电力知识图谱（七）：环节
本篇是微信公众号“电力知识图谱”的发输变配用各环节介绍文章的合辑。知识图谱的内容是笔者从网上搜集素材，再加上个人的思考和经
本篇是微信公众号“电力知识图谱”的发输变配用各环节介绍文章的合辑。
知识图谱的内容是笔者从网上搜集素材，再加上个人的思考和经验，编纂而成，文字采集和原创大致是4:6，依据笔者喜好排版，难免有疏漏，欢迎读者指正。在此感谢先行者的奉献，作为继承者也是全公开的发布，没有任何商业目的，如有侵权请告知，笔者可以致谢、删除或支付稿费。
电力是以电能作为动力的能源，绝大部分情况，电力都有发电、送电（含输变配）、用电三个环节。
有以下三个原因：
一是因为集中发电效率高，大发电机组的转换效率高，运维成本低，在每kWH（千瓦时）上都是更划算的。
二是因为发电用的煤、水等资源在某地富集，其他地方要用电却离资源非常远，就得送电。
三是送电的成本远低于送煤、石油等自然资源的成本，属地将资源转化为电力，再到用能地区，是最经济的方式。
本章节主要介绍的就是发电、输电、变电、配电和用电等这五大环节。
一.发电
发电是电能产生的最初环节，它是利用发电动力装置将一些能源转换为电能。
一般来说，电力是用多少发多少，不能多发，也不能少发，因为目前的电力系统是没有储存环节的，因为目前要做到大容量低成本储存除了抽水蓄能以外比较困难。
所以，用电主要靠调度，调度会提前下发调度计划，发电厂根据调度计划调整出力。
1.1发电原理
电力生产的发电环节是利用电能生产设备将各种一次能源或其他形式的能转换为电能。
生产电能的主要方式有火力发电、水力发电、核能发电、地热发电、风力发电、太阳能发电、潮汐能发电、生物智能发电和燃料电池发电等。
除太阳能发电的光伏电池技术和燃料电池发电外，绝大部分发电方式的电能生产设备都是由动力部分和发电部分组成。
动力部分就是将各种发电用能源转化成机械能，发电部分则将传递过来的机械能经过电磁感应作用转换为电能。
1.2发电类型
前面也说了，生产电能的主要方式有很多，可以按能源的种类分为火电发电、水电发电、风电发电、核能发电及其他能源发电。
1.2.1火力发电
火力发电，利用煤、石油、天然气等燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。
原理：
火力发电一般是指利用石油、煤炭和天然气等燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电。
1.2.2水力发电
水电是将水能转换为电能的综合工程设施：一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。
水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。
原理：
水力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。
1.2.3风力发电
风力发电是把风的动能转为电能。
原理：
风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
1.2.4核能发电
核电站与火电站发电过程相同，均是热能—机械能—电能的能量转换过程，不同之处主要是热源部分。
火电站是通过化石燃料在锅炉设备中燃烧产生热量，而核电站则是通过核燃料链式裂变反应产生热量。
原理：
核电站就是将原子核裂变（或聚变）所释放的核能转变为电能的系统和设备。原子核反应堆类型不同，核电站的系统和设备也有所不同。
1.2.5其他能源发电
除了上述的种发电类型外，还存在其他的能源发电：生物质能发电、潮汐能发电、太阳能热发电等等。
1.3新能源发电
说到发电就不能不说新能源，新能源是指可以循环利用的清洁资源，听上去好像很空泛，不是很懂。那么下面就是重点啦。
