电网是人类造过的最大的机器，它有一个很奇特的性质：本身几乎什么都不储存。每一秒，成千上万台发电机送入的功率，都必须等于数以百万计的用电设备消耗的功率，再加上中间线路的损耗。两者一旦偏离，频率就会跟着变化，调度员只有几秒到几分钟的时间把它纠正过来。这篇指南讲电网怎样搭建、怎样保持平衡、为什么电在路上会损失一部分、电价和市场在哪里起作用，以及风电、光伏和储能电池取代大型旋转发电厂之后，电网会发生哪些变化。
四个层级：发电、输电、配电、用电
传统电网是一个按电压等级一层层划分的体系。发电厂以中压发电，升压变压器把电压升高用于长距离输送，再经过一连串变电站逐级降压，最后到达你家的插座。
| 层级 | 典型电压 | 作用 | 运营方 |
|---|---|---|---|
| 发电 | 发电机出口 10–25 kV | 把燃料、风能、阳光或水能转换成电能 | 发电企业（电力公司、独立发电商、装了光伏的家庭） |
| 输电 | 欧洲 220–400 kV；北美 230–765 kV；中国直流最高 1,100 kV | 在不同区域之间把大量电力输送到数百公里外 | 输电系统运营商（TSO） |
| 次输电 | 60–150 kV | 给城市和大型工业用户供电 | 视国家而定，TSO 或 DSO |
| 配电 | 中压 10–33 kV；低压欧洲 230/400 V，北美 120/240 V | 把电送到街道和楼宇 | 配电系统运营商（DSO） |
| 用电 | 电表处单相或三相 | 住宅、办公室、工厂、电动车充电桩 | 终端用户 |
为什么要分这么多电压等级？线路的电阻损耗与电流的平方成正比：P_loss = I²R。输送同样的功率时，电压翻一倍，电流就减半，损耗只剩原来的四分之一。所以大宗电力都是以几百千伏的电压输送的，只有在进户前的最后几百米，电压才降到可以安全接进墙里的水平。
计算示例：为什么 400 kV 远胜 20 kV
假设要通过一条 100 km 长的线路输送 500 MW，每相电阻为每公里 0.03 Ω（每相共 3 Ω），功率因数 0.95。
- 在 400 kV 下，电流为 500,000,000 / (1.732 × 400,000 × 0.95) ≈ 760 A。损耗 = 3 × 760² × 3 ≈ 5.2 MW，约为输送功率的 1%。
- 在 20 kV 下，电流约为 15,200 A。按公式算出的损耗为 3 × 15,200² × 3 ≈ 2,080 MW，比你想要输送的功率还多。现实中没有哪种导线扛得住这么大的电流，所以这样的线路根本建不起来。
这正是当年交流电赢得“电流之战”（war of the currents）的主要原因。有了变压器，升高电压既便宜又高效，大型变压器的效率超过 99%。
频率：电网的心跳
在同一张交流电网上，所有大型同步发电机都以完全一致的步调旋转。在欧洲、亚洲大部分地区、非洲和澳大利亚，这个节奏是 50 Hz。在北美、南美部分地区、日本西半部和沙特阿拉伯，则是 60 Hz。仅欧洲大陆同步区就连接了 20 多个国家，以同一个频率为数亿人供电。
频率能直接反映功率是不是平衡：
- 负荷超过发电时，缺口由汽轮机和发电机旋转质量中储存的动能来补。机组的转速随之变慢，频率下降。
- 发电超过负荷时，机组的转速加快，频率上升。
这部分旋转质量叫做惯量（inertia）。它本身不能消除不平衡，但能减缓频率变化的速度（RoCoF，rate of change of frequency，即频率变化率），为控制系统争取反应时间。
举个例子来说明：一个系统有 200 GVA 的同步机组，H = 4 s，突然失去一台 1.5 GW 的核电机组。初始 RoCoF 为 50 × 1.5 / (2 × 4 × 200) ≈ 0.047 Hz/s。如果系统完全不做响应，频率下降 0.2 Hz 大约需要 4 秒。这段时间已经足够让自动备用开始动作了。
平衡备用的层级
调度员会预留一部分容量作为备用，并按照响应速度把它们分成几组。下表使用的是欧洲（ENTSO-E）的术语，同时附上北美常用的对应说法。
| 备用 | 启动方式 | 完全响应时间 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 惯量（固有） | 瞬时，物理响应 | 0 s | 减缓频率变化的速度 |
