電力知識圖譜（七）：環節
本篇是微信公眾號“電力知識圖譜”的發輸變配用各環節介紹文章的合輯。知識圖譜的內容是筆者從網上搜集素材，再加上個人的思考和經
本篇是微信公眾號“電力知識圖譜”的發輸變配用各環節介紹文章的合輯。
知識圖譜的內容是筆者從網上搜集素材，再加上個人的思考和經驗，編纂而成，文字采集和原創大致是4:6，依據筆者喜好排版，難免有疏漏，歡迎讀者指正。在此感謝先行者的奉獻，作為繼承者也是全公開的發布，沒有任何商業目的，如有侵權請告知，筆者可以致謝、刪除或支付稿費。
電力是以電能作為動力的能源，絕大部分情況，電力都有發電、送電（含輸變配）、用電三個環節。
有以下三個原因：
一是因為集中發電效率高，大發電機組的轉換效率高，運維成本低，在每kWH（千瓦時）上都是更劃算的。
二是因為發電用的煤、水等資源在某地富集，其他地方要用電卻離資源非常遠，就得送電。
三是送電的成本遠低于送煤、石油等自然資源的成本，屬地將資源轉化為電力，再到用能地區，是最經濟的方式。
本章節主要介紹的就是發電、輸電、變電、配電和用電等這五大環節。
一.發電
發電是電能產生的最初環節，它是利用發電動力裝置將一些能源轉換為電能。
一般來說，電力是用多少發多少，不能多發，也不能少發，因為目前的電力系統是沒有儲存環節的，因為目前要做到大容量低成本儲存除了抽水蓄能以外比較困難。
所以，用電主要靠調度，調度會提前下發調度計劃，發電廠根據調度計劃調整出力。
1.1發電原理
電力生產的發電環節是利用電能生產設備將各種一次能源或其他形式的能轉換為電能。
生產電能的主要方式有火力發電、水力發電、核能發電、地熱發電、風力發電、太陽能發電、潮汐能發電、生物智能發電和燃料電池發電等。?
除太陽能發電的光伏電池技術和燃料電池發電外，絕大部分發電方式的電能生產設備都是由動力部分和發電部分組成。
動力部分就是將各種發電用能源轉化成機械能，發電部分則將傳遞過來的機械能經過電磁感應作用轉換為電能。
1.2發電類型
前面也說了，生產電能的主要方式有很多，可以按能源的種類分為火電發電、水電發電、風電發電、核能發電及其他能源發電。
1.2.1火力發電
火力發電，利用煤、石油、天然氣等燃料燃燒時產生的熱能，通過發電動力裝置轉換成電能的一種發電方式。
原理：
火力發電一般是指利用石油、煤炭和天然氣等燃料燃燒時產生的熱能來加熱水，使水變成高溫、高壓水蒸氣，然后再由水蒸氣推動發電機來發電。
1.2.2水力發電
水電是將水能轉換為電能的綜合工程設施：一般包括由擋水、泄水建筑物形成的水庫和水電站引水系統、發電廠房、機電設備等。
水庫的高水位水經引水系統流入廠房推動水輪發電機組發出電能，再經升壓變壓器、開關站和輸電線路輸入電網。
原理：
水力發電的基本原理是利用水位落差，配合水輪發電機產生電力，也就是利用水的位能轉為水輪的機械能，再以機械能推動發電機，而得到電力。
1.2.3風力發電
風力發電是把風的動能轉為電能。
原理：
風力發電是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。
1.2.4核能發電
核電站與火電站發電過程相同，均是熱能—機械能—電能的能量轉換過程，不同之處主要是熱源部分。
火電站是通過化石燃料在鍋爐設備中燃燒產生熱量，而核電站則是通過核燃料鏈式裂變反應產生熱量。
原理：
核電站就是將原子核裂變（或聚變）所釋放的核能轉變為電能的系統和設備。原子核反應堆類型不同，核電站的系統和設備也有所不同。
1.2.5其他能源發電
除了上述的種發電類型外，還存在其他的能源發電：生物質能發電、潮汐能發電、太陽能熱發電等等。
1.3新能源發電
說到發電就不能不說新能源，新能源是指可以循環利用的清潔資源，聽上去好像很空泛，不是很懂。那么下面就是重點啦。
新能源包括了太陽能、風能、生物質能、地熱能、核聚變能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出來的生物燃料和氫所產生的能量。其中：
