(一) 引子
电力系统属于基础工业，虽然算不上夕阳产业，但与其它日新月异的工业相比，有些老态龙钟的感觉了。不过，上百年系统运行积累下来的经验、技术和理论知识，让每一个在电力系统领域里工作学习的人不能不深感其难、其博大精深。具体到我个人，虽努力有加，仍只是略窥一二。这两年我做的东西虽然还是在电力系统，但有偏离技术前沿的趋势。自己虽尽力弥补，但对很多新的东西还是越来越跟不上。
特别是“电力系统”这顶大帽子底下，包括的内容实在太多，太广。大体上，从学术角度可以分为系统运行和控制、系统稳定和控制、系统可靠性、配电系统、发电机控制、继电保护、电力电子应用、高压绝缘和电磁场、新能源、电力市场等等。但实际上，这里面每个方向上又能分出很多小的领域。比如，系统运行和控制细分的话，又可以分SCADA、状态估计、调度员潮流、最优潮流、故障分析、检修计划等。精通一样，几乎就可以在行业内如鱼得水了。另外，这些方向之间又产生了很多交叉方向。想对所有这些都掌握，是不可能的。一般地，如果一个人自称是搞电力系统的，最好马上接着问“你是搞哪一块儿的？”虽然同是电力系统，不同的方向，基本上是隔行如隔山，所以要谨防上当。
从生产角度，很多时候搞电力系统的可以笼统地分为搞系统的（系统运行和控制、系统稳定和控制、系统可靠性、电力市场）、搞二次的（SCADA、继电保护）、搞设备的、搞配电的、搞运行的、搞规划的等等。
我是搞哪一块儿的呢？泛泛地讲，曾经作过系统运行和控制、系统稳定和控制、系统可靠性、配电系统、新能源、电力市场。所有这些都可以算在广义的电力系统运行里面（注意强调的是“系统运行”，而不是具体的设备。）可惜，我做的东西太杂，没什么能算得上精通。而且搞得太多，都搞糊涂了，到如今也做不成自由自在游泳的鱼。
所以基本上，我是没有资格，没有能力写这个题目的，对我来说太大了。
不过，碰巧前些天有同事让我帮忙普及一下电力系统稳定和控制的基本概念和基本方法。我就趁着还没有把以前做的东西忘干净，赶紧回忆整理一下。实际上，同事的忙是不想帮了，多一事不如少一事。但想了想，河里还没有人写过纯电力系统的东西，不如我开个头吧。另外，首先定位在漫谈，要求自然就降下来一大块，压力没那么大，写不下去了就停笔。
根据我个人的体会，搞电力系统的人都比较内向，甚至保守。从行为学、心理学分析，人们可以说是内向、保守的人倾向于选择比较保守的行业。从我的经验讲，一方面电力系统的课程非常重，学生都被累弯了腰，变得沉默了；另一方面，电力系统可以说是物理存在的最大规模的动力系统，运行复杂又关系到国计民生，从业人员上班第一天被告知的就是要“保守”、要“谨慎”，自然而然，人都保守了。
我知道，河里实际上潜伏着很多学电力搞电力的朋友。我也希望、衷心地希望我写的东西是一块砖，能引来众多的玉。我没能力也不打算弄一个像润树兄和晨枫兄那样的专业著作出来，反倒是希望籍此给自己一个学习的机会。
还有一个潜在的目的。近年来，随着石油价格高涨，替代能源的开发利用进展很快，给电力系统带来了一些活力，但主要的热点仍集中在新材料（如太阳能电池）和设备制造（如风力发电机）方面。这些新能源对传统电力系统运行的影响主要体现在系统实时调度上。反过来，电力系统运行又制约着这些新能源新技术的发展和应用。如果大家通过讨论能弄清楚一些问题，也许有助于把握住下一个经济发展的热点，也不失为一个赚钱的机会。
另外一个问题是，我的文笔不好，如何组织语言是个挑战，希望能在写的过程中逐步改进。 
(二) 电力系统运行的轮廓
电力系统和其它学科一样，需要用到很多基础知识。而能把最基本的东西一下就讲明白的都是大牛级的人物，我在这里就不做这个尝试了。只是从内容连贯性考虑，简单地给出一些基本概念。
