输电网络
输电网络（英语：Electrical grid 或 Electricity network），简称电网，是指用来将电力从生产者输送至消费者以供使用的互联电网。这个网络由发电厂、变电所（将电压升高或降低）、输电系统（可长途输送电力）组成。在电力抵达最终用户之前，会利用变电所将电压降低至用户所需的工作电压。发电厂通常建在靠近能源，且远离人口稠密的所在。电网的规模各不相同，可覆盖整个国家或是大陆。依据规模可以分类为微电网、广域同步电网及超级电网。
各个电网几乎均为同步运作，表示所有配电区都以同步的三相交流电运作（因此电压波动几乎同时发生），使得交流电能在整个区域传输，将发电厂与消费者连结。电网的同步运作为电力市场提供稳定的基础，有利于市场的流动性。
输电和配电两者合在一起是电力传输工作的一部分，在北美称为"power grid"，或迳称"the grid"。在英国、印度、坦桑尼亚、缅甸、马来西亚和新西兰，这种网络称为国家电网"national Grid"。
当全球电气化程度提高后，由电网取得电力的人数也不断增加。全球于2010年约有12亿人未连结到电网[1]，而于2017年仍约有8.4亿人未连结到电网（约占总人口的11%，主要在非洲）。
电网容易受到恶意入侵或攻击，因此需要确保安全。随着电网现代化并引入电脑技术，来自网络的威胁开始成为严重的风险。[2]特别令人担忧的是电网需用到更复杂的电脑系统进行管理，而这类系统成为易于攻击的目标。[3]
类型（按规模分类）
微电网
所谓微电网是种区域电网，通常是广域同步电网的一部分，但可脱离并自行运作（尤其是当主电网受停电影响时），[4]这种布局称为岛屿化（电力系统分割），[5]这类微电网可能依靠自己的资源无限期运作。
微电网通常比较大的电网使用较低电压的配电网络和分散式发电机。[6]微电网不仅更具韧性，而且会以较低的成本在偏远地区提供服务。
设计微电网的目的通常是当地有能源可资利用。[4]
实际的案例有：
- 位于也门的哈杰和拉赫季：社区拥有的太阳能光电微电网。[7]
- 位于法国大西洋沿岸的约岛试点计划：于五栋房屋屋顶安装64个峰值容量为23.7千瓦（kW）的太阳能光电面板，以及一个容量为15千瓦时（kWh）的电池。[8][9]
- 位于海地Les Anglais：[10]此设施装设有侦测偷电的装置。[11]
- 位于肯亚Mpeketoni：社区性柴油发电机微电网系统。[12]
- 位于美国加利福尼亚州索诺马的Stone Edge Farm Winery（葡萄庄园及酒厂）：微电网包含有太阳能光电面板、电池和电解水产生的氢气（作为能源载体，于必要时用于燃料电池，作能源用）。[13][14]
广域同步电网
广域同步电网在北美也称为"互联电网"。电网将许多发电厂连结，以相对一样的频率提供交流电给众多消费者。例如位于北美的广域同步电网 - 西部互联电网、东部互联电网、魁北克互联电网和德克萨斯州电网）。欧洲有个大型电网将欧洲大陆的大部分地区联结。
广域同步电网是个区域级规模或甚至规模更大的电网。电网在正常运作下会采相同频率，以同步的方式联结。涵盖的范围也称为同步区，其中最大的是欧洲大陆电网 (ENTSO-E)，发电量有667吉瓦 (GW=十亿瓦)，而供电范围最广的是统一电力系统，涵盖前属于苏联的各个国家。发电容量充足的同步电网可促进大范围电力市场交易。ENTSO-E在2008年经由欧洲能源交易所 (EEX) 每天售出的电力超过35万百万瓦时（MVh）。[15]
于北美互联电网的额定频率为60赫兹，而欧洲的则是50赫兹。具有相同频率和标准的相邻互联电网可以同步及直接方式连结以形成更大的电网，也可透过高压直流输电线路（DC ties）或变频变压器（VFT）在不同步的情况下共享电力，可实现双向有功功率和无功功率的无缝传输，又能同时维持系统自身的频率独立。