1.4新能源的優勢和弊端
優勢：
新能源最大的優勢就是更環保，不會像化石燃料會在燃燒時產生大量污染物。（不過新能源發電設備和系統的制造和建設過程中也會產生能源消耗和污染。）
而且化石資源是有限的，不可再生。而新能源可以說是不會枯竭，具有無限量可再生、運行維護量小等優點。
弊端：
雖然新能源的優勢較多，但它也有無法忽略的弊端，比如技術不成熟、需要因地制宜、且自然能源不能人為控制等。
1.5新能源的發展情況
雖然新能源有諸多弊端，但它中長期的發展前景還是很好，預計未來，可再生能源發電裝機占我國電力總裝機的比例將超過50%。可再生能源在全社會用電量增量中的占比將達到三分之二左右。
1.6發電能源占比
目前世界各國電力工業發廣泛采用的發電方式是火力發電、水力發電和核能發電，而火力發電則包括燃煤發電、燃油發電和天然氣發電。
可以看到，截止到2020年，火電還是我國發電的主力，占比達到了69%。
1.7中國發電企業
老百姓絕大多數人只見過兩大電網公司。發電公司，只有行業內認識，大家可以點擊專欄查看《電力知識圖譜(5) ：企業》文章，了解關于發電企業內容。
二.輸電
電能的傳輸，是電力系統整體功能的重要組成環節。從發電站發出的電能，一般都要通過輸電線路送到各個用電地方。
為了發電經濟性，現代大型發電廠基本傾向于建在能源基地，其他用電地區距離較遠，就必須通過輸電。
輸電的所有研究，圍繞著三點，第一是經濟性，第二是安全性，第三才是質量。你說安全比經濟重要？不是為經濟性，干嘛要長距離輸電。
2.1輸電原理
輸電線路是用變壓器將發電機發出的電能升壓后，再經斷路器等控制設備接入輸電線路來實現。
通過輸電，把相距遠的（可達數千千米）發電廠和負荷中心聯系起來，使電能的開發和利用超越地域的限制，輸電還可以將不同地點的發電廠連接起來，實行峰谷調節。
有時候輸電不只是為了能讓你用上電，還有讓你可以有多路電可用，可備用，提高用電可靠性（當然要多成本多出錢）。
2.2輸電原因
為什么需要進行電能傳輸？
- 集中發電效率高，大發電機組的轉換效率高，運維成本低，在每kWH（千瓦時）上都是更劃算的。
- 發電用的煤、水等資源在某地富集，其他地方要用電卻離資源非常遠，就得送電。
- 送電的成本遠低于送煤、石油等自然資源的成本，屬地將資源轉化為電力，再到用能地區，是最經濟的方式。
2.3輸電線路構成
輸電線路相對于變電設備而言較為簡單，構成也較為單一；按照設備狀態檢修定，輸電線路主要劃分為7個單位、1個環境。
7個單元分別是桿塔、導地線、絕緣子、金具、桿塔基礎、接地裝置、附屬設施，一個環境是指通道環境。
2.4輸電線路的運維
個人感覺，輸電線路的運維最苦B。
營銷同志們是要被客戶罵，但輸電同志們是要接受大自然的嚴峻考驗，看下我們輸電同志的巡檢英姿：
輸電線路運維的主要工作：
2.5輸電種類
按照輸送電流的性質，輸電分為交流輸電和直流輸電。
2.5.1交流輸電
發電廠發出的電能多為三相交流電，通過升壓變壓器，高壓輸電線路和降壓變壓器，配電線路和配電變壓器將電能輸送到用戶。
2.5.1直流輸電
將發電廠發出的交流電通過整流站變換成直流電，經直流電路輸送到受端后，逆變站把直流電轉換成交流電送到用戶。
2.6輸電電壓等級
傳輸電力是有損耗的，計算方式為 
所以遠距離傳輸都要用高電壓輸電，發電站出廠后先升壓至110kV~1000kV(根據距離遠近)，再長距離輸送到城市、農村周邊，再降壓進入居民地帶。
2.7輸送電能流程
輸送電能總共有：發電站→升壓變壓器→高壓輸電線→降壓變壓器→用電單位等五個流程。
電力工業初期，發電廠建在電力用戶附近，直接向用戶送電，所以那個時候只有發電和用電兩個環節。
隨著電力生產規模和負荷中心規模的擴大，發電中心，如大型火電基地、水電基地和核電基地均遠離電力工作中心，為了讓那些距離遠的電力用戶也用到電，就需要高壓輸電。
