電網(wǎng)的規(guī)模各不相同，從覆蓋單一建筑的國家電網(wǎng)到覆蓋整個(gè)國家的跨國電網(wǎng)。電網(wǎng)被設(shè)計(jì)成以基本恒定的幅度提供電壓。這必須通過變化的需求、可變的無功負(fù)載，甚至非線性負(fù)載來實(shí)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)和配電及輸電設(shè)備提供的電力并不完全可靠。整個(gè)電網(wǎng)以相同的頻率運(yùn)行。如果需要與以不同頻率運(yùn)行的相鄰電網(wǎng)互聯(lián)，則需要變頻器。高壓直流鏈路可以連接兩個(gè)以不同頻率運(yùn)行或不保持同步的電網(wǎng)。在同步電網(wǎng)中，所有發(fā)電機(jī)必須以相同的頻率運(yùn)行，并且必須彼此之間以及與電網(wǎng)保持非常接近的相位。

 

對于旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，本地調(diào)速器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)扭矩，在負(fù)載變化時(shí)保持恒定速度。降速控制可確保多臺并聯(lián)發(fā)電機(jī)按照額定負(fù)載比例分擔(dān)負(fù)載變化。整個(gè)電網(wǎng)的發(fā)電和消耗必須平衡，因?yàn)槟茉词窃谏a(chǎn)的同時(shí)消耗的。能量在短期內(nèi)由發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能儲存。與標(biāo)稱系統(tǒng)頻率的微小偏差對于調(diào)節(jié)單個(gè)發(fā)電機(jī)和評估整個(gè)電網(wǎng)的平衡非常重要。

 

當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載很重時(shí)，頻率會降低，調(diào)速器會調(diào)整發(fā)電機(jī)，以便輸出更多的功率(降速控制)。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載較輕時(shí)，電網(wǎng)頻率高于標(biāo)稱頻率，這被網(wǎng)絡(luò)上的自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)系統(tǒng)視為發(fā)電機(jī)應(yīng)減少其輸出的指示。此外，通常還有中央控制，它可以在一分鐘或更長的時(shí)間內(nèi)改變自動(dòng)增益控制系統(tǒng)的參數(shù)，以進(jìn)一步調(diào)整區(qū)域網(wǎng)絡(luò)流量和電網(wǎng)的運(yùn)行頻率。出于計(jì)時(shí)的目的，在一天的過程中，允許標(biāo)稱頻率變化，以平衡瞬時(shí)偏差，并防止線路操作時(shí)鐘獲得或損失大量時(shí)間。

 

傳輸網(wǎng)絡(luò)很復(fù)雜，有冗余路徑。電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)或“拓?fù)?rdquo;可以根據(jù)預(yù)算約束、系統(tǒng)可靠性要求以及負(fù)載和發(fā)電特性而變化。物理布局通常受可用土地及其地質(zhì)的影響。配電網(wǎng)分為兩種類型，輻射狀或網(wǎng)狀。配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)最簡單的拓?fù)涫禽椛錉罱Y(jié)構(gòu)。這是一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，來自大電源的電能輻射到逐漸降低的電壓線上，直到到達(dá)目的地的家庭和企業(yè)。然而，一次失敗就能毀掉整棵樹。大多數(shù)輸電網(wǎng)提供了更復(fù)雜網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)提供的可靠性。網(wǎng)狀拓?fù)涞馁M(fèi)用限制了它們在輸電和中壓配電網(wǎng)中的應(yīng)用。冗余允許線路故障發(fā)生，當(dāng)工人修理損壞和停用的線路時(shí)，電源只需重新布線。

 

其他使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在歐洲發(fā)現(xiàn)的環(huán)形系統(tǒng)和捆綁環(huán)網(wǎng)。在北美的城鎮(zhèn)中，網(wǎng)格傾向于遵循經(jīng)典的徑向饋電設(shè)計(jì)。變電站從傳輸網(wǎng)絡(luò)接收電力；用變壓器將電源降壓，然后將其發(fā)送到總線，饋線從該總線向整個(gè)農(nóng)村的各個(gè)方向散開。這些饋線承載三相電力，并傾向于沿著變電站附近的主要街道行駛。隨著距變電站距離的增加，扇形展開將繼續(xù)進(jìn)行，因?yàn)檩^小的側(cè)邊會擴(kuò)展到覆蓋饋線錯(cuò)過的區(qū)域。

 