| 快速频率响应 | 自动，常由储能电池提供 | 1–2 s 以内 | 拦住速度极快的频率下跌 |
| FCR（frequency containment reserve）：频率遏制备用，即一次调频 | 自动，机组本地调速器 | 约 30 s | 阻止频率继续下降 |
| aFRR（automatic frequency restoration reserve）：自动频率恢复备用，即二次调频 / AGC | 中央自动信号 | 约 5 min | 把频率拉回 50 Hz，恢复跨境潮流 |
| mFRR（manual frequency restoration reserve）：手动频率恢复备用，即三次调频 | 调度员指令 | 约 12.5–15 min | 把更快的备用释放出来 |
| 替代备用 | 按计划调用 | 15 min 到数小时 | 应对持续时间较长的停运 |
备用容量按“参考事故”（reference incident）来确定。在欧洲大陆，参考事故指的是同时失去 3,000 MW 的发电容量。FCR 由整个同步区的各个国家共同承担，这也是大型互联电网比孤立电网更能扛住故障的原因之一。
电压、无功功率和稳定性
频率在整个系统里处处相同。电压则是局部的：每个节点都有自己的电压，必须保持在额定值的约 ±5–10% 以内。调度员主要通过无功功率（reactive power）来控制电压。无功功率是交流电中来回往返的那部分功率，用来在线路、电机和变压器中建立磁场和电场，本身不做有用功。
- 距离长、负载轻的线路会产生无功功率，把电压往上推。
- 负载重的线路和感应电机会消耗无功功率，把电压往下拉。
- 发电机、电容器组、电抗器、STATCOM 和现代逆变器通过发出或吸收无功功率，把电压维持在范围内。
如果重负荷地区的电压支撑失效，即使总体发电充足，也可能引发连锁的电压崩溃（voltage collapse）。历史上好几次大停电，包括 2003 年北美大停电的部分过程，都是线路过载、无功支撑不足和保护装置接连跳闸共同造成的。
损耗：电去了哪里
损耗指的是从发电机到电表之间散失掉的电能。每个用户都要为它买单，要么直接支付，要么通过输配电费间接支付。
| 电网类型 | 典型输配电损耗 | 说明 |
|---|---|---|
| 维护良好的高收入国家电网 | 5–8% | 美国约 5%（EIA）；德国和荷兰属于欧洲最低之列 |
| 中等收入国家电网 | 8–15% | 配电线路更长，设备也更老旧 |
| 非技术损耗高的电网 | 15–30% 以上 | 包括窃电和未计量的用电，这些都算作损耗 |
技术损耗大致可以分为输电部分（通常为 1.5–3%）和配电部分（其余部分），再加上变压器即使空载也存在的空载损耗。我们的用电碳排放计算器中的电网排放因子反映的是平均发电情况；考虑损耗后，你电表上的每一度电，在发电端还要多耗几个百分点的能源。
HVDC：远距离输电专家
高压直流（HVDC）线路先把交流转换成直流，输送过去再转换回交流。换流站的造价动辄数亿，但直流线路没有无功功率的问题，每公里的损耗也更小。与交流相比，通常的盈亏平衡距离为架空线约 600–800 km，而海底电缆只有 50–100 km，因为交流电缆的电容让长距离海底交流线路难以实现。所以远离海岸的海上风电场、北海的跨国互联线路，以及中国的特高压通道（有的长度超过 3,000 km），用的都是直流。HVDC 还能让两个频率不同、或者彼此不同步的电网之间互相交易电力。
电力市场：电网怎样决定由谁发电
在市场化的电力系统中，发电企业在市场上报价，TSO 则在电网能够承载的范围内，调度成本最低的发电组合。欧洲的简化时间线如下：
- 远期市场（提前数年到数周）：签订用于套期保值的合约。
- 日前竞价（前一天中午截止）：按优先顺序（merit order）为每个竞价区确定每小时或每 15 分钟的价格。电厂按边际成本从低到高排列，最后一台需要调用的机组决定价格。
- 日内交易：随着风电和光伏的出力预测越来越准，交易各方持续调整头寸。
- 平衡市场：TSO 购买备用容量，并实时调用电能。计划出现偏差的一方要承担不平衡电价的惩罚。
优先顺序可以解释两件事：边际成本接近零的风电和光伏发电充足时会压低电价；昂贵的燃气调峰机组成为边际机组时，电价就会飙升。电价为什么会飙升讲了完整的来龙去脉。想比较各种技术的全生命周期成本而不是边际成本，可以试试平准化度电成本（LCOE）计算器。