2.8輸電線路和氣象災害
輸電線路因為都在荒山野嶺，且懸空線不是一個很穩定的結構，受氣象的影響很大，只要一故障就是實時大面積的影響，所以氣象災害是輸電線路的一個重要研究課題。
三.變電
變電環節，顧名思義就是改變電壓的環節，主要是在變電站和變電所完成的。變電站和變電所有啥區別呢？很簡單，變電站比變電所更大。
發電廠的變壓器和配電變壓器也屬于“變電”，但我們在說電網環節時，變電特質電網公司的變電站，即10kV（不含）以上的大型變電站，一個站有一個別墅以上的占地面積。
3.1變電站基本介紹
遠距離輸電，電壓越高的話，電流就越小，損耗也就越小，所以變壓主要是為了降損。并且靠近居民區，降低電壓，安全性也會提高。
變電站主要將電能升壓或是降壓，方便輸送和使用電能。并且將多路電源匯集再分配至廣大用戶，增強供電可靠性。
變電環節的變電站，占地面積大，電壓等級高。
從電廠輸出的電，經過變電站升壓可以到500kV、330kV、220kV，到了一定距離后再經過變電站的降壓，從500降到330到220到110到35到10（單位是kV）。
但10kV與日常用電的電壓相比還是太高，我們社區旁邊能看到的變壓器就是將10kV或6kV的電變成工廠用電的380V或者家用電的220V。
3.2變電站分類
變電站按照不同的屬性可以有多種不同的分類。這里按照變電站的電壓等級可以分為：
3.3變電站相關設備介紹
變電站是由很多個設備組建而成的，用來切斷或接通、改變或者調整電壓。
它們可以統稱為變電設備。具體有：
上圖中的設備：1—變壓器；2—導線；3—絕緣子；4—互感器；5—避雷器；6—隔離開關；7—斷路器。
除了上面畫出來的設備，還有電容器、套管、阻波器、電纜、電抗器和繼電保護裝置等，這些都是輸變電系統中必不可缺的設備。
這些設備還可以分成一次設備和二次設備，具體怎么分的，可以關注專欄后續的文章。
或者搜索：電力知識圖譜公眾號、電力知識圖譜網站：https://www.dlzstp.com。
3.4變電站運維
變電運維，其實就類似于“變電站的主人”，日常運行維護變電站的設備。
大部分情況下是上一休二，不過也有上10休10的。
就工作強度來說，以前還是比較輕松的，但現在比較慘，一個運維班組也就20個人，動輒管10多個站，工作量大增。
變電站日常工作主要任務包括：
3.4.1變電站操作
這算是最重要的工作之一。
為了電網正常運行，變電站所屬調度會要求變電站進行設備操作，比如斷開某斷路器等等。
在變電站做操作工序十分嚴謹，要有操作票，要首先在模擬臺模擬，然后起碼兩人一組，一人復述操作命令，一人操作，當然操作前還要口述一篇操作命令。以免出現帶電和地刀這種惡性誤操作事件出現。
3.4.2變電站日常巡視
變電站的日常巡視也十分重要。巡視的內容很多，基本也很固定，像是紅外測溫、觀察變壓器油位、配電房巡視等等。
如果發現數據異常，就需要啟動缺陷程序，上報后等檢修人員進行檢修。
3.4.3臨時任務
比如黨建活動、春季/秋季安全檢查、競賽、場站改造等等。
作為“變電站的主人”，任何人進了站以后的安全問題都要運維負責。很多進站人員對變電站的危險點并不熟悉，萬一走錯間隔或者任何失誤導致了電網和人身事故，運維都是要負責的。
3.5變電站發展趨勢
現在無人值守變電站的增多，基本上有人的都是500kV以上的變電站了，智能化和數字化將會成為變電站，乃至于電網發展的重要方向。
智能化變電站與傳統變電站相比，主要需對過程層和間隔層設備進行升級，將一次系統的模擬量和開關量就地數字化，用光纖代替現有的電纜連接，實現過程層設備與間隔層設備之間的通信。
這個事具體聊起來太復雜，以后可以專門列一章講解。
四.配電
配電網是電網的重要組成部分，是保障電力“配得下、用得上”的關鍵環節。
它大多負責城區和郊區的配網線路，也就是變壓器到你家的那一段。
4.1配電在電力生產的特殊性
