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智能电网

一种智能电网建设的顶层设计

时间:2014-10-28 11:49??阅读:
     摘 要:对涉及我国智能电网发展方向和模式的几个问题,从学术研究的角度阐述了个人观点。认为智能电网建设“绿色高效”是目的,“智能化”是手段,两者的关系也是内容与形式的辩证关系。直流特高压是实现我国电网绿色化不可缺少的手段。交流特高压则是传统技术路线的产物,它带有第二次工业革命的深刻烙印,是传统电网的“新地标”,不应在第三次工业革命中扮演重要角色。保持原有6 个区域电网异步互联的格局,可最大限度分散和降低电网安全风险,是我国电网宏观结构最明智的选择。“能源互联网”只是一种新能源经济思想而不是技术模式,是对智能电网的一种比喻性称谓。为积极推动能源生产和消费革命,今后我国电网的规划应明确以绿色、高效为目标进行编制。初步设想煤电在我国全足球开户网用电量中的占比,2025年应争取低于60%,2035 年低于45%,2050 年低于25%。
 
关键词:智能电网;顶层设计; 特高压;电网格局;能源互联网;电网规划
 
0、 引言
 
      智能电网是不同于传统电网的新一代电网。由于它是伴随第三次工业革命而出现的新生事物,尚在成长中,因此对智能电网的认识有一个从片面到全面、从粗浅到深刻的过程,智能电网的建设也有一个从盲目被动到理性自觉的过程。
      我国开展智能电网建设尽管已有数年时间,但至今仍然缺少一个具有长远指导意义的顶层设计,说明我国的智能电网建设在某种程度上还未完全摆脱被动的状态。对智能电网的研究,由于种种原因过去涉及技术层面的较多,涉及宏观战略层面的较少,因而使得一些对智能电网建设产生重大影响的原则问题至今尚未形成科学统一的认识,一定程度上影响了智能电网建设的健康发展。
      本文根据我国目前智能电网建设的实际情况,对智能电网建设顶层设计需要回答的几个基本问题,如智能电网建设的目标和指导方针、与交直流特高压的关系、与“能源互联网”的关系、全国电网格局的选择、以及智能电网的规划问题等,本着尊重客观规律、尊重事实,力戒主观性和片面性的态度,从学术研究的角度阐述了个人的观点,可供有关部门参考。

本文中的电网为广义电网,指包括发输配在内的整个电力系统。
 
1、智能电网建设的目标和指导方针
 
     我国传统电网存在两大问题:一是以化石能源为基础,发展不可持续,目前我国煤电发电量的占比仍超过70%。二是能源利用率低下,电网整体经济性差,主要表现在以下四个方面:(1)燃煤电厂热效率低,平均不到40%,加上厂用电及输配电环节10%以上的损失,煤用于发电的最终利用率不足30%,也就是说燃煤电厂燃烧的煤约有70%被损失掉了(如果燃煤电厂建在缺水的西北地区,采用空冷机组且远距离输电,损失至少还要再增加10%)。
 
     这样触目惊心的能源浪费,在科技水平不高,经济粗放型发展的情况下,被无奈地接受或有意地忽视了。(2)缺少经济、灵活、多样的调峰手段,多数电网采用煤电机组调峰,被迫增加了煤耗率;有的电网存在较严重弃水现象;全国机组年均利用小时数低。(3)用户用电盲目随意,未与电网的最佳运行方式协调一致,不仅影响电网的经济运行,而且加大了用户自身用电成本。(4)电网输变电设备利用效率较低,根据对“十一五”电网运营情况调研,2010年全国接近60%的500 千伏输电线路利用效率不到50%[1]。
 
     解决上述传统电网存在的两大问题,实现能源的可持续发展,正是第三次工业革命赋予智能电网的使命。智能电网是与传统电网有质的差别的bet36网站电网[2-3],它的总体目标就是要建设一个绿色、高效、经济、互动,更加安全可靠、与环境更加友好、具有bet36网站智能化水平、可持续发展的电网。
 