电力系统运行说起来也很简单，最基础的知识就是欧姆定律和基尔霍夫定律。基本上，懂了这两个定律（实际上是三个，基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律），就可以搞一搞电力系统运行了。另外，由于现代电力系统基本上是个交流系统，所以还要有一些交流电的基本知识，比如要知道电压、电流和阻抗都是复数，都有一个幅值分量和一个相角分量。还要知道什么是视在功率、有功功率、无功功率。具体地，
Z = R+jX; V = I*Z; S=VI* ; S = P+jQ
Z 是阻抗，V是电压，I是电流，S是视在功率（单位是MVA），P是有功功率（MW），Q是无功功率（MVAR）
但不要真的以为万事大吉，搞着搞着就会遇到麻烦了。
先来看看电力系统的构成。三个最基本的组成部分：发电机、输电网络、负荷。现在实时运行着的电力系统，由于电能不能大规模存储，所以必须保持发电和负荷随时平衡。我们知道，系统负荷在一天之内变化很大，夏天一般在下午4~6点到最高，凌晨到达最低，变化可以从100%到30%甚至更低。另一方面，一些发电机也可能遇到故障或例行检修；电网也可能有故障，使电力传输的路径发生变化。为了保证电力系统的功率平衡，我们要提前决定哪些发电机应该发电，哪些不需要发电。如何决定呢？前面说过，电力系统的发电和负荷要平衡，所以，首先要知道负荷是多少。这就是负荷预测要做的工作。根据负荷预测的结果，我们知道什么时候需要多少发电量。但这只是一个总量，我们还需要把它分配到各个发电机。为此，我们需要做机组组合和经济调度。机组组合和经济调度的核心是优化计算。目标函数一般是发电总成本最小，约束条件则五花八门，除了基本的设备容量上下限约束以外，还可以包括各种额外的安全约束。由此而来，有了安全约束机组组合和安全约束经济调度。
在机组组合和经济调度这一领域的研究几乎贯穿了电力系统自身的历史，可以说经久不息。这也是电力系统各学科中最庞大的两个中的一个。几十年来，论文，专著汗牛充栋。发展到今天，在电力市场改革的大环境下，已经成为了电力系统运行的重中之重。
在电力系统的三个基本元素中，发电机（特别是传统的水火电）是旋转设备，要保证整个系统的正常运行就必须让所有发电机按同一个速度旋转，要不然会损坏发电机，进而引发连锁反应，有可能导致系统崩溃（大停电）。这个同步速度就对应着大家熟知的系统频率（各国电网不一样，国内是50Hz，美国是60Hz）。
这不难理解。举个身边的例子，比如说双汇火腿肠吧。如果你没有刀也没有其它工具，你如何把外包装剥掉呢？有人愿意用牙咬。我不行，只能拿住两头，两只手往相反方向转，转啊转，中间越来越细，最后就断了。发电机旋转速度不同步对发电机的破坏和这个差不多。
我们有了负荷预测和机组组合，但系统内负荷、发电设备等的状态总是处于变动中，系统频率还是会发生变化。这里可以把电力系统想象成一个简单的动力系统。发电机提供拉力或推力，如果负荷变小了，这个动力系统就会加速，反之就会减速。对应的就是频率的上升或下降。由此而来，电力系统运行需要解决的一个问题就是如何保持频率稳定。答案是安装自动发电控制（AGC）系统。AGC主要负责的是自动调整发电机出力（输出功率），以适应系统变化导致的功率不平衡。这种调整相对整个系统的容量来说是微小的。系统中参加AGC的发电机并不是很多，一般占系统发电容量的5%左右。这些机组需要安装特殊的控制设备。
有了前面说的这几样，电力系统运行好象差不多了。
话音刚落，那边的调度员马上就站起来了：“系统电压好象有点儿低了？”