配網設備點多面廣，單個設備價值低，所以維護的投入也小，對小型智能化需求量大。
雖然配網生產部門不像電網營銷部門一樣直接對接客戶，但也是生產中最面向客戶的一環。營銷部接到客戶投訴，如果是設備原因，轉手就給配網部。
輸變電作為主網，在國家壟斷這方面沒有異議，配網是一直有開放的呼聲的，增量配電網、地方電網等一直在做這方面的業務。有很多大型用電企業也會自建從變電站、配網、用電的專用電網。民營企業在這塊有較大的進步空間。
主網投資高峰期過了，現在是營配投資是熱門，可以講的內容很多，本篇就只做基本的概念介紹，像增量配電網、配電運維、和智能配電，后面再開專篇討論。
4.2配電概述
配電系統是由多種配電設備（或元件）和配電設施所組成的變換電壓和直接向終端用戶分配電能的一個電力網絡系統。
這里只看主要設備的配網結構：
- 變電站的10kV開關，從這算配網的開端。
- 接入中壓環網柜，供電N-1裝備，組手拉手網絡，以前的放射性線路，經濟不好的地方，是沒有這個的。
- 接入開閉所，這個也是有錢的才有，也是N-1、隔離故障的作用。
- 接入配電站房或架空變，將10kV轉為220V。專變用戶通常到此結束。居民用戶往下看。
- 低壓線接入低壓柜、電纜分支箱等設備。
- 接到你家門口或樓下的表箱，配電結束。
總之，基礎配網就是由傳輸設備、變壓設備、控制設備、冗余設備、質控設備組成的。有錢和沒錢，配網是差很多設備的，可靠性完全不一樣。
4.3配電作用
配電網的主要作用就是從輸電網那里接受的電能，按需求分配下去。即將高電壓降低至用戶所需要的各種電壓，向各種用戶供電。
相對輸電專干“輸”，變電專干“變”，配電是“輸變”都做，有時還兼點客戶營銷的工作，自己把小電網的工作都干完了，所以輸變配網又叫“主配網”。
因為配電起承上啟下的工作，又有個熱門工作叫“營配調”，現在叫“供電服務”，就是把和客戶有直接關系的電網部門組合工作，是現在國網、南網、綜合能源的熱門。
4.4配網分類
4.4.1按電壓分類
配電按電壓一般分為高壓配電、中壓配電和低壓配電，其中：
4.4.2按供電區域分類
配電按供電區域分為城市配電網、農村配電網、工廠配電網：
4.5配網的主要指標
配電網與廣大用戶緊密聯系，所以配電網是否合格還是十分重要的。評判配電網的標準，主要有四個指標：
供電可靠性：供電可靠性是指針對用戶連續供電的可靠程度。
網損率：網損率可定義為電力網的電能損耗量與總供電量的比，通常用百分表示。
電壓波動和電壓閃變：電壓波動是指電網電壓的快速變動或電壓包絡先的周期性變動。電壓閃變是指人眼對燈閃的主感覺，引起燈閃變波動電壓，稱為閃變電壓。
電壓合格率：電壓合格率是指電力系統某點電壓在統計時間內電壓合格的時間占總時間的百分比。
4.6智能配電網
08年~18年是營配電表建設的高峰期，這波高峰基本過完了，居民都是自動抄表了（農電工下崗）。
15年至今就是智能配電網的建設高峰，國網南網都說智能電網，主要就是智能配電網，這里面包括了配電自動化系統、配電網檢測和保護、開關電器等等。
智能配網利用現代電子技術、通訊技術、計算機及網絡技術，將配電網在線數據和離線數據、配電網數據和用戶數據、電網結構和地理圖形進行信息集成，實現配電系統正常運行及事故情況下的監測、保護、控制、用電和配電管理的智能化。
4.6.1智能配電網的特征
4.6.2智能配電網存在的問題
配電網的設備量大、面廣，設備種類多、造價低且可靠性差，所以配網的故障率高，用戶感受到的停電事件96%由配網引起。
主要存在的問題：
配電網量測覆蓋不全，對配電的運行情況感知能力不足；配電網網架結構不夠靈活，配電設備線路種類數量眾多，對分布式電源的潮流掌握不明確，不能及時滿足用戶多種多樣的電力服務需求。
4.6.3智能配網的發展
為了進一步提高智能配電網的運行效果、改善運行環境，需要在現有的技術基礎上，朝著以下方向發展:
未來，還需要改造智能配電網網架，實現配電終端標準化和多種通信方式互補。
