器系统里的程序没遭到破坏, 若地址总线受到强烈的干扰, 也会有程序失控的危险, 使系统进人预想不到的状态, 甚至陷人意外停机状态。

3 对高次谐波的抑制的相关对策分析

3.1 增加整流变压器装置

目前比较传统的抑制谐波的方法就是增加整流变压器，由于整流变压器具有的二次侧向数较多，并且波形脉动次数也多，因此次数较低的谐波被消去的也越多。例如当整流相数为12相时，5次谐波电流为基波电流的5%左右，但6相时的谐波电流则是基波电流的18.5%。

3.2 增加无源滤波器装置

无源滤波器是利用电路中谐振的原理对谐波形成低阻的电路，从而达到一定的滤波的目的，它由电容器、电抗器以及电阻组合而成，采用与谐波源并联的方式，一方面有滤波的功能，一方面还有无功补偿的需要。一般其投资成本较低，效率较高，结构也极为简单，并且在运行方面也比较稳定。但目前由于这种方式要耗费大量的材料成本，况且对谐波的抑制效果并不是很明显，目前基本上不是很采用这种方式。

3.3 有源电力滤波器的普遍使用

有源电力滤波器是目前采用的一种全型的、并且能够从动态方面去抑制谐波的电力电子装置。它是先从补偿对象中检测出谐波电流, 再利用可控的功率半导体器件（补偿装置）向电网注入与谐波源谐波分量（电流或电压幅值相等、相位相反的谐波分量（电流或电压）, 使电源的总谐波为0, 达到实时补偿谐波的目的, 其原理构成如图2所示。

图2 并联有源滤波器的结构图

目前有源滤波器按其接入电网的方式, 可分为串联和并联两种方式。直到目前运用到电力系统中的AFP装置, 绝大多数采用的是电压逆变器的并联型结构。近年来, 为了发挥有源滤波器的优势, 提高性能, 减少容量, 降低成本, 增强适用性, 又设计出采用变流装置专门去减少谐波的装置。

4 结论及展望

随着经济和社会的发展，越来越多的电子元件被用在了电力系统中，尤其是大量的线性负荷的出现，使得电力系统中产生了大量谐波，一些比较传统常规的抑制谐波产生的措施不能有效的使用，在这样的情况之下，一些新型的的抑制谐波产生的措施和手段也被普及，在今后如何抑制减少谐波的产生方面应更加积极地找寻方法使今后的电力系统更加的安全稳定，保障电力运行的安全。

参考文献：

[1] 臧正保.电网高次谐波的影响及抑制[J].电气技术与自动化,2004（3）.

[2] 吕来泰.电网高次谐波的危害及抑制措施[J].电气开关,2007（3）.

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中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 02-0000-01

一、引言

电力系统的稳定，对于我们如今的社会来说是非常重要的。电力系统的稳定性出现了问题，意思是指在电力系统正常运行的时候，受到外界的干扰，会出现运行数值的变化。

在电力系统的稳定性出现的问题当中，我们主要可以分为两大类，分别是静态稳定与暂态稳定。静态稳定是指电力系统由于受到外界的干扰之后，不会出现周期性的变化，而自动恢复到原来的电力系统状态。而另一种暂态稳定就是在电力系统在受到外界的干扰之后，不会恢复到原来的状态，而以一种新的运行状态来继续运行。所以我们要从不同的分析方法来分析电力系统的稳定性。

二、电力系统静态稳定分析

上面我们也说过，静态系统稳定是指在电力系统受到外界的干扰之后，本身的运行周期不会发生变化，而在干扰之后会自行的恢复的原来的运行状态，这样的电力系统就是静态稳定。静态稳定是基本上不需要我们来进行研究的，因为这样的电力系统，它会自动调节回来，不会对我们的生活造成太大的影响。而暂态稳定在受到外界的干扰之后，不但会出现本身运行周期的变化，在震荡之后，并不会回到原来的运行状态，而是以一种新的状态来运行。接下来我们将分别分析两中电力系统的稳定。

首先我们要讲述的是静态稳定的电力系统，这种静态的电力系统可以由以下这样的方法来分析，比如说全特征值分析法以及部分特征值分析法等。

首先我们可以用全特征值分析法来分析，在整个电力系统形成了雅可比矩阵A后，我们可以应用QR算法来完成整个矩阵的全部特征值，通过这样的方法来判断整个电力系统是不是静态稳定，这种方法具有的特点是占用的内存太大，同时整个预算的过程又太慢了，同时要是在计算大规模的电力系统的时候，就有可能出现误差，所以这种计算分析方法只能够应用于一些中小规模的电力系统，对于大规模的电力系统的实用性并不大[1]。

