中国电网未来格局研究论文

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伴随着中国电力发展步伐不断加快，中国电网也得到迅速发展。电网系统运行电压等级不断提高，网络规模也不断扩大。全国已经形成了东北电网、华北电网、华中电网、华东电网、西北电网和南方电网6个跨省的大型区域电网，并基本形成了完整的长距离输电电网网架。中国产业调研网发布的2015-2022年中国电网行业发展现状调研与发展趋势分析报告认为，近年来，我国电网基本建设投资规模不断扩大，占比稳步提高，一批国内外瞩目的电网工程相继开工、建成、运行。2012年，全国电网工程建设完成投资3693 亿元，比上年增加。面对风电、光伏等新能源的快速发展，以大规模利用可再生能源和智能化为特征的我国现代电网架构开始显现。2013 年，全国电网工程建设完成投资3894亿元，同比增长。电网投资（按月累计额）的同比增速大体呈现“前高后低”的特点。截至2014年底，全国 电网220千伏及以上输电线路回路长度、公用变电设备容量分别为万千米、亿千伏安，分别同比增长和。2015 年3月，《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》出台，在发电侧和售电侧开放市场引入竞争，价格由市场形成，同时管住中间的输配电网环节，电网公司一家 垄断局面将被打破。目前电网建设已成为我国电力建设的主要方向，电网建设前景诱人。“十三五”期间，我国电网投资规模持续扩张，到2020年将全面建成统 一的坚强智能电网，初步实现建设世界一流电网的目标。我国电网投资一直处于垄断的状态，其中南方电网负责投资、建设和运营广东、广西、云南、贵州和海南等南方五省的电网，国 家电网公司负责投资、建设和运营全国 26 个省市的电网，同时地方供电企业如内 蒙古电力公司、陕西地方电力集团、广西水利电业集团、四川水电投资经营集团 和山西国际电力集团等在本省范围内进行小规模电网投资，我国的配电网投资形 成了以两大电网巨头为主、地方供电企业为补充的市场格局。 国家电网和南方电网两大巨头的供电量占了全国供电量的 90%以上，在 2013 年更是达到了 97%的高位，虽然此后占比有所下降，但是仍稳定在 90%以上，处 于绝对优势地位，其他地方供电企业仅占了不到 10%的供电市场份额。经历了100多年的发展，电网的规模和结构形态发生了很大的变化，即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网，进而发展到今天的跨区互联大电网。如今，电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源，成为现代能源体系的重要组成部分，电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。未来电网将呈现以下重要发展趋势：第一，可再生能源将成为电网中的主要一次能源来源。第二，电网的结构和运行模式将发生重大变化。第三，新材料技术将在电网中得到广泛地应用。第四，物理电网将与信息系统高度融合。广义的电网是发电设备、输配电设备和用电设备采用一定的结构和运行模式构建起来的统一整体。因此，自从有了发电机及其相应的供电系统，便有了电网。1882年，爱迪生公司在纽约建成世界上第一座正规的直流电站和相应的供电系统，可以认为是人类首个真正意义上的电网。然而，由于当时不能为直流电升压，输电距离和输电容量受到极大的限制，于是，特斯拉于1887年发明了交流发电机和多相交流输电技术。1897年，美国西屋公司在尼亚加拉水电站的首台交流发电机投入运行并为35公里外的水牛城供电，从此确立了现代电网的基础。经历了100多年的发展，电网的基本形态没有根本性的变化，即电网以铜、铝等为基本导电材料、以传统电力设备为基础、以可调度能源（如化石能源、水力和核能等）作为电力的主要一次能源来源、以交流为运行模式的基本形态。然而，电网的规模和结构形态发生了很大的变化，即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网，进而发展到今天的跨区互联大电网。例如，2012年，我国发电总装机容量已经接近12亿千瓦，年总发电量接近5万亿度，我国电网已经基本形成了“西电东送、南北互供、全国联网”的总体格局，已经覆盖了全国大部分地区，成为世界最大的电网之一。