成立同步区的好处有将发电汇集以降低发电成本、集中负载而产生显著平衡效果、共同配置发电容量而降低初级和次级备用电力成本、开放市场而导致长期合约和短期电力交换的可能性以及在发生系统故障时可互相支援。[16]
广域同步电网有一缺点，即其中某一部分的问题可能会影响到电网整体。例如于2018年，科索沃因与塞尔维亚发生争端，前者消耗的电力超过自身发电量，导致整个欧洲大陆同步电网的相位落后于正常水平，频率下降到49.996赫兹，导致某些类型的电钟因使用石英晶体振荡器计时的晶振变得较慢，而慢了六分钟。[17]
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欧洲的5个广域同步电网 -
位于北美的两个主要和三个次要电网 -
世界各地主要的广域同步电网（WASG）
超级电网
地区之间的电力公司经历多重互联，可提高经济性和可靠性。互联电网可实现规模经济，让消费者能从大型、高效的发电来源购买电力。公用事业公司可从不同地区的发电厂取得电力，以确保持续、可靠的电力供应并实现负载多样化。互联也让各地区经由接受不同来源的电力来获得廉价的批量能源。例如一个地区可能在丰水季节生产廉价的水电，但在枯水期，另一个地区可能有经风能生产更便宜的电力，而让两地区在一年中的不同时间取得更便宜的能源。邻近的电力公司也可帮助其他公司维持整体系统频率，并协助管理电力公司之间的电流转移。[21]
电网的电力互联水准（EIL）是电网互联总功率除以电网装置容量的数值。欧盟内部制定在2020年国家电网EIL占比达到10%，于2030年将达到15%。[22]
电网组成
发电厂
所谓发电是发电厂使用一次能源生产电力的过程。通常这是透过热机，或是水或风的动能驱动发电机来达成。其他能源还有太阳能光电、太阳热能和地热能。
电网的发电量等于所有接入电网发电机的发电量总和，通常以吉瓦为单位。
电力传输
电力传输指的是电力从发电厂经由网络传输到变电所，然后再连接到配电系统。这个网络系统不同于高压变电所与用户之间的本地配电线路。
由于生产电力的地点通常远离使用电力的，输电系统通常可覆盖很远的距离。对于给定量的功率，当电压越高，电流就会越低，而传输效率会因此更高。因此电压会在发电厂升高，到了地方上的变电所经过降压后再配送给用户。
大多数输电系统均为三相。三相可在相同量的电线下比单相传输更多的电力，因为中性线（当电流从火线流向负载（例如电灯、家电）后，会经由中性线回到电源）和接地线是共享的。[24]此外，三相发电机和电动机比单相的更有效率。[25][26]
传统电流导体造成的主要损耗之一是电阻损耗，它与电流的平方成正比，且与距离有关。高压交流输电线路每百英里会因电阻而损失1-4%。[27]然而高压直流电的损耗只有交流电的一半。由于发电厂产生的和用户端使用的电能都是交流电，因此在传输的两端需要用到交流/直流换流站。在长距离输电的情况下，节省下来的电能所带来的经济效益，可抵消设置这些换流站的成本。
传输网络非常复杂，存在冗余路径。实际布线通常取决于可用的土地及其地质。大多数输电系统都提供更复杂的网状路径所具的可靠性。透过冗余线路，系统可在发生故障时自动切换，维持电力供应。[28]
变电所
变电所可执行许多功能，但通常是将电压从低变高（升压）和从高变低（降压）。电压在发电机和最终消费者之间可能会变换好几次。[29]
变电所依功能可划分为三种主要类型：[30]
- 升压变电所：这些变电所使用变压器将发电机和发电厂生产的电力升高电压（电流因之降低），以便进行有效长距离传输。
- 降压变电所：使用变压器将来自输电线路的电压降低，提供给工业用户，或是输往配电变电所。
- 配电变电所：再次用变压器将电压降低，以供一般最终用户使用。
变电所除装置有变压器外，还有其他主要组件或功能：
- 断路器：用于自动断电，将系统中的故障部分隔离。[31]
- 开关：控制电流，隔离不同设备。[32]