     智能电网的英文名是“Smart Grid”, 其原意是“灵巧的、聪明的、机警的、巧妙的电网”。毫无疑问,提高电网的智能化水平十分重要,但它并不是智能电网建设的目的。“Smart Grid”要求的是一个能够巧妙解决可再生能源的接入、储存、以及高效、方便、可靠利用的方案。巧妙的解决方案不等于高度的智能化。比如储能并不是传统意义上的智能化技术,但它却是智能电网获得成功的关键。对于智能电网的建设,储能技术比一般的电网智能化技术要重要得多。
 
     在智能电网建设的顶层设计中,必须明确“绿色高效”与“智能化”两者的关系。“绿色高效”是智能电网建设的目的,“智能化”是建设的手段,二者首先是目的与手段的关系。
 
     从另一个角度看,“绿色高效”是对电网的电源和电能使用效果的要求,“智能化”是对电网采用的技术水平的要求,前者可看作是智能电网的内容,后者可看作是形式,二者也是内容与形式的关系。显然这种关系是辩证的,即内容决定形式,而形式又反作用于内容。因此智能电网的建设要坚持以绿色高效为中心,智能化服务于绿色高效的指导方针。
 
2、智能电网与交直流特高压的关系
 
     特高压分直流特高压和交流特高压,两者的技术特性及其在电网中的作用差别很大,不可混为一谈。直流特高压用于远距离、大容量输电,在经济和技术上具有明显优势。我国的水电、风电和太阳能资源较多集中在西部地区,有远距离输电的要求,因此直流特高压作为先进的输电技术是建设智能电网,实现我国电网绿色化不可缺少的手段。这一结论是明确的,也是早有共识的。

     存在争议的是交流特高压。电网的电压等级随着电网规模的扩大不断由低向高提升,这的确是100 多年来世界各国电网发展走过的一条共同道路。回顾历史不难看出,传统电网的技术路线,就是以提高电压等级的方法解决电网发展中出现的问题,从而满足经济足球开户网对电力的需求。但是事物的发展并非总是一条直线,有的规律它只在一个阶段发挥作用。依靠提高电压等级发展电网的路线,是在以化石能源为基础,能源开发倾向于越来越集中的条件下形成的,可以说是第二次工业革命的产物。当新能源革命,即第三次工业革命在世界范围内兴起后,电网的发展实际上已经脱离了这条路线,走上了一条新的,即建设智能电网的道路。
 
     美国未来学家杰里米˙里夫金在《第三次工业革命》一书中,介绍了美国电力研究所专家对该问题的见解[4]。美国专家认为,智能电网分散式能源生产的发展可能会采取与计算机产业发展极为相似的路线:大型主机让位于小型化、在地理上分散分布的台式和笔记本电脑,它们相互连接、充分整合,成为一个极富弹性的网络。在电力行业中,集中式电厂仍将发挥很重要的作用,但更需要小型、清洁、分散化的发电厂,能源储存技术将支持它们的发展;为控制、处理由此形成的复杂互联系统所带来的海量信息与能源的流通问题,先进的电子控制技术是绝对不可少的。
 
     可以这样说,依靠先进的信息、控制、储能、超导等新技术,注重以小型分散化方式开发清洁可再生能源,注重利用新的管理理念和技术手段提高能源利用率,实现能源的可持续发展,这就是第三次工业革命显示的bet36网站电网(即智能电网)的发展路线。由于可再生能源分布相对均匀,分散化开发的结果将使电源的布局更合理;小型电源和微网可以直接接入配电网,以较低的电压向用户供电;特别是超导输电技术的不断进步和在工程中越来越多的应用,显示了bet36网站电网的电压等级不仅不会在超高压的基础上再提高,甚至还有逐渐降低的趋势。
 
