劉開俊，李雋，羅金山，高藝

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

同步電網(wǎng)發(fā)展趨勢與中國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究

劉開俊，李雋，羅金山，高藝

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

在“清潔替代、電能替代”的能源發(fā)展趨勢下，電網(wǎng)作為輸送與分配電能的載體，是能源供應(yīng)體系的重要組成部分，是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的重要基礎(chǔ)和保障，更是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心主體。通過對北美、歐洲和俄羅斯等典型電網(wǎng)百余年發(fā)展的研究，總結(jié)了世界典型同步電網(wǎng)發(fā)展從傳統(tǒng)電網(wǎng)到現(xiàn)代電網(wǎng)，從孤立電網(wǎng)到跨區(qū)、跨國大型互聯(lián)的一般規(guī)律，為中國電網(wǎng)的發(fā)展提供借鑒?；趯χ袊娋W(wǎng)發(fā)展歷程和考慮新能源特性電網(wǎng)互聯(lián)演化的分析，結(jié)合電力需求、能源開發(fā)以及電力流規(guī)模的發(fā)展趨勢，提出了基于同步電網(wǎng)格局的中國能源互聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展形態(tài)，為構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)奠定重要基礎(chǔ)。

同步電網(wǎng)；中國能源互聯(lián)網(wǎng)；電網(wǎng)規(guī)劃；可再生能源；電網(wǎng)互聯(lián)演化

0 引 言

長期以來，化石能源支撐了人類工業(yè)文明發(fā)展，但同時(shí)帶來了能源供應(yīng)、環(huán)境、資源配置和效率等方面的重大挑戰(zhàn)。如何在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的制約下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展已成為全球最重要的話題。

電能是清潔、高效、便捷的二次能源，具有終端利用效率高，使用過程清潔、零排放等特性，在各國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用[1]。電網(wǎng)作為電能輸送載體，在能源和電力需求增長的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)歷了百余年的發(fā)展。未來清潔、低碳的能源發(fā)展趨勢，對電網(wǎng)的發(fā)展和優(yōu)化提出了新的要求和挑戰(zhàn)[2-3]。

本文分析北美、歐洲、俄羅斯等同步電網(wǎng)發(fā)展歷程，總結(jié)世界主要同步電網(wǎng)發(fā)展的特征和規(guī)律，以期為中國電網(wǎng)發(fā)展提供借鑒。從電壓等級提升和電網(wǎng)互聯(lián)角度，研究中國電網(wǎng)發(fā)展過程。為研究未來中國電網(wǎng)發(fā)展模式，以某省電網(wǎng)為例，采用電網(wǎng)發(fā)展演化模型，理論上分析含大規(guī)模新能源接入的電網(wǎng)發(fā)展過程。結(jié)合未來中國能源供應(yīng)發(fā)展趨勢，展望2020年和2025年中國電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)。

1 世界典型同步電網(wǎng)發(fā)展歷程

1.1 北美聯(lián)合電網(wǎng)

1.1.1 電網(wǎng)發(fā)展歷程

早期北美電網(wǎng)是由私有或公有公司根據(jù)各地負(fù)荷和電源條件建立，同時(shí)早期電網(wǎng)互聯(lián)存在單個(gè)擾動(dòng)導(dǎo)致互聯(lián)系統(tǒng)的崩潰風(fēng)險(xiǎn)，因此大部分是孤立系統(tǒng)。受電力需求發(fā)展、規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)以及政府的積極推動(dòng)，1915年開始，北美各孤立系統(tǒng)開始互聯(lián)并且規(guī)模不斷擴(kuò)大[4]。其中，美國和加拿大由于地理位置緊密相連，為實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，獲得更多效益，20世紀(jì)20年代，美國東北部與加拿大進(jìn)行聯(lián)接，成立加拿大—美國東部互聯(lián)電網(wǎng)(Canada-United States Eastern Interconnection，CANUSE)[5]。

圖1給出1925—1965年美國人均用電量增長趨勢。從圖1可看出，1930年前美國人均年用電量約500 kW·h，1950年接近1 900 kW·h。從1951—1965年，美國人均用電量從2 000 kW·h增長到 5 000 kW·h，這一過程也是美國電網(wǎng)高速發(fā)展的過程。

圖1 1925—1965年美國人均用電量趨勢Fig.1 Average capita electricity consumption of USA from 1925 to 1965

20世紀(jì)60年代初，北美東部電網(wǎng)覆蓋美國紐約、新英格蘭、賓夕法尼亞、新澤西、馬里蘭、密歇根州和加拿大安達(dá)略省。由ISG(Interconnected Systems Group)，PJM互聯(lián)電網(wǎng)(Pennsylvania-New Jersery-Maryland)，CANUSE組成。1965年北美東部電網(wǎng)互聯(lián)示意見圖2，220 kV電網(wǎng)為其主網(wǎng)架，最高聯(lián)網(wǎng)線路電壓等級是345 kV。

圖2 1965年北美東部電網(wǎng)互聯(lián)示意圖Fig.2 Eastern power grid interconnection diagram in USA in 1965