- 总线：通常是一组三根导线，分别对应三个相位电流。变电所以总线为中心而运作，总线连接入线、变压器、保护装置、开关和出线。[31]
- 避雷器
- 功率因数校正电容器
- 用于功率因数校正和电网稳定性的同步电容器
配电系统
配电是电力传输的最后阶段 - 将电力从输电系统输送到个人消费者。变电所将输电电压降低至2千伏至35千伏之间（中压）。主配电线路将中压电力输送至位于客户所在附近的配电变压器。配电变压器再次将电压降低至家用电力电压。需更大功率的客户可以直接连接到主配电层或是次级输电（次级输电电压比主输电线路低，但又比直接供应给一般用户的配电线路高）。[33]
配电网络分为两种：放射状或是网状。[34]
在北美的城镇，电网往往遵循经典的放射状设计。变电所从输电网络接收电力，透过变压器降压后发送到总线，再经馈线分布到乡村的各个方向。这些馈线承载三相电力，并倾向于沿着变电所附近的主要街道延伸。随着离开变电所越远，馈电线路会继续分支，较小的支线扩展到覆盖馈电线路未涵盖的地区。这种树状结构从变电所向外延伸，但出于可靠性考虑，通常会包含至少一条未使用的备用线路连接至附近的变电所。在紧急情况下可启用此连接，以便原变电所服务区中的一部分可由另一个变电所供电。[28][35]
储能
电网储能（英语：Grid energy storage)，也称为大规模储能（英语：large-scale energy storage）是在输电网络内大规模储能方法的总称。在电力充足且廉价时（特别是产自间歇性再生源，例如风能、潮汐能和太阳能的电力）或电力需求较低时将多余电能储存，在需求较高时再送回电网，且收取较高的电价。截至2020年，全球最大的电网储能形式是筑坝式水力发电，包含常规水力发电，加上抽水蓄能发电两种。[36][37]
由于电池储能技术已有长足进展，使得商业上可行的项目能在电力生产高峰期间将其储存，然后在需求高峰期间释放，也会在发电厂发生意外，电力产量下降时释放，而为需量反应较慢的发电能源争取启动运行所需时间。绿氢是透过再生能源或碳排放相对较低的能源产生的电力，进行水电解而产生，就资本支出而言，绿氢是比抽水蓄能发电或是电池储能更为经济的长期储能手段。[38][39]
有两种电网储能的替代方案 - 建立尖峰负载发电厂来填补供应缺口和需求量，将电力负载转移到其他电力需求较低的时间产生。功能
需求
电网的负载是指电网用户所消耗的总电功率。
负载随时间而变化的图表称为负载曲线。
基本负载发电厂是任何给定时期内电网的最小负载，用电高峰是电网的最高负载。从历史上看，基本负载通常由运行相对便宜，可一次连续运行数周或数月的设备来满足，但全球此种情况越来越不常见。额外的用电高峰有时是由成本高昂的尖峰负载发电厂所生产，这些电厂配备有业经优化，可快速上线的发电机，但这类发电厂也变得越来越少见。
然而如果电力需求过大，电网会不堪负荷，轻则导致电器损坏，重则引发火灾，造成严重安全隐患。[40]
电压
电网的目标是为用户提供稳定且几乎不变的电压 - 即便面对用电量起伏不定、设备负载多变且不稳定的情况以及发电机和输配电设备可能出现故障等挑战，电网仍需维持电压稳定。.[41]为维持供电电压稳定，电网常在靠近用户端的变压器上装设分接开关，以即时调整输出电压，确保符合规范。
电源频率
发电量和用电量必须在整个电网中保持平衡，因为电力是在产生的同时被消耗掉。对于旋转发电机，局部调速器调节驱动扭矩，在负载变化时保持几乎恒定的旋转速度。电力在短期内由发电机的旋转动能储存。
虽然发电机的速度保持相对恒定，但与额定系统频率的小偏差对于调节个别发电机非常重要，并用于评估整个电网的平衡。当电网负载较轻时，电网频率高于额定频率，整个网络中的自动发电控制系统将其视为发电机应减少输出的指示。反过来，当电网负载较重时，频率自然会降低，控制系统会调整发电机以输出更多功率。当各发电机具有相同的调速器控制装置时，它确保具有相同装置的多个并联发电机按额定值共同承担负载。