还有一种是部分特征值计算法，对于这种分析方法来说，主要就是为了关注整个矩阵中与需要分析目标相关的那一部分特征值，对于出现了震荡的不稳现象时，也是主要关注其中较大的特征值。采用这样的分析方法主要是针对在整个电力系统的低频震荡的分析，在整个矩阵中采取其中的主导特征值，这种从矩阵的部分特征值来分析的方法中，有点是将矩阵进行降阶后在进行分析，而有的分析方法却是直接在用矩阵来进行的分析计算的。以上的都是利用矩阵的特征值来进行的分析，其实在除了利用特征值来分析电力系统的稳定外，还可以用到的另一种就是频域分析法。

三、电力系统暂态稳定分析

这中电力系统是在受到外界的干扰之后，不会恢复的到原来状态的一种电力稳定系统。这是在电力系统受到外界大的扰动而引发的一种电磁的暂态过程，这种过程还会牵扯出机械运动的暂态过程一种相对要复杂的一种过程。在整个过程中，由于这种过程太过复杂，所以在分析这中电力系统的稳定的时候，我们需要注意一些问题。第一是不要考虑发动机对暂态过程的影响，应该电力系统中交流系统的变化。不考虑在频率变化时对整个电力系统中对系统的参数的影响。在这样的情况下，对于暂态稳定我们可以用以下这两中方法来进行分析，分别是数值解法以及直接解法这两种。

（一）数值解法

这种方法是在了解完暂态系统的微分方程以及它的代数方程之后，来计算求解的。主要应用的是各种的数值积分法来进行的求解来进行的计算分析。在这种利用各种方程来进行的计算的基础上，我们可以拓展出交替求解法以及联力求解法来。

首先我们要先分析的是交替求解法，这种方法可以在积分方程与代数方程两种方程中来选择。数值解法还应该要考虑的是对各种方程特性的适应性。在这中数值解法中主要应用到的方程可以有以下的一些方程，比如说稳定欧拉法、高斯-塞德尔迭代法、抗矩阵迭代法等。在这么多的计算方法中[2]，有一种梯形隐试积分法在计算电力暂态稳定当中具有很好的适应性。在如今的计算暂态稳定的方法中，都认为梯形积分法是最理想的一种方法了。

（二）直接解法

这种解法的中心思想是，在整个电力系统遭受到外界的干扰之后，不管是什么情况下，都会恢复到稳定的状态。所以直接法就是在整个状态的空间中找到一个稳定的平衡点，在以这个点为中心，将周边的范围作为一个稳定的区域，再使用李雅普诺夫函数来计算分析。要是出现的扰动不在稳定域内，也不可以说整个系统就是不稳定的，这也是在直接解法所占有的保守性特性。在直接的解法当中，还有一些实用的方法主要有不稳定平衡点法，势能界面法，单机能量函数法等。这些方法都可以应用到各种复杂的电力系统中去。

在整个暂态稳定的分析方法中，除了上述的几种方法之外，还有一种是概率分析方法，这种应用各个方面的因素来得出某些概率的方法也可以用来检测电力系统的稳定性

四、结束语

电力系统的稳定在整个中国电网中，是占据着非常重要的作用的，它直接会影响到一个国家的发展与进步。所以本文通过分析电力系统的各种稳定性的方法，来提取出对于电力系统有帮助的稳定性分析方法，希望对于我国的电力系统有帮助。

参考文献：

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中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

在现今社会，实现电力系统在安全可靠的前提下经济运行，不仅对国民经济具有重大意义，对国家政治也有重要影响。因此，面对日趋复杂的系统和日益增长的用户需求，如何保证电网“安全、优质、经济”运行，一直以来都是电力系统工程技术人员和学者的研究的重要课题之一。

一、无功优化的意义

电力系统无功优化是保证系统安全、经济运行的一种有效手段，是提高电力系统电压质量的重要措施之一。实现无功功率的优化可以改善电压的分布、提高用户端的电压质量、减少电力传输(主要是线路和变压器)的电能损耗，从而降低电力成本，同时也能提高电力传输能力和稳定运行水平。

随着自动化技术的日益成熟，基于传统的安全监控和数据采集系统的高级应用软件如网络拓扑、状态估计、调度员潮流正逐步趋于实用化，在此基础上可以进行功能的再扩展，开发电网电压、无功优化控制系统。随着电力通信的飞速发展，我们可以在现有的自动化系统基础上进行无功优化计算，下达控制指令，利用电力通信信道，将这些指令传递给变电站的综合自动化系统，投切电容器、调节变压器分接头，来实现无功功率的最优控制，将线损降低到最低，使SCADA/EMS系统的效益更加直观、明显。

