電力系統:電能生産與消費系統-中文百科頻道

正文内容

由發電、輸電、變電、配電和用電等環節組成的電能生産與消費系統。它的功能是将自然界的一次能源通過發電動力裝置轉化成電能，再經輸電、變電和配電将電能供應到各用戶。為實現這一功能，電力系統在各個環節和不同層次還具有相應的信息與控制系統，對電能的生産過程進行測量、調節、控制、保護、通信和調度，以保證用戶獲得安全、經濟、優質的電能。電力網是電力系統的一部分，它包括變電所、配電所及各種電壓等級的電力線路。

電力系統的出現

使電能得到廣泛應用，推動了社會生産各個領域的變化，開創了電力時代，出現了近代史上的第二次技術革命。20世紀以來，電力系統的大發展使動力資源得到更充分的開發，工業布局也更為合理，使電能的應用不僅深刻地影響着社會物質生産的各個側面，也越來越廣地滲透到人類日常生活的各個層面。電力系統的發展程度和技術水準已成為各國經濟發展水平的标志之一。

發展簡況最早的電力系統是簡單的住戶式供電系統，由小容量發電機單獨向燈塔、輪船、車間等照明供電。白熾燈的發明，使電能的應用進入千家萬戶，從而出現了中心電站式供電系統，如1882年T.A.愛迪生在紐約主持建造了珍珠街電站。它裝有6台直流發電機,總容量為900馬力（約670千瓦）,用110伏電壓供給電燈照明（開始時，近1300盞燈）。19世紀90年代初，三相交流輸電研究成功，随之，三相感應電動機及交流功率表也先後研制成功，推動了電力系統的發展。

1895年在美國尼亞加拉建成了複合電力系統，這是早期交流電力系統的代表。它裝有單機容量為5000馬力的交流水力發電機，用二相制交流2.2千伏向地區負荷供電,又用三相制交流11千伏輸電線路與巴伐洛電站相連，還使用了變壓器和交直流變換器将交流電變為100～230伏直流電，供應照明、化工、動力等負荷。尼亞加拉電力系統的成功，結束了長達10年的關于直流輸電（以愛迪生為代表）與交流輸電（以G.威斯汀豪斯為代表）方案之争。交流電力系統可以提高輸電電壓，增加裝機容量，延長輸電距離，節省導線材料，具有無可争辯的優越性。交流輸電地位的确定，成為電力系統大發展的新起點。

進入20世紀後，人們普遍認識到擴大電力系統規模可以在能源開發、工業布局、負荷調整、安全與經濟運行等方面帶來顯着的社會經濟效益。于是，以電力負荷的增長、發電機單機容量的增大和輸電電壓的提高為基礎，電力系統的規模迅速發展。發達國家的動力、冶煉、化工、輕工、生活用電等電力總負荷平均每10年增加一倍。

70年代，火力發電的單機容量已達到130萬千瓦,水力發電的單機容量達73萬千瓦，核電站的最大單堆電功率達130萬千瓦。輸電電壓等級的提高是擴大電力系統規模的主要技術手段和必然途徑。從20世紀初開始出現110千伏輸電電壓，到80年代許多國家普遍建立了500～765千伏超高壓輸電的電力系統。1150千伏和1500千伏特高壓輸電也已進入試驗或試運行階段。50年代以來，電力電子技術的進步，使直流輸電技術獲得新生，實現了高壓和超高壓直流輸電，配合交流輸電組成交直流混合系統，改進了電力傳輸和系統互聯的功能。

經過一個多世紀的發展，許多國家都建成了總裝機容量數億千瓦的區域性大電力系統，并且在本國或跨國間互聯,例如英、法、德、意電力系統互聯,加拿大與美國電力系統互聯，蘇聯與東歐國家電力系統互聯等。蘇聯還在全國範圍建立起統一電力系統，東西延伸7000公裡，南北延伸3000公裡，複蓋了大約1000萬平方公裡的領土。從19世紀80年代的住戶電站到20世紀80年代的聯合電力系統，電力系統已經成為現代社會的能源動脈和基礎産業，并且仍在繼續發展和提高。