隨著供電區(qū)域擴(kuò)大、電力負(fù)荷增加、發(fā)電機(jī)組容量增大和輸電電壓等級升高，系統(tǒng)之間互聯(lián)規(guī)模不斷擴(kuò)大。為取得規(guī)模效益和提高運(yùn)行可靠性以及有效利用資源，供電地域相鄰的電力公司通過雙邊或多邊協(xié)議規(guī)定電力交換，建立不同內(nèi)容和形式的共同管理和協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)60至70年代，北美逐步形成四大同步電網(wǎng)格局即東部電網(wǎng)、西部電網(wǎng)、德克薩斯州電網(wǎng)和加拿大魁北克電網(wǎng)。20世紀(jì)90年代至2010年，受北美經(jīng)濟(jì)增長緩慢影響，人均用電量增長緩慢，如圖3所示。1990年美國凈發(fā)電量為30 378億 kW·h，2000年38 021億 kW·h，年均增長2.2%;2013年為40 659億 kW·h，較2011年增長3 293億 kW·h，年均增長0.7%，人均用電量近十幾年來保持在13 000 kW·h，北美聯(lián)合電網(wǎng)格局保持不變[6]。

圖3 1990年至2010年美國人均用電量Fig.3 Average capita electricity consumption of USA from 1990 to 2010

目前，促進(jìn)可再生能源并網(wǎng)，改造電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，提高電網(wǎng)可靠性，提升電網(wǎng)智能化水平是北美電網(wǎng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿7-8]。

1.1.2 電網(wǎng)發(fā)展特征

北美電網(wǎng)發(fā)展的主要特點(diǎn)是大機(jī)組大電廠的建設(shè)促進(jìn)電網(wǎng)向更高一級電壓等級發(fā)展，而更高電壓等級電網(wǎng)技術(shù)的突破為擴(kuò)大電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模、獲得更大范圍互補(bǔ)互濟(jì)聯(lián)網(wǎng)效益奠定了基礎(chǔ)。隨著對電網(wǎng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性研究的不斷深入，逐步實(shí)現(xiàn)跨州跨國聯(lián)合電網(wǎng)。北美電網(wǎng)發(fā)展歷程具有以下特征。

(1)追求水火互補(bǔ)、豐枯互濟(jì)，大力發(fā)展跨國互聯(lián)同步電網(wǎng)。加拿大以水電為主，最高負(fù)荷出現(xiàn)在冬季，美國以火電為主，最高負(fù)荷出現(xiàn)在夏季，加拿大豐富的水電資源與美國大量燃煤火電之間形成良好的互補(bǔ)調(diào)節(jié)。加拿大在向美國出口低成本水電的同時(shí)，也在用電低谷(夜間)進(jìn)口美國的廉價(jià)煤電，用以節(jié)約水電資源，在用電高峰向美國出口。北美電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)效益顯著，實(shí)現(xiàn)了資源優(yōu)化配置。

(2)水電大容量外送促進(jìn)輸電技術(shù)發(fā)展。大規(guī)模水電開發(fā)推動(dòng)了北美電網(wǎng)的第一次大發(fā)展，例如，1916年出現(xiàn)138 kV、1923年出現(xiàn)230 kV電壓等級均是為滿足水電外送需求；水電大規(guī)模外送促進(jìn)了1954年345 kV、1964年500 kV電壓等級的出現(xiàn)，1969年出現(xiàn)了765 kV輸電技術(shù)。

(3)追求電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，成立北美可靠性協(xié)會，由9個(gè)可靠性協(xié)作區(qū)組成，通過聯(lián)合調(diào)度中心協(xié)調(diào)各協(xié)作區(qū)之間的電力交換，提高大電網(wǎng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 歐洲電網(wǎng)

1.2.1 電網(wǎng)發(fā)展歷程

自19世紀(jì)后期輸電技術(shù)起源開始，追求電網(wǎng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)化電力資源配置的要求始終是驅(qū)動(dòng)歐洲電網(wǎng)發(fā)展的動(dòng)力。20世紀(jì)初期，為滿足供電需求增加、降低供電成本、實(shí)現(xiàn)各國內(nèi)部的資源優(yōu)化配置，各國開始大力發(fā)展本國內(nèi)部的電網(wǎng)互聯(lián)，以110，132 kV電壓等級為主。以英國為例：20世紀(jì)20年代英國主要負(fù)荷中心位于倫敦附近，電源結(jié)構(gòu)以煤電為主，分布在英格蘭中部及蘇格蘭的煤礦富集地區(qū)。1926年英國依靠132 kV電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了電力從英格蘭中部向倫敦的遠(yuǎn)距離傳輸，從而在10年內(nèi)將倫敦地區(qū)的電價(jià)降低了2/3。20世紀(jì)30年代英國建設(shè)132 kV電網(wǎng)，將運(yùn)行頻率標(biāo)準(zhǔn)化為50 Hz，初步形成了全國交流同步電網(wǎng)，示意圖如圖4所示。

第二次世界大戰(zhàn)之后，歐洲經(jīng)濟(jì)在20世紀(jì)60至70年代跨入快速發(fā)展的黃金時(shí)期，與經(jīng)濟(jì)的迅速恢復(fù)和增長相匹配，該階段歐洲電力消費(fèi)量也快速提升。從人均用電量上看，1960—1989年，歐洲人均用電量從1 400 kW·h增長到5 200 kW·h，增長近3.8倍，如圖5所示。

