1.2 电气系统和电力系统
1.2.1 电气系统
从学科角度来说，电气学科是以电能、电气设备和电气技术为手段来创造、维持与改善限定空间和环境的一门科学，涵盖电能的转换、利用和研究3个方面，包括基础理论、应用技术、设施设备等；从使用的角度来说，它是人们高度依赖的能量供给物，电气存在于人们日常生活的各个方面，用电也成了一种生活习惯。
电气系统在范围上有广义和狭义之分，广义的电气系统与传统意义上的电力系统相同，是由发电厂、变电站、输电线路、配电线路、电力用户等连成一体的系统，从功能上通常分为发电、输配电、用电三部分；狭义的电气系统可理解为电能并网之前的系统，不包含并网后的输电、用电等环节，重点在于场内发电、配电、并网等环节。由于本书针对的是风电场电气系统，所以重点讨论狭义上的电气系统。
1.2.2 电力系统
传统电力系统即广义的电气系统，如图1-4所示。
图1-4 电力系统示意图
在电力系统中，通常将输送、交换和分配电能的设备称为电力网，它由变电站和各种不同电压等级的输电线路组成。电力网按电压等级的高低和其供电范围的大小可分为地方电力网、区域电力网及超高压远距离输电网3种类型。变电站是联系发电厂和用户的中间环节，由电力变压器和配电装置组成，起变压、交换和分配电能的作用。根据变电站在电力系统中地位不同，可分为枢纽变电所、中间变电所和终端变电所等。而配电站只用来接收和分配电能而不承担电压变化的任务，多建于工业企业内部。
1．运行特点
与其他工业产品相比，电能的生产、输送、分配和消费有着极其明显的特殊性，主要有以下几个特点：
（1）电能与国民经济各个部门的关系密切。由于电能与其他能量之间的转换十分方便，而且容易进行大量生产、远距离输送和控制，因此电能使用非常广泛，电能在国民经济和人民生活中起着极其重要的作用，其供应的中断或不足将影响国民经济的各个部门。
（2）电能不能大量储存。由于电能不能大量储存，电能的生产、输送、分配和使用实际上是在同一时刻进行的。这就是说，发电设备在任何时刻生产的电能必须与该时刻用电设备所需的电能和输配电过程中电能损耗的总和相平衡。
（3）快速性。由于电能的传播速度接近光速，所以它从一处传至另一处所需的时间极短；电力系统从一种运行方式转变到另一种运行方式的过渡过程非常快；电力系统中的事故从发生到引起严重后果所经历的时间常以秒甚至毫秒计；从发生故障到系统失去稳定性通常也只有几秒的时间；因事故而使系统全面瓦解的过程一般也只以分钟计。所以，为了使设备不致因暂态过程的发生而导致损坏，特别是为了防止电力系统失去稳定或发生崩溃，必须在系统中采用相应的快速保护装置和各种自动控制装置。
2．基本要求
根据以上特点，对电力系统的运行有5点基本要求。
（1）保证供电的安全可靠性。保证供电的安全可靠性是对电力系统运行的基本要求。为此，电力系统的各个部门应加强现代化管理，提高设备的运行和维护质量。应当指出，目前要绝对防止事故的发生是不可能的，而各种用户对供电可靠性的要求也不一样。因此，应根据电力用户的重要性不同区别对待，以便在事故情况下把给国民经济造成的损失限制到最小。通常可将电力用户分为以下类型：
1）一类用户。指由于中断供电会造成人身伤亡或在政治、经济上给国家造成重大损失的用户。一类用户要求有很高的供电可靠性。对一类用户通常应设置两路以上相互独立的电源供电，其中每一路电源的容量均应保证在此电源单独供电的情况下就能满足用户的用电要求，确保当任一路电源发生故障或检修时，都不会中断对用户的供电。
2）二类用户。指由于中断供电会在政治、经济上造成较大损失的用户。对二类用户应设专用供电线路，条件许可时也可采用双回路供电，并在电力供应出现不足时优先保证其电力供应。
3）三类用户。一般指短时停电不会造成严重后果的用户，如小城镇、小加工厂及农村用电等。当系统发生事故，出现供电不足的情况时，应当首先切除三类用户的用电负荷，以保证一类用户和二类用户的用电。
（2）保证电能的良好质量。频率、电压和波形是电能质量的3个基本指标。当系统的频率、电压和波形不符合电气设备的额定值要求时，往往会影响设备的正常工作，危及设备和人身安全，影响用户的产品质量等。因此，要求系统所提供电能的频率、电压及波形必须符合其额定值的规定。其中，波形质量用波形总畸变率来表示，正弦波的畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根值占基波有效值的百分比。
我国规定电力系统的额定频率为50Hz，大容量系统允许频率偏差为±0.2Hz，中小容量系统允许频率偏差为±0.5Hz。35kV及以上的线路额定电压允许偏差为±5%;10kV线路额定电压允许偏差为±7%，电压波形总畸变率不大于4%;380V/220V线路额定电压允许偏差为±7%，电压波形总畸变率不大于5%。
电力系统频率允许偏差和用户供电电压及波形畸变率允许变动范围见表1-2和表1-3。
表1-2 电力系统频率允许偏差
表1-3 用户供电电压及波形畸变率允许变动范围
（3）保证电力系统运行的稳定性。当电力系统的稳定性较差，或对事故处理不当时，局部事故的干扰有可能导致整个系统的全面瓦解（即大部分发电机和系统解列），而且需要长时间才能恢复，严重时会造成大面积、长时间停电。因此稳定问题是影响大型电力系统运行可靠性的一个重要因素。
（4）保证运行人员和电气设备工作的安全。保证运行人员和电气设备工作的安全是电力系统运行的基本原则。这一方面要求在设计时合理选择设备，使之在一定过电压和短路电流的作用下不致损坏；另一方面还应按规程要求及时地安排对电气设备进行预防性试验，及早发现隐患，及时进行维修。在运行和操作中要严格遵守有关的规章制度。
（5）保证电力系统运行的经济性。电能成本的降低不仅会使各用电部门的成本降低，更重要的是节省了能量资源，因此会带来巨大的经济效益和长远的社会效益。为了实现电力系统的经济运行，除了进行合理的规划设计外，还须对整个系统实施最佳经济调度，实现火电厂、水电厂及核电厂等负荷的合理分配，同时还要提高整个系统的管理技术水平。