     电网的电压等级在第二次工业革命时期由低向高发展,进入第三次工业革命后不再升高,并且呈现出由高向低发展的趋势,从整个发展过程看,遵循的正是事物发展的“否定之否定”规律。那种认为电网会一直按照“规模越来越大,电压等级越来越高”的规律发展的看法,是一种缺乏辩证思维的形而上学观点。
 
     bet36网站电网不再向交流特高压电网发展,还因为交流特高压自身存在着下述几个致命的缺点:
 
     ①环境代价大。由于交流特高压的建设是在现有的500 千伏电网之上再叠加一个1000千伏电网,升至该电网的电力送到受端后,都要先降压为500 千伏再分配给220 千伏电网,因此它不仅不能替代500 千伏变电容量和相应的500 千伏送电线路,还将使我国电网的电压层次从现有的5 层增至6 层(即变为0.4/10/110/220/500/1000 千伏),成为世界上电压层次最多的电网。而且交流特高压的噪音、对环境的电磁污染远比超高压强,其输变电设备都是庞然大物,需要的占地面积也更大(同塔双回交流特高压线路塔高约80 米,走廊宽度约70米;一座交流特高压变电站占地9-20 公顷)。因此,建设交流特高压电网意味着在电网复杂性增加的同时,还要为多增加一层电网付出难以承受的环境代价(尤其在人口密集的“三华”地区问题将更加突出)。
 
     ②投资效益差。交流特高压从技术上看,远距离输电不如直流特高压,近距离输电不如500 千伏电压,而投资却很大,是一种“性价比”很低的方案。南方电网对采用交流特高压方案与采用直流特高压加交流500 千伏电网方案进行了比较,结果前者的投资比后者多600-1000 亿元,约高1.3-1.5 倍[5]。在“三华”地区建设交流特高压同步电网的方案,比只建直流特高压加交流500 千伏电网的异步联网方案,至少要多花3000 亿元的投资。除会推高电价外,还意味着要消耗ag下载的钢铁、铝材和水泥,而这些高耗能产品的生产无疑将加重对环境的污染。

     ③两级升压,既增加能损,又降低输电能力。交流特高压输电,电源一般都要先升压汇集到500 千伏变电站,再升压至交流特高压电网。由于基本没有与之配备的发电机机组直接接入,交流特高压电网实际上是一个无源的“空架子”,这种情况在其它电压等级的发展过程中是从未出现过的。电网的最高一级电压网架,对于保证整个电网的稳定运行和功率平衡至关重要,它形成后一般直接接入其中的发电机容量都不会少于35%。比如截至2012 年底南方电网接入500 千伏电网的容量,广东为36.6%,广西为43.7%,云南为58.8%,贵州为50.6%;四川电网2013 年底接入500 千伏电网的容量约为47%。发电机经两级升压接入电网,是电力系统规划设计中较为忌讳的做法,因为这样必然加大系统阻抗,不仅导致电能损耗增加,还限制了输电能力的提高。这种现象的出现从一个侧面说明,沿着提高电压等级的传统路线前行,走到特高压的时候,这条路已经走不通了。
 
      由于存在上述问题,加之直流输电技术的进步实现了电力的大容量远距离输送,欧美、申博真人、bet36网站等发达国家,在经过上世纪七、八十年代出现的那次交流特高压技术研究和实验热潮后,从此放弃了交流特高压[6]。欧洲互联电网尽管规模很大,但最高电压却只有400千伏(比我国电网普遍采用的500 千伏还低100 千伏),今后也肯定不会发展交流特高压。
 
     但即便如此他们电网的可再生能源比例却远高于我国。德国规划2020 可再生能源占比达到35%,2030 年达到50%,2050 年达到80%[7]。说明实现电网绿色化与电网电压等级的高低没有关联。提高电网可再生能源比例的主要途径:一是大力发展各种储能技术,不断扩大电网的储能规模;二是开发、丰富、优化电网调峰手段,其中包括储备和调动需求响应资源;三是最大限度实现各种可再生能源的互补运行。
 