圖4 1932年英國132 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of UK 132 kV power grid structure in 1932

圖5 1960—1989年歐洲人均用電量增長趨勢圖Fig.5 Average capita electricity consumption of Europe from 1960 to 1989

在20世紀(jì)中期至20世紀(jì)末期，受經(jīng)濟(jì)增長、大容量機(jī)組投運(yùn)以及石油危機(jī)等因素推動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)水火互補(bǔ)、峰谷互濟(jì)、調(diào)峰資源共享的目的，歐洲各個(gè)國家電網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)規(guī)模呈現(xiàn)迅速擴(kuò)大的態(tài)勢，例如，1951年法國、德國、瑞士、荷蘭、奧地利、比利時(shí)、意大利、盧森堡等8國電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)形成西歐聯(lián)合電網(wǎng)(union for the co-ordination of production and transmission of electricity，UCPTE)，最高電壓等級提高到380 kV。20世紀(jì)末形成歐洲大陸同步電網(wǎng)、北歐同步電網(wǎng)、英國電網(wǎng)、愛爾蘭電網(wǎng)和波羅的海同步電網(wǎng)5個(gè)主要同步電網(wǎng)的格局。受地理位置、政治體質(zhì)等因素限制，5個(gè)同步電網(wǎng)之間通過直流互聯(lián)[6]。

21世紀(jì)以來，歐洲電網(wǎng)高度重視電源結(jié)構(gòu)的清潔化，歐盟承諾到2020年20%電力來源于可再生能源。為推動(dòng)清潔能源在更大范圍內(nèi)的有效配置，歐洲電網(wǎng)在增強(qiáng)自身內(nèi)部互聯(lián)的同時(shí)，開始考慮向周邊清潔能源富集地區(qū)擴(kuò)展[9-10]。1997年，北非地區(qū)的摩洛哥、阿爾及利亞、突尼斯與西班牙通過1回400 kV交流電纜跨越直布羅陀海峽實(shí)現(xiàn)同步互聯(lián)；2006年，摩洛哥與西班牙之間的第2回400 kV交流電纜投運(yùn)；2010年，擁有大量可再生能源的土耳其電網(wǎng)與歐洲電網(wǎng)采用了智能電網(wǎng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，如圖6所示。

圖6 20世紀(jì)90年代末至今歐洲大陸同步電網(wǎng)互聯(lián)示意圖Fig.6 Diagram of UCPTE development from in the late 1990 s until now

1.2.2 電網(wǎng)發(fā)展特征

歐洲電網(wǎng)互聯(lián)發(fā)展至今，在技術(shù)方面，遵循電壓等級逐步提高、互聯(lián)規(guī)模逐步擴(kuò)大的技術(shù)路線。伴隨歐洲輸電技術(shù)由低壓直流、低壓交流，向高壓/超高壓交流、高壓/超高壓交直流混聯(lián)發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也相應(yīng)從20世紀(jì)50年代8國同步互聯(lián)、20世紀(jì)60年代10國同步互聯(lián)、20世紀(jì)80年代17國聯(lián)網(wǎng)(其中12國同步)且與前蘇聯(lián)UPS/IPS聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展到2013年32國互聯(lián)。歐洲電網(wǎng)發(fā)展過程呈現(xiàn)以下幾點(diǎn)特征。

(1)受端電網(wǎng)較強(qiáng)。歐洲國家普遍面積較小、負(fù)荷密度較大。在經(jīng)濟(jì)快速增長的過程中，圍繞大城市首先形成受端系統(tǒng)，隨電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大逐步互聯(lián)的發(fā)展模式，造成歐洲呈現(xiàn)電網(wǎng)較為密集、強(qiáng)度較大的特征。

(2)電網(wǎng)互聯(lián)以取得聯(lián)網(wǎng)效益，實(shí)現(xiàn)了水火互補(bǔ)、峰谷互濟(jì)、調(diào)峰資源共享的大電網(wǎng)優(yōu)越性。由于電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性不同，歐洲電網(wǎng)各國之間電量交換頻繁。例如：北歐水電資源豐富，歐洲大陸有大量火電和核電。北歐通過11回直流與歐洲大陸交換電力，實(shí)現(xiàn)電力互濟(jì)，解決能源結(jié)構(gòu)性矛盾。挪威夏季豐水期8月出口電量達(dá)到17.9億 kW·h，枯水期4月進(jìn)口電量達(dá)到19.3億 kW·h。

(3)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。發(fā)展至今，已形成覆蓋歐洲32個(gè)國家，裝機(jī)容量10.07億 kW，用電量3.27萬億 kW·h的大型互聯(lián)電網(wǎng)。

(4)歐洲電網(wǎng)高度重視電源結(jié)構(gòu)的清潔化。歐盟制定了“2050能源路線圖計(jì)劃”，試圖在2050年構(gòu)建強(qiáng)大的互聯(lián)電網(wǎng)，以完成從日照條件非常好的西班牙等南歐國家向德國、法國等傳統(tǒng)工業(yè)國家輸送高達(dá)約5 000萬 kW的國際化電網(wǎng)框架。

1.3 俄羅斯電網(wǎng)

