发电厂将各类一次能源转换为电能,然后经过输电网和配电网输送并分配至电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程（图1）。电力系统还包括保证一次系统安全可靠运行的传感和量测、控制与保护、信息与通信以及调度自动化等相应的辅助系统。电力系统的根本任务是向用户提供可靠、合格、清洁和经济的电能。

图1 电力系统示意图

电力系统的出现，使电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，出现了近代史上的第二次技术革命。20世纪以来，电力系统的大力发展使动力资源得到更充分的开发，工业布局也更为合理。电能的应用不仅深刻地影响着社会物质生产的各个侧面，也越来越广泛地渗透到人类日常生活的各个层面，电力系统的发展程度和技术水准已成为各国经济发展水平的标志之一。

电力系统经历了“分散式、小容量、低电压、小系统”的产生与兴起阶段、“大机组、大电厂、大系统、高电压、资金密集、技术密集、高度信息化”的现代化电网阶段和“清洁、高效、环保、经济”的可持续发展阶段，共3个阶段，也称为“三代电网”。

第一阶段从19世纪末20世纪初开始，到20世纪50年代初。最早的发电机（或电动机）和输电线采用直流电技术，使用100～400伏直流线路供电，由于电压低，线路损耗大，输送的功率小，送电距离也不远。如1882年在纽约爱迪生主持建造了珍珠街电站，它装有6台直流发电机，总容量为900马力（约670千瓦），用110伏电压供给电灯照明（开始时近1300盏灯）。19世纪90年代初，三相交流输电研究成功，随之三相感应电动机及交流功率表也先后研制成功，推动了电力系统的发展。1895年在美国尼亚加拉建成了复合电力系统，这是早期交流电力系统的代表，它装有单机容量为5000马力的交流水力发电机，用二相制交流2.2千伏向地区负荷供电，又用三相制交流11千伏输电线路与巴伐洛电站相连，还使用了变压器和交直流变换器将交流电变为100～230伏直流电，供应照明、化工、动力等负荷。尼亚加拉电力系统的成功，结束了长达10年的关于直流输电与交流输电方案之争。交流发电机，特别是变压器的出现实现了交流单相、三相输电，可方便地提高送电电压。交流输电具有送电距离长、节约导线材料和降低功率损耗等优点，加之异步电动机等性能良好的用电设备的出现，大大推动了交流电力系统的发展。经过几十年的发展，输电电压达到220千伏，单机容量基本不超过10万千瓦，电网规模比较小，形成以孤立电网、城市电网为主的简单电力系统。

第二阶段从第二次世界大战后到20世纪末。随着战后经济快速恢复和发展，电能需求迅速增加，发电设备容量及其出力也不断增大，特别是大型水电站、坑口电厂及核电厂的建立，需要将大量电力远距离送出。同时，为互通各简单电力系统之间的电力，提高运行的经济性和安全性，出现了以高压或超高压远距离输电为主干的电力系统和大型互联电力系统。为了克服交流输电中出现的一些困难（如电力系统稳定问题），以及解决一些特殊情况下的送电问题（如海底电缆输电、不同频率交流电力系统的互联等），且由于电力电子技术的进步，高压直流输电技术也得到了很大发展。随着交、直流输电新技术竞相开发和利用，出现了交、直流混合输电的电力系统。中国第二代电网的建设从20世纪70年代开始。1974年刘家峡水电站的全面建成及1972年刘家峡—关中330千伏线路（535千米，送电42万千瓦）投运，标志着中国第一个跨省电网（甘肃、陕西、青海、宁夏）形成，中国第二代电网建设的开始。世界上形成的交流电力系统主要为400千伏、500千伏、750千伏系统；中国于2009年1月建成了1000千伏特高压交流输电工程，形成了连接华北和华中电网的特高压交流输电系统。世界上高压直流输电广泛采用±400千伏、±500千伏、±600千伏等直流输电电压，随着输电容量和距离需求的增大，开始研发采用±800千伏特高压直流输电技术。中国最早投运的特高压直流输电系统是2009年12月28日单极投运的云南—广东±800千伏特高压直流输电工程和2010年7月8日投运的向家坝—上海±800千伏特高压直流输电示范工程，输电距离分别为1438千米和1907千米，额定最大连续输电功率分别为500万千瓦和640万千瓦。世界上电压等级最高的准东—皖南±1100千伏直流工程已于2016年在中国开工建设。

