智能电网建设的顶层设计研究

　　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现代电网[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、具有现代智能化水平、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

　　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、俄罗斯、日本等发达国家，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。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%。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更多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，决定了现代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”。中国电网的创新之路究竟怎么走？中国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。