中國的電力系統從50年代以來迅速發展。到1991年底，電力系統裝機容量為14600萬千瓦,年發電量為6750億千瓦時,均居世界第4位；220千伏輸電線路達46056公裡,330千伏輸電線路3817公裡。裝機容量超過1500萬千瓦以上的有東北、華北、華東、華中等4個大區的電力系統。各大區電力系統之間已開始互聯，逐步形成全國範圍的聯合電力系統。全國各級調度中，已經有約60個程度不同地建立了電力系統監控系統，其中投入運行的在線計算機約70台，省級調度管轄的遠動裝置約1200台。此外，1989年中國台灣省電力系統的裝機容量達1659萬千瓦，年發電量769億千瓦時，345千伏輸電線路1192公裡。

系統構成

電力系統的主體結構有電源（水電站、火電廠、核電站等發電廠），變電所（升壓變電所、負荷中心變電所等），輸電、配電線路和負荷中心。各電源點還互相聯接以實現不同地區之間的電能交換和調節，從而提高供電的安全性和經濟性。輸電線路與變電所構成的網絡通常稱電力網絡。電力系統的信息與控制系統由各種檢測設備、通信設備、安全保護裝置、自動控制裝置以及監控自動化、調度自動化系統組成。電力系統的結構應保證在先進的技術裝備和高經濟效益的基礎上，實現電能生産與消費的合理協調。其典型結構如圖2。

根據電力系統中裝機容量與用電負荷的大小，以及電源點與負荷中心的相對位置，電力系統常采用不同電壓等級輸電（如高壓輸電或超高壓輸電），以求得最佳的技術經濟效益。根據電流的特征，電力系統的輸電方式還分為交流輸電和直流輸電。交流輸電應用最廣。直流輸電是将交流發電機發出的電能經過整流後采用直流電傳輸。

由于自然資源分布與經濟發展水平等條件限制，電源點與負荷中心多處于不同地區。由于電能目前還無法大量儲存，輸電過程本質上又是以光速進行，電能生産必須時刻保持與消費平衡。因此，電能的集中開發與分散使用，以及電能的連續供應與負荷的随機變化，就成為制約電力系統結構和運行的根本特點。

系統運行

系統的所有組成環節都處于執行其功能的狀态。電力系統的基本要求是保證安全可靠地向用戶供應質量合格、價格便宜的電能。所謂質量合格，就是指電壓、頻率、正弦波形這3個主要參量都必須處于規定的範圍内。電力系統的規劃、設計和工程實施雖為實現上述要求提供了必要的物質條件，但最終的實現則決定于電力系統的運行。

實踐表明，具有良好物質條件的電力系統也會因運行失誤造成嚴重的後果。例如,1977年7月13日,美國紐約市的電力系統遭受雷擊，由于保護裝置未能正确動作，調度中心掌握實時信息不足等原因，緻使事故擴大，造成系統瓦解，全市停電。事故發生及處理前後延續25小時，影響到900萬居民供電。據美國能源部最保守的估計，這一事故造成的直接和間接損失達3.5億美元。60～70年代,世界範圍内多次發生大規模停電事故，促使人們更加關注提高電力系統的運行質量，完善調度自動化水平。

電力系統的運行常用運行狀态來描述，主要分為正常狀态和異常狀态。正常狀态又分為安全狀态和警戒狀态，異常狀态又分為緊急狀态和恢複狀态。電力系統運行包括了所有這些狀态及其相互間的轉移(圖3)。

各種運行狀态之間的轉移，需通過控制手段來實現，如預防性控制，校正控制和穩定控制，緊急控制，恢複控制等。這些統稱為安全控制。

電力系統在保證電能質量、安全可靠供電的前提下，還應實現經濟運行，即努力調整負荷曲線，提高設備利用率，合理利用各種動力資源，降低煤耗、廠用電和網絡損耗，以取得最佳經濟效益。

安全狀态指電力系統的頻率、各點的電壓、各元件的負荷均處于規定的允許值範圍，并且，當系統由于負荷變動或出現故障而引起擾動時，仍不緻脫離正常運行狀态。由于電能的發、輸、用在任何瞬間都必須保證平衡，而用電負荷又是随時變化的，因此，安全狀态實際上是一種動态平衡，必須通過正常的調整控制（包括頻率和電壓──即有功和無功調整）才能得以保持。

警戒狀态指系統整體仍處于安全規定的範圍，但個别元件或局部網絡的運行參數已臨近安全範圍的阈值。一旦發生擾動，就會使系統脫離正常狀态而進入緊急狀态。處于警戒狀态時，應采取預防控制措施使之返回安全狀态。