新能源包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。其中：
1.4新能源的优势和弊端
优势：
新能源最大的优势就是更环保，不会像化石燃料会在燃烧时产生大量污染物。（不过新能源发电设备和系统的制造和建设过程中也会产生能源消耗和污染。）
而且化石资源是有限的，不可再生。而新能源可以说是不会枯竭，具有无限量可再生、运行维护量小等优点。
弊端：
虽然新能源的优势较多，但它也有无法忽略的弊端，比如技术不成熟、需要因地制宜、且自然能源不能人为控制等。
1.5新能源的发展情况
虽然新能源有诸多弊端，但它中长期的发展前景还是很好，预计未来，可再生能源发电装机占我国电力总装机的比例将超过50%。可再生能源在全社会用电量增量中的占比将达到三分之二左右。
1.6发电能源占比
目前世界各国电力工业发广泛采用的发电方式是火力发电、水力发电和核能发电，而火力发电则包括燃煤发电、燃油发电和天然气发电。
可以看到，截止到2020年，火电还是我国发电的主力，占比达到了69%。
1.7中国发电企业
老百姓绝大多数人只见过两大电网公司。发电公司，只有行业内认识，大家可以点击专栏查看《电力知识图谱(5) ：企业》文章，了解关于发电企业内容。
二.输电
电能的传输，是电力系统整体功能的重要组成环节。从发电站发出的电能，一般都要通过输电线路送到各个用电地方。
为了发电经济性，现代大型发电厂基本倾向于建在能源基地，其他用电地区距离较远，就必须通过输电。
输电的所有研究，围绕着三点，第一是经济性，第二是安全性，第三才是质量。你说安全比经济重要？不是为经济性，干嘛要长距离输电。
2.1输电原理
输电线路是用变压器将发电机发出的电能升压后，再经断路器等控制设备接入输电线路来实现。
通过输电，把相距远的（可达数千千米）发电厂和负荷中心联系起来，使电能的开发和利用超越地域的限制，输电还可以将不同地点的发电厂连接起来，实行峰谷调节。
有时候输电不只是为了能让你用上电，还有让你可以有多路电可用，可备用，提高用电可靠性（当然要多成本多出钱）。
2.2输电原因
为什么需要进行电能传输？
- 集中发电效率高，大发电机组的转换效率高，运维成本低，在每kWH（千瓦时）上都是更划算的。
- 发电用的煤、水等资源在某地富集，其他地方要用电却离资源非常远，就得送电。
- 送电的成本远低于送煤、石油等自然资源的成本，属地将资源转化为电力，再到用能地区，是最经济的方式。
2.3输电线路构成
输电线路相对于变电设备而言较为简单，构成也较为单一；按照设备状态检修定，输电线路主要划分为7个单位、1个环境。
7个单元分别是杆塔、导地线、绝缘子、金具、杆塔基础、接地装置、附属设施，一个环境是指通道环境。
2.4输电线路的运维
个人感觉，输电线路的运维最苦B。
营销同志们是要被客户骂，但输电同志们是要接受大自然的严峻考验，看下我们输电同志的巡检英姿：
输电线路运维的主要工作：
2.5输电种类
按照输送电流的性质，输电分为交流输电和直流输电。
2.5.1交流输电
发电厂发出的电能多为三相交流电，通过升压变压器，高压输电线路和降压变压器，配电线路和配电变压器将电能输送到用户。
2.5.1直流输电
将发电厂发出的交流电通过整流站变换成直流电，经直流电路输送到受端后，逆变站把直流电转换成交流电送到用户。
2.6输电电压等级
传输电力是有损耗的，计算方式为 
所以远距离传输都要用高电压输电，发电站出厂后先升压至110kV~1000kV(根据距离远近)，再长距离输送到城市、农村周边，再降压进入居民地带。
2.7输送电能流程
输送电能总共有：发电站→升压变压器→高压输电线→降压变压器→用电单位等五个流程。
电力工业初期，发电厂建在电力用户附近，直接向用户送电，所以那个时候只有发电和用电两个环节。
随着电力生产规模和负荷中心规模的扩大，发电中心，如大型火电基地、水电基地和核电基地均远离电力工作中心，为了让那些距离远的电力用户也用到电，就需要高压输电。
