电网信息安全发展趋势研究论文

坚强智能电网：促进我国低碳发展的有效途径 我国是世界上最大的发展中国家，也是世界上碳排量放最大的国家之一。过去的30年，伴随着经济的持续快速增长，能源消费大幅攀升。2009年，我国能源消费总量约31亿吨标准煤，2001～2009年年均增速为9.1％。我国一次能源消费以煤为主，煤炭消费量占一次能源消费总量的比重为70％左右。能源需求的快速增长使碳排放不断增加。据国际能源署报告，2005年我国二氧化碳排放总量约51亿吨，占全球排放的18%，居全球第二，仅次于美国；2007年超过美国成为世界上二氧化碳排放第一大国，占全球排放的21%。我国发电装机以煤电为主，燃煤发电容量约占总装机容量的81％，因此电力行业二氧化碳排放量较大。来自国际能源署的数据显示，火电二氧化碳排放量占全国二氧化碳排放量的40%～50%，而且在未来一段时期还将继续呈上升态势。因此，电力行业的碳减排工作对我国实现低碳发展具有重要意义。电力系统主要包括电源、电网和电力用户，其中电网是联系电源和电力用户的纽带。当前，电力行业实现碳减排的工作重点是：提高发电、输电、用电的效率；大力发展清洁能源发电。坚强智能电网的建设可以促进清洁能源的开发利用、提高电力行业用能效率。2010年第十一届全国人民代表大会第三次会议的政府工作报告中已明确提出“加强智能电网建设”。坚强智能电网对节能减排的作用当前，国家电网公司提出了坚强智能电网的建设目标。到2020年，将建成“以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网”，实现从传统电网向高效、经济、清洁、互动的现代电网的升级和跨越。坚强智能电网建设包含发电、输电、变电、配电、用电和调度等六大环节。清洁能源机组的大规模并网技术，灵活的特高压交直流输电技术、智能变电站技术、配电自动化技术、双向互动关键技术、智能化调度技术等是各个环节建设坚强智能电网的关键技术。坚强智能电网建成后，将在节能减排方面发挥重要作用，主要体现在：支持清洁能源机组大规模入网，加快清洁能源发展，推动我国能源结构的优化调整；引导电力用户将高峰时段用电转移到低谷时段，提高用电负荷率，稳定火电机组出力，降低发电煤耗；促进先进输配电技术在电力系统的推广和应用，降低输电损失率；为电网与用户有效互动提供技术支撑，有利于用户智能用电，提高用电效率；推动电动汽车的发展，带动相关产业发展，促进产业结构升级。坚强智能电网的碳减排效益从支撑清洁能源发电的接入、提高火电发电效率、提升电网输送效率、支持用户智能用电、推动电动汽车发展等五个方面分析，到2020年，若在国家电网公司经营区域内基本建成坚强智能电网，可实现二氧化碳减排量约15.3亿吨。（2020年坚强智能电网碳减排效益如表1所示。）支撑清洁能源接入。水电、核电、风电、太阳能等清洁能源的发展，对于优化我国能源结构、减少化石能源消费、降低温室气体排放具有重要意义。坚强智能电网集成了先进的信息通信技术、自动化技术、储能技术、运行控制和调度技术，为清洁能源的集约化、规模化开发和应用提供了技术保证。坚强智能电网能够解决风电、太阳能发电等大规模接入带来的电网安全稳定运行问题，提高电网接纳清洁能源的能力。坚强的跨区网架结构，可以为远离负荷中心的清洁能源规模化、集约化开发提供输出条件。根据规划，到2020年国家电网公司经营区域内的水电、核电、风电、太阳能等装机容量比2005年分别增加约15660万、5018万、9725万和1820万千瓦。按照水电、核电、风电、太阳能发电年利用小时数分别为3500小时、7500小时、2000小时和1400小时测算，与2005年相比，2020年国家电网公司经营区域内清洁能源发电量增加1.14万亿千瓦时，可减少煤炭消费3.93亿吨标准煤，可实现二氧化碳减排约10.88亿吨。提高火电发电效率，降低发电煤耗。在坚强智能电网发展的带动下，清洁能源发电装机容量增加；同时由于调峰电源增加，使得火电运行效率提高，单位发电煤耗下降，因此系统发电燃料消耗减少。