     至于治理雾霾的问题,由于建设交流特高压电网要消耗ag下载本来可以不消耗的钢铁、铝材和水泥,结果无疑是事与愿违。“电从远方来”战略主要依靠直流特高压来实现,但仅有这个战略是不够的,还要同时实施“电从身边来”战略,即以分散化方式开发“身边”一切可以开发利用的清洁能源。两者并举,才能达到有效治理雾霾的目的。
 
     第三次工业革命所显示的世界电网发展方向,决定了bet36网站电网不能再走以提高电网电压等级包打天下的老路,电压等级越高不等于电网就越坚强。事实上,各种不断创新发展的可再生能源开发利用技术、分布式电源微电网技术、储能技术、超导输电技术、多端直流技术、以及包括页岩气开发和核聚变在内的其它新能源技术,都是对交流特高压的否定。
 
     历史已经证明并将继续证明,交流特高压是传统技术路线的产物,它的身上带有无法抹去的第二次工业革命的烙印。尽管它登上了传统电网的技术顶峰,不过是为传统电网竖起了一个更加吸引眼球的“新地标”而已。今天人们可以“创造条件”让它继续在第三次工业革命中扮演“重要角色”,也可以“顺应潮流”让它退出历史舞台。“聪者听于无声,明者见于未形”。果博东方大地娱乐在线官网电网的创新之路究竟怎么走?果博东方大地娱乐在线官网人应当有智慧作出正确抉择。

3、我国电网格局的选择
 
     世界上没有绝对不会出事故的电网[8]。华北、华东和华中若以交流特高压联成统一的同步电网,其用电负荷2020 年将超过9 亿千瓦,成为世界上规模最大的同步电网。由于电网联系紧密,一旦发生严重事故,其波及的范围必然会比采用异步联网时的大得多,这是无可否认的常识。此外,“三华”交流特高压电网还有两个问题增大了安全风险:一是网架采用纵横交错的网格式结构,将加剧交流同步电网潮流的不可控性,为事故的扩大埋下隐患;二是为促成交流和直流特高压远距离输电,刻意强化火电电源在送端的集中度,减少本应分散接入受端电网的电源数量,从而降低了电网抵御各种严重灾害的能力。
 
     我国地域广大,已形成的6 个区域电网都具有足够大的电网规模,到2020 年,华北、华东、华中各电网装机容量将接近或超过3.5 亿千瓦。因此,电网的规模早已不成为接受风电等新能源的制约因素;而且6 大电网已通过直流联网,若有必要还可以继续加强它们之间的直流联系。
 
     按照分层分区的原则规划和建设电网,保持原有6 个区域电网异步互联的格局,鼓励和允许各区域电网根据自己的特点,决定电网走向绿色、高效的阶段目标和实施方案,实现多样化发展,从而互相借鉴,互相促进,既有利于加快智能电网的建设和创新,又能最大限度分散和降低电网安全风险,这不能说不是我国电网宏观结构最明智的选择。
 
4、智能电网与“能源互联网”的关系
 
     “能源互联网”是杰里米˙里夫金在《第三次工业革命》一书中提出来的一个新概念。里夫金认为,世界正处在信息技术与能源体系相融合的时代。进入21 世纪,数以百万计的人们将实现在家庭、办公区域以及工厂中自助生产绿色能源的梦想。与互联网上的信息创建和分享一样,任何一个能源生产者都能够将所生产的能源通过一种智能型分布式电力系统与他人分享[4]。显然,里夫金所说的“能源互联网”实际上指的就是智能电网。
 
     但事实上,智能电网作为输送电力的网络,互联网作为传输信息的网络,两者无论是技术特性、系统结构、工作原理、运行要求等都有本质的差别。比如电网有若干电压层次、有一次系统和二次系统之分、电能难以大量储存、时时刻刻要达到供需平衡、存在功角(频率以及电压)稳定问题、需要调度中心统一指挥运行等,这些特性都是互联网所没有的。因此智能电网不可能与互联网具有相同或相似的运行模式。里夫金后来解释说,提出“能源互联网”这一概念主要源于哲学和经济学层面的思考,“能源互联网”不是一种新的能源技术模式或体系,而只是一种新能源经济思想[9]。可以说“能源互联网”只是对智能电网的一种比喻性称谓 ,在工程技术层面真正的“能源互联网”是不存在的。
 