如今，电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源，成为现代能源体系的重要组成部分，电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。展望未来，我们认为，未来电网将呈现以下重要发展趋势：1再生能源将成为电网中的主要一次能源来源人类已经认识到化石能源是不可持续的能源，有必要大力发展可再生能源来替代之。这是因为：（1）核能在本世纪中叶前难以成为主导能源。核裂变能的原料也属于有限资源，且其利用存在安全风险，核废料处理也比较复杂。由于核裂变能的利用还涉及到国际安全环境，当前的核裂变能技术出口是受到国际有关条约严格控制的。尽管核聚变能可满足人类长期发展需求，但其应用前景尚不明朗，ITER（国际热核聚变堆）计划到本世纪中叶才能建成首个示范电站。（2）可再生能源是可持续发展的绿色能源，且可开采量足够人类使用。据统计分析，地球上接收的太阳能是人类目前能源需求总量的10000倍。地球上的风能总量也达到了目前人类能源需求总量的5倍，如果再算上水力资源、生物质能源、地热能、海洋能，则可再生能源的总量更大。由此可见，可再生能源发展潜力巨大。（3）可再生能源目前已经得到很大的发展。随着技术不断进步，可再生能源发电的单位成本呈逐年下降趋势。根据欧洲、美国和日本等发达国家和地区的预计，到2020年，光伏发电基本上可以实现平价上网。（4）国际已经有共识认为，可再生能源今后仍然会快速发展，且将逐渐成为主导能源。例如，2012年，国际能源署（IEA）发布的《2012年世界能源展望》，对2035年前的全球能源趋势作出了预测：到2015年，可再生能源将成为全球第二大电力来源，并在2035年接近第一大电力来源——煤炭的发电量。欧共体联合研究中心预测认为：到2050年可再生能源将占总能源需求的52%。由于可再生能源的主要利用方式是发电，因此，如果未来人类使用的能源将主要来自可再生能源，则电网中的一次能源也将主要来自可再生能源。2电网的结构和运行模式将发生重大变化现代电网存在结构不尽合理和交流电网的固有安全稳定性等问题，亟待解决。随着可再生能源越来越多地接入电网，将对电网带来一系列新的严峻挑战，这主要是由可再生能源具有不可调度性、波动性、分散性、发电方式多样性和时空互补性等特点决定的。“结构决定功能、模式决定成败”，因此从改变电网结构和运行模式入手，是解决电网现有问题和应对未来挑战的重要手段之一。（1）从结构上讲，由于未来电力资源与负荷资源的地理分布不匹配，以及可再生能源在广域范围具有良好的时空互补性，因而保持和发展一个规模适当的大电网是十分必要的。同时，由于可再生能源具有分散性，就地利用资源的分布式发电和面向终端用户的微型电网也将会大量出现，因此未来电网的结构将呈现大电网和微型电网并存的格局。其次，为了保障供电的安全可靠性，需要发展环形网络。针对不同电压等级，宜采用多层次的环状结构网络，并实现相邻层次间和同层次不同区域环形电网间的互联，以构造一个多层次网状结构的网络。（2）在运行模式上，需要发展直流电网模式或交直流混合电网模式。这是因为，直流输电网不存在交流输电网固有的稳定问题，因此，采用直流输电网，将从根本上解决交流电网所固有的安全稳定性问题。从配电网和微电网层面来讲，未来的直流负荷将占相当高的比重且分布式电源（如光伏发电或储能）也将以直流为运行模式。与此同时，还需要采用“分层分区运行、总体协调互动”的模式，以充分实现广域范围内各种资源的优化互补利用和区域电网间互为备用和支撑。电网结构和模式的改变将带来大量的科技创新机遇，值得关注。3新材料技术将在电网中得到广泛的应用在电网的结构和模式确立以后，电网的运行性能在很大程度上就取决于电气设备了，而电气设备是由各种材料按照特定的结构制造而成的，材料的特性在很大程度上直接决定了电气设备的性能。过去100多年来，对电网发展影响最大的创新来自新材料技术—电力电子器件的发明及其在电网中的应用，而像氧化锌避雷器、六氟化硫断路器、碳纤维复合芯导线等技术发明，其根本创新之处在于新材料的应用。展望未来，随着新材料技术的不断发展，新材料技术将在电网中得到广泛的应用。（1）首先，高压大功率电力电子器件（如宽禁带半导体器件等）和装备将会使得对高压大功率电力的变换和控制，如同集成电路对信息的处理（实际上也就是对低压小电流的电能的变换和控制）一样灵活高效。