通过“需求侧响应”，引导用户将高峰时段的用电负荷转移到低谷时段，降低高峰负荷，减少电网负荷峰谷差，减少火电发电机组出力调节次数和幅度，提高火电机组效率，降低火电机组发电煤耗，减少温室气体和环境污染物排放。根据电力系统整体优化规划和系统生产模拟软件测算，在坚强智能电网发展的影响下，2020年全国平均火电单位发电煤耗下降5.8克/千瓦时。据规划，2020年国家电网公司经营区域内火电装机容量可达9.36亿千瓦，按照火电利用小时数为5300小时来计算，发电煤耗降低可节约0.29亿吨标煤，减排二氧化碳为0.8亿吨。提升电网输送效率，减少线路损失。未来，我国的特高压技术和坚强智能电网，将大大降低电能输送过程中的损失电量。此外，电网灵活输电技术对智能站点的智能控制以及与电力用户的实时双向交互，都可以优化系统的潮流分布，提高输配电网络的输送效率。坚强智能电网的高级电压控制系统能够有效提高常规电网的节能电压调节和控制水平，提高电能传输效率，减少输配电损耗。美国西北太平洋国家实验室（简称PNNL，以下同）研究表明：高级电压控制系统可使得电网本身实现的节电潜力为上网电量的1%～4%。考虑我国线损的实际情况，未来下降空间相对较小。假设坚强智能电网的发展可使国家电网公司经营区域内的平均线损率至2020年由2005年的6.58％下降到5.7％，即可减少线损电量502亿千瓦时，相应减少二氧化碳排放5145万吨。支持用户智能用电，提高用电效率。智能电网一个重要的特征就是可以通过创新营销策略实现电网与电力用户的双向互动，引导用户主动参与市场竞争，实现有效的“需求侧响应”。一方面，智能电网可以为用户提供用电信息储存和反馈功能。通过智能表计收集用户的用电信息并及时向用户反馈不同时段的电价、用电量、电费等信息，引导和改变用户的用电行为。用户可以根据自己的用电习惯、电价水平以及用电环境，给各种用电设备设定参数。如空调和照明等智能用电设备可以根据相关参数，自动优化其用电方式，以期达到最佳的用电效果，进而提高设备的电能利用效率，实现节电，并通过选择用电时间达到减少电费支出的目的。PNNL研究表明，信息干预和反馈系统可以使得用户用电效率提高3％。另一方面，智能电网可以为用户提供故障自动诊断服务。实时采集用电设备的运行情况，及时发现故障并反馈给用户，用户及时调整和优化设备运行方式，减少电能消耗及运行维护费用。研究表明，通过提供此服务，可以使用户用电效率提高3％。我国目前电价机制不甚合理，电力用户与电力系统的互动性较差，电力用户还存在较大节电潜力。随着坚强智能电网建设工作的推进，电网与用户的互动将不断深入，电力用户将更加主动地节电。参考PNNL研究成果和我国的用电实际情况，假定坚强智能电网可使用户用电效率提高4％，按照2020年国家电网公司经营区域内全社会用电量为60000亿千瓦时和厂用电率为5％来计算，则2020年国家电网公司经营区域内电力用户可实现节电量约2150亿千瓦时，减少二氧化碳排放2.35亿吨。推动电动汽车发展，减少石油消耗。汽车是我国耗能的重要领域，随着汽车保有量的不断上升，耗油量还将不断攀升，给我国能源安全带来巨大的隐患；汽车尾气排放也成为城市大气污染的重要来源。电动汽车是指以电能为动力的汽车。从能源利用效率方面来讲，电动汽车的能源利用效率比燃油汽车提高1～2倍以上。从运行的经济性来看，电动汽车百千米只消耗10千瓦时电，运行费用远低于普通汽车。预计2020年，在智能电网相关技术的带动下，国家电网公司经营区域内2020年比2005年新增电动汽车约2500万辆，按照每辆电动汽车每年行驶20000千米计算，每年可替代汽油3550万吨，实现减排二氧化碳约为7940万吨。建设坚强智能电网对实现我国碳减排目标的贡献在未来相当长的时期，我国工业化和城镇化进程将加速推进，经济将保持平稳较快增长，经济的快速发展将带动能源需求的大幅增长。据有关机构预测，2020年我国能源消费量将达45亿吨标准煤，全国GDP将达62万亿元（2005年可比价格）。