2.8输电线路和气象灾害
输电线路因为都在荒山野岭，且悬空线不是一个很稳定的结构，受气象的影响很大，只要一故障就是实时大面积的影响，所以气象灾害是输电线路的一个重要研究课题。
三.变电
变电环节，顾名思义就是改变电压的环节，主要是在变电站和变电所完成的。变电站和变电所有啥区别呢？很简单，变电站比变电所更大。
发电厂的变压器和配电变压器也属于“变电”，但我们在说电网环节时，变电特质电网公司的变电站，即10kV（不含）以上的大型变电站，一个站有一个别墅以上的占地面积。
3.1变电站基本介绍
远距离输电，电压越高的话，电流就越小，损耗也就越小，所以变压主要是为了降损。并且靠近居民区，降低电压，安全性也会提高。
变电站主要将电能升压或是降压，方便输送和使用电能。并且将多路电源汇集再分配至广大用户，增强供电可靠性。
变电环节的变电站，占地面积大，电压等级高。
从电厂输出的电，经过变电站升压可以到500kV、330kV、220kV，到了一定距离后再经过变电站的降压，从500降到330到220到110到35到10（单位是kV）。
但10kV与日常用电的电压相比还是太高，我们社区旁边能看到的变压器就是将10kV或6kV的电变成工厂用电的380V或者家用电的220V。
3.2变电站分类
变电站按照不同的属性可以有多种不同的分类。这里按照变电站的电压等级可以分为：
3.3变电站相关设备介绍
变电站是由很多个设备组建而成的，用来切断或接通、改变或者调整电压。
它们可以统称为变电设备。具体有：
上图中的设备：1—变压器；2—导线；3—绝缘子；4—互感器；5—避雷器；6—隔离开关；7—断路器。
除了上面画出来的设备，还有电容器、套管、阻波器、电缆、电抗器和继电保护装置等，这些都是输变电系统中必不可缺的设备。
这些设备还可以分成一次设备和二次设备，具体怎么分的，可以关注专栏后续的文章。
或者搜索：电力知识图谱公众号、电力知识图谱网站：https://www.dlzstp.com。
3.4变电站运维
变电运维，其实就类似于“变电站的主人”，日常运行维护变电站的设备。
大部分情况下是上一休二，不过也有上10休10的。
就工作强度来说，以前还是比较轻松的，但现在比较惨，一个运维班组也就20个人，动辄管10多个站，工作量大增。
变电站日常工作主要任务包括：
3.4.1变电站操作
这算是最重要的工作之一。
为了电网正常运行，变电站所属调度会要求变电站进行设备操作，比如断开某断路器等等。
在变电站做操作工序十分严谨，要有操作票，要首先在模拟台模拟，然后起码两人一组，一人复述操作命令，一人操作，当然操作前还要口述一篇操作命令。以免出现带电和地刀这种恶性误操作事件出现。
3.4.2变电站日常巡视
变电站的日常巡视也十分重要。巡视的内容很多，基本也很固定，像是红外测温、观察变压器油位、配电房巡视等等。
如果发现数据异常，就需要启动缺陷程序，上报后等检修人员进行检修。
3.4.3临时任务
比如党建活动、春季/秋季安全检查、竞赛、场站改造等等。
作为“变电站的主人”，任何人进了站以后的安全问题都要运维负责。很多进站人员对变电站的危险点并不熟悉，万一走错间隔或者任何失误导致了电网和人身事故，运维都是要负责的。
3.5变电站发展趋势
现在无人值守变电站的增多，基本上有人的都是500kV以上的变电站了，智能化和数字化将会成为变电站，乃至于电网发展的重要方向。
智能化变电站与传统变电站相比，主要需对过程层和间隔层设备进行升级，将一次系统的模拟量和开关量就地数字化，用光纤代替现有的电缆连接，实现过程层设备与间隔层设备之间的通信。
这个事具体聊起来太复杂，以后可以专门列一章讲解。
四.配电
配电网是电网的重要组成部分，是保障电力“配得下、用得上”的关键环节。
它大多负责城区和郊区的配网线路，也就是变压器到你家的那一段。
4.1配电在电力生产的特殊性