     “能源互联网”作为一种新能源经济思想的意义,在于它指出并且强调了新能源的生产和分享需要有公众的普遍参与。智能电网在信息通信、自动控制、储能等先进技术的支撑下,接纳了成千上万的小微绿色电源,使公众参与能源生产成为现实。而电能的分享也可以是公众化的,只不过这种分享在具体实施时,需要通过统筹规划,安排在一个合理范围内进行(如在一个社区、一座城市或一个更大的区域电网内)。因为电能不能像互联网的信息那样由无数人任意分享。一个小微电站生产的富余电能,可能只满足得了几户或十几户人家的需求,而小微电站基本都接在配电网上,一般情况下不需要也不应当远距离输送。电能的生产、传输和消纳所遵循的客观规律及其技术特性,决定了世界各国的电网不可能、也没有必要像互联网那样全球联网。企图用特高压构建国际“能源互联网”,只是一种脱离实际的主观幻想。

     目前在智慧生态城市的建设中,有一种被称作“泛能网”的工程技术。一座城市里总有多种形式的能源并存,“泛能网”技术对各类能源的生产、储运、应用、再生等环节进行整合,根据客户对电、气、冷、热不同品质的能量在不同时段的需求,统一进行优化调度,实现不同品种能源之间的优势互补,最大限度提高各种能源综合利用效率。这样的“泛能网”倒似乎有点像“能源互联网”。在配网智能用电的建设中,供电企业应当积极研究与这种“泛能网”密切配合的问题。
 
5、关于智能电网规划的编制
 
     今天我国电网发展规划的编制是在下述两个背景下进行的:一是第三次工业革命在全世界的兴起开启了建设智能电网(即bet36网站电网)的新时代;二是为保证经济足球开户网的可持续发展,我国政府提出了推动能源生产和消费革命的发展战略。由于第三次工业革命的核心就是能源生产和消费革命,因此这两个背景是叠加在一起的,具有最强烈的提示效应。建设智能电网的目的就是要实现能源的高效利用和电网的绿色化,它与能源生产和消费革命的目标是一致的。可以这样说,智能电网建设是推动能源生产和消费革命的需要,而能源生产和消费革命目标的实现,离不开智能电网的建设。因此,电网发展规划的编制必须顺应时代的要求,敢于突破传统电网规划的思路和模式。现在是明确提出以“绿色、高效”为主题和目标来研究和编制电网发展规划的时候了。这样编制的电网规划实际上就是智能电网规划,亦可称做bet36网站电网规划。
 
     我国智能电网的建设要经过一个以化石能源为主,到初步低碳化、基本低碳化、再到绿色化的过程。由于我国目前的电力以煤电为主,因此低碳化、绿色化的主要目标是降低煤电在电网中的占比。这个过程可设想分为四个阶段:第一阶段用12 年左右的时间,到2025年将电网的煤电占比(指发电量占比,下同)由2013 年的75%左右降至60%以下。第二阶段到2035 年,再将煤电占比降至45%以下,实现电网的初步低碳化。第三阶段用大约15年的时间,即到建国100 周年的时候,实现电网的基本低碳化,届时煤电的占比控制在25%以下。第四阶段即2050 年后,根据新能源开发利用技术的进步情况,继续推进电网绿色化建设。
 
      低碳化、绿色化的阶段目标如何确定,需要进行深入的研究和讨论,这里提出的只是一个抛砖引玉的设想。毫无疑问,实现上述目标需要经过长期的艰苦努力。我国电网最近几年煤电装机速度已明显放缓,其容量占比逐年下降。但就其发电量而言,占比却一直还很高,下降速度也低于容量占比[10]。全国煤电装机2010 年为68101万千瓦,占比70.5%;2012 为75811 万千瓦,占比降为66.2%;2013年煤电装机容量大约接近8 亿千瓦,占比约为64%;3 年内平均每年约下降2 个百分点。而煤电发电量的占比2010 年为77.8%,高于容量占比7.3个百分点;2012 年由于雨量较充沛,水电发电量增加,煤电占比降至73.9%;2013 年水电平均利用小时较2012 年下降了273 小时,估计煤电占比反而高于2012 年(尚无确切的统计数字)。
 