如果按照2005年的碳排放强度测算，2020年我国二氧化碳排放总量将超过173亿吨。这已远远超过我国资源和环境所承载的极限。气候变化问题作为人类社会可持续发展面临的重大挑战，已受到国际社会的强烈关注。为积极应对气候变暖问题、实现绿色发展和低碳发展，我国政府提出了“到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”的碳减排目标。如果2020年我国二氧化碳排放强度比2005年下降40%～45%，则2020年二氧化碳排放总量应控制在95～104亿吨以下，需要减少二氧化碳排放69亿～78亿吨。根据上述测算，建设坚强智能电网可实现二氧化碳减排量约15.3亿吨，可使2020年二氧化碳排放强度比2005年下降8.8%，对实现我国2020年碳减排目标的贡献率可达19％～22％。若国家加大有关政策执行力度，这一贡献率还可能提高 “十二五”特高压建设——五千亿畅想电气设备行业下游涉及发电、输配电和用电，包括了电力、电网、冶金、煤炭等行业，与工业生产和居民生活紧密相关。由于其特殊地位，国家对下游电力、电网等行业监管严格，并出台一系列政策和规范约束企业经营行为。 自上而下看，“十二五”规划是目前国家层面最具指导性政策，将影响未来至少五年内的发展和变革，通过解读“‘十二五’规划建议”和“新兴产业规划”，可确立电气设备行业未来五年内将集中发展智能电网（含特高压）、工业节能产品和配电网改造。 自下而上看，成熟技术将首先得到推广（如柔性输变电、变频技术、智能用电系统）；综合分析市场空间及开拓进度，特高压直流输电、柔性输变电、高性能高压和低压变频器、智能变电站和智能用电系统、农配网改造将成为“十二五”发展重点。 从“十二五”规划出发，未来五年电气设备行业投资将呈现“两极化”趋势：特高压骨干网和配网改造将成为电网投资主题，“智能化”拉动二次设备占比提升，同时工业领域变频器将得到进一步普及。具体来看，特高压方面，直流建设基本符合进度，交流受示范线路验收推迟的影响有所延后，目前呈现提速趋势。“十二五”特高压直流将建设9条线路，预计总投资达2170亿元；特高压交流完成“三横三纵一环网”的建设，乐观估计投资达2989亿元，若考虑项目推迟的影响预测约2092亿元。预计特高压直流换流站投资1014亿元，其中换流变压器、换流阀和直流保护系统占65%；特高压交流变电站投资1225亿元，主要是变压器、电抗器和GIS开关，占比分别为18%、16%和24%。 发展智能电网和特高压是内生需求 我国电力供应长期面临远距离、高负荷、大容量的现状，这是与世界上绝大多数国家不同的发展问题，内生性需求决定了中国的电网必须在强度、广度和稳定性上超越其他所有国家和地区。 能源和用电负荷分布差异使特高压成为必然之选 我国的能源分布主要在北部和西部，以火电为例，已探明的煤炭储量近80%都集中在山西、内蒙古、新疆等地区，而经济发达的东部沿海用电需求量大，过去通过铁路运输的方式输送煤既不经济也不环保，未来通过电网直接输电可以很好地解决问题。 根据新能源发展规划，预计到2020年我国新能源占一次能源消费的比重应该达到15%左右。风能、水能也存在资源分布远离负荷中心的问题。 在我国，特高压是指交流1000kV及以上和直流±800kV以上的电压等级，据国家电网公司提供的数据显示，一回路特高压直流可以送600万千瓦电量，相当于现有500kV直流电网的5~6倍，送电距离也是后者的2~3倍，效率大大提高；同时输送同样功率的电量，如果采用特高压线路输电可以比采用500kV超高压线路节省60%的土地。正是因为这些优势，特高压才成为未来我国电网建设的必然方向。 电网规模化和区域网络互联对安全稳定提出新要求 我国电力装机容量已突破9亿千瓦，这个数字到了2015年将增加至13.5亿千瓦，到2020年达到17.9亿千瓦。 截至2009年底，全国220kV及以上输电线路回路长度达39.94万公里，我国电网规模已超过美国，列世界首位。 