電網(wǎng)的規模各不相同，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)被設計成以基本恒定的幅度提供電壓。這必須通過(guò)變化的需求、可變的無(wú)功負載，甚至非線(xiàn)性負載來(lái)實(shí)現，發(fā)電機和配電及輸電設備提供的電力并不完全可靠。整個(gè)電網(wǎng)以相同的頻率運行。如果需要與以不同頻率運行的相鄰電網(wǎng)互聯(lián)，則需要變頻器。高壓直流鏈路可以連接兩個(gè)以不同頻率運行或不保持同步的電網(wǎng)。在同步電網(wǎng)中，所有發(fā)電機必須以相同的頻率運行，并且必須彼此之間以及與電網(wǎng)保持非常接近的相位。
對于旋轉發(fā)電機，本地調速器調節驅動(dòng)扭矩，在負載變化時(shí)保持恒定速度。降速控制可確保多臺并聯(lián)發(fā)電機按照額定負載比例分擔負載變化。整個(gè)電網(wǎng)的發(fā)電和消耗必須平衡，因為能源是在生產(chǎn)的同時(shí)消耗的。能量在短期內由發(fā)電機的旋轉動(dòng)能儲存。與標稱(chēng)系統頻率的微小偏差對于調節單個(gè)發(fā)電機和評估整個(gè)電網(wǎng)的平衡非常重要。
當電網(wǎng)負載很重時(shí)，頻率會(huì )降低，調速器會(huì )調整發(fā)電機，以便輸出更多的功率(降速控制)。當電網(wǎng)負載較輕時(shí)，電網(wǎng)頻率高于標稱(chēng)頻率，這被網(wǎng)絡(luò )上的自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)系統視為發(fā)電機應減少其輸出的指示。此外，通常還有中央控制，它可以在一分鐘或更長(cháng)的時(shí)間內改變自動(dòng)增益控制系統的參數，以進(jìn)一步調整區域網(wǎng)絡(luò )流量和電網(wǎng)的運行頻率。出于計時(shí)的目的，在一天的過(guò)程中，允許標稱(chēng)頻率變化，以平衡瞬時(shí)偏差，并防止線(xiàn)路操作時(shí)鐘獲得或損失大量時(shí)間。
傳輸網(wǎng)絡(luò )很復雜，有冗余路徑。電網(wǎng)的結構或“拓撲”可以根據預算約束、系統可靠性要求以及負載和發(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(lèi)型，輻射狀或網(wǎng)狀。配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)最簡(jiǎn)單的拓撲是輻射狀結構。這是一個(gè)樹(shù)形結構，來(lái)自大電源的電能輻射到逐漸降低的電壓線(xiàn)上，直到到達目的地的家庭和企業(yè)。然而，一次失敗就能毀掉整棵樹(shù)。大多數輸電網(wǎng)提供了更復雜網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )提供的可靠性。網(wǎng)狀拓撲的費用限制了它們在輸電和中壓配電網(wǎng)中的應用。冗余允許線(xiàn)路故障發(fā)生，當工人修理?yè)p壞和停用的線(xiàn)路時(shí)，電源只需重新布線(xiàn)。
其他使用的拓撲結構是在歐洲發(fā)現的環(huán)形系統和捆綁環(huán)網(wǎng)。在北美的城鎮中，網(wǎng)格傾向于遵循經(jīng)典的徑向饋電設計。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(xiàn)，饋線(xiàn)從該總線(xiàn)向整個(gè)農村的各個(gè)方向散開(kāi)。這些饋線(xiàn)承載三相電力，并傾向于沿著(zhù)變電站附近的主要街道行駛。隨著(zhù)距變電站距離的增加，扇形展開(kāi)將繼續進(jìn)行，因為較小的側邊會(huì )擴展到覆蓋饋線(xiàn)錯過(guò)的區域。
這種樹(shù)狀結構從變電站向外生長(cháng)，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?？梢栽诰o急情況下啟用此連接，以便變電站的一部分服務(wù)區域可以由另一個(gè)變電站供電。廣域同步電網(wǎng)或“互連”是一組分布區域，所有分布區域均以同步的交流(AC)頻率運行(以便峰值同時(shí)出現)。這樣就可以在整個(gè)區域傳輸交流電，連接大量的發(fā)電機和用戶(hù)，并有可能實(shí)現更高效的電力市場(chǎng)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)行補償，否則可能導致電流重新路由自身會(huì )通過(guò)容量不足的傳輸線(xiàn)從其余的發(fā)電機流向用戶(hù)，從而導致進(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(huì )發(fā)生級聯(lián)故障和廣泛的停電。通常指定一個(gè)中央機構來(lái)促進(jìn)通信和制定協(xié)議以維護穩定的網(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擁有咨詢(xún)權。美國政府還指定了國家利益電力傳輸走廊，認為傳輸瓶頸已經(jīng)形成。
一些地區，例如阿拉斯加的農村社區，不依靠大電網(wǎng)運行，而是依靠當地的柴油發(fā)電機。高壓直流(HVDC)線(xiàn)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域。為了提高經(jīng)濟性和可靠性，跨地區的電力設施多次相互連接?；ヂ?lián)可以實(shí)現規模經(jīng)濟，允許從大型高效能源中購買(mǎi)能源。
電力公司可以從不同地區的發(fā)電機儲備中提取電力，以確保持續、可靠的電力供應，并使其負荷多樣化?；ミB還允許各地區通過(guò)接收不同來(lái)源的電力獲得廉價(jià)的大宗能源。例如，一個(gè)地區可能在高水位季節生產(chǎn)廉價(jià)的水電，但在低水位季節，另一個(gè)地區可能通過(guò)風(fēng)力生產(chǎn)更廉價(jià)的電力，使兩個(gè)地區在一年的不同時(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頻率，并幫助管理公用事業(yè)區域之間的聯(lián)絡(luò )傳輸。我們可以考慮兩種類(lèi)型的電網(wǎng)，它們是:
超級電網(wǎng)
各種計劃和提議的大幅增加傳輸容量的系統被稱(chēng)為超級或巨型電網(wǎng)。該計劃有望帶來(lái)的好處包括:使可再生能源行業(yè)能夠向遙遠的市場(chǎng)出售電力;通過(guò)在廣闊的地質(zhì)區域平衡間歇性能源，增加對這些能源的使用;消除阻礙電力市場(chǎng)繁榮的擁堵。當地反對修建新線(xiàn)路和這些項目的巨額成本是超級電網(wǎng)建設的主要障礙。歐洲超級電網(wǎng)的一項研究估計，將需要多達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(xiàn)路來(lái)容納。TransCanada最近的一項提議定價(jià)為1600公里、3千兆瓦高壓直流輸電線(xiàn)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公里的項目標價(jià)為7.9億美元，需要很大的通行權。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(xiàn)路所需的土地和資金將是相當可觀(guān)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”設備，對二十世紀的電網(wǎng)進(jìn)行增強。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)系統上-基礎設施系統，管理系統和保護系統[5]?；A架構系統是智能電網(wǎng)底層的能源，信息和通信基礎架構，它支持：
•先進(jìn)的電力生產(chǎn)、輸送和消費。
•高級信息計量、監控和管理。
•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(guān)察和控制系統的各個(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(kāi)關(guān)設備到分鐘尺度的風(fēng)能和太陽(yáng)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(lái)影響。