由于未来电网中的大量可再生能源电力是变幻莫测的，而电力用户对电力的需求也具有多样性且也是随时变化的，因而对电力的变换和控制的目的就是将变幻莫测的电源变成能满足用户需求的电力。从这个意义上讲，电力电子器件和装备的广泛使用，将使得电网像计算网络处理和分配信息资源一样来处理和分配电力，因而可以把未来电网看成是一个“能源计算网络”，各种电力资源通过“能源计算网络”有机组织、联系和控制起来，从而为用户提供可靠的电力。因此，这个“能源计算网络”也可以称之为“云电力网络”，而用户从“云”中获取可靠的电力。（2）新型高性能的电极材料、储能材料、电介质材料、高强度材料、质子交换膜和储氢材料等的发明和使用，将使得高效低成本电力储能系统成为现实并进入千家万户，从而优化电网的运行、简化电网的结构和控制，并对电源波动和电网故障作出响应。电力储能系统就如同计算网络中的信息储存系统一样，对于未来电网是必要的。（3）高性能的超导材料在电网中的应用，将大大降低电气设备的损耗、重量和体积，并可提高电气设备的极限容量和灵活性，超导限流器还可以有效地限制故障电流并保护其他电气设备和整个电网的安全稳定性。正因为如此，美国能源部甚至将超导技术视为“21世纪电力工业唯一的高技术储备”。（4）其他新材料，如纳米复合材料、场（包括电场和磁场）控和温控的非线性介质材料、低残压压敏电阻材料、新型绝缘材料、绝缘体—金属相变材料、新型铁磁材料、用于高效低能耗的电力传感器材料（如巨磁阻材料、压电晶体、热电材料等）都将可能在未来电网中得到广泛的应用。4物理电网将与信息系统高度融合如果把电网比喻成为一个人的话，那么物理电网就是人的骨骼、肉体和器官，而电网信息系统则提供相当于人的感觉能力、分析能力和决策能力。当前的电网，不仅在物理层是不完善的，而且其信息系统的建设与未来需求还有很大的差距。有关该方面的内容，也就是国际上近些年谈得很多的所谓“智能电网”的概念，本文不宜做过多的重复。但是，需要说明的是，在现有电气设备的基础上，仅仅依靠提升电网的信息化程度，远远解决不了未来电网所面临的问题。改变电网的结构和运行模式、提升电气设备的性能和采用新型功能的电气设备，对于解决未来电网的问题同样重要甚至是更为根本性的。另外，需要强调的是，能够从创新材料入手发展具有自适应功能的电力设备和保护设备，就可以显著降低电网对于传感、通讯和数据处理的技术要求，这对于提高电网的安全可靠性和综合效益是非常有益的。因此，切忌认为将信息技术用于电网就是未来电网发展的全部。

1875年，巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂，为附近照明供电。1879年，美国旧金山实验电厂开始发电，是世界上最早出售电力的电厂。80年代，在英国和美国建成世界上第一批水电站。1913年，全世界的年发电量达 500亿千瓦时，电力工业已作为一个独立的工业部门，进入人类的生产活动领域。 20世纪30、40年代，美国成为电力工业的先进国家，拥有20万千瓦的机组31台，容量为30万千瓦的中型火电厂9座。同一时期，水电机组达5～10万千瓦。1934年，美国开工兴建的大古力水电站，计划容量是 888万千瓦，1941年发电，到1980年装机容量达649万千瓦 ，至80年代中期一直是世界上最大的水电站。1950年，全世界发电量增至9589亿千瓦时 ，是1913年的19倍。50 、60、70年代，平均年增长率分别为、、 。1950～1980年，发电量增长倍，平均年增长率，约相当于每10年翻一番。1986年，全世界水电发电量占 ，火电占，核电占；美国水电占，火电占， 核电占；前苏联水电占 ，火电占，核电占；日本水电占，火电占，核电占；中国水电占，火电占。世界上核电比重最大的是法国，1989年占总发电量的。 20世纪70年代，电力工业进入以大机组、大电厂、超高压以至特高压输电，形成以联合系统为特点的新时期。1973年，瑞士BBC公司制造的130万千瓦双轴发电机组在美国肯勃兰电厂投入运行。苏联于1981年制造并投运世界上容量最大的120万千瓦单轴汽轮发电机组。到1977年，美国已有120座装机容量百万千瓦以上的大型火电厂。1985年，苏联有百万千瓦以上火电厂59座。1983年，日本有百万千瓦以上的火电厂32座，其中鹿儿岛电厂总容量440万千瓦 ，是世界上最大的燃油电厂。