电网规模增大、结构日趋复杂和区域电网互联对运行的安全性和稳定性提出更高要求，通过引入先进的传感和测量技术，采用更安全环保的设备，整体集成并实现设备和控制的双向通信，就是电网“智能化”的体现。 城市化进程和新农村建设利好配电网络发展 我国的工业化已进入中后期，按照这样的工业化发展水平，城市化率应为55%~60%，而2009年我国城市化率只有46.6%。未来的5~10年，城市化进程将推动电网尤其是配网建设，集中在城网扩张和改造上。 我国城乡发展差异大，未来无论从改善民生、促进社会和谐的角度，还是从刺激内需，鼓励农民消费的角度，都要求建设和升级农村电网以满足新农村建设的需求。 正是因为我国电网发展必须与工业生产和居民用电水平相匹配，才萌生出对特高压、智能电网和配网建设的需要。而内生性增长符合产业和经济运行规律，这是可持续和稳定的趋势。 未来电网发展呈现“两极三重点” “十二五”我国电网发展三大方向是：特高压、智能化改造和配网建设。 特高压和智能电网：在规划建议中提到大力发展包括水电、核电在内的清洁能源，同时“加强电网建设，发展智能电网”。 配网建设：规划建议要求“加强农村基础设施建设和公共服务”，“继续推进农村电网改造”。 过去十年我国电网建设集中在220~500kV（西北750kV）输电网络，未来将向着“特高压”和配网两端发展，而智能化顺应对复杂网络稳定和控制的要求，电网“三大重点”明确。 考虑电网对安全、稳定性的要求，相对成熟的技术当首先得到推广，尚处于挂网阶段的设备或试运行线路的建设脚步可能延后，在细分行业投资上应当有所甄别。总体来说： 第一，特高压直流建设进度基本符合预期，未来高端一次设备厂商和柔性输变电企业受益明显。 第二，“智能化”发展对应二次设备新建改造，配网和用电端智能化相对成熟，看好具有技术和渠道优势的龙头企业。 第三，配网改造，尤其是农网强调设备升级和电气化，上游的设备商数量众多、竞争激烈，区域化特点显著。 预计特高压直流尤其是柔性输变电技术将得到最快推广，直流高端一次设备生产商获益居次，智能变电站投资和农网改造分列其后。 特高压直流——发展先行高端一次设备发力 “特高压电网”指交流1000kV、直流±800kV及以上电压等级的输电网络，能够适应东西2000~3000公里、南北800~2000公里远距离大容量电力输送需求。国家电网在“十一五”建设初年曾提出“加快建设以特高压电网为核心的坚强国家电网”。经过五年的发展，目前1000kV晋东南—南阳—荆门的交流示范工程完成验收，直流±800kV示范工程向家坝—上海线路投运，初步形成华北—华中—华东特高压同步电网，基本建成西北750kV主网并实现与新疆750kV互联。 规模投资启动直流输电将成“十二五”发展亮点 特高压直流输电（UHVDC）目前在我国主要是±800kV，从技术上看线路中间无需落点，可点对点、大功率、远距离直接将电力输送至负荷中心，线路走廊窄，适合大功率、远距离输电，同时还能保持电网之间的相对独立性。 南方电网±800kV云广特高压直流2010年6月投产；国家电网±800kV向上特高压直流也于年内通过验收，预示着“十一五”直流工程进展顺利，直流输电技术发展进度基本符合预期。 根据国家电网发展规划，有9条±800kV直流线路计划“十二五”期间投运，同时有2条将在“十二五”开工，目前锦屏—苏南线路招标正有序进行。 投资总量方面，2016年建成的2条线路按照70%投资在“十二五”期间确认，国家电网±800kV特高压直流投资总规模预计达2170亿元（见表1）。南网规划的直流800kV工程为糯扎渡送广东线路，投资总额约187亿元，计划于2012年投产。 “十二五”国家电网和南方电网预计±800kV直流特高压输电投资达2357亿元，特高压直流全面建设启动。 同时考虑到国网±660kV和±400kV直流建设，南网±500kV直流，“十二五”期间两网的直流总投资规模达到3312亿元。 设备供应商——高端一次设备的盛宴 特高压直流包括线路和换流站建设，其中换流站对上游设备供应商的投资增量效果更明显。