1.3.1 電網(wǎng)發(fā)展歷程

前蘇聯(lián)成立初期，工業(yè)電氣化促進(jìn)電力需求快速增長，全國用電量從1913年的19.5億 kW·h迅速增長到1934年的205.2億 kW·h，增長超過10倍，如表1所示。20世紀(jì)10年代到50年代，以工業(yè)城市為中心主要形成了10個(gè)同步電網(wǎng)，電壓等級以220 kV為主。

表1 1913—1934年前蘇聯(lián)國民經(jīng)濟(jì)電力消費(fèi)

Table 1 1913 to 1934 Former Soviet Union electricity consumption 106kW·h

20世紀(jì)40年代之前，蘇聯(lián)電網(wǎng)以大型工業(yè)城市為中心的多個(gè)孤網(wǎng)，最高輸電電壓等級為220 kV。二戰(zhàn)之后，蘇聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)入快速發(fā)展期，伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力消費(fèi)快速增長，全國用電量年均增長平均超過8%，裝機(jī)容量年均增長約7.8%。用電負(fù)荷集中在西部地區(qū)，但是電源開發(fā)重心不斷東移，大型水電、火電基地集中在西伯利亞、烏拉爾等地區(qū)。

自1956年出現(xiàn)500 kV輸電線路后，前蘇聯(lián)各聯(lián)合電力系統(tǒng)開始大規(guī)模同步互聯(lián)，至20世紀(jì)80年代初，除遠(yuǎn)東同步電網(wǎng)外，已基本形成包含9個(gè)聯(lián)合電力系統(tǒng)、以500 kV為骨干網(wǎng)架的全國同步電網(wǎng)[11]，覆蓋的行政區(qū)總面積約1 442萬km2。1967年出現(xiàn)750 kV線路，在中西部地區(qū)主要承擔(dān)電源匯集送出，見圖7。

圖7 20世紀(jì)50至80年代蘇聯(lián)統(tǒng)一同步電網(wǎng) 規(guī)模增長示意圖Fig.7 1950 to 1980 Soviet Union unified synchronous power grid expansion

20世紀(jì)90年代以來，俄羅斯電網(wǎng)維持2個(gè)同步電網(wǎng)格局，同步電網(wǎng)范圍并未受蘇聯(lián)解體影響而縮小(白俄羅斯、烏克蘭、哈薩克斯坦、格魯吉亞、阿塞拜疆等獨(dú)聯(lián)體國家電網(wǎng)在蘇聯(lián)解體后與蘇聯(lián)電網(wǎng)解開，但是很快又恢復(fù)與俄羅斯聯(lián)網(wǎng))，西部電網(wǎng)覆蓋范圍反而進(jìn)一步擴(kuò)大，與波羅的海三國(愛沙尼亞、拉脫維亞、立陶宛)等東歐國家跨國聯(lián)網(wǎng)。

1.3.2 電網(wǎng)發(fā)展特征

俄羅斯電網(wǎng)始終遵循統(tǒng)一的調(diào)度管理模式。大容量遠(yuǎn)距離的輸電需求促使發(fā)展大規(guī)模同步電網(wǎng)、不斷提高輸電電壓等級。電網(wǎng)發(fā)展特征如下。

(1)堅(jiān)持集約高效開發(fā)大型電源，不斷提高發(fā)電廠、單機(jī)容量，提高發(fā)電經(jīng)濟(jì)效率。

(2)同步聯(lián)網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，滿足電力遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸送的需求，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，大電網(wǎng)規(guī)模效益得到體現(xiàn)。

(3)較早確定電壓級差標(biāo)準(zhǔn)。為適應(yīng)電廠規(guī)模、輸電容量和距離不斷增加的發(fā)展要求，20世紀(jì)50至80年代輸電線路電壓等級逐步提升，形成了110/220/500/1150 kV和110/330/750 kV 這2個(gè)電壓等級序列，協(xié)調(diào)發(fā)展、分區(qū)運(yùn)行。

(4)俄羅斯電力系統(tǒng)是世界上發(fā)展最早、規(guī)模最大、跨度最遠(yuǎn)的電力系統(tǒng)之一，而且電網(wǎng)安全穩(wěn)定性好，自蘇聯(lián)時(shí)期起，沒有發(fā)生過大規(guī)模區(qū)域性嚴(yán)重電力事故。其主要原因是，始終堅(jiān)持國家統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)、管理和統(tǒng)一調(diào)度的管理模式不動(dòng)搖，在電網(wǎng)發(fā)展早期就實(shí)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，明確了電壓等級級差，電力自動(dòng)化水平高。

2 世界典型電網(wǎng)發(fā)展一般規(guī)律

北美電網(wǎng)是典型的聯(lián)合電網(wǎng)，歐洲大陸電網(wǎng)是世界上最大最典型的互聯(lián)電網(wǎng)，俄羅斯電網(wǎng)是統(tǒng)一電網(wǎng)的代表，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與能源資源分布、電力平衡方式、政治體制等息息相關(guān)，但無一例外都選擇了大電網(wǎng)互聯(lián)發(fā)展的道路，呈現(xiàn)以下共同特征。