此外，电网通常还有中央控制，可在一分钟或更长的时间内改变自动发电控制系统的参数，以进一步调整体网络流量和电网的运作频率。
电网的频率虽然允许短暂的波动，但系统会进行调整，确保连接在电网上的电钟在一天之内不会走得太快或太慢。
整个同步电网以相同的频率运行，相邻电网即使以相同的额定频率运行也不会同步。采用高压直流输电线路或变频变压器，可把两个不同步的电网连接起来，毋须将更广泛区域进行同步。 此技术在欧洲的电网架构中已得到广泛应用。[42]
铭牌容量和确定容量
联结电网发电机的最大功率输出（额定容量），其总和可被认为电网的容量。
但实际上它们不会同时全功率运行。通常一些发电机以较低的输出功率运行（备转容量），以应对故障发生和需求变化。此外，发电机可能因维护或其他原因如能源供应端（如燃料、水力、风能、太阳能等）或环境规范的限制而离线。
确定容量（firm capacity）是电网在给定时间段内立即可产生的最大功率输出，是一更有用的数字。
发电
大多数电网规范规定，发电机运作根据边际成本（即最便宜的优先）以及偶尔的环境因素而按优劣顺序来进行。因此价廉的发电设备几乎受到全力运作，而价格昂贵的在必要时才会运作。
故障与问题
故障通常与发电机或输电线路因故导致跳闸有关，导致用户端用电受到影响，产生供电不足或超载等问题。这通常会导致电网频率降低，其余的发电机将做出反应并尝试稳定在最低频率值以上。如无法做到，有可能会发生多种情况。
电网某一部分发生重大故障，如无法迅速得到补偿，会导致电流采不同线路传输，经容量不足的输电线路传输给消费者，而可能发生进一步的故障。因此广泛联结的电网有个缺点 - 可能出现级联故障和大范围停电。应对此问题，通常会指定一个中心机构来促进沟通，并制定协议以维持一稳定的电网。例如北美电力可靠性公司于2006年成为美国法定的强制执行机构，并在加拿大和墨西哥适用部分拥有咨询权。美国政府另外还特别标示出一些区域为国家利益电力传输走廊，因为这些地区的电力传输系统已出现瓶颈问题，如果地方政府不配合解决，联邦政府可出面处理。[43]
棕色停电
棕色停电指的是供电系统中有意或无意的电压下降。故意的情况是在紧急情况下用来降低负载。[44]这种降低会持续几分钟或几小时，与短期电压骤降不同。此名词来自白炽灯在电压下降时会变暗的描述。电压降低可能是电网中断的结果，或有时可能是为减少负载并防止停电（称为blackout）而实施的。[45]
在某些国家，棕色停电并非指电压下降，而是指有意或无意的停电。[46][47][48]
停电
停电（也称为power cut、power out、power blackout、power failure或是blackout）是指特定区域失去电力。
停电可能是由发电厂故障、输电线路、变电所或配电系统等损坏、短路、连锁故障、保险丝或断路器操作以及人为错误所引起。
在与环境和公共安全相关的场所发生停电，风险尤其严重。医院、污水处理厂、矿场、避难所等机构通常都会装置备用电源，例如紧急发电机（于停电时会自动启动）。其他关键系统（例如电信）也需有紧急电源。电话交换机的电池间通常有一组备用铅酸电池，还有一个插座，于长时间停电时可连接到发电机。
降载
发电和输电系统可能无法时时满足电力的尖峰需求 - 即给定区域内所有公用事业客户所需的最大电量。在此情况下，必须将整体需求降低，方法是关闭某些设备或降低电网电压（棕色停电），以防止供电中断（例如大范围停电）或是设备遭受损坏。公用事业公司可透过有针对性的停电、轮流停电或与特定高电力消耗工业体达成协议，在系统高峰需求发生的时段实施降载（load shedding）而将部分生产设备关闭。
黑启动
黑启动指的是在不依赖外部输电网络，而从全部或部分停电状态中恢复发电厂或部分电网运作的过程。[49]