二、静态无功优化调度的模型与算法

1、数学模型

电力系统无功优化调度问题通常表示成含约束条件的非线性数学模型。从经济性角度出发的经典模型是将系统的有功损耗最小化作为目标函数，从系统安全性角度出发的模型是将系统运行状态（如节点电压幅值）偏离期望值之平方和最小或者电压稳定裕度最大作为目标函数，或者同时考虑这两者构成多目标模型，此外，还有以无功注入总成本最小为目标的模型。在电力市场环境下，如考虑到无功功率的发电和运行成本，则可以采用有功和无功的发电总成本最小化作为目标函数。

2、求解方法

无功优化的求解方法主要有非线性规划法（Non-Linear Programming，NLP）、线性规划法（Linear Programming，LP）等常规的无功优化方法以及人工智能搜索方法等。

（1）常规优化方法

NLP能直接处理非线性的目标函数和约束函数，应用较广泛的NLP方法主要有简化梯度法、牛顿法和二次规划法。

虽然ORPD问题属于最优潮流问题中的一个特例，目标函数和约束条件是非线性的，但应用求解经济调度的各种NLP方法来求解ORPD问题时或多或少都存在计算量大、收敛性差、稳定性不好等问题。简化梯度法对罚函数和梯度步长的选取要求严格，收敛慢，且不能有效地处理函数的不等式约束。尽管二次规划法的精确性及可靠性较好，但其计算时间随问题规模的增加而急剧增长，在求解临界可行问题时会出现不收敛。牛顿法具有快速收敛的特点，但尚不能有效处理电压无功优化控制中的大量不等式约束。

（2）专家系统和人工神经网络方法

20世纪80年代专家系统被引入到电网电压无功控制领域。有研究者提出了一种便于为实时控制建立专家系统的方法，灵敏度树，在此基础上开发了电力系统电压无功控制的专家系统，以协助操作人员监视母线电压并选择最有效的控制方法来处理电压越限情况。也有学者采用专家系统和模糊集求解ORPD问题，在一系列规则中引入启发式控制，根据隶属度函数来度量规则的适应度。虑到仅依赖于专家系统或者ANN方法进行ORPD求解难度很大，因而常将其作为常规算法的辅助和补充来发挥作用。

（3）内点法

自N.Karmarkar于1984年提出具有多项式时间可解性的线性规划内点算法以来，各种内点法相继被提出，并已被扩展应用于求解二次规划和直接非线性规划模型。它们的主要优点是计算时间对问题的规模不敏感，计算速度快，收敛性好。但如何探测和处理优化过程中的不可行解的问题是内点法的一个障碍。

（4）启发式搜索算法

近年来，启发式搜索算法在全局优化问题中得到了密切关注和广泛应用。如模拟退火算法、遗传算法、进化规划、进化策略、粒子群游算法、免疫算法、Tabu搜索算法以及这些算法的组合方法]等。而其中最引人瞩目的是遗传算法（Genetic Algorithms，GA）。

三、动态无功优化调度的模型与算法

在进行无功调度时将是在高电压环境下进行操作、切换控制设备，如这些情况出现得很频繁，就会破坏设备的绝缘强度、缩短设备的使用寿命，并形成事故隐患。此外，频繁调节控制设备还加重了运行人员的工作强度，容易产生操作错误，不利于系统的安全运行。

因此，在动态无功优化调度数学模型中引入了变压器抽头和补偿装置投切开关允许动作次数的限制。现有建模方法主要是将一天的负荷预测数据划分成若干（如24）个时段，然后以整天的能量损耗最小或者24时段内总网损最小为目标，并将控制变量的动作次数作为直接约束，从而获得全天各时段的无功调度模式，形成了十分复杂的时空耦合问题，常会受负荷预测结果精度的影响。

刘明波给出了动态无功优化问题中严格意义下的非线性混合整数数学模型，介绍了各种离散控制设备每天的最大允许动作次数相同时的优化结果，显示了动态无功优化取得的控制设备动作次数的降低是以有功网损的升高为代价的。

为简化动态无功优化问题，通常的做法是简化状态解空间以达到降维效果：任晓娟通过启发式规则确定控制设备的动作序列，采用一种稀疏矢量方法对控制变量进行一定的简化，将数学模型转化成静态优化模型，适合于求解高中压配电网的动态无功优化问题；文献Sharif S S将负荷曲线划分成若干时段，离散控制变量在每一个时段中的取值相同，在时段数较少（小于最大允许动作次数）的情况下自动满足动作次数限制，然后进一步在各个大时段（interval）中再细分出若干个周期（period），对每个周期只使用连续变量、依据实时负荷数据进行优化，以尽可能地降低网损。由于过分强调了动作次数约束而减少时段的分区，很多情况下无法调动所有设备进行无功优化。