第三阶段从20世纪末开始。第二代电网的发展遇到的两个突出问题是严重依赖化石能源和交流同步互联大电网安全问题。前者加剧了环境污染压力，后者造成重大电力系统事故频发。为此，20世纪90年代以来，发达国家开始研究发展适应清洁能源、可再生能源的新型现代电力系统，开始了第三代电力系统建设。第三代电力系统的主要特征和目标包括优化的电源结构、灵活的电网模式、智能的运行控制、极高的供电可靠性和极低的安全风险等。第三代电网将形成大型集中式和分布式电源相结合的电源结构,实现非化石能源（可再生能源和核能）发电占电源结构较大份额，使化石能源消耗和碳排放大幅降低，形成可持续发展的电源结构。逐步实现骨干电网与微电网相结合、交流电网与直流电网相结合的电网结构。建成智能化的电网控制、保护、信息、调度系统和智能用电系统，大幅提高电网接受可再生能源发电能力，确保供电可靠性大幅提升。电力系统将以智能电网为基础，与热力管网、天然气管网、交通网络等多种类型网络互联互通，多种能源形态协同转化的综合能源网络，逐步成为能源互联网的骨干网络。

主要包括：①电能一般不能大规模储存,发输配用瞬间完成，电能生产与消费需随时保持动态平衡，发电容量和设备都需要一定的备用。②整个电力系统通过电磁耦合和连接，任意一点发生故障都会在瞬间影响和波及全系统，造成重大灾难。因此，在电力系统各个环节和不同层次一定要有相应的信息与控制系统，对电能的生产、传输、使用的过程快速进行测量、调节、控制、保护和协调调度。③电力系统是现代社会的一个重要基础设施，在工农业生产、交通运输、商业和人民生活的各个方面起着重要的作用，每个现代国家的发展程度都与电能的利用水平密切相关。④电能供应系统和用户处于相互影响、相互制约之中，电能供应系统要适应用户对电能需求的随机变化，确保提供合格的电能质量。用户（负荷）的特性和随机变化会影响和冲击电能供应系统，但负荷的科学管理和响应（如改变用电方式等）又能为电网提供辅助服务，改善电力系统运行性能。

电力系统的优越性体现在：①有利于大范围的优化配置资源，经济合理地开发和利用水能、化石能源、核能、风能及太阳能等能源，解决能源资源与负荷分布地域间的不平衡。②可利用不同供电地区的时差和季节差、各地区电力消费习惯的差别和负荷曲线不同等条件，错开负荷高峰，减少全系统总的负荷峰值和总的装机容量及备用容量。③有利于采用大容量和标准化的发电机组和电力设备，可以节省建设投资和运行费用，提高投资效益和运行经济性。④便于在电力系统发生故障时各地区各类电源互为备用，相互支援，提高电力系统抗事故能力和运行的安全性。⑤便于集中管理，利用水电、火电、核电、风电、太阳能发电等之间的互补调节，实现经济调度与电力的合理分配等。

电力系统的主体结构由发电厂、电力网和负荷3个主要部分组成。

发电厂将其他形式的能量转化为电能。现代电厂主要利用燃料（煤、石油、天然气、生物质燃料等）的化学能、水的势能、核能、风能、太阳能、地热能等能量形式，相应地建设火电厂、水电站、核电厂、风电场、太阳能光伏（热）电站、生物质电厂和地热电站。集中式大型发电厂根据其容量规模接入不同电压等级的电力网，小型分布式电源就地接入配电网或直接给负荷供电。

电力网是电力系统中输送、变换和分配电能的部分，主要由变电站和线路组成，可分为输电网和配电网。根据电力系统中装机容量和用电负荷大小，以及电源和负荷的相对位置，电力网将按电压等级的高低分层，按负荷密集的地域分区。不同容量的发电厂和电力用户应分别接入不同电压等级的电力网，较大容量的应接入较高电压的电力网，较小容量的可接入较低电压的电力网。根据电流的特征，电力网的输电方式还分为交流输电和直流输电。

输电网主要是将远离负荷中心的发电厂所发出的电能经过变压器升高电压，并通过高压输电线输送到邻近负荷中心的枢纽变电站。同时，输电线路还有联络相邻电力系统和联系相邻枢纽变电站的作用。根据电力系统中装机容量与用电负荷的大小，以及电源点与负荷中心的相对位置，电力系统常采用不同电压等级输电（如高压输电或超高压输电），以求得最佳的技术和经济效益。

配电网是将电能从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地或逐级分配给用户的电力网。一般又将配电网分为高压、中压和低压配电网。在中国，交流高压配电网电压一般为35千伏、63千伏、110千伏；中压配电网电压一般为6～10千伏（也有用20千伏的）；低压配电网电压一般为三相四线制的380/220伏。随着分布式发电接入配电网，21世纪出现了由分布式电源、储能设施、能量转换装置、相关负荷、监控保护装置等汇集而成的微电网和主动配电网等新型配电网结构。随着直流负荷的增加，直流配电网也将是一种合理的选择。