配网设备点多面广，单个设备价值低，所以维护的投入也小，对小型智能化需求量大。
虽然配网生产部门不像电网营销部门一样直接对接客户，但也是生产中最面向客户的一环。营销部接到客户投诉，如果是设备原因，转手就给配网部。
输变电作为主网，在国家垄断这方面没有异议，配网是一直有开放的呼声的，增量配电网、地方电网等一直在做这方面的业务。有很多大型用电企业也会自建从变电站、配网、用电的专用电网。民营企业在这块有较大的进步空间。
主网投资高峰期过了，现在是营配投资是热门，可以讲的内容很多，本篇就只做基本的概念介绍，像增量配电网、配电运维、和智能配电，后面再开专篇讨论。
4.2配电概述
配电系统是由多种配电设备（或元件）和配电设施所组成的变换电压和直接向终端用户分配电能的一个电力网络系统。
这里只看主要设备的配网结构：
- 变电站的10kV开关，从这算配网的开端。
- 接入中压环网柜，供电N-1装备，组手拉手网络，以前的放射性线路，经济不好的地方，是没有这个的。
- 接入开闭所，这个也是有钱的才有，也是N-1、隔离故障的作用。
- 接入配电站房或架空变，将10kV转为220V。专变用户通常到此结束。居民用户往下看。
- 低压线接入低压柜、电缆分支箱等设备。
- 接到你家门口或楼下的表箱，配电结束。
总之，基础配网就是由传输设备、变压设备、控制设备、冗余设备、质控设备组成的。有钱和没钱，配网是差很多设备的，可靠性完全不一样。
4.3配电作用
配电网的主要作用就是从输电网那里接受的电能，按需求分配下去。即将高电压降低至用户所需要的各种电压，向各种用户供电。
相对输电专干“输”，变电专干“变”，配电是“输变”都做，有时还兼点客户营销的工作，自己把小电网的工作都干完了，所以输变配网又叫“主配网”。
因为配电起承上启下的工作，又有个热门工作叫“营配调”，现在叫“供电服务”，就是把和客户有直接关系的电网部门组合工作，是现在国网、南网、综合能源的热门。
4.4配网分类
4.4.1按电压分类
配电按电压一般分为高压配电、中压配电和低压配电，其中：
4.4.2按供电区域分类
配电按供电区域分为城市配电网、农村配电网、工厂配电网：
4.5配网的主要指标
配电网与广大用户紧密联系，所以配电网是否合格还是十分重要的。评判配电网的标准，主要有四个指标：
供电可靠性：供电可靠性是指针对用户连续供电的可靠程度。
网损率：网损率可定义为电力网的电能损耗量与总供电量的比，通常用百分表示。
电压波动和电压闪变：电压波动是指电网电压的快速变动或电压包络先的周期性变动。电压闪变是指人眼对灯闪的主感觉，引起灯闪变波动电压，称为闪变电压。
电压合格率：电压合格率是指电力系统某点电压在统计时间内电压合格的时间占总时间的百分比。
4.6智能配电网
08年~18年是营配电表建设的高峰期，这波高峰基本过完了，居民都是自动抄表了（农电工下岗）。
15年至今就是智能配电网的建设高峰，国网南网都说智能电网，主要就是智能配电网，这里面包括了配电自动化系统、配电网检测和保护、开关电器等等。
智能配网利用现代电子技术、通讯技术、计算机及网络技术，将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，实现配电系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制、用电和配电管理的智能化。
4.6.1智能配电网的特征
4.6.2智能配电网存在的问题
配电网的设备量大、面广，设备种类多、造价低且可靠性差，所以配网的故障率高，用户感受到的停电事件96%由配网引起。
主要存在的问题：
配电网量测覆盖不全，对配电的运行情况感知能力不足；配电网网架结构不够灵活，配电设备线路种类数量众多，对分布式电源的潮流掌握不明确，不能及时满足用户多种多样的电力服务需求。
4.6.3智能配网的发展