Liang R H根据预测的24时段负荷数据，将变压器带负荷调压装置的动作次数和无功补偿投切次数作为约束，采用动态规划法求解。由于状态数量庞大，求解效率不高。

Wong Y K认为无功优化调度的目标除了通常被普遍采用的网损最小化和电压合格化之外，还应增加控制设备的操作最小化。因此目标函数中增加各个控制变量的变化量罚函数，并依据经验人为地根据各控制变量操作优先级的不同分配不同的罚因子，可惜各个罚因子没有真正的物理意义，取值缺乏科学依据。

潘哲龙则将网损和动作元件数作为两项惩罚项，加入到越限元件数最小化的目标函数中，采用一种分布式并行计算的遗传算法进行求解，不过该文也没有给出罚因子的选取方法。

倪炜提出在实时无功优化的目标函数中考虑控制变量的调节代价：以各台设备的成本与调节故障导致的损失费用之和除以寿命期内的有效调节次数。

展望

随着ORPD问题研究工作的深入，其控制次序问题和负荷模型问题将会凸现出来。控制次序的问题涉及应用层面，而目前无功优化控制的应用基本仍停留在离线的水平上，因而该问题的理论研究也不够深入，实际上，即使优化后得到一个可行解，在调节逐个设备的过程中也不一定能够保证不出现临时越限现象。负荷模型问题更是目前研究的一个盲点。实际上负荷与电压的关系相当密切，由于无功优化的结果往往导致部分状态变量逼近约束边界，负荷与电压的相互作用过程将会产生新的越限。由于负荷模型的研究本身是一个难点，通常将负荷视为恒功率，这种被普遍采用的假设值得推敲。

参考文献

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中图分类号：TM621文献标识码： A

1、空冷系统概述

我国空冷技术研究工作开始于上世纪 60年代，1964年由哈尔滨空调机厂、兰洲石油机械研究所、北京石油设计院共同开发研制的首台空气冷却器装在锦西石油五厂投入运行。1966年在哈尔滨工业大学试验电站的 50kW机组上，首次进行了直接空冷系统的试验。1967年在山西侯马电厂 1.5MW机组上进行了直接空冷系统的工业性试验。20世纪80年代庆阳石化总厂自备电站 3MW机组的直接空冷系统投运。我国应用的大型空冷技术项目是在20世纪80年代末期，1987年采用引进混凝式间接空冷系统，同时引进混凝式间接空冷技术的2×200MW混凝式间接空冷机组在山西大同第二发电厂投产，这为国产化大型空冷机组的运行提供了工程实践经验。

我国从1990年开始了200MW级机组混凝式空冷系统的设计工作。1993年在内蒙丰镇电厂投产的 4×200MW混凝式间接空冷机组以及1993年在山西太原第二热电厂投产 的2×200MW表凝式间接空冷系统（采用黄铜管HSn70-1A表面式凝汽器，散热器是引进德国GEA公司技术生产的钢管钢翅片散热器）是国家“八五”攻关的两个课题，两个项目的第一台机组均在1993年投入生产运行。 2004年10月华能山西榆社投产了 2×300MW亚临界直接空冷机组，是当时我国单机容量为最大的直接空冷机组； 2005年4月在山西大同二电厂投产了 2×600MW亚临界直接空冷机组，是当时我国单机容量为最大的直接空冷机组。截止到2009年底，国家发改委核准的空冷机组容量已经达到了近85000MW，我国空冷机组的总装机容量达到了近78000 MW，订货超过了100000MW。在建或准备建设的1000MW超超临界空冷机组超过10台，可以说无论在数量上还是在单机容量上我国的空冷机组都走在了世界前列。

2、电厂空冷系统的分类

（1）直接空冷系统:

直接空冷技术的发展主要是围绕直接空冷凝汽器管束进行的，汽轮机排汽将几乎全部在凝汽器中冷凝成冷凝水。汽轮机排出的蒸汽在凝汽器翅片管束内流动，空气的流动也对蒸汽起到了直接冷却的作用。此外，由于直接空冷凝汽器的突出特点，已经逐渐在世界各国进行了技术研究并得到了广泛的推广。在现有运行的机组中，强制的通风方式其可调控性能较好，因此也被应用到各领域中去。由于间接空冷凝汽器系统相对于直接空冷凝汽器系统设备多、维修量大、运行的难度也大。所以只能是水冷凝汽器系统和直接空冷凝汽器系统之间的一个过渡，而直接空冷凝汽器则是今后发电系统的发展方向。