五.用電
經過了發電、輸電、變電和配電之后，就來到了電力環節最后的節點——用電。
我們日常生活中所需要用到的電器，比如日光燈、計算機、空調、洗衣機等都是需要消耗電量的。
5.1電價
談用電先談電價，我們與讀者一條心。
用電按照負荷可以大致分為城市用電、農村用電和工商業用電等。
城市用電和工商業用電的價格是不一樣的。
5.1.1工商業電價：兩部制電價
包括基礎電價、電量電價和力調電價。
這么多電價標準主要就是為了引導大家在高峰少用點，在低谷時多用點。
我國大部分城市峰谷用電負荷相差過大（以上海舉例，夏季峰時負荷可達到3200萬，而谷時負荷不到2000萬）。
用電高峰時段，大家如果都擠著用電，那么電網、變電站和配電室都不夠用，就可能導致停電等問題。
有人可能要問，那為啥不多建些電網和電站呢？
如果電網為了滿足高峰期的用電需求，投資建設了大量的發電站、輸電線路、變電站、配電設施等，那么在很多時候，這些設施都是低負荷運行的，這樣非常不經濟。
5.1.2居民電價：分單一制電價和階梯電價
單一制電價
單一制電價就是不管你什么時候使用，都是這個價；
部分經濟較發達地區實行階梯+峰平谷電價，簡單來說，就是用電量越多，電價越貴；在用電高峰時段用電，電價就更貴了。
階梯電價
電價有這么多標準，還需要按階梯、功率因素收費，難道是因為我國電力供應緊張嗎？
其實說我國電力公司緊張或是過剩表達都不是特別準確，準確的說應該是總體過剩，局部緊張。所以才有西電東送之說。
那為什么居民用電還需要實行階梯電價呢？
一是提倡節能減排，通過電價杠桿，引導用戶節約用電。
特別是用電大戶，促使其科學用電，節約用電。畢竟，現行我國百分之六七十的電力來自火電，也是化石能源。
二是建立公平用電機制的同時，確保居民的基本生活用電。
如果你家用的大部分都是第三檔的話，那么說明你家生活水平比較高，也就為社會多做點貢獻吧，先富幫帶后富，畢竟還有很多落后地區人均月用幾度電呢。
國外的一種電力定價方式叫競價，就是根據自身條件，來確定電價。
競價和平價項目的意義都是為了緩解補貼帶來的財政壓力。
5.2用電大戶
5.2.1行業用電大戶
哪些行業是用電大戶（碳中和下的打擊對象）？
我們就來看看2019年全社會用電量情況，以下采用中電聯發布的數據。
電力、熱力生產和供應業雄踞各行業年耗電量“榜首”，消耗掉了近8800億千瓦時電！
相當于1.3個廣東、4個湖北、4個山西、9個黑龍江、10個天津、11個吉林的用電量。
5.2.2空調用電
每年的最高負荷都是在夏天，原因就在于空調用電。
在夏天炎熱的時候，空調制冷用電可以占電網三成用電，在工業較少的城市如北京，最高峰時可達一半以上。
減少空調用電，提升制冷效率，對用電管理，可以說是最有價值的單項研究。
5.2.3電動車
電動車還不是現在的用電大戶。但電動車的普及是一個趨勢，說2035年后，將全面實現車輛電動化，到時車輛用電，就像把中石油、中石化集成進電網公司，你說大不大。
目前一戶城市家庭通常是按峰值20kW去計算用電量了，而一輛車如果用快充，可以達到15kW以上,小區如果戶戶開電動車，相當于用電量提升一倍以上，如果讓電動車省電，讓電動車均衡用電，肯定是電網的一個研究內容。
5.3國內用電情況
5.3.1中國用電量趨勢
2020年，我國全社會用電量平穩增長，增速略緩。根據中電聯數據，2020年，全社會用電量75110億千瓦時，同比增長3.1%。
5.3.2 各省用電量排行
從用電量看，有3個省份用電量在5000億千瓦時以上。山東以6940億千瓦時的用電量居于榜首（一直被說高耗能低產出）。
通過用電情況，還可以反向指導電力系統環節中發電、輸電、變電、配電四個環節的建設，所以也可以說：用電是電能“發、輸、變、配”的首個環節。
5.4用電未來的趨勢
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