风电、光伏和储能带来的变化
风机、太阳能板和储能电池都是通过电力电子器件（逆变器）并网的，而不是通过同步发电机。这从四个方面改变了电网面临的工程问题。
**1. 固有惯量减少。**基于逆变器的电源不会和电网同步旋转，所以某一时刻风电光伏占比很高的电网，旋转质量就更少。调度员用同步调相机（synchronous condenser，即没有原动机的发电机）、储能电池的快速频率响应和“虚拟惯量”（synthetic inertia）来弥补。
**2. 跟网型与构网型逆变器。**如今大多数逆变器是跟网型（grid-following）的：它们测量现有的电压波形，按同样的步调注入电流。构网型（grid-forming）逆变器自己设定电压和频率，表现得像一个电压源。NREL、AEMO 和欧洲各 TSO 都认为，接近 100% 依靠逆变器电源运行的系统，必须具备构网能力。
**3. 配电网双向潮流。**配电网当初是按照电力单向流动来设计的。阳光充足的下午，屋顶光伏会让潮流倒送，抬高当地电压。DSO 现在要求逆变器提供电压–无功控制（volt-var）、限制上网功率，或者两者都要。用我们的储能电池计算器配好容量的家用电池，可以在中午的富余电力送上街道之前把它吸收掉。
**4. 波动性与预测。**风电和光伏的出力随天气而变。电力平衡从跟踪负荷变成跟踪净负荷（net load）：负荷减去风电和光伏出力。在加州或澳大利亚南部阳光充足的春日，这会形成“鸭子曲线”（duck curve）：中午净负荷很低，到了傍晚，净负荷又在短短几小时内陡升好几吉瓦。
| 灵活性手段 | 时间尺度 | 示例 |
|---|---|---|
| 储能电池 | 毫秒到约 4 小时 | 频率响应、傍晚削峰移峰 |
| 抽水蓄能 | 分钟到数天 | 每日充放循环、平衡风电 |
| 跨区互联线路 | 分钟到季节 | 北欧水电平衡丹麦风电 |
| 需求响应 | 秒到小时 | 工业负荷削减、电动车智能充电 |
| 灵活火电机组 | 分钟到季节 | 燃气轮机、生物质、可掺氢机组 |
| 弃电 | 即时 | 电网饱和时，舍弃多余的风电或光伏发电 |
可靠性：怎样衡量电网好不好
衡量电网好坏，常用的是两个配电层面的指标：
- SAIDI（System Average Interruption Duration Index，系统平均停电持续时间指数）：每个用户每年平均停电分钟数。
- SAIFI（System Average Interruption Frequency Index，系统平均停电频率指数）：每个用户每年平均停电次数。
运营良好的欧洲城市电网，SAIDI 常常不到每年 20 分钟。把大型风暴计算在内，很多美国电力公司报告的数值在一到几小时，一些发展中国家的电网则多达数百小时。大多数停电其实源于配电网（树木倒伏、本地线路故障），而不是大宗发电不足。
亲自看看电网
在我们的世界能源地图上查看任何国家的电力结构，在国家概况中深入了解某个国家的电网，或者在排行榜中比较碳排放强度和可再生能源占比。电网工程师常用的单位（MW、MWh、MVA、TWh）可以查看能源单位速查表和能源单位换算器。
本主题相关计算器
常见问题
电网为什么用交流电而不用直流电？
输配电过程中损失多少电？
电网频率掉得太多会怎样？
电网能 100% 靠风电和光伏运行吗？
什么是黑启动？
电网由谁运营？
资料来源与参考
- ENTSO-E — 欧洲大陆同步区解列及系统运行报告
- IEA (2023). Electricity Grids and Secure Energy Transitions
- U.S. EIA — How much electricity is lost in electricity transmission and distribution?
- NREL — 构网型逆变器与电力系统稳定性研究
- Kundur, P. (1994). Power System Stability and Control. McGraw-Hill
本指南中的数据是根据上述来源整理的典型范围，你的实际数字取决于所在地、价格和设备。需要针对具体场地的估算，请使用文中链接的计算器。