发电厂自身所需的电力通常由自己的发电机提供。如果发电厂的所有发电机都关闭，则须透过输电线路从电网获取电力。然而在大范围停电期间，如果无法获得来自外部电网的电力，则需执行所谓的黑启动来让发电厂重新运作。
一些发电厂为黑启动做准备，会配置小型柴油发电机（一般称为黑启动柴油发电机（BSDG）），用来启动较大的发电机（容量可达几百万瓦），而后者又用来启动主发电机。使用蒸汽涡轮机的发电厂本身需要高达其发电容量10%的服务功率（用于锅炉给水泵、锅炉鼓风机和燃料输送）。在每个发电厂安排如此大的备用容量并不具经济效益，因此必须透过输电线路与另一发电厂连结，作为黑启动电源。通常是水力发电厂会被指定为恢复故障电厂的黑启动电力来源。水力发电厂启动时仅用到甚少的初始电力（足以打开进水闸门，并向发电机磁线圈提供激磁电流），且可非常快速投入大量电力以启动化石燃料或核能发电厂。某些类型的燃气涡轮机可用于黑启动，是无合适水力发电厂地方的另一选择。[50]一家于南加利福尼亚州的公用事业公司于2017年展示使用电池储能系统提供黑色启动，成功启动一部在闲置状态下联合循环燃气涡轮机。[51]
设备过时问题
趋势
需量响应
需量响应是一种电网管理技术，透过电子或手动方式请求或激励零售或批发的电力用户以减少负载。目前电网营运商利用需量响应来要求工厂等主要用户减少负载。[53]
利用智能电表等技术可实施浮动式电价来鼓励客户在电力充足且价廉时多使用电力。
智慧电网
本节摘自智慧电网。
智慧电网是20世纪电网的升级版，透过双向沟通可实现智能设备之间的数据共享与协同作业。[54]电力和资讯的双向流动可改善输送网络。于智慧电网的研究主要集中在三个系统 - 基础设施系统、管理系统和保护系统。[55]智慧电网利用电子电力调节与控制系统，确保电力供应的稳定性和可靠性。[56]
智慧电网是当今及未来解决电力供应问题最完整的方案。预计部署智慧电网技术将对能源基础设施效率产生许多贡献，特别是在能源需求管理方面。提升智慧电网的弹性可让间歇性再生能源如太阳能和风能等，在不增加储能设施的情况之下仍能更为普及。智慧电网可监控并控制住家中的非必要设备，使其在用电高峰时段暂停运作，而在离峰时段恢复正常。[57]
智慧电网包含有各种运作和能源措施：
- 先进的计量基础设施（智能电表是这类设备的通用名称）
- 与居家控制和需量响应整合的智慧配电箱和断路器
- 负载控制开关和智能电器
- 再生能源储存装置，包括有停放的电动载具电池，或是从电动载具及其他储能电池回收而组成的阵列电池。
- 提升能源效率装置
- 透过输电线和自动智慧开关进行剩余电量分配
- 足够的公用事业级光纤宽频用于连接和监控上述内容，并以无线连结作为备用。足够的备用暗光纤带宽以确保于故障时可转移，平日则出租以获取收入。[58][59]
对智慧电网技术的担忧主要集中在智慧电表、其支援的项目以及一般安全问题。智慧电网技术出现也表示电力服务业须做根本性重新设计，此名词的典型用法集中在技术基础设施方面。[60]
欧洲各国透过智慧电网欧洲技术平台（Smart Grid European Technology Platform）共同制定智慧电网政策。[61]美国的智慧电网政策在美国法典第42章中有描述。[62]
离网营运
抵制分散式发电的电网营运商可能会选择离开电网，转而将电力仅供应给范围较小的地区。[63][64][65]
能源智库RMI[66]和其他机构的研究工作[67]预见将会发生大规模的离网营运。然而在德国等冬季电力需求较大的地区，这类离网营运的可能性会较小。[68]
历史
早期的电力是在需使用电力的设备或服务的附近地点生产。在1880年代，电力与蒸汽、液压，尤其是煤气竞争。煤气最初是在客户的场所内生产，但后来扩充为具有规模经济的气化厂。在工业化国家，城市拥有用于照明的管道煤气网络。但使用煤气照明，产生的光线亮度不足，浪费热量，让住家既热又有烟害，且会释放氢气和一氧化碳，还有造成火灾的隐患，电力照明出现后很快就变得比燃气照明更具优势。