(1)電力需求是電網(wǎng)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力，直接決定了電網(wǎng)規(guī)模。伴隨經(jīng)濟(jì)總量的成倍增長，北美、歐洲、俄羅斯電網(wǎng)均經(jīng)歷了快速發(fā)展的黃金期，電力需求迅速攀升，電網(wǎng)規(guī)模隨之不斷擴(kuò)大。例如，美國在1960年至1980年期間，人均GDP實(shí)現(xiàn)翻番，人均用電量從4 050 kW·h增長到9 862 kW·h，發(fā)電量從7 600億 kW·h增長到2.3萬億 kW·h，電網(wǎng)規(guī)模不斷增加，345 kV及以上電壓等級交流輸電線路從0.4萬km發(fā)展到8.6萬km，增長近20倍。

(2)電廠容量和輸電電壓等電力技術(shù)的發(fā)展和突破促進(jìn)了電網(wǎng)互聯(lián)。例如，前蘇聯(lián)在20世紀(jì)40年代至20世紀(jì)80年代，火電、水電、核電廠最大容量分別增長13倍、11倍、1 000倍，達(dá)到480萬，640萬，500萬 kW，期間相繼出現(xiàn)500，750，1 150 kV電壓等級，同步電網(wǎng)覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不斷加強(qiáng)。

(3)為提高電網(wǎng)的資源配置能力、安全可靠性和規(guī)模經(jīng)濟(jì)性電網(wǎng)，電網(wǎng)發(fā)展遵循同步電網(wǎng)規(guī)模由小到大、數(shù)量由多到少、電壓由低到高、網(wǎng)架由弱到強(qiáng)的規(guī)律。例如，歐洲大陸電網(wǎng)由各國孤立電網(wǎng)逐步形成了20世紀(jì)50年代的8國同步互聯(lián)、20世紀(jì)80年代12國同步互聯(lián)、20世紀(jì)末期24國同步互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了水火互補(bǔ)、峰谷互濟(jì)、調(diào)峰資源共享的聯(lián)網(wǎng)效益。

3 中國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究

3.1 電網(wǎng)發(fā)展歷程

與世界主要國家電網(wǎng)的發(fā)展趨勢相同，中國電網(wǎng)互聯(lián)也經(jīng)歷了從孤立電網(wǎng)逐步發(fā)展到省級電網(wǎng)，進(jìn)一步發(fā)展到區(qū)域電網(wǎng)，由初期弱聯(lián)系到不斷加強(qiáng)，最后形成全國聯(lián)網(wǎng)格局的發(fā)展歷程。以電壓等級提高和電網(wǎng)互聯(lián)為標(biāo)志，電網(wǎng)發(fā)展大致可分為3個(gè)重要階段：省級電網(wǎng)發(fā)展、區(qū)域電網(wǎng)發(fā)展和全國聯(lián)網(wǎng)。

(1)第一階段，省級電網(wǎng)發(fā)展。中國1882年就創(chuàng)建了發(fā)電廠，是世界上有電較早的國家之一，但是從1882年到1949年，電網(wǎng)的形成和發(fā)展非常緩慢。20世紀(jì)50年代，中國電網(wǎng)大多是以大、中城市為中心形成的孤立小網(wǎng)。20世紀(jì)60,70年代，逐步通過220 kV線路相互連接，以220 kV線路為主網(wǎng)架、以省域?yàn)橹饕采w范圍的省級電網(wǎng)開始形成。

(2)第二階段，區(qū)域電網(wǎng)發(fā)展。20世紀(jì)70,80年代，隨著負(fù)荷的增長和300，600 MW機(jī)組的建設(shè)和第一條330，500 kV輸電線路投入運(yùn)行，為滿足不同省、地區(qū)之間的電力配置要求，逐步形成以500(330)kV線路為聯(lián)絡(luò)線的跨省區(qū)域電網(wǎng)。至20世紀(jì)80年代末，形成了東北、華北、華東、華中、西北、川渝、南方7個(gè)跨省電網(wǎng)。

(3)第三階段，全國聯(lián)網(wǎng)。從1997年起，為確保三峽電力外送，歷時(shí)10年全部建成三峽輸變電工程，包括44項(xiàng)線路工程、55項(xiàng)變電站工程、3項(xiàng)±500 kV直流輸電工程，對促進(jìn)全國聯(lián)網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置起到了關(guān)鍵作用。三峽向華東輸電，促成了華中和華東2個(gè)區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)；三峽地處華中電網(wǎng)中部，充分發(fā)揮地理優(yōu)勢，與川渝聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了四川水電外送；華中電網(wǎng)通過三峽至廣東直流輸電工程實(shí)現(xiàn)與南方電網(wǎng)的互聯(lián)。隨著2011年青?！鞑亍?00 kV直流工程投運(yùn)，西藏與西北電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)。除臺灣外，中國各省電網(wǎng)全部實(shí)現(xiàn)交直流聯(lián)網(wǎng)，基本形成了全國聯(lián)網(wǎng)的格局，如圖8所示。

圖8 全國聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀Fig.8 National power grid interconnection status