緊急狀态指正常狀态的電力系統受到擾動後，一些快速的保護和控制已經起作用，但系統中某些樞紐點的電壓仍偏移，超過了允許範圍；或某些元件的負荷超過了安全限制，使系統處于危機狀況。緊急狀态下的電力系統，應盡快采用各種校正控制和穩定控制措施，使系統恢複到正常狀态。如果無效，就應按照對用戶影響最小的原則，采取緊急控制措施，使系統進入恢複狀态。這類措施包括使系統解列（即整個系統分解為若幹局部系統，其中某些局部系統不能正常供電）和切除部分負荷（此時系統尚未解列，但不能滿足全部負荷要求，隻得去掉部分負荷）。在這種情況下再采取恢複控制措施，使系統返回正常運行狀态。

系統調度電力系統需要依靠統一的調度指揮系統以實現正常調整與經濟運行，以及進行安全控制、預防和處理事故等。根據電力系統的規模，調度指揮系統多是分層次建立，既分工負責，又統一指揮、協調，并采用各種自動化裝置，建立自動化調度系統。

系統規劃

電能是二次能源。電力系統的發展既要考慮一次能源的資源條件，又要考慮電能需求的狀況和有關的物質技術裝備等條件，以及與之相關的經濟條件和指标。在社會總能源的消耗中，電能所占比例始終呈增長趨勢。信息化社會的發展更增加了對電能的依賴程度。以美國為例,1920～1970年期間,電能占能源總消耗的比例由11％上升到26％，90年代将超過40％。為滿足用戶對電能不斷增長的需要，必須在科學規劃的基礎上發展電力系統。

電力系統的建設不僅需要大量投資，而且需要較長時間。電能供應不足或供電不可靠都會影響國民經濟的發展，甚至造成嚴重的經濟損失；發電和輸、配電能力過剩又意味着電力投資效益降低，從而影響發電成本。因此，必須進行電力系統的全面規劃，以提高發展電力系統的預見性和科學性。

制定電力系統規劃首先必須依據國民經濟發展的趨勢（或計劃），做好電力負荷預測及一次能源開發布局，然後再綜合考慮可靠性與經濟性的要求，分别作出電源發展規劃、電力網絡規劃和配電規劃。

在電力系統規劃中,需綜合考慮可靠性與經濟性,以取得合理的投資平衡。對電源設備，可靠性指标主要是考慮設備受迫停運率、水電站枯水情況下電力不足概率和電能不足期望值；對輸、變電設備，可靠性指标主要是平均停電頻率、停電規模和平均停電持續時間。大容量機組的單位容量造價較低，電網互聯可減少總的備用容量。這些都是提高電力系統經濟性需首先考慮的問題。

電力系統是一個龐大而複雜的大系統，它的規劃問題還需要在時間上展開，從多種可行方案中進行優選。這是一個多約束條件的具有整數變量的非線性問題，遠非人工計算所能及。60年代以來出現的系統工程理論，以及計算技術的發展，為電力系統規劃提供了有力的工具。

負荷預測

是制訂電力系統規劃的重要基礎。它要求預先估算規劃期間各年需要的總電能和最大負荷，并預測各負荷點的地理位置。預測方法有按照地區、用途（工業、農業、交通、市政、民用等）累計的方法和宏觀估算方法。後者就是考慮電力負荷與國民生産總值的關系，電力負荷增長率與經濟增長率的關系，按時間序列由曆史數據估算出規劃期間電力負荷的增長。由于負荷預測中不确定因素很多，因此，往往需采用多種方法互相校核，最後由規劃者作出決策。

能源布局

可用于發電的一次能源主要有河流的水力、化石燃料(煤、石油、天然氣)和核燃料等。一次能源的規劃決定于各種能源的儲量及開發條件。水力資源屬再生能源,一般講具有發電成本低的特點,但建造周期長。水力資源和大型水利樞紐的開發方案是發電、灌溉、航運、水土保持及生态環境效益綜合平衡的結果。許多國家的電力系統在發展初期是優先發展水電，形成“水主火從”的局面。

20世紀50年代末，發達國家中條件較好的水力資源已經充分開發，逐漸轉為“火主水從”的局面。在火電開發中，以煤為燃料占主要地位。發達國家用于發電的煤炭約占煤炭總消費量的50％以上。利用天然氣和石油為燃料的火電廠也占一定比例。70年代世界性石油危機後，以核燃料為動力的發電站得到了較快的發展。