为了进一步提高智能配电网的运行效果、改善运行环境，需要在现有的技术基础上，朝着以下方向发展:
未来，还需要改造智能配电网网架，实现配电终端标准化和多种通信方式互补。
五.用电
经过了发电、输电、变电和配电之后，就来到了电力环节最后的节点——用电。
我们日常生活中所需要用到的电器，比如日光灯、计算机、空调、洗衣机等都是需要消耗电量的。
5.1电价
谈用电先谈电价，我们与读者一条心。
用电按照负荷可以大致分为城市用电、农村用电和工商业用电等。
城市用电和工商业用电的价格是不一样的。
5.1.1工商业电价：两部制电价
包括基础电价、电量电价和力调电价。
这么多电价标准主要就是为了引导大家在高峰少用点，在低谷时多用点。
我国大部分城市峰谷用电负荷相差过大（以上海举例，夏季峰时负荷可达到3200万，而谷时负荷不到2000万）。
用电高峰时段，大家如果都挤着用电，那么电网、变电站和配电室都不够用，就可能导致停电等问题。
有人可能要问，那为啥不多建些电网和电站呢？
如果电网为了满足高峰期的用电需求，投资建设了大量的发电站、输电线路、变电站、配电设施等，那么在很多时候，这些设施都是低负荷运行的，这样非常不经济。
5.1.2居民电价：分单一制电价和阶梯电价
单一制电价
单一制电价就是不管你什么时候使用，都是这个价；
部分经济较发达地区实行阶梯+峰平谷电价，简单来说，就是用电量越多，电价越贵；在用电高峰时段用电，电价就更贵了。
阶梯电价
电价有这么多标准，还需要按阶梯、功率因素收费，难道是因为我国电力供应紧张吗？
其实说我国电力公司紧张或是过剩表达都不是特别准确，准确的说应该是总体过剩，局部紧张。所以才有西电东送之说。
那为什么居民用电还需要实行阶梯电价呢？
一是提倡节能减排，通过电价杠杆，引导用户节约用电。
特别是用电大户，促使其科学用电，节约用电。毕竟，现行我国百分之六七十的电力来自火电，也是化石能源。
二是建立公平用电机制的同时，确保居民的基本生活用电。
如果你家用的大部分都是第三档的话，那么说明你家生活水平比较高，也就为社会多做点贡献吧，先富帮带后富，毕竟还有很多落后地区人均月用几度电呢。
国外的一种电力定价方式叫竞价，就是根据自身条件，来确定电价。
竞价和平价项目的意义都是为了缓解补贴带来的财政压力。
5.2用电大户
5.2.1行业用电大户
哪些行业是用电大户（碳中和下的打击对象）？
我们就来看看2019年全社会用电量情况，以下采用中电联发布的数据。
电力、热力生产和供应业雄踞各行业年耗电量“榜首”，消耗掉了近8800亿千瓦时电！
相当于1.3个广东、4个湖北、4个山西、9个黑龙江、10个天津、11个吉林的用电量。
5.2.2空调用电
每年的最高负荷都是在夏天，原因就在于空调用电。
在夏天炎热的时候，空调制冷用电可以占电网三成用电，在工业较少的城市如北京，最高峰时可达一半以上。
减少空调用电，提升制冷效率，对用电管理，可以说是最有价值的单项研究。
5.2.3电动车
电动车还不是现在的用电大户。但电动车的普及是一个趋势，说2035年后，将全面实现车辆电动化，到时车辆用电，就像把中石油、中石化集成进电网公司，你说大不大。
目前一户城市家庭通常是按峰值20kW去计算用电量了，而一辆车如果用快充，可以达到15kW以上,小区如果户户开电动车，相当于用电量提升一倍以上，如果让电动车省电，让电动车均衡用电，肯定是电网的一个研究内容。
5.3国内用电情况
5.3.1中国用电量趋势
2020年，我国全社会用电量平稳增长，增速略缓。根据中电联数据，2020年，全社会用电量75110亿千瓦时，同比增长3.1%。
5.3.2 各省用电量排行
从用电量看，有3个省份用电量在5000亿千瓦时以上。山东以6940亿千瓦时的用电量居于榜首（一直被说高耗能低产出）。
通过用电情况，还可以反向指导电力系统环节中发电、输电、变电、配电四个环节的建设，所以也可以说：用电是电能“发、输、变、配”的首个环节。
5.4用电未来的趋势