3.2 電網(wǎng)發(fā)展演化研究

采用電網(wǎng)演化理論及發(fā)展仿真分析[12-13]，通過對實(shí)際電網(wǎng)抽象和簡化，建立考慮負(fù)荷發(fā)展、電源結(jié)構(gòu)和布局等因素的電網(wǎng)發(fā)展演化模型，從理論上分析電網(wǎng)發(fā)展的過程。以某負(fù)荷密度和清潔能源發(fā)展水平高的省級電網(wǎng)為例，以1980年為起始處，考慮清潔能源接入等條件，開展為期50年的電網(wǎng)發(fā)展演化研究。具體分析流程如圖9所示。

圖9 電網(wǎng)發(fā)展演化模型流程圖Fig.9 Flowchart of power grid development evolution model

(1)獲取常規(guī)能源、清潔能源及輸變電設(shè)備相關(guān)成本信息。

(2)能源預(yù)測。獲取所研究區(qū)域內(nèi)待建設(shè)的各類能源(火、水、風(fēng)等)的發(fā)電功率在未來規(guī)劃年內(nèi)變化的曲線，包括常規(guī)能源容量、調(diào)峰深度，間歇性功率的利用小時(shí)數(shù)及最大變化率。

(3)負(fù)荷預(yù)測。獲取研究區(qū)域內(nèi)負(fù)荷在未來規(guī)劃年內(nèi)變化的曲線，包括典型日負(fù)荷曲線。

(4)變電站新建。根據(jù)負(fù)荷預(yù)測值，在區(qū)域內(nèi)新增負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處新建變電站，并依據(jù)電壓等級及就近原則接入電網(wǎng)。

(5)發(fā)電廠新建及電網(wǎng)互聯(lián)。

1)計(jì)算每個(gè)孤立運(yùn)行電網(wǎng)，分別統(tǒng)計(jì)該電網(wǎng)的調(diào)峰、電力、電量、備用的需求及調(diào)控能力。間歇性新能源在電力、電量平衡時(shí)與傳統(tǒng)發(fā)電相加，在考慮調(diào)峰時(shí)與負(fù)荷相加。響應(yīng)需求側(cè)管理的負(fù)荷在調(diào)峰時(shí)與發(fā)電相加。

2)對每個(gè)調(diào)峰、電力、電量調(diào)控能力不能滿足需求的孤立運(yùn)行電網(wǎng)，根據(jù)新電源、發(fā)電冗余的電網(wǎng)的距離及儲量、環(huán)保水平、開發(fā)成本的排序，確定孤立電網(wǎng)是否互聯(lián)，以及新建發(fā)電廠地理位置及數(shù)量。

3)根據(jù)待建電廠或互聯(lián)電網(wǎng)外送的容量及距離，確定其電壓等級并就近接入需求側(cè)電網(wǎng)。

4)當(dāng)有新的發(fā)電接入或互聯(lián)后，返回1)；若沒有，則轉(zhuǎn)(6)。

(6)潮流計(jì)算。考慮系統(tǒng)內(nèi)新增設(shè)備，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)機(jī)組出力及潮流分布情況。

(7)N-1校核及升級。注意開斷系統(tǒng)內(nèi)元件，計(jì)算開斷潮流，獲得N-1通過率，同時(shí)篩選系統(tǒng)薄弱元件。針對系統(tǒng)內(nèi)薄弱元件進(jìn)行升級，元件并聯(lián)數(shù)達(dá)到上限，則提高電壓等級，重新確定電網(wǎng)潮流分布。

(8)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與保存。統(tǒng)計(jì)此次演化過程中電網(wǎng)形態(tài)相關(guān)指標(biāo)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方面，如圖10所示，以1980年該省級電網(wǎng)為研究的初始網(wǎng)架，以城市和發(fā)電廠為中心，形成了多個(gè)相對獨(dú)立的區(qū)域電網(wǎng)。圖中橫縱坐標(biāo)軸均表示虛擬的地理位置。

圖10 演化初始接線圖Fig.10 Wiring diagram at beginning of evolution

電源發(fā)展方面，假設(shè)從演化的第21年開始出現(xiàn)風(fēng)電等間歇性清潔能源，系統(tǒng)裝機(jī)情況見表2。

表2 系統(tǒng)裝機(jī)情況

Table 2 Installed generation situation

負(fù)荷增長方面，假設(shè)演化的前30年，負(fù)荷年均增長速度為8%，第31～50年按年均增長6%。

按照分析步驟、給定參數(shù)，以及調(diào)峰、電力電量、環(huán)保等約束條件，得到的電網(wǎng)演化10年、30年和終期電網(wǎng)接線示意圖如圖11—13所示，圖中橫縱坐標(biāo)軸均表示虛擬的地理位置。

圖11 演化10年接線圖Fig.11 Wiring diagram after 10 years’ evolution

圖12 演化30年時(shí)接線圖Fig.12 Wiring diagram after 30 years’ evolution

圖13 演化結(jié)束時(shí)接線圖Fig.13 Wiring diagram at end of evolution

從圖10—13可以看到，在電網(wǎng)開始演化時(shí)，該電網(wǎng)有17個(gè)220 kV孤立電網(wǎng)，發(fā)展到第10年時(shí)，電網(wǎng)個(gè)數(shù)減少為14個(gè)，電網(wǎng)間互聯(lián)較少且局限于較近的區(qū)域；隨著電網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，風(fēng)電等新能源基地與負(fù)荷中心不重合的特性體現(xiàn)，因此出現(xiàn)了更高的電壓等級，適用較大地理范圍的連接，隨著電網(wǎng)互聯(lián)不斷擴(kuò)大，第30年發(fā)展為一個(gè)500 kV同步電網(wǎng)，演變結(jié)束時(shí)，終期該省電網(wǎng)仍保持為一個(gè)同步電網(wǎng)的格局，但網(wǎng)架更為密集。