電源規劃

主要是根據各種發電方式的特性和資源條件，決定增加何種形式的電站(水電、火電、核電等)，以及發電機組的容量與台數。承擔基荷為主的電站，因其利用率較高，宜選用适合長期運行的高效率機組，如核電機組和大容量、高參數火電機組等，以降低燃料費用。承擔峰荷為主的電站，因其年利用率低，宜選用啟動時間短、能适應負荷變化而投資較低的機組，如燃汽輪機組等。至于水電機組，在豐水期應盡量滿發，承擔系統基荷；在枯水期因水量有限而帶峰荷。

由于水電機組的造價僅占水電站總投資的一小部分，近年來多傾向于在水電站中适當增加超過保證出力的裝機容量（即加大裝機容量的逾量），以避免棄水或減少棄水。對有條件的水電站，世界各國均緻力發展抽水蓄能機組，即系統低谷負荷時，利用火電廠的多餘電能進行抽水蓄能；當系統高峰負荷時，再利用抽蓄的水能發電。盡管抽水-蓄能-發電的總效率僅2/3,但從總體考慮，安裝抽水蓄能機組比建造調峰機組還是經濟，尤其對調峰容量不足的系統更是如此。

電網規劃

在已确定的電源點和負荷點的前提下，合理選擇輸電電壓等級，确定網絡結構及輸電線路的輸送容量，然後對系統的穩定性、可靠性和無功平衡等進行校核。

配電規劃

确定配電變電站的容量和位置、配電網絡結構、配電線路導線截面選擇、電壓水平與無功補償措施，以及可靠性校驗等。

信息與控制電力系統中的信息與控制子系統是實現電力系統信息傳遞的神經網絡。它使電力系統具有可觀測性與可控性，從而保證電能生産與消費過程的正常進行，以及在事故狀态下的緊急處理。從電力系統誕生之日起，信息與控制子系統就是電力系統必不可少的組成部分，它在不同水平上的完善和發展，才使電能的廣泛應用成為現實。

電力系統信息與控制子系統的進步，保證了電能質量，提高了電力系統安全運行水平,改善了勞動條件,提高了勞動生産率，還為電力系統的經營決策提供有力支援，從概念上、方法上對電力系統運行分析和經營管理賦予新的内容。

功能信息與控制子系統的作用主要在保證電力系統安全、穩定、經濟地運行。它執行以下3項任務。①正常運行狀态的監測、記錄,正常操作與調整(自動維持頻率和電壓等);②異常狀态及事故狀态下的報警、保護、緊急控制及事故記錄；③運行管理，進行短期負荷預測，制定發電計劃，實現經濟調度等。

>組成與運行20世紀50年代以來，随着通信技術與控制理論的發展，以及電子計算機和微電子技術的應用，電力系統的信息與控制逐步向以計算機網絡為标志的綜合調度自動化方向發展。電力系統調度自動化計算機系統的基本組成如圖4。由被控端（發電廠、變電所）采集各種運行信息（包括開關量、模拟量和數字量），經轉換後由通道（數據傳輸系統）傳送到調度端，再由調度端計算機接受數據，經過處理後，或進行顯示監測，或進行記錄制表，或作出控制決策，再由通道傳送到被控端進行操作、控制。由于電力系統結構複雜，地域廣闊，一般采用分級、分層調度控制。圖5是一個二層控制系統的示例。

系統調度

電能生産、供應、使用是在瞬間完成的，并需保持平衡。因此，它需要有一個統一的調度指揮系統。這一系統實行分級調度、分層控制。其主要工作有：①預測用電負荷；②分派發電任務，确定運行方式，安排運行計劃；③對全系統進行安全監測和安全分析；④指揮操作，處理事故。完成上述工作的主要工具是計算機。

組成

來源

火電：鍋爐－汽輪機－發電機

水電：水庫－水輪機－發電機

核電：核反應堆－汽輪機－發電機

其它：如風能、地熱能、太陽能、潮汐等

基本概念

電力系統——是由發電廠、變電所、輸電線、配電系統及負荷組成的。是現代社會中最重要、最龐雜的工程系統之一。

電力網——是由變壓器、電力線路等變換、輸送、分配電能設備所組成的部分。

動力系統——在電力系統的基礎上，把發電廠的動力部分（例如火力發電廠的鍋爐、汽輪機和水力發電廠的水庫、水輪機以及核動力發電廠的反應堆等）包含在内的系統。

總裝機容量——指該系統中實際安裝的發電機組額定有功功率的總和，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）為單位計。

