电网的规模各不相同，从覆盖单一建筑的国家电网到覆盖整个国家的跨国电网。电网被设计成以基本恒定的幅度提供电压。这必须通过变化的需求、可变的无功负载，甚至非线性负载来实现，发电机和配电及输电设备提供的电力并不完全可靠。整个电网以相同的频率运行。如果需要与以不同频率运行的相邻电网互联，则需要变频器。高压直流链路可以连接两个以不同频率运行或不保持同步的电网。在同步电网中，所有发电机必须以相同的频率运行，并且必须彼此之间以及与电网保持非常接近的相位。

 

对于旋转发电机，本地调速器调节驱动扭矩，在负载变化时保持恒定速度。降速控制可确保多台并联发电机按照额定负载比例分担负载变化。整个电网的发电和消耗必须平衡，因为能源是在生产的同时消耗的。能量在短期内由发电机的旋转动能储存。与标称系统频率的微小偏差对于调节单个发电机和评估整个电网的平衡非常重要。

 

当电网负载很重时，频率会降低，调速器会调整发电机，以便输出更多的功率(降速控制)。当电网负载较轻时，电网频率高于标称频率，这被网络上的自动发电控制(AGC)系统视为发电机应减少其输出的指示。此外，通常还有中央控制，它可以在一分钟或更长的时间内改变自动增益控制系统的参数，以进一步调整区域网络流量和电网的运行频率。出于计时的目的，在一天的过程中，允许标称频率变化，以平衡瞬时偏差，并防止线路操作时钟获得或损失大量时间。

 

传输网络很复杂，有冗余路径。电网的结构或“拓扑”可以根据预算约束、系统可靠性要求以及负载和发电特性而变化。物理布局通常受可用土地及其地质的影响。配电网分为两种类型，辐射状或网状。配电网或输电网最简单的拓扑是辐射状结构。这是一个树形结构，来自大电源的电能辐射到逐渐降低的电压线上，直到到达目的地的家庭和企业。然而，一次失败就能毁掉整棵树。大多数输电网提供了更复杂网状网络提供的可靠性。网状拓扑的费用限制了它们在输电和中压配电网中的应用。冗余允许线路故障发生，当工人修理损坏和停用的线路时，电源只需重新布线。

 

其他使用的拓扑结构是在欧洲发现的环形系统和捆绑环网。在北美的城镇中，网格倾向于遵循经典的径向馈电设计。变电站从传输网络接收电力；用变压器将电源降压，然后将其发送到总线，馈线从该总线向整个农村的各个方向散开。这些馈线承载三相电力，并倾向于沿着变电站附近的主要街道行驶。随着距变电站距离的增加，扇形展开将继续进行，因为较小的侧边会扩展到覆盖馈线错过的区域。

 

这种树状结构从变电站向外生长，但是出于可靠性方面的考虑，它通常包含至少一个未使用的备用连接，该连接与附近的变电站相连。可以在紧急情况下启用此连接，以便变电站的一部分服务区域可以由另一个变电站供电。广域同步电网或“互连”是一组分布区域，所有分布区域均以同步的交流（AC）频率运行（以便峰值同时出现）。这样就可以在整个区域传输交流电，连接大量的发电机和用户，并有可能实现更高效的电力市场和冗余发电。电网的一部分发生重大故障-除非迅速进行补偿，否则可能导致电流重新路由自身会通过容量不足的传输线从其余的发电机流向用户，从而导致进一步的故障。因此，广泛连接的电网的一个不利方面是可能会发生级联故障和广泛的停电。通常指定一个中央机构来促进通信和制定协议以维护稳定的网格。例如，北美电力可靠性公司于2006年在美国获得约束力，并在加拿大和墨西哥的适用地区拥有咨询权。美国政府还指定了国家利益电力传输走廊，认为传输瓶颈已经形成。

 

一些地区，例如阿拉斯加的农村社区，不依靠大电网运行，而是依靠当地的柴油发电机。高压直流(HVDC)线路或变频变压器可用于连接两个不一定彼此同步的交流互联网络。这提供了互连的好处，而不需要同步更大的区域。为了提高经济性和可靠性，跨地区的电力设施多次相互连接。互联可以实现规模经济，允许从大型高效能源中购买能源。

 

电力公司可以从不同地区的发电机储备中提取电力，以确保持续、可靠的电力供应，并使其负荷多样化。互连还允许各地区通过接收不同来源的电力获得廉价的大宗能源。例如，一个地区可能在高水位季节生产廉价的水电，但在低水位季节，另一个地区可能通过风力生产更廉价的电力，使两个地区在一年的不同时间从对方那里获得更廉价的能源。邻近的公用事业公司也帮助其他公司维持整体系统频率，并帮助管理公用事业区域之间的联络传输。我们可以考虑两种类型的电网，它们是:

 

超级电网

 

各种计划和提议的大幅增加传输容量的系统被称为超级或巨型电网。该计划有望带来的好处包括:使可再生能源行业能够向遥远的市场出售电力;通过在广阔的地质区域平衡间歇性能源，增加对这些能源的使用;消除阻碍电力市场繁荣的拥堵。当地反对修建新线路和这些项目的巨额成本是超级电网建设的主要障碍。欧洲超级电网的一项研究估计，将需要多达750吉瓦的额外输电能力——这一能力将由每增加5吉瓦的高压直流线路来容纳。TransCanada最近的一项提议定价为1600公里、3千兆瓦高压直流输电线路，价值30亿美元，需要一条走廊宽度。在印度，最近一个6 GW，1850公里的项目标价为7.9亿美元，需要很大的通行权。欧洲超级电网需要750吉瓦的新高压直流输电能力，新输电线路所需的土地和资金将是相当可观的。

 

智能电网

 

智能电网将使用双向通信和分布式的所谓“智能”设备，对二十世纪的电网进行增强。电力和信息的双向交流可以改善交付网络。研究主要集中在智能电网的三个系统上-基础设施系统，管理系统和保护系统[5]。基础架构系统是智能电网底层的能源，信息和通信基础架构，它支持：

 

•先进的电力生产、输送和消费。

 

•高级信息计量、监控和管理。

 

•先进的通信技术。

 

智能电网将允许电力行业以更高的时间和空间分辨率观察和控制系统的各个部分[6]。智能电网的目的之一是实时信息交换，使运行尽可能高效。它将允许在所有时间尺度上管理电网，从微秒级的高频开关设备到分钟尺度的风能和太阳能输出变化，以及十年尺度的电力生产产生的碳排放的未来影响。