“是吗？我看看，”我敬畏地回答着，一边盘算着：“这几个母线的电压还都在525kV左右，暂时问题不大，我还是先歇歇吧。”
“还不能放松，”老板看出了我的心思，“刚得到通知有两条线路有故障要检修，还有一个电厂要停运，赶紧给我算一算潮流，看看到时候电压还能不能维持，其它线路有没有过载。对了，再算一算如果到时候葛洲坝直流突然间断了，会怎么样？”
上面这段对话当然不是真实的场景，但从这里引出来的却是每一个电力系统工程师 每天要面对的严峻挑战：如何保证电力系统的稳定性。
电力系统是一个动态的系统，除了计划的检修停运以外，每天都有大量的意外的故障导致一些设备不能正常运行。当这些故障发生时，系统的平衡会遭到瞬间的破坏。当重大故障发生时，AGC受调节能力和响应速度的限制可能已经无法保证系统频率（有时侯AGC在故障发生时会对系统失稳推波助澜），同时，系统的电压也可能会显著下降。一些设备自身的保护装置可能会被触发，把受保护设备从系统中隔离，从而进一步加剧系统的不平衡。不知不觉中，系统已经在崩溃的边缘。必要的时候，我们需要使用一些极端的控制措施，比如，断开发电机或负荷。属于断臂求生。
在学术领域，电力系统稳定是另一个最庞大的电力系统分支学科。电力系统早期，主要是基于潮流计算和热稳定极限的静态稳定。到60、70年代，一些从阿波罗航天计划退下来的研究人员转入电力系统，推动了现代控制理论在电力系统动态稳定研究中的应用。从70年代末到90年代末，电力系统稳定的研究一浪高过一浪。研究者们几乎尝试了所有的数学方法和控制理论，催生了一大批IEEE Fellow和工程院院士。研究范围覆盖了次暂态、暂态稳定、小干扰稳定和电压稳定等等。这期间，还夹杂着很多Fellow、院士们的恩怨情仇，有空可以小小八卦一下。
这股研究热潮到上个世纪末期突然沉寂了。大家发现电力系统实在是太复杂，竟然没有一个方法能在实际运行中放心地使用，于是人们都累了。但是，随着计算机性能的提高，以及新的数据采集和电网监视设备的推广，近年来不同国家都开始尝试把原有的一些稳定性研究成果和高性能计算结合起来，试图推进电力系统在线稳定评估和控制的应用。
前面讲的内容给出了传统电力系统运行的一个大致轮廓。基本上，需要做的是维持功率平衡、维持系统稳定、尽量降低成本。近十年来，这个轮廓发生了些变化。这一切都源于电力市场改革的兴起。这是一场自上而下的改革，主要的推手是各国政府及其经济顾问。可以说是经济学家主导了这场电力系统的变革。变革是如此之快，对于我这样的传统电力工程师来说，似乎有些跟不上形势。但不管怎样，现在讲电力系统就不能不讲电力市场，我在后面也会硬着头皮讲一讲，以一个电力工程师的立场。
以上几个方面我会试着逐一“漫谈”。除此之外，还准备谈一谈电力系统运行必不可少的SCADA/EMS系统，与系统运行相辅相成的系统规划和可靠性评估，当前火爆的新能源及其对系统运行的影响。最后还想争取关心一下姥姥不疼舅舅不爱的配电系统。各个话题之间没有一定的先后顺序，哪盘菜好了就先端上来。如果大家发现哪盘菜不合胃口，尽管提出来。如果自己做不好，我还可以请大厨帮忙。或者干脆哪个河友上来掌勺也可以。
本节最后，补充说明一下前面出现的几个专业词汇，以供非专业内朋友参考。
母线：英文对应词汇BUS（好象越来越糊涂了？）。是一般安装在变电站内、呈偏平状的导电体，可以连接多条输电线路，是电流的集散地。曾用名：汇流排。
潮流：英文对应词汇Power Flow 或者Load Flow （有个河友用这个ID，一看就是搞电力系统的，但不知道是搞哪个方向的）。指在电力网络中流动的电流或功率。