     电网规划是电网建设实践的指南。要在不太长的时间里实现电网低碳化和提高能效的预期目标,编制科学的、符合实际的、具有前瞻性和指导意义的电网发展规划,是一个十分关键的问题。各省和各区域电网应在全国智能电网顶层设计指导下,深入研究并制定本地2015-2050 年的智能电网发展规划。要根据自身的实际情况,提出各自电网不同时期的低碳化和能效目标,以及智能电网的建设重点和具体措施,并在实施的过程中不断滚动调整和完善。

     以绿色、高效为目标的智能电网发展规划应包括以下主要内容:
     (1)实现电网低碳绿色化和提高能效的路线图和指导原则;
     (2)煤电的新建规划以及所有煤电机组的退役计划(新建机组论证必要性的同时,均要明确其服役期限);
     (3)可再生能源的开发建设和消纳规划;
     (4)天然气以及核电等清洁电源建设规划;
     (5)储能电源(含储能装置)建设规划;
     (6)电动汽车充、放电设施建设规划;
     (7)需求响应资源整合储备规划;
     (8)分布式电源小微电网建设规划;
     (9)适应电网低碳绿色化发展的各级输电网规划;
     (10)配电网建设及智能用电规划;
     (11)bet36网站电网信息通信和调度智能化系统建设规划。
 
     此外,还应根据各地的具体情况进行必要的专题研究,可选择的课题有:
     (1)经济增长方式和能源消费方式转变对负荷水平影响分析;
     (2)区内及周边相关地区新能源资源开发利用评估;
     (3)对区外送入电力的方式、规模、特性的要求及适应性研究;
     (4)不同调峰措施单一或组合方式下电网运行经济性研究;
     (5)提高电网可再生能源消纳比例的措施研究;
     (6)电动汽车充、放电模式及对电网负荷曲线的影响研究;
     (7)最大限度减少弃水提高水能利用率研究;
     (8)电网尖峰负荷、备用容量与需求响应资源的关系研究;
     (9)水电为主电网新能源开发的原则和策略;
     (10)电网柔性化改造提高输电效率研究;
     (11)满足新型城镇化要求的低碳绿色、分布式供电方案研究;
     (12)电网的能效指标评价体系研究等。
 
     近期规划是远期规划的基础,远期规划对近期规划提供指导。因此,“十三五”电网规划也需要遵循以“绿色、高效”为最终目标的指导思想进行编制,使我国电网从“十三五”开始,即理性、全面、科学、坚定地向着bet36网站电网“绿色、高效”的方向和目标前进。
 
6、结语
 
     智能电网与bet36网站电网,尽管两者名称不同,但都被赋予了相同的内涵,指的都是不同于传统电网而由第三次工业革命催生的以“绿色、高效、互动、智能”为基本特征的新一代电网。因此智能电网就是bet36网站电网,智能电网建设的顶层设计就是bet36网站电网建设的顶层设计。
 
     电网建设的顶层设计决定电网的发展方向和模式,为电网近期以及中长期规划的编制提供基本的指导原则。只要准确把握智能电网内涵的本质要求,深刻认识智能电网建设与能源生产和消费革命的关系,敢于以创新、创新、再创新的精神,冲破传统技术路线的束缚,同时善于汲取群众的智慧,在较短时间内提出我国智能电网建设的顶层设计和发展路线图是不困难的。
 
本文作者:吴安平(作者系果博东方大地娱乐在线官网电力工程顾问集团西南电力设计院原副总工程师)
中旭注:本文转载自互联网,只作为行业交流,如果您对本文比较感兴趣,请与作者本人联系。转载请注明出处。

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