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电力系统现代社会比以往任何时候更为依赖电能供应。如果全世界电能供应全部中断的话，不可想象整个世界将会糟糕到什么程度。为现代社会供电的电力系统(或电能系统)已经成为这个工业化世界不可缺少的组成部分。托马斯.爱迪生建立了世界上第一个完整的电力系统(包括一台发电机、电能、电缆、熔断器测量仪表和负载)，它就是位于纽约市的具有历史意义的珍珠街发电厂，该电厂位于1882年9月投入运行。这是一个直流系统，由一台蒸汽机驱动的电流发电机和方圆大约1.5km范围内的59个用户组成。负荷完全由白炽灯组成，通过地下电缆系统用110v电压供电，随后几年内，类似的电力系统在世界各地的城市陆续投运。由于法兰克.史博格在1884年研制出电动机，电动机负荷开始接入这类系统。由此开始电力系统逐渐发展为世界上最大的工业系统之一。尽管初期直流系统广泛采用，但后来它们几乎完全被交流系统取代。到1886年，直流系统的缺点变得日益明显。直流系统只能在发电机的短距离范围内输送电力。对于长距离输送电而言，为了将输电损耗(I2R)和电压降落控制在可接受的水平，必须采用高的电压等级。如此高的电压对于发电还是用电都是不可接受的的，因此必须有一个方便的电压变换方法随着法国巴黎的吕西安.戈拉尔和约翰.吉布斯发明了变压器和交流输电方式，交流电力系统得到了广泛的应用。1889年，第一条交流输电线路在北美洲投入运行，它位于奥勒冈州的威廉特瀑布和波特兰之间。这是一条单相输电线路，输电电压4000v，输电距离21km。在尼古拉.特斯拉发明多相输电系统后，交流输电系统变得更具优势。到1888年，拥有了交流电动机、发电机、变压器和输电系统等多项技术专利。威斯汀豪斯公司购买了这些早期发明的专利，这些专利为当今的交流电力系统奠定了基础。19世纪80年代，在将电力工业的标准模式定为直流或交流的问题上产生了激烈的争论。到了世纪之交，交流系统战胜了直流系统，这是因为下列原因：1在交流系统中可以方便地实现电压等级的交换，从而实现了在不同电压的水平上发电、输电用电的灵活性。2交流发电机比直流发电机简单的多。3交流电动机比直流电动机简单和便宜得多。北美洲的第一条三相交流输电线路位于1893年投入运行，它位于南加利福尼亚，2300v，电线长度12km。在交流输电的早期阶段，频率没有实现标准化。许多不同的频率曾被采用，包括25、50、60、125和133HZ，这给系统之间的相互连接带来了问题。最终北美将60HZ定为标准频率，其他许多国家定为50HZ。日益增长的对远距离大容量电能输送的需求促进了输电电压等级的逐渐提高。为避免电压等级无限制的扩散，电力行业对电压等级实施了标准化。在美国，高压等级(HV)的标准是115、138、161和230kv。超高压等级(EHV)标准是345、500和765kv。在中国采用的高压电压等级是10、35、110kv，超高压电压等级为220、330(仅在中国西北)和500kv。第一条750kv将于近期在中国西北建设。随着AC/DC换流设备的发展，高压直流(HVDC)输电系统在某些特殊场合变得更经济更具优势。HVDC可用于远距离大容量输电，也可用于交流输电系统之间的异步联网，因为交流系统之间可能由于稳定问题或额定频率不同而不能实现交流联网。对电力系统的基本要求是以可接受的电压和频率给用户提供不间断的电能供应。由于电能不能以简单和经济的方式大量储存，电能的生产和消耗必须同时完成在电力系统任何层次上的故障或误操作都可能导致对用户供电的中断。因此，保持电网的连续正常运行对给用户提供可靠的电能供应是极其重要的。电力系统的组成现代电力系统通常规模大、地域分布广，有成百上千的发电机组并列同步运行，电力系统之间的大小和结构可能有所不同，但它们的基本特征相同：1由在恒定电压下运行的三相交流系统组成。发电和输电设施使用三相设备。工业负荷采用三相式，为了组成一个平衡的三相系统，单相的居民和商业负荷平均地分配在三相系统的各相上。2 采用同步发电机发电。原动机将一次能源(化石燃料、核能和水能)转换为机械能，然后同步发电机将机械能转化为电能。3在广阔的区域上通过长距离给用户送电。这就要求输电系统必须由运行在不同电压等级上的子系统组成。在美国，现代电力系统的基本组成部分由图6-1显示。电能由发电厂生产出来，并通过一个由独立元件组成的复杂网络送给用户，这些元件包括：输电线路、变压器和开关设备等，通常的做法是把输电网络分类为下面的子系统：输电系统、次级输电系统和配电系统。输电系统将所有发电厂和主要负荷中心接入到系统中。输电系统组成了整个电力系统的骨架。并运行在最高的电压等级(在美国，典型电压为230kv及以上)，发电机通常为1135kv的范围内，将发电机电压升到输电系统电压水平，电能由输电系统送到输电变电站，在输电变电站内电压被降到二次输电系统的电压水平(典型电压为69138kv)。发电和输电子系统通常被叫做主干电力系统。二次输电系统将较小容量的电能由输电变电站输送到配电变电站，大的工业用户通常由二次输电系统直接供电，在某些系统中，二次输电系统和输电系统之间没有明显的界限，由于系统的扩展和更高输电电压的采用，老的输电线路经常降级使用来担负二次输电功能。配电系统将电能传输到用户的最后一级，典型的配电电压在4.034.5kv之间，小的工业用户由这个电压等级上的一次馈线来供电，二次配电馈线在120/240V电压上给居民和商业用户供电。靠近负荷的小型发电厂也可能直接接入二次输电系统或配电系统。相邻系统之间的互联通常在输电层次上进行。整个系统从而由多个电源和多层输电网络组成。这种组成方式提供了一个结构的冗余度，使系统能够抵抗一些异常的事故而不至于中断对用户的供电。