电力系统基本概念（极简版）
电力系统基本概念（极简版）
电力系统是现代社会的重要基础设施，其安全可靠运行和经济性对社会经济发展具有重要影响。本文从电力系统的结构与运营单位、安全可靠运行以及经济运行与电力市场三个方面，对电力系统的基本概念进行了全面介绍。
概述
现代电力系统是社会的基础设施，需要确保安全可靠运行和经济性（经济性不仅包括经济效益，还涉及促进清洁能源发展和降低碳排放等目标），其中安全可靠运行为经济运行提供约束边界。在保证安全可靠运行方面，随着新能源的大量开发利用，新型电力系统呈现高比例可再生能源和高比例电力电子设备接入的“双高”特征，给电网稳定运行带来了新的挑战，传统的以同步电机为主的稳定性理论需要改进。在经济运行方面，随着电力改革的深化，市场因素在电力系统运行中发挥着越来越重要的作用。源网荷储各环节的参与主体众多，协调难度增加，电力电量平衡的挑战加大。电力市场的设计和运行变得更加复杂多变，需要深化改进辅助服务市场、现货市场、容量市场和虚拟电厂等多类型市场。总体而言，现代电力系统是一个非常复杂的系统。要掌握电力系统的基本概念，首先需要对其有系统性的认识。
Part1 现代电力系统结构与电网运营单位
1.现代电力系统把大范围的发、用电设备通过输、变、配设备连接在一起，并保持安全、稳定、经济运行。系统主体是一个三相交流系统，因为交流电容易通过变压器方便地进行升压、降压。目前标准的电压等级包括：1000kV（特高压）、750kV（西北地区）、500kV、330kV（西北地区）、220kV、110kV、35kV、20kV（南京等少数地区）、10kV、6kV（东北）、0.4kV等。这里的电压是线电压。
2.电力系统220kV以上的输变电系统是网络状的，不同节点间有多个通路，交流系统中功率的流动是自然分布，可以通过潮流计算软件分析给定节点注入和网络结构下各节点的电压和各支路的功率。通过UPFC等设备在某种程度上可以改变自然分布的功率。
图1 交流同步电网结构示意图（图引用自参考文献[1]）
3.从电源侧（输电网和发电设施）接受电能，并通过配电设施就地或逐级分配给各类用户的电力网络称为配电网，其中110~35kV、20/10/6kV、0.4kV电压等级一般称为高压、中压和低压配电网。城市中压配电网通过冗余的接线方式和灵活而复杂的拓扑调整来保障用户的可靠性。
图2 配电网示意图（图引用自参考文献[2]）
4.交流电虽然升压、降压方便，但是单条线路的传输距离受限，最长的经济输送距离不过几百公里，所以发展了高压直流输电。单回±800kV高压直流线路长度可达2000km，准东—安徽1100kV特高压直流输电工程线路全长更是达到了 3324km，额定输送容量达12000MW。在低压侧，由于直流源、荷的大范围应用，直流网络的规模也在快速提升中。
5.电力系统实际传输、分配电力的部分为一次系统，为一次系统运行提供支撑的测量、通信、保护、调度自动化等系统称为二次系统。随着电力系统规模和形态越发复杂，二次系统对电力系统一次系统的影响越发深入。传感、信息化及电力电子等技术的发展，还引起了一二次融合的新变革。在信息安全方面，根据电力监控系统网络安全防护导则的规定，二次系统是分区分级的，遵循“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向加密”的原则，典型的二次监控系统如下图所示。
图3 典型二次系统示意图（图引用自参考文献[6]）
6.电网公司和生产相关的主要部门包括发展部（规划）、基建部（建设）、设备部（设备运维检修管理）、调控中心（电力系统运行）、营销部（面向用户）等。除此以外，电网公司还有支撑部门，如经研院、电科院等。另外，国网、南网都有相关的直属产业单位。
Part2 电力系统安全可靠运行
7.电力系统的安全可靠运行主要由电网公司的各级调控中心负责。《电网调度管理条例》规定，电网调度机构负责对电网运行进行组织、指挥、指导和协调，并网运行的发电厂必须接受调度机构的统一调度。电力调度在纵向上分为五级调度体系（国家调度中心、分中心、省调度中心、地调中心、县调中心），目前县调中心的作用已经大大弱化。横向上，调度职能分为计划、系统运行（方式）、调控（值班）、水电与新能源、继电保护、自动化、网络安全等专业部门。
8.为了保证电力系统的安全运行，需要在发生故障时通过继电保护自动、迅速、有选择地切除故障元件。电流、电压、相位、阻抗等工频电气量以及温度、气体成分等的显著变化可以作为继电保护动作的判别条件。继电保护的基本要求包括：可靠性（保护不误动、不拒动）、选择性（切除故障时的影响范围最小）、速动性（快速切除故障）和灵敏性（在各种工况下保留足够的动作裕度）。由于电力系统中的大部分故障为瞬时故障，线路的继电保护动作后会尝试进行重合闸。在配电网中，备自投装置对可靠供电发挥重要作用。