年發電量——指該系統中所有發電機組全年實際發出電能的總和，以千瓦時（kWh）、兆瓦時（MWh）、吉瓦時（GWh）為單位計。

最大負荷——指規定時間内，電力系統總有功負荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）為單位計。

額定頻率——按國家标準規定，我國所有交流電力系統的額定頻率為50Hz。

最高電壓等級——是指該系統中最高的電壓等級電力線路的額定電壓。

提高質量

電能是國民經濟和人民生活極為重要的能源，它作為電力部門向用戶提供的由發電、供電、用電三方面共同保證質量的特殊商品，其質量的好壞越來越受到關注。電能質量的技術治理與控制是改善電能質量的有效方法，也是優質供用電的必要條件，但電能質量具有動态性、相關性、傳播性、複雜性等特點，對電能質量的控制和提高并不是一件輕而易舉的事。為确保電能質量的有效控制，該文從電能質量的全面質量管理的技術角度對提高電能質量的方法進行了分析與探讨，努力滿足電能質量的設計要求和目标，并和同行分享。

1電能質量控制分析概述

1.1電能質量的衡量指标

圍繞電能質量的含義，電能質量的衡量指标通常包括如下幾個方面：

(l)電壓質量

指實際電壓與理想電壓的偏差，反映供電企業向用戶供應的電能是否合格。這裡的偏差應是廣義的，包含了幅值、波形和相位等。這個定義包括了大多數電能質量問題，但不包括頻率造成的電能質量問題，也不包括用電設備對電網電能質量的影響和污染。

(2)電流質量

反映了與電壓質量有密切關系的電流的變化，電力用戶除對交流電源有恒定頻率、正弦波形的要求外，還要求電流波形與電壓同相位以保證高功率因數運行。這個定義有助于電網電能質量的改善，并降低線損，但不能概括大多數因電壓原因造成的質量問題。

其它的指标還有供電質量、用電質量等，這些指标共同反映了電力系統生産傳輸的電能的質量，并可以依據這些指标對電能進行管理。

1.2電能質量的影響因素

(1)電力負荷構成的變化

目前，電力系統中存在大量非線性負荷:大規模電力電子應用裝置(節能裝置、變頻設備等)，大功率的電力拖動設備、直流輸出裝置、電化工業設備(化工、冶金企業的整流)、電氣化鐵路、煉鋼電弧爐(交、直流)、軋機、提升機、電石機、感應加熱爐及其它非線性負荷。

(2)大量諧波注入電網

含有非線性、沖擊性負荷的新型電力設備在實現功率控制和處理的同時，都不可避免地産生非正弦波形電流，向電網注入諧波電流，使公共連接點(PCC)的電壓波形嚴重畸變，負荷波動性和沖擊性導緻電壓波動、瞬時脈沖等各種電能質量幹擾。

(3)電力設備及裝置的自動保護和正常運行

大型電力設備的啟動和停運、自動開關的跳閘及重合等對電能質量的影響，使額定電壓暫時降低、産生電壓波動與閃變，對電能質量也會産生影響。

2提高電能質量的方法探讨

2.1常用技術措施

(1)中樞調壓

電力系統電壓調整的主要目的是采取各種調壓手段和方法，在各種不同運行方式下，使用戶的電壓偏差符合國家标準。但由于電力系統結構複雜負荷衆多，對每個用電設備的電壓都進行監視和調整，既不可能也無必要。

電力系統電壓的監視和調整可以通過對中樞點電壓的監視和調整來實現。所謂中樞點是指電力系統可以反映系統電壓水平的主要發電廠和變電站的母線，很多負荷都由這些母線供電。若控制了這些中樞點的電壓偏差，也就控制了系統中大部分負荷的電壓偏差。