（2）混合式（海勒式）间接空冷机组：

汽轮机排汽进入混合式凝汽器通过大量循环水混合冷却（循环水水质和凝结水水质相同），少部分水进入正常的回热系统，大部分水进入布置在空冷塔的散热管束，被空气冷却。

（3）表面式（哈蒙式）间接空冷系统：汽轮机排汽进入表面式凝汽器通过大量循环水将其冷却，循环水再进入布置在空冷塔周围的管束，被空气冷却。

由于我国空冷机组多建在北方缺水地区，冬季寒冷对防冻要求较高，凝结水温和背压不能过低；夏季高温天气历时较短，因此在新建工程中，大多数采用了直接空冷系统。

直接空冷系统受环境风的风向及风速等气象因素的影响也较明显。国内已发生过因强对流气象条件导致汽轮机跳闸的事故。不利风向将影响进风、排风条件，产生热回流，直接影响机组效率。间接空冷系统对环境气象条件的敏感性和受环境气象条件影响变化较小。

空冷系统技术比较（以两台330MW为例）

2×330MW机组的配置方案

表面式间接空冷系统按对环境风敏感程度较低的散热器在塔内水平布置方案考虑，如采用立式布置散热器，冷却塔尺寸与混合式间接空冷系统基本相当。

3.1投资费用比较

3.2 耗水量运行费用比较（以两台330MW为例）

3.3 耗电量运行费用比较（以两台330MW为例）

3.4 年总费用差比较

4．结论

我国是一个严重缺水的国家，人均淡水资源只有世界平均值得1/5,我国东北、华北、西北地区缺水更为严重。随着人口的增长，人均淡水资源占有率不断地下降，对水的需求量却不断地增加，节水已成为我国国计民生的大事，水资源的可持续利用是社会可持续发展的先决条件，各行各业节约用水、合理用水已成为国家的一项战略国策。我国的工业用水中，湿冷机组冷却用水构成占较大比重，一台1000MW的湿冷机组日耗水量11万吨之多，如果机组建设大量湿冷机组，水资源的矛盾将日趋激烈，水资源的平衡将被打破，将会严重威胁社会发展和人类生存，而空冷机组尽管煤耗稍高，但无废水排放和水的蒸发，故在我国富煤缺水的地区建设空冷发电机组，变输煤为输电，节约大量的淡水资源符合我国发展的战略方针、政策。

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中图分类号： TN710?34； TM401 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）15?0115?04

Analysis of power system harmonic load model

LU Hui?hui1， SU Cheng?yue1， ZHANG Wen?jia2， ZHOU Huai?jie1， LIU Jing?tao2， LIU Li?bin1

（1.Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China； 2.Guangzhou Power Supply station Co.， Ltd.， Guangzhou 510730， China）

Abstract： As the nonlinear load power increases， the harmonic distortion problem in power systems is serious. The common nonlinear load is discussed in this paper. A complete nonlear load simulation model was constructed to supply power to asynchronous motor by the rectifier frequency circuits and a transformer converting 110 kV to 400 V. Only the harmonic distortion rate of the third phase bridge rectifier circuit module is more than 32%， but harmonic components is greatly reduced by adding a harmonic elimination module in the model. The simulation results show that the total harmonic distortion rate of the nonlinear load is not more than 1.40%， which complies with the relevant state standards， and provides a theoretical base of harmonic prevention and control for enterprises.

Keywords： power system； harmonic analysis； load model； rectifying frequency conversion

0 引 言

谐波使电能质量下降，影响发电、供电和用电设备的安全经济运行，产生较大的危害已得到公认。目前国内外对电力系统的谐波分析大部分都是研究公用电网谐波的整体状况，没有对谐波负载进行细化分析。研究方向主要包括有：公用电网谐波评估[1?3] 、谐波对计量的影响[4]、谐波的检测方法[5?7]、针对谐波的滤波设计[8?9]等。较少深入研究负载内部产生谐波的机理。本文从电动机、整流器等具体负载着手，建立相应的理论模型分析其产生谐波的原因，为深入地开展谐波研究提供理论依据。

1 电子电力变流电路产生谐波原理

电子电力变流电路包括：交流/直流变换器又称整流器、直流/交流逆变器、交直交变频器等。其中应用最广泛的是整流器，很多负载模型都是基于整流电路建立的。常用的整流设备有二极管和晶闸管构成的单相和三相整流器。从控制的角度区分，有不控、半控、全控之分。目前采用全控的PWM方式6脉冲整流较多，如图1所示，下面对a相电流波形进行傅里叶级数展开有：

[ia=23πIdsinωt-15sin5ωt-17sin7ωt+111sin11ωt+113sin13ωt-117sin17ωt-119sin19ωt…] （1）