通過模擬分析看出，為滿足風(fēng)電等清潔能源基地遠(yuǎn)距離輸電，以及滿足新能源接入的安全穩(wěn)定要求，電網(wǎng)發(fā)展過程中需要提高電壓等級、擴(kuò)大同步電網(wǎng)規(guī)模。

3.3 中國能源供應(yīng)發(fā)展趨勢

3.3.1 電力需求仍將快速增長

從發(fā)展階段看，中國還處于工業(yè)化中后期、城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)期。盡管目前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展已進(jìn)入新常態(tài)，電力消費(fèi)彈性系數(shù)近年來有所下降，然而隨著能源結(jié)構(gòu)不斷向著清潔化、綠色化調(diào)整和優(yōu)化，電力在終端能源消費(fèi)中的比重將不斷提高，電力需求仍將保持中高速增長[14]。中國人均用電水平還處于低位，與發(fā)達(dá)國家存在較大差距，2010年中國人均用電量為3 140 kW·h，2015年為4 318 kW·h，相當(dāng)于美國20世紀(jì)60年代水平?？梢灶A(yù)見，伴隨終端消費(fèi)電力比重上升，在未來較長一段時(shí)期，人均用電量水平將保持較快增長，預(yù)計(jì)2020年人均用電量將達(dá)到5 000 kW·h左右，或更高水平。

3.3.2 清潔能源開發(fā)力度進(jìn)一步加大，能源開發(fā)重心進(jìn)一步西移北移

2005年以來，中國裝機(jī)規(guī)模持續(xù)高速增長，年均增長11.9%。其中，清潔能源裝機(jī)增長率為15.1%，風(fēng)電、太陽能裝機(jī)增長率分別達(dá)到65.2%和53.7%。

根據(jù)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》，未來中國將加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，清潔能源開發(fā)力度進(jìn)一步加大。規(guī)劃2020年全國電源裝機(jī)總量為20.7億 kW，其中清潔能源裝機(jī)占比由2015年的34.1%提高到2020年的39.3%，煤電裝機(jī)占比由2015年的59.5%下降為2020年的54.3%。

但中國存在能源資源與需求逆向分布的特點(diǎn)，水電資源主要在西南地區(qū)，陸上風(fēng)能資源集中分布在華北、東北、西北地區(qū)，太陽能資源集中分布在西藏、西北、內(nèi)蒙古地區(qū)。因此，未來中國能源開發(fā)重心將進(jìn)一步西移北移。預(yù)計(jì)2030年，中國風(fēng)電、太陽能開發(fā)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，風(fēng)電開發(fā)將主要集中在新疆、甘肅等地區(qū)，太陽能開發(fā)將主要集中在新疆、青海等地區(qū)。

3.3.3 未來“西電東送、北電南送”規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大

中國能源資源稟賦特征決定了未來“西電東送、北電南送”的格局不會改變，規(guī)模還將進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，東中部12省(市)受入電力流規(guī)模是1.1億 kW，考慮已批、在建的一批跨區(qū)通道工程，結(jié)合受端負(fù)荷發(fā)展，預(yù)計(jì)2020年還將新增約1.5～2億kW的受入電力流規(guī)模，2030年還將進(jìn)一步提升[15]。

綜合考慮中國電網(wǎng)現(xiàn)狀和發(fā)展需求，解決能源優(yōu)化配置、清潔能源大規(guī)模開發(fā)、電網(wǎng)安全運(yùn)行等問題的關(guān)鍵是擴(kuò)大同步電網(wǎng)規(guī)模。

3.4 未來中國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展形態(tài)

從國外電網(wǎng)發(fā)展歷程看，各國電網(wǎng)發(fā)展基本都遵循了同步電網(wǎng)不斷聯(lián)網(wǎng)融合這一規(guī)律。結(jié)合中國中長期電力流規(guī)劃，綜合考慮從電網(wǎng)安全性、經(jīng)濟(jì)性、清潔能源開發(fā)利用水平等因素，為了清潔能源能夠大規(guī)模開發(fā)利用，提高電網(wǎng)安全運(yùn)行，設(shè)想進(jìn)一步擴(kuò)大中國同步電網(wǎng)的規(guī)模?；诂F(xiàn)有5個(gè)同步電網(wǎng)格局，構(gòu)建西部電網(wǎng)，把西南地區(qū)的水電和西北地區(qū)的風(fēng)電、太陽能及火電進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)；構(gòu)建東部電網(wǎng)，將東部主要受電地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，2020年國家電網(wǎng)將形成送、受端清晰的東西部電網(wǎng)格局，全國呈現(xiàn)東部、西部、南方3個(gè)同步電網(wǎng)，見圖14。