写到这里，看到长街看海河友（也是电力系统的专家）提醒我别忘了发电的问题。具体的发电设备我不是很熟悉，所以这个问题也许不会单独谈。但发电的内容会穿插在不同章节里，例如在机组组合、电力市场和新能源等部分。
（三）无功功率
什么是无功功率？它从哪里来，到哪里去？我常常这样问自己，但却总是得不到答案。有几次，感到似乎明白了一些，但当再仔细想想的时候，发现自己还是糊涂的。渐渐地，我知道了，在电力系统工作多久，这个问题就会困扰我多久。
一直在琢磨着是先写经济调度还是先写稳定性，突然间意识到自己犯了一个错误。虽然积累了一些资料，但并没有仔细的整理过。真正要写了，发现即使是其中一些曾做得很熟的东西，写起来也没想象中那么容易。正发愁呢，看到了无功给晨枫兄带来的恶梦（补充：当年学电路，看到这个虚功率就怵头，TNND，这功率还有虚的，这不欺负我们实在人嘛。60年代是控制理论突飞猛进的年代，线性代数和微分方程一结合，很多经典控制的难题都放到新的显微镜下迎刃而解，更多的新问题也随之出现。控制理论的数学化一直到80年代末还如火如荼，然后突然降温，因为人们发现：越是急于寻找包医百病的青霉素，越是多的抗药性开始出现。当然，这和现实生活中抗药性不一样，真的抗药性是对药的反应，而“先进控制理论”的抗药性是越来越多的数学假定。），心生一计。先对晨大和各位有同样经历的朋友们说一声：你们并不孤单。
再说我的打算。以前看过一篇文章讲无功功率，又曾参加过一个公司内部的关于无功功率的讨论会，感觉不错，很糊涂。我打算以此为基础，和大家探讨一下无功的问题。这一章的宗旨是让糊涂的人依旧糊涂，把明白的人讲糊涂。
回到最开始的问题。什么是无功功率？先看看它的英文名字：Reactive Power。与其对应的是有功功率：Active Power 或者Real Power。有点儿奇怪，是不是？为什么无功功率不叫Unreal Power什么的？先别管那些，让我们看看基本的公式吧。
在前面一章中，提到过电力系统中常用的视在功率是一个复数：S=P+jQ。复数的实部是有功，虚部是无功（所以也有人叫它虚功）。对于一个纯电阻的系统（比如说直流系统），S=P=V*I，其中V是电压，I是电流，所有量都是实数。在交流系统里，S=V*I';，现在所有量都是复数了，例如，电流可以表示成I = a+jb。I'是I的共轭，等于a-jb。
在电力系统中，发电机把不同的能源转换成电能，向系统输出有功功率（有功功率乘以时间就是电能），有功功率通过输电线路送向千家万户。这个转换和传输的过程遵守能量守恒定律。简单地说，无功功率是交流电力系统中有功功率产生和传输的伴生品。稍微深入一些，可以说电力系统是个大的电磁场，有功功率在电磁场中产生并通过电磁场传输，无功功率是电磁转换中出现的一个电气量，只要这个电磁场存在，就会有无功。可见，虽然我们并不直接使用无功，但无功与有功是息息相关的。说到这里，我就无法再深入了，那需要精通电磁场的知识。如果再多说一点，我想强调一下，电能是通过环绕着输电线路的电磁场传输的，而不是输电线路本身。
对电力工程师来说，局面没有这么复杂，无功功率和有功功率一样是实实在在地存在着的。发电机不仅输出有功功率，也输出无功功率（有功出力、无功出力）；输电线路本身具有分布式的对地电容，也会产生无功；分布于系统各电压等级的并联电容器也在向系统输出着无功。经验告诉我们，当某个母线上向系统输出的无功增加时，母线的电压会升高，反之，电压就会降低。电力工程师正式利用了这个无功和电压的关系进行系统电压控制。我们还被告知，在系统里输送无功会带来不必要的有功损耗和电压降低，所以要尽可能地实现无功就地平衡。