负荷是使用和消耗电能的设备，它将电能转化成机械能、热能、光能和化学能等。配电网负荷主要有动力负荷（电动机）、热负荷、照明负荷等。大容量负荷一般接入3～10千伏配电网,小容量负荷接入380/220伏配电网。配电系统一般是三相的，单相负荷要均衡接入三相之中。

由于自然资源分布与经济发展水平等条件限制，电源点与负荷中心多处于不同地区。由于电能无法大量储存，输电过程本质上又是以光速进行，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，成为制约电力系统结构和运行的本质量特点。

系统运行指系统的所有组成环节都处于执行其功能的状态。电力系统的基本要求是保证安全可靠地向用户供应质量合格、价格便宜的电能。所谓质量合格，是指电压、频率、正弦波形这3个主要参量都必须处于规定的范围内。电力系统的规划、设计和工程实施虽为实现上述要求提供了必要的物质条件，但最终实现则取决于电力系统的运行。

电力系统的运行常用运行状态来描述，主要分为正常状态和异常状态。正常状态又分为安全状态和警戒状态，异常状态又分为紧急状态和恢复状态。电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移（图2）。

图2 电力系统运行状态及其转移

各种运行状态之间的转移，需通过控制手段来实现，如预防控制、校正控制和稳定控制、紧急控制、恢复控制等，这些统称为安全控制。

电力系统在保证电能质量、安全可靠供电的前提下，还应实现经济运行，即努力调整负荷曲线，提高设备利用率，合理利用各种动力资源，降低煤耗、厂用电和网络损耗，以取得最佳经济效益。

电力系统需要依靠统一的调度指挥系统以实现正常调整与经济运行，以及进行安全控制、预防和处理事故等。根据电力系统的规模，调度指挥系统多是分层次建立，既分工负责，又统一指挥、协调，并采用各种自动化装置，建立自动化调度系统。

电能是二次能源。电力系统的发展既要考虑一次能源的资源条件，又要考虑电能需求的状况和有关的物质技术装备等条件，以及与之相关的经济条件和指标。在社会总能源的消耗中，电能所占比例始终呈增长趋势。信息化社会的发展更增加了对电能的依赖程度。为满足用户对电能不断增长的需要，必须在科学规划的基础上发展电力系统。电力系统的建设不仅需要大量投资，而且需要较长时间。电能供应不足或供电不可靠都会影响国民经济的发展，甚至造成严重的经济损失；发电和输、配电能力过剩又意味着电力投资效益降低，从而影响发电成本。因此，必须进行电力系统的全面规划，以提高发展电力系统的预见性和科学性。

制定电力系统规划首先必须依据国民经济发展的趋势（或计划），做好电力负荷预测禾一次能源的开发布局，然后再综合考虑可靠性与经济性的要求，分别做出电源发展规划、电力网络规划和配电规划。

在电力系统规划中，需综合考虑可靠性与经济性，以取得合理的投资平衡。对电源设备，可靠性指标主要是考虑设备受迫停运率、水电站枯水情况下电力不足概率和电能不足期望值；对输变电设备，可靠性指标主要是平均停电频率、停电规模和平均停电持续时间。大容量机组的单位容量造价较低，电网互联可减少总的备用容量。这些都是提高电力系统经济性需要首先考虑的问题。

电力系统中的信息与控制子系统是实现电力系统信息传递的神经网络。它使电力系统具有可观测性与可控性，从而保证电能生产与消费过程的正常进行，以及在事故状态下的紧急处理。从电力系统诞生之日起，信息与控制子系统就是电力系统必不可少的组成部分，它在不同水平上的完善和发展，使电能的广泛应用成为现实。

电力系统信息与控制子系统的进步，保证了电能质量，提高了电力系统安全运行水平，改善了劳动条件，提高了劳动生产率，还为电力系统的经营决策提供了有力支撑，从概念上、方法上对电力系统运行分析和经营管理赋予了新的内容。

信息与控制子系统的作用主要在保证电力系统安全、稳定、经济地运行。它执行以下三项任务：①正常运行状态的监测、记录，正常操作与调整（自动维持频率和电压等）。②异常状态及事故状态下的报警、保护、紧急控制及事故记录。③运行管理，进行短期负荷预测，制定发电计划，实现经济调度等。

20世纪50年代以来，随着通信技术与控制理论的发展，以及电子计算机和微电子技术的应用，电力系统的信息与控制逐步向以计算机网络为标志的综合调度自动化方向发展。电力系统调度自动化计算机系统由被控端（发电厂、变电站）采集各种运行信息（包括开关量、模拟量和数字量），经转换后由通道（数据传输系统）传送到调度端，再由调度端计算机接收数据，经过处理后，或进行显示监测，或进行记录制表，或做出控制决策，再由通道传送到被控端进行操作、控制。由于电力系统结构复杂，地域广阔，一般采用分级、分层调度控制。