电力公司建立独立的中央电厂以达成规模经济，并演进为集中发电、配电和系统管理。[69]于1880年代后期出现的电流之战（交流电与直流电之争）平息后，交流电胜出，透过长距离传输电力，可将各发电厂互联以平衡负载并提高负载因数。史上的输电和配电线路原由同一公司拥有，但从20世纪90年代开始，许多国家将电力市场监管开放（电力自由化），导致输电业务与配电业务分离。[70]
在英国，Merz & McLellan顾问合伙公司创始人之一 - 查尔斯·梅尔茨于1901年在泰恩河畔纽卡斯尔附近建造海王星发电站厂，[71]并于1912年发展成为欧洲最大的综合电力系统。[72]梅尔茨后被任命为英国议会委员会主席，他的调查结果催生1918年威廉森报告，该报告又促成英国1919年电力（供应）法案制定。英国1926年电力（供应）法案出台后促成国家电网成立，[73]依据前项法案建立的中央电力委员会将国家电力供应标准化，并建立第一个同步交流电网，运行电压为132伏特和50赫兹。该系统于1938年开始作为国家系统 - 英国国家电网 - 而运作。
法国的电气化始于1900年代，到1919年有700个市镇通电，1938年增加到36,528个。同时这些独立的电网开始互联：巴黎在1907年以12千伏的电压互联，比利牛斯山地区在1923年以150千伏互连联，最终在1938年几乎整个国家以220千伏互联。 该国在1946年拥有世界上最密集的电网。法国在1946年将私人公司集合组成法国电力集团，成为国营事业。频率标准化为50赫兹，225千瓦网络取代110千瓦和120千瓦。于1956年将供电电压标准化为220/380伏特，取代先前的127/220伏特。自1986年5月29日开始，最终用户服务电压逐步改为230/400伏特 +/-10%。[74][75]
于1920年代，美国的公用事业公司采联合运作以共享尖峰负载和备用电力。该国《公用事业控股公司法》于1935年通过，电力公司被视为重要的公共财，为确保电力供应的稳定性和公平性，公用的运作受到政府的严格监管。1992年通过的能源政策法案要求输电线路所有者必须开放网络，允许发电厂接入。[69][76]并引导电力行业重组运作方式，在发电厂之间形成一竞争环境。电力公司不再是垂直整合的垄断型事业，即集发电、输电和配电于一身。现在这三种业务可分属于不同的公司，以创造高压输电可公平接入的环境。[69][76]于2005年通过的《能源政策法令》，允许对替代能源生产业提供奖励和贷款担保，以推动降低温室气体排放的创新技术。
中国电气化始于1950年代。 宝成铁路宝鸡凤州段电气化工程于1961年8月竣工，交付运营，成为中国第一条电气化铁路。中国电气化铁路于1958年到1998年期间达到6,200英里（10,000公里）。截至2017年底，电气化铁路长度已达到54,000英里（87,000公里）。中国国家电网公司是该国电气化铁路的重要电力供应商。
中国从2009年开始便利用超高压输电技术（Ultra-high-voltage （UHV）electricity transmission），将产电的西部和用电的东部紧密相连，无论是交流电还是直流电，都能通过超长距离的输电线路传输。为让电力生产和消费保持平衡，同时减少电力在传输过程中的损耗，中国不断扩大交流和直流输电的规模。
中国已建造有史以来最大型超高压长距离输电项目，目标是在2015年至2020年期间实现全国电网一体化。[77]
参见
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外部链接
- Open Infrastructure Map is a view of the world's hidden power infrastructure mapped in the OpenStreetMap database.