圖14 2020年中國電網(wǎng)形態(tài)Fig.14 China power grid form in 2020

通過優(yōu)化同步電網(wǎng)格局，一方面在送端地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)清潔能源跨區(qū)域跨流域多能互補(bǔ)，改善風(fēng)電、太陽能出力隨機(jī)性和間歇性，降低系統(tǒng)調(diào)峰需求，提高外送通道利用率；另一方面，在受端地區(qū)能有效提高受端電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模，加強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)峰能力和頻率特性，從而提升接納大規(guī)模清潔能源饋入的能力。

2025年，為了進(jìn)一步接受更大規(guī)模的遠(yuǎn)距離清潔能源，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，滿足西部北部新能源進(jìn)一步開發(fā)外送需要，“西電東送、北電南供”電力流將持續(xù)增大，按照同步電網(wǎng)演變的規(guī)律，中國電網(wǎng)同步電網(wǎng)格局將進(jìn)一步擴(kuò)大，將東部電網(wǎng)和西部電網(wǎng)進(jìn)一步互聯(lián)，國家電網(wǎng)形成一個(gè)同步電網(wǎng)的格局，全國包括國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)2個(gè)同步電網(wǎng)，如圖15所示。

圖15 2025年中國電網(wǎng)形態(tài)Fig.15 China power grid form in 2025

國家電網(wǎng)建成網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動(dòng)的中國能源互聯(lián)網(wǎng)，為構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)奠定重要基礎(chǔ)，將發(fā)揮引領(lǐng)示范作用，有助于中國贏得全球能源治理的話語權(quán)和主動(dòng)權(quán)。

4 結(jié) 論

通過對北美、歐洲、俄羅斯等典型同步電網(wǎng)發(fā)展分析可看出，雖然各國能源資源稟賦、地理環(huán)境、政治體制等電網(wǎng)發(fā)展外部因素對各國電網(wǎng)的發(fā)展方式具有深遠(yuǎn)影響，但為提高電網(wǎng)的資源配置能力、安全可靠性和規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，世界主要國家電網(wǎng)的發(fā)展趨勢是同步電網(wǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大、數(shù)量逐步減少。

中國電網(wǎng)發(fā)展經(jīng)歷了省級電網(wǎng)發(fā)展、區(qū)域電網(wǎng)發(fā)展和全國聯(lián)網(wǎng)3個(gè)重要階段，電網(wǎng)電壓等級由低到高，聯(lián)網(wǎng)規(guī)模從小到大，目前形成華北-華中、華東、東北、西北、南方、西藏6個(gè)交流同步電網(wǎng)?？紤]到未來中國非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提高，以及新能源出力的變化特性，給出建立考慮新能源滲透率等因素的電網(wǎng)發(fā)展演化模型的步驟，并通過將某省級電網(wǎng)抽象和簡化，從理論上驗(yàn)證電網(wǎng)發(fā)展過程中需要提高電壓等級、擴(kuò)大同步電網(wǎng)規(guī)模的特征。

未來，按照同步電網(wǎng)演變的規(guī)律，結(jié)合中國電力需求仍將快速增長、清潔能源開發(fā)力度進(jìn)一步加大，能源開發(fā)重心進(jìn)一步西移北移，以及未來“西電東送、北電南送”規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大的發(fā)展趨勢，為從根本上解決西部、北部地區(qū)清潔能源大規(guī)模開發(fā)和消納難題，保障清潔能源高效利用，擴(kuò)大同步電網(wǎng)規(guī)模

是解決問題的關(guān)鍵。2020年形成東、西部2大同步電網(wǎng)，2025年國家電網(wǎng)形成一個(gè)同步電網(wǎng)的格局，建設(shè)中國能源互聯(lián)網(wǎng)，成為全球能源互聯(lián)網(wǎng)重要的一部分。

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(編輯 張媛媛)

Synchronous Power Grid Development Trend and China’s Energy Interconnection Development

LIU Kaijun, LI Jun, LUO Jinshan, GAO Yi

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

In the energy development trend of ’clean energy replacement and electricity replacement’, as the carrier for transmission and distribution of electric energy, power grid is an important part of the energy supply system, and the important foundation and guarantee of the modern economic development and social progress, moreover is the core subject of energy Internet. This paper analyzes the history of power grids in North America, Europe, and Russia over hundred year history, and summarizes the general development rule of typical synchronous power grids in the world from traditional grid to modern power grid, isolated grid to interregional and international large-scale interconnected grid, which provides references for the development of China’s power grid. Based on the analysis of China power grid development history and the study of power grid interconnection evolution feature integrating renewable energy features, this paper proposes the future development patterns of China’s energy interconnection based on the synchronous grid framework, combining the electric power demand, the energy exploration, and the development trend of electricity flow scale, which can be an important foundation for the construction of the global energy internet.

synchronous power grid; China’s energy interconnection; power grid planning; renewable energy; power grid interconnection evolution

TM 72

A

1000-7229(2016)06-0001-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.06.001

2016-03-06

劉開俊(1959)，男，教授級高級工程師，電力系統(tǒng)規(guī)劃領(lǐng)域?qū)＜遥?/p>

李雋(1972)，女，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃和技術(shù)管理工作；

羅金山(1980)，男，碩士，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究工作；

高藝(1973)，女，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究工作。