三相电流相角依次相差120°，其有效值与直流电流的关系为[I=23Id]，当控制角[α≠0]时，只需用[ωt-α]代替[ωt]代入上式即可。则电流基波与各次谐波有效值分别为：

[I1=6πId，In=6nπId， n=6m±1] （2）

式中：[n]为特征谐波次数，[n=pm±1，][p]为逆变器脉动数，[m]为正整数。

2 基于Matlab构造负载模型

2.1 整流器模型

图1（a）中，原理图电路由三相交流电源[Ua，Ub，Uc，]整流变压器T、晶闸管VT1～VT6、负载[R]以及触发电路组成，由于晶闸管的单向可控导电性能，在负载上可以得到方向不变的直流电，改变晶闸管的控制角，可以调节输出直流电压和电流的大小。晶闸管触发电路输出脉冲与电源同步是电路正常工作的重要条件。三相桥式全控电路是应用最广泛的整流电路，六个晶闸管依次相隔60°触发其必须采用双脉冲触发或宽脉冲触发方式，以保证每一瞬间都有两个晶闸管同时导通。三相桥式整流电路的仿真使用模型库中的三相桥和触发器的集成模块，其仿真模型如图1（b）所示，仿真波形分析如图2所示。

表1 三相电流各次谐波含量及总畸变率 %

[谐波次数＼&3＼&5＼&7＼&9＼&11＼&13＼&15＼&17＼&19＼&THD＼&A相＼&0.14＼&25.68＼&11.41＼&0.13＼&10.57＼&6.02＼&0.13＼&6.58＼&3.82＼&31.56＼&B相＼&1.39＼&25.51＼&10.48＼&1.36＼&9.63＼&4.73＼&1.17＼&5.49＼&2.84＼&30.54＼&C相＼&1.53＼&26.65＼&10.41＼&1.45＼&10.64＼&5.59＼&1.19＼&5.98＼&4.20＼&32.20＼&]

三相电压源SPWM逆变器是在通用变频器中使用最多的，仿真模型如图3所示。

通过对整流和逆变电路模型的建立和谐波分析，可以看出两者产生的总谐波畸变率很高，电流谐波畸变率甚至达到42.54%，表明逆变电路是电力负载的一大谐波源。

2.2 交流电机模型

交流电机是一个多变量非线性系统，其静态和动态特性以及控制技术远比直流电机复杂。为了设计一个静态和动态特性都较为理想的交流调速系统，需要建立起交流电机合适的数学模型。三相异步机的模型是首先将三相输入电压变换为二相坐标系（dq坐标系）上的电压，同时也将计算所得的二相电流转换为三相坐标系上的电流[10]。交流异步电动机的转速表达式为：

[n=60f（1-s）p] （3）

式中：[n]为异步电动机的转速；[f]为电动机电源的频率；s为电动机转差率；[p]为电动机极对数。由上式可知，转速[n]与频率[f]成正比，只要改变频率[f]即可改变电动机的转速，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。转速开环恒压频比控制（V/F）其特点是控制电路结构简单、成本较低，能够满足大多数场合交流电动机调速控制的要求。

图3 三相逆变电路模型及谐波分析图

图4是一个V/F控制变频调速仿真图，图中由直流电源经过逆变器变成交流电给交流异步电机供电。逆变器由PWM控制，控制PWM的频率就可以控制电压的大小，进而可以控制电机的转速，最下面的部分就是V/F恒压控制部分。

对电路B相谐波电流分析如图5所示，B相的总畸变率（THD）为2.45%，主要的成分还是5次、7次、11次谐波，分别占有1.73%、1.19%、0.74%，符合特征谐波次数[n=6m±1。]

图5 交流电机谐波分析图

3 综合仿真实验分析与研究

前面已介绍各分立负载模型，下面是综合的非线性负载模型，电路包含变压器、整流器、中间直流电路、逆变器、滤波器、异步电机等，如图6所示。该电路由110 kV的电压经过变压器降为400 V，然后经过整流变频电路，再添加一个无源LC滤波器分别给三相电路进行滤波，参数经过计算和调试，实现对高次谐波进行最大的抑制，如图7所示，最后给异步电机供电，以及通过反馈环路控制PWM的频率就可以控制电压的大小，进而可以控制电机的转速如图6下部分，最后测出各相电流的谐波成分见表2，其畸变率大大降低，总畸变率为1.4%。