9.电力系统的安全运行需要满足N-1原则，是指任意单一设备退出后，系统仍然能够正常运行。交流同步电力系统还需要保证在受到扰动后能够稳定运行，这涉及电力系统的稳定性研究。大扰动下的暂态稳定问题主要基于对机电、电磁等暂态仿真的结果进行分析。电力系统的稳定性包括功角稳定（保持发电机同步运行能力）、频率稳定（防止频率振荡或崩溃）和电压稳定（防止电压崩溃）。
10.交流系统需要处理无功问题。存在非纯电阻元件的情况下，电压和电流的相位不一致时即出现无功。按照约定的正方向，电感（异步电动机、变压器等）消耗无功，电容产生无功。正常负载下220kV以上的线路呈容性、净产生无功，所以需要配置高压并联电抗器来补偿。低压系统主要配置并联电容器就地补偿负荷消耗的感性无功。发电机的无功可以通过励磁控制在容性至感性较大范围调节，还有专门的调相机用于无功调节（以及提供转动惯量）。无功须尽量就地平衡，避免远距离流动，否则将引起额外的损耗且显著影响电压质量，电力系统运行中要通过AVC程序动态调整各种补偿设备和变压器分接头的运行方式。
11.交流电力系统是一个同步系统，电力系统稳定运行的目标是保持发用电功率平衡，使所有交流同步电机同步工作在额定频率（中国为50Hz）附近。电力系统在随机波动情况下的平衡首先通过同步电机转子的惯量来支撑。当扰动后电源功率不等于负荷功率与有功损耗之和时，能量差（功率差的时间积分）将通过转子速度变化引起的动能变化首先进行补偿。补偿能力一般用惯性常数表示，惯性常数为转子储存的动能和额定功率之比，典型数值为6秒左右（汽轮机组）或3秒左右（水轮机组）。随着新能源占比的提升，系统整体的惯性常数下降，研究表明，整体惯性常数降到4秒以下时，系统的频率稳定将会受到挑战。因此，新型电力系统需要积极发展在新能源发电、储能和电动汽车充放电等环节提供（虚拟）惯量的技术。
12.惯量响应的下一阶段为一次调频，发电机组感知到自身频率变化超过门槛后，调速器会即时动作调整一次能源的输出。一次调频为有差调整（下垂），这是保证不同机组间不出现功率分配振荡的必要措施。
13.一次调频产生的频率偏差通过二次调频即系统级AGC进一步调整，系统级AGC根据频率偏差计算出需要的整体调整量，然后将整体调整量按照事先确定的规则分配到具体的机组。实际的电网AGC运行，还需要考虑联络线偏差、安全约束调度等因素。
14.电力系统负荷每日大幅变化，高低负荷比例可达两倍或更高，大幅度变化下的平衡需要通过发电计划（机组组合、经济调度等）来实现，由于不同机组的开停机成本及不同出力下的发电成本差异很大，发电计划在保证满足安全稳定约束的同时，更多要考虑发电的经济性和公平性。小时尺度的发电计划优化可以认为是三次调频。新能源占比提升后，实际负荷减去新能源出力后得到的净负荷每日变化更大，发电计划优化的难度更高，特别需要市场化机制发挥作用。下图是美国加州电网典型日负荷曲线，因为午间大量的光伏发电，造成了“鸭子曲线”，增加了电网优化运行难度。
图4 典型日负荷曲线
Part3 电力系统经济运行与电力市场
15.新能源及分布式电源的发展将会引起电力系统形态的深刻重构，形成新型电力系统。新型电力系统的重要驱动力能源领域的低碳化，重要技术支撑是信息化和智能化，重要社会化因素是电力市场的建设和发展。储能及电动汽车将是特别重要的新型元素，微电网、虚拟电厂会是支撑新型电力系统安全、经济运行的重要形态。
图5 微电网与虚拟电厂接入新型电力系统
16.中国电力体制经历了多轮变革，前三轮主要是主体的合-分-合。目前持电网经营许可证的除了国家电网、南方电网外，还有内蒙古电力有限公司（蒙西电网）。2015年开始的第四轮改革主要是电力市场化改革，核心，聚焦于输配电价改革、交易机构建设、取消发用电计划、放开售电环节等方面，目前已进入深水区。
图6 电力体制改革
图7 电改前后交易模式
17.电力市场包括中长期电力市场和电力现货市场。中长期电力市场涉及较长周期的电能量交易，包括年度合同、月度合同等；电力现货市场则是日前、日内交易的市场，交易的时间单位可以精确到分钟，改变了传统的调度发电计划。电力辅助服务市场（包括一次调频、调峰、旋转备用、黑启动等）也可以归为电力现货市场。中长期电力市场可以稳定电价、降低风险；现货市场可以更准确地反映供需矛盾，提供参考价格。
18.目前，中长期电力市场的主要运营单位是各个独立电力交易中心；现货电力市场（包括辅助服务、虚拟电厂）的主要运营单位是电网调控中心。越来越多的售电公司、新能源企业、负荷聚合商参与电力市场，推动了技术创新和服务提升。
（胡英健、张贺、邹德虎对本文亦有贡献。）
参考文献
[1] Prabha Kundur[加]著, 周孝信等译, 电力系统稳定与控制. 北京:中国电力出版社, 2002.
[2] DL/T 5729-2016, 配电网规划设计技术导则[S].
[3] GB/T 38969-2020, 电力系统技术导则[S].
[4] GB/T 31464-2022, 电网运行准则[S].
[5] GB 38755-2019, 电力系统安全稳定导则[S].
[6] GB/T 36572-2018, 电力监控系统网络安全防护导则[S].