這種樹狀結(jié)構(gòu)從變電站向外生長，但是出于可靠性方面的考慮，它通常包含至少一個(gè)未使用的備用連接，該連接與附近的變電站相連。可以在緊急情況下啟用此連接，以便變電站的一部分服務(wù)區(qū)域可以由另一個(gè)變電站供電。廣域同步電網(wǎng)或“互連”是一組分布區(qū)域，所有分布區(qū)域均以同步的交流（AC）頻率運(yùn)行（以便峰值同時(shí)出現(xiàn)）。這樣就可以在整個(gè)區(qū)域傳輸交流電，連接大量的發(fā)電機(jī)和用戶，并有可能實(shí)現(xiàn)更高效的電力市場和冗余發(fā)電。電網(wǎng)的一部分發(fā)生重大故障-除非迅速進(jìn)行補(bǔ)償，否則可能導(dǎo)致電流重新路由自身會通過容量不足的傳輸線從其余的發(fā)電機(jī)流向用戶，從而導(dǎo)致進(jìn)一步的故障。因此，廣泛連接的電網(wǎng)的一個(gè)不利方面是可能會發(fā)生級聯(lián)故障和廣泛的停電。通常指定一個(gè)中央機(jī)構(gòu)來促進(jìn)通信和制定協(xié)議以維護(hù)穩(wěn)定的網(wǎng)格。例如，北美電力可靠性公司于2006年在美國獲得約束力，并在加拿大和墨西哥的適用地區(qū)擁有咨詢權(quán)。美國政府還指定了國家利益電力傳輸走廊，認(rèn)為傳輸瓶頸已經(jīng)形成。

 

一些地區(qū)，例如阿拉斯加的農(nóng)村社區(qū)，不依靠大電網(wǎng)運(yùn)行，而是依靠當(dāng)?shù)氐牟裼桶l(fā)電機(jī)。高壓直流(HVDC)線路或變頻變壓器可用于連接兩個(gè)不一定彼此同步的交流互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這提供了互連的好處，而不需要同步更大的區(qū)域。為了提高經(jīng)濟(jì)性和可靠性，跨地區(qū)的電力設(shè)施多次相互連接。互聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，允許從大型高效能源中購買能源。

 

電力公司可以從不同地區(qū)的發(fā)電機(jī)儲備中提取電力，以確保持續(xù)、可靠的電力供應(yīng)，并使其負(fù)荷多樣化。互連還允許各地區(qū)通過接收不同來源的電力獲得廉價(jià)的大宗能源。例如，一個(gè)地區(qū)可能在高水位季節(jié)生產(chǎn)廉價(jià)的水電，但在低水位季節(jié)，另一個(gè)地區(qū)可能通過風(fēng)力生產(chǎn)更廉價(jià)的電力，使兩個(gè)地區(qū)在一年的不同時(shí)間從對方那里獲得更廉價(jià)的能源。鄰近的公用事業(yè)公司也幫助其他公司維持整體系統(tǒng)頻率，并幫助管理公用事業(yè)區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)傳輸。我們可以考慮兩種類型的電網(wǎng)，它們是:

 

超級電網(wǎng)

 

各種計(jì)劃和提議的大幅增加傳輸容量的系統(tǒng)被稱為超級或巨型電網(wǎng)。該計(jì)劃有望帶來的好處包括:使可再生能源行業(yè)能夠向遙遠(yuǎn)的市場出售電力;通過在廣闊的地質(zhì)區(qū)域平衡間歇性能源，增加對這些能源的使用;消除阻礙電力市場繁榮的擁堵。當(dāng)?shù)胤磳π藿ㄐ戮€路和這些項(xiàng)目的巨額成本是超級電網(wǎng)建設(shè)的主要障礙。歐洲超級電網(wǎng)的一項(xiàng)研究估計(jì)，將需要多達(dá)750吉瓦的額外輸電能力——這一能力將由每增加5吉瓦的高壓直流線路來容納。TransCanada最近的一項(xiàng)提議定價(jià)為1600公里、3千兆瓦高壓直流輸電線路，價(jià)值30億美元，需要一條走廊寬度。在印度，最近一個(gè)6 GW，1850公里的項(xiàng)目標(biāo)價(jià)為7.9億美元，需要很大的通行權(quán)。歐洲超級電網(wǎng)需要750吉瓦的新高壓直流輸電能力，新輸電線路所需的土地和資金將是相當(dāng)可觀的。

 

智能電網(wǎng)

 

智能電網(wǎng)將使用雙向通信和分布式的所謂“智能”設(shè)備，對二十世紀(jì)的電網(wǎng)進(jìn)行增強(qiáng)。電力和信息的雙向交流可以改善交付網(wǎng)絡(luò)。研究主要集中在智能電網(wǎng)的三個(gè)系統(tǒng)上-基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，管理系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)[5]。基礎(chǔ)架構(gòu)系統(tǒng)是智能電網(wǎng)底層的能源，信息和通信基礎(chǔ)架構(gòu)，它支持：

 

•先進(jìn)的電力生產(chǎn)、輸送和消費(fèi)。

 

•高級信息計(jì)量、監(jiān)控和管理。

 

•先進(jìn)的通信技術(shù)。

 

智能電網(wǎng)將允許電力行業(yè)以更高的時(shí)間和空間分辨率觀察和控制系統(tǒng)的各個(gè)部分[6]。智能電網(wǎng)的目的之一是實(shí)時(shí)信息交換，使運(yùn)行盡可能高效。它將允許在所有時(shí)間尺度上管理電網(wǎng)，從微秒級的高頻開關(guān)設(shè)備到分鐘尺度的風(fēng)能和太陽能輸出變化，以及十年尺度的電力生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放的未來影響。