除了對中樞點進行調壓，還可以進行發電機調壓、調壓器調壓等，實現對電力系統電壓的穩定，從而提高電能質量。

(2)諧波的抑制

解決電能諧波的污染和幹擾，從技術上實現對諧波的抑制，從工程現場的實際來看，已經有很多行之有效的解決方法，概括起來主要可以采取下面的兩種方法：

a增加換流裝置的相數換流裝置是供電系統主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側與直流側産生的特征諧波次數分别為pk+1和pk(p為整流相數或脈動數，k為正整數)，當脈動數由p=6增加到p=12時，其特征諧波次數為可以有效清除的幅值較大的低頻項，從而大大地降低了諧波電流的有效值。

b無源濾波法和有源濾波法為了減少諧波對供電系統的影響，實現對電氣設備的保護，最根本的方法是從諧波的産生源頭抓起，設法在諧波源附近防止諧波電流的産生，從而有效降低諧波電壓。

防止諧波電流危害的方法，一是被動的防禦，即在已經産生諧波電流的情況下，采用傳統的無源濾波的方法，由一組無源元件:電容、電抗器和電阻組成的調諧濾波裝置，減輕諧波對電氣設備的危害;另一種方法是主動的預防諧波電流的産生，即有源濾波法，其基本原理是利用關斷電力電子器件産生與負荷電流中諧波電流分量大小相等、相位相反的電流來消除諧波。

防雷措施

供電部門的防雷工作是極其艱巨的，設備一旦損壞就有可能促使整個電力系統癱瘓，造成無法挽回的損失。因此，在變電站設計的過程中，要重視變電站設備的安全穩定，确保供電的可靠性。下面就主要分析一些國内電網架空線路以及變電站的主要防雷措施：

高壓防雷技術

電力裝置通過裸導線架空線路的方式進行電力傳輸，而架空線路一般設置在離地面6～18m的空間範圍内，這時雷電入侵波産生的雷電過電壓會促使線路或者設備絕緣擊穿，進而遭到破壞。利用高壓防雷技術，通過給線路或者設備人為地制造絕緣薄弱點即間隙裝置，間隙的擊穿電壓比線路或者設備的雷電沖擊絕緣水平低，在正常運行電壓下間隙處于隔離絕緣狀态，當雷電發生時強大的過電壓使間隙擊穿，從而産生接地保護，起到保護線路或設備絕緣的作用。

間隙保護技術

間隙保護就是變壓器中性點間隙接地保護裝置。線路大體的兩極由角形棒組成，一極固定在絕緣件上連接帶電導線，另一極直接接地，間隙擊穿後電弧在角形棒間上升拉長，當電弧電流變小時可以自行熄弧，間隙保護技術的優點是結構簡單，運行維護量小，而缺點則是當電弧電流大到幾十安以上時就沒法自行熄弧，保護特性一般，而且間隙動作會産生截波，對變壓器本身的絕緣也不利。

避雷器保護技術

避雷器是一種雷電流的洩放通道，也是一種等電位連接體，在線路上并聯對地安裝，正常運行下處于高阻抗狀态。當雷電發生時，避雷器将雷電電流迅速洩入大地，同時使大地、設備、線路處在等電位上，從而保護設備免遭強電勢差的損害。避雷器技術當然也存在很多的缺點，由于避雷器的選用受安裝地點的限制，其當受到雷擊或者雷擊感應的能量相當大，靠單一的避雷器件很難将雷電流全部導入大地而自身不會損壞。另外，間隙保護和避雷器技術都是靠間隙擊穿接地放電降壓來起到保護的作用，這兩種防雷技術往往會造成接地故障或者相間短路故障，所以不能達到科學合理的保護作用。

保護裝置

介紹

電力系統微機保護裝置機保護是由高集成度、總線不出芯片單片機、高精度電流電壓互感器、高絕緣強度出口中間繼電器、高可靠開關電源模塊等部件組成。微機保護裝置主要作為110KV及以下電壓等級的發電廠、變電站、配電站等，也可作為部分70V-220V之間電壓等級中系統的電壓電流的保護及測控。

原理

電力系統微機保護裝置的數字核心一般由CPU、存儲器、定時器/計數器、Watchdog等組成。目前數字核心的主流為嵌入式微控制器（MCU），即通常所說的單片機;輸入輸出通道包括模拟量輸入通道（模拟量輸入變換回路（将CT、PT所測量的量轉換成更低的适合内部A/D轉換的電壓量，±2.5V、±5V或±10V）、低通濾波器及采樣、A/D轉換）和數字量輸入輸出通道（人機接口和各種告警信号、跳閘信号及電度脈沖等）。