可见，很多时候，理论虽然很复杂，但具体的工程应用就很简单。工程和理论的距离。如果用无功功率来衡量的话，就是明白和糊涂的距离。很远，也可能很近。
那我们就再来简略地看看理论方面。不是从电磁场，而是从交流电路的角度。（友情提示：如果你觉得已经明白了并且不想再糊涂，可以不看下面的内容。但你也可能会错过一些有意思的东西。）
我们先看一个简单的LRC电路，如图1所示。R是电阻，L是电感，C是电容，带圆圈的V是一个交流电源，最大电压是Vmax.。
图1 LRC电路
在某一时刻t，瞬时的电压、电流和功率可以表示为：
希腊字母θ表示的是电压和电流之间的相位角。上面功率公式中右边的第一部分就是瞬时有功功率，第二部分是瞬时无功功率。图2给出了功率相对于时间的变化曲线。
图2 瞬时功率
从图2可以看到有功功率的波形围绕着某一个平均值振荡，而无功功率则围绕着横轴振荡，也就是说其平均值是0。从平均值意义上说，无功功率从来就没有被产生过。
暂时跳回到本文的开头，在一般的电力系统计算中，可以把视在功率进一步展开，写成 S = P+jQ = VIcos(θ)+jVIsin(θ)；P=VIcos(θ)，Q=VIsin(θ)。其中V和I分别是电压和电流的有效值（电压和电流有类似图2的波形，为简单起见，请把有效值理解为一个周期内的某种平均值），θ是前面出现过的电压和电流之间的相角差。
这里的P=VIcos(θ)正好是图2中的有功功率的平均值。但Q=VIsin(θ)是什么呢？前面已经说了无功功率的平均值是0，所以不可能是平均值。实际上这个Q是图2中瞬时无功功率的最大值。看出问题没有？
在继续讨论之前，先做个小结。电力系统中常用的有功功率表达式，其物理意义是瞬时有功的平均值；无功的表达式是瞬时无功的最大值。这两个表达式广泛地应用于电力系统各种计算，但实际上，它们并不是一回事。
接着讨论一下功率的损耗。电能在电力网络中传输，就会有损耗。图3是个简单的电力系统，一台发电机（最左边）、一条线路、一个负荷（最右边的箭头所示），中间是线路。
图3 简单的电力系统
电流流过导线时产生热量，这就是有功功率的损耗。在负荷侧的有功功率平均值比发电机侧的要小。类似地，对于图3所示的简单电力系统，负荷侧的无功也可能比发电侧的无功小，这就是电力系统里常说的无功损耗。我们已经知道无功功率的平均值永远是零，不能减少了。那么无功损耗是什么呢？再回到无功的表达式Q=VIsin(θ)，假设电流和相位角不变，当负荷侧电压比发电侧电压低时，这样计算出来的无功功率就会减小。线路上的无功损耗实际上是电压幅值的降低。图4演示了线路两侧电压或无功功率的变化。发电机侧对应左边的波型。
图4 无功功率/电压损耗
总结一下。有功功率（实际上是电能）在电力系统中生产、传输、损耗。无功功率从来没有被生产、没有被传输、没有被损耗。但无功不是无用功，也不是为了计算方便引入的虚拟量。在交流电力系统中，它伴随着有功功率的生产和传输，它存在于电力系统的各个角落，只不过它的平均值是零。
明白了没有？没关系，如果只是对电力系统感兴趣，只需要记住本文中间那部分关于电力系统里无功功率的叙述就可以了。
最后，集中说几句关于众位河友在第二篇“电力系统运行的轮廓”后面提出的一些有意思的话题。
闲看蚂蚁上树谈电力系统发展，上得树来，站得高看得远，提出了建设新一代电力系统的问题。这确实是个发展方向。目前，有关的研究热点包括微网络、分布发电、电能存储等。一如既往提到的智能电表的问题，以及路人提到的使用高效电动机的问题，我都不太懂，不能乱讲。但这两个都是非常有意义的问题，关系到如何高效利用能源。希望能有相关专业的河友出来给介绍一下。