表2 A，B，C三相的电流畸变率 %

[次数 /次＼&3＼&5＼&7＼&9＼&11＼&13＼&15＼&17＼&19＼&总畸变率＼&A相＼&0.14＼&0.94＼&0.66＼&0.14＼&0.34＼&0.21＼&0.12＼&0.16＼&0.15＼&1.34＼&B相＼&0.19＼&0.95＼&0.63＼&0.25＼&0.22＼&0.07＼&0.19＼&0.06＼&0.01＼&1.40＼&C相＼&0.11＼&0.83＼&0.88＼&0.16＼&0.23＼&0.28＼&0.18＼&0.15＼&0.16＼&1.40＼&]

4 结 论

本文基于Matlab建立电力系统中产生谐波负载仿真模型，仿真结果表明，对采用6脉波变流器的负载，产生的谐波含量比较符合理论公式，可控变流装置交流侧电流含6k±1（k为正整数）次谐波；各次谐波有效值与谐波次数成反比；与基波有效值的比值为谐波的倒数。通过综合构造出一个110 kV变压为400 V，经整流变频等电路给异步电机供电的完整的非线性负载模型，在模型中加入滤波器后的仿真结果表明，其非线性负载的谐波总畸变率不大于1.40%，谐波成分大大降低，符合国家有关标准，为企业减少向电网注入谐波成分提供参考。

参考文献

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[3] 杨景，阳一雄，许欢欢，等.基于广义岭回归的谐波阻抗分析与谐波评估法[J].电力学报，2012，27（2）：99?102.

[4] 李育才，李明姝.谐波电能计量技术的应用[J].吉林电力，2010，38（5）：43?45.

[5] ZOLFAGHARI Reza， SHRIVASTAVA Yash， AGELIDIS V G. A comparison between different windows in spectral and cross spectral analysis techniques with Kalman filtering for estimating power quality indices [J]. Electric Power Systems Research， 2012， 84： 128?134.

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[7] 冯新民.小波包变换在电网谐波检测中的应用研究[J].机械工程与自动化，2011（4）：160?162.

篇（11）

关键词：电力系统；电力运行；充裕性；安全性

中图分类号：F470.6 文献标识码：A 文章编号：

1 概述

电力行业作为一个重要的基础产业和公用事业，对于国家经济和民生稳定起着促进和发展作用，在国家经济和社会安全中发挥着不可替代的作用。电气能源从发电厂、变电站、传输和分配线电源用户，有数以千计的设备控制和保护装置。这些装置分布在各种不同的环境和地区，会产生不同类型的故障，影响电力系统的正常运行和用户的正常用电。电力供应用户的各种故障和意外事故造成的停电，会给工业和农业生产及人们的生活造成不同程度的损失，并导致工业产品的产量下降、质量降低，严重的会造成设备损坏。停电也将威胁到人身安全，给社会和人们造成经济损失，供电可靠性不仅涉及到了供电企业的生存和发展，更直接关系到地区用户的用电安全性和可靠性，甚至关系到该地区的发展，因此，如何保障电力网络的安全和可靠运行，一直是各供电企业研究的一个重要问题。

2 电力系统可靠性的概况

可靠性是指在预定条件下，一个组件、设备或系统完成规定功能的能力。可靠性的特性指标称之为可靠度，可靠度越高，意味原件可靠运行的概率越高，故障少，维修费用低，工作寿命长；可靠性低，意味着电力设备寿命短暂，出现过多的故障，维修成本高，直接关系到企业的经济利益。电力发展在整个开发过程中，可靠性贯穿于产品和系统每一个环节。可靠性工程涉及到故障统计和数据处理，系统的可靠性定量评估对电力设备的操作和维护具有重要作用，下面从充裕性和安全性两个方面来进行阐述。

2.1 充裕性

充裕性是指电力系统在保持用户的持续供应电力总需求和总电能的能力，考虑到系统计划停运的系统组件和非计划停运的合理期望值，也被称为在静态条件下电力系统的静态可靠性。充裕性是满足用户的电力和电能的确定性指标要求，在系统运行时，各种维修备件需要足够备用容量的百分比概率指标，如缺乏电力概率，可以说功率不足时间预期值或电量不足期望值等。

2.2 安全性

安全性是电力系统承受突然的干扰，如突然短路或系统组件意外损坏的能力，也称为动态可靠性。电力系统承受突然的干扰和不间断的现场为用户在动态条件下的能力。确定性指标一般采用安全性来表示，例如，最常用的N-1准则以及一个特定的故障是否可保持稳定或正常地提供电源。

2.3 充裕性与安全性及其他安全指标

电力系统发展的规划和运营计划，特别是在电力计划评估的可靠性，经常使用充裕性指标，电网规划和运行管理则经常使用安全性指标来进行可靠性评估。电源系统的可靠性是靠定量指标来衡量的，以满足不同应用的需求，并促进预测的可靠性，进行了提出大量的指标，以下列举了更多的例子：