世界上设计容量最大的水电站是巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站，设计容量1260万千瓦，近期装机容量达490万千瓦，采用70万千瓦机组，与运行中的世界最大水电站美国大古力水电站的世界最大水轮机组70万千瓦容量相等。世界上最大的核电站是日本福岛核电站，容量是万千瓦。 总装机容量几百万千瓦的大型水电站、大型火电厂和核电站的建成，促进了超高、特高压输电、直流输电和联合电力系统的发展。1935年，美国首次将输电电压等级从110～220千伏提高到287千伏，出现了超高压输电线路。1952年，瑞典建成二分裂导线的380千伏超高压输电线路。1959年，苏联建成500千伏，长850千米的三分裂导线输电线路。1965～1969年，加拿大、苏联和美国先后建成735 、750和765千伏线路。1985年，苏联首次建成1150 千伏特高压输电线路，输电距离890千米。现在 ，美国正研究1100千伏和1500千伏特高压输电，意大利研究1000千伏输电，日本建设250千米长1000千伏特高压线路。高压直流输电（HVDC），瑞典、美国、苏联分别采用±100、±450 、±750千伏电压，后者输电距离2414千米，输电600万千瓦。到1985年，全世界已有18个国家、32个直流输电线路投运，总输送容量2000万千瓦。输电距离1080千米的±500千伏中国葛洲坝—上海输电线路已于1989 年8月投入运行。特高压输电和直流输电不仅用于远距离大容量输送电能，而且在工业大国的联合电力系统中或全国统一电力系统中，起着主联络干线的重要作用。编辑本段中国电力工业电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。作为一种先进的生产力和基础产业，电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到了重要作用。与社会经济和社会发展有着十分密切的关系，它不仅是关系国家经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。随着中国经济的发展，对电的需求量不断扩大，电力销售市场的扩大又刺激了整个电力生产的发展。 截止2006年底，全国发电装机容量达到62200万千瓦，同比增长。从电力生产情况看，2006年全国发电量达到28344亿千瓦时，同比增长。其中，水电发电量4167亿千瓦时，约占全部发电量的，同比增长；火电发电量23573亿千瓦时，约占全部发电量的，同比增长；核电发电量543亿千瓦时，约占全部发电量的，同比增长。2006年全社会用电量达到28248亿千瓦时，同比增长，增幅比2005年上升个百分点。 截至2007年底，发电设备容量达亿千瓦，同比增长。在短短一年的时间内，全国电力装机实现了从6亿千瓦到7亿千瓦的飞跃。截至2007年底，全国220千伏及以上输电线路回路长度达万公里，增长；220千伏及以上变电容量达亿千伏安，增长。电力建设规模持续历史高位水平。全年基本建设新增（正式投产）发电设备容量基本与2006年持平，为10009万千瓦。电网新增输电线路长度和变电容量均达到历史最高水平。新增220千伏及以上电网输电线路41334公里，比2006年增加6490公里；变电容量18830万千伏安，比2006年增加3482万千伏安。截至2007年底，全国发电设备容量增长量虽然仍保持很高水平，但是增速比2006年降低个百分点，这也是2002年以来发电设备容量增速实现首次下降。 全国电力供需局部地区、局部时段缺电的情况将依然存在，煤电衔接、电价改革、电源与电网的协调等仍是行业发展需要进一步解决的问题。由于行业发展临近拐点，电源建设应选择符合国家政策支持范围的项目，电网领域的投资价值则逐渐显现。 “十一五”期间，中国将迎来电网建设的新高潮。到2010年，国家电网在跨区域电网建设方面，交流特高压输电线路建设规模将达到4200千米，变电容量达到3900万千伏安，跨区送电能力达到7000万千瓦；在城乡电网建设方面，220千伏及以上交直流输电线路要超过34万千米，交流变电容量超过13亿千伏安。 我国的电力系统主要包括两大电网和五大电力集团，两大电网为中国国家电网和中国南方电网，五大电力公司为中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集团公司5家发电公司。