（1）概率：可靠度、可用性等。

（2）频率：平均每单位时间的故障数。

（3）平均持续时间：第一次故障的平均持续时间，第二次故障的平均持续时间，第三次故障的平均持续时间等。

（4）期望值：一年中故障发生的期望天数。

这些类型的指标从不同的角度描述每一个可靠性的系统状态，其中每一个都有其优点和局限性，在实际应用中常综合使用各种指标来描述相同的系统状态，所以，这些指标彼此之间可以弥补其他指环的不足之处，例如，电源故障的概率和频率的指标无法衡量要大小的量度，预计将取得积极的指标，可以弥补这一不足指标，有些（如概率指标）可以使用两个组件和系统，但也可修复组件和系统，但所使用的指标的频率和平均持续时间可修复组件和系统。

3 提高供电可靠性的技术措施

加大电网建设的力度，以提高供电的可靠性。第一要加速电网的改造，电网的改造可以提高电源的可靠性，这就要求我们在电网方面多加重视。目前，我们正在进行全方位的农村电网改革，也制定了详细的城市路网规划。第二要依靠科技进步，提高电力系统的可靠性。推广状态检修和停电检修，在线监测和红外温度测量等科学的手段，在确保安全的带电作业的情况下，根据实际需要，进行检测。减少设备停电时间和设备免维修，少维护，延长设备检修周期。更改设备配置，根据实际情况开展配电网保护自动化工作，隔离故障区段诊断和恢复，对网络过载实行监控，并实时调整和变化，以减少停电次数。实行电网运行方式转变和负荷转移，加快旧站综合自动化改造。通过研究10kV配电网结线模式，积极开展自动化配电线路（含开关站）工作，根据实际情况来开展自动化改造方案计划，以满足配电自动化的要求，逐步落实。第三要求我们必须加强线路绝缘，提高供电系统的可靠性。供电系统供应主要设备安排停电的供电可靠率，架空线路占了很大的比例。提高绝缘性对提高电源的可靠性有着很大的帮助，提高电源线供应能力使一个小型的路径具有低故障率的特点，增加铺设的电缆数量，在新建的线路使用电缆。如在对地理因素了解不足的情况下，建议更换的电线绝缘导线，以提高抵御自然灾害的能力。尝试每年对配电设备进行检修，根据具体的技术设备条件的改变，根据实际运行的缺陷和严重程度，决定是否在同一时间灵活地基于条件进行维护改进布线。在多用户的线路，确保该线以灵活的方式和在适当的负载水平上运行，特别是在多用户线，如果10kV架空线路处于污染较严重的地区和雷电破坏的地区，可以使用20kV等级，进行低压电网改造，低压电缆应逐步取代原有的接户线，解决用户负载的增加线路容量不足的故障。第四，由于台架升高，对台区要加强改造，以避免意外停电造成事故。改造时，必须严格按照设计标准实施规划步骤，改造要一步一步实施，还要加强城市建设规划，使市政建设协调发展。把宣传工作做好，加强协调与合作，以解决实际工作中存在的问题。对于低电压台区改造，在维护和检查工作中要加大加强配网维护力度，尤其是多用户和永久性故障线路，发现缺陷要及时解决。提高设备的完好水平，尽可能按照环网的设计，一步到位。第五是防止事故的发生，做好事故发生后的维修工作。对于台风多发地区，应密切关注天气预报，做好意外的防护，并采取适当的预防措施，以减轻其影响。

4 提高供电可靠性的组织措施

第一，要对指标进行分解，以确定供电可靠性指标的直接原因。第二，提前做好对供电可靠指标的控制工作，然后加强规划和管理临时停电时间。停电时间尽可能短，要加强协调、合作和其他方面的改革，统筹安排计划停电，使输电、变电、配电和施工在同一时间完成；利用处理事故的时间，在断电的的维护前提下进行对预接线交换机或其他设备的检修工作。第三，我们必须制定具体的管理和考核制度及其他相关系统，提高系统的可靠性，使得电源管理日趋完善，最大限度地减少停电时间，提高供电可靠性。第四，要加强对基础信息资料的收集和整理，对基本数据进行完善。帮助准确地统计数据信息，以确定影响供电可靠性的主要原因，并及时做出改善，加强配电系统的数据管理，尽量做到数据同步和转型，加强统筹协调供电部门与用户之间的关系。做好宣传工作，以减少重复停电和破坏性停电。

5 结语

总之，作为一个重要的服务行业——电力行业，与国家经济和民生息息相关。必须建立一个完善供电系统，努力提高供电可靠率，增加电力供应能力，使故障的发生率控制在最低点，从而使得客户的满意度逐渐提升。