换流站主设备包括：换流变压器、电抗器、避雷器、换流阀和无功补偿装置等，其中投资大项为换流变和换流阀。 云广线换流站设备投资超过规划总量的一半，考虑到示范线路设备价格较高，预计未来规模建设后占比约为43%。 “十二五”特高压直流±800kV设备投资总额约1014亿元，其中换流变395亿元，换流阀203亿元，直流保护系统61亿元。若考虑两网±660kV、500kV和400kV后主站换流设备投资为1424亿元，其中换流变555亿元，换流阀285亿元，直流保护85亿元。 普遍看好一次设备龙头 特高压直流是坚强的输电网络，规模建设启动后将普遍利好一次设备生产企业。考虑特高压对设备稳定性和技术要求高，前期研发投入大，细分行业龙头将继续领先优势。 变压器：已完成建设招标的线路，设备供应商主要为特变电工、中国西电等行业龙头。换流变压器招标特变电工份额接近45%，中国西电约35%，天威保变20%。考虑到示范线路招标量小，份额相对集中，全面建设启动后龙头企业相对份额会略有下降，但绝对中标金额提升明显。 换流阀：国内换流阀生产企业包括中国西电、许继集团和电科院，考虑到换流阀技术门槛高，未来将继续是三家三分天下的局面。 直流保护系统：许继电气、南瑞继保和四方继保三分天下，占比分别为38%、60%和2%。 无功补偿技术———“特高压”拉动发展 无功补偿技术旨在调节电网中的无功功率，减少电源由线路输送的无功，最终降低线路和变压器因输送无功造成的电能损耗，提高电源和线路的利用效率并保证电网运行的稳定。特高压输电由于线路距离长、电压高，在变电站配电端和输电网络中需安装无功补偿装置。 无功补偿主要分为并联型和串联型，目前电科院是行业龙头，占比超过80%。荣信股份并联无功补偿SVC在工业领域应用广泛，年内取得国网订单显示开拓电网脚步加快；串补TCSC中标南网大单，与西门子成立合资公司后预计将在电网市场取得不错的成绩。 预计“十二五”期间并联无功补偿（SVC+SVG）市场容量在51亿元，可控串补（TCSC）配合500kV以上线路建设，需求在60亿元，无功补偿总需求在111亿元，年均22.2亿元。 结合上述分析，提出如下核心观点：第一，“十二五”特高压直流进度符合预期，交流建设延迟是大概率事件，目前国网正加速推进项目审批和招标，未来工程获批将整体利好行业。 第二，特高压建设主要是高端一次设备，由于技术难度大，需要前期投入多，行业龙头优势明显，未来将占领主要份额。 第三，2011年是全面建设初年，投资启动对行业相关公司的业绩贡献将在今年下半年逐步体现。 特高压交流——进度落后期待项目审批提速 示范线路验收推迟交流建设提速在即 国家电网特高压交流示范工程晋东南—南阳—荆门1000kV线路直至2010年8月才通过国家验收，目前特高压交流建设进度落后于市场预期。 国网公司去年9月开始示范工程扩建工程施工招标，据悉另一条特高压交流线路锡盟—南京前期工作正有序开展，都预示着国网正努力推进特高压交流项目，未来建设提速可以期待。 按照国家电网的规划，到2015年将基本建成华北、华东、华中（“三华”）特高压电网，形成“三纵三横一环网”。特高压交流工程方面，锡盟、蒙西、张北、陕北能源基地通过三个纵向特高压交流通道向“三华”送电，北部煤电、西南水电通过三个横向特高压交流通道向华北、华中和长三角特高压环网送电。 从前期准备和招标情况看，“三纵”线路进度较快，未来有望先于其他线路提前开工。 预计国家电网特高压交流规划对应总投资2989亿元，其中特高压变电站投资1225亿元，线路投资1764亿元。设备利好——变压器、GIS、电抗器 特高压交流设备包括变压器、电抗器、组合电器开关GIS、隔离开关、避雷器和无功补偿设备等，其中变压器、电抗器和GIS占比较大，根据示范线路投资组成粗略计算比例分别为18%、16%、24%。 乐观估计：“十二五”期间特高压交流7条线路全部完成投资；悲观估计：“十二五”完成预计投资量的70%。 变压器：主要设备供应商包括特变电工、天威保变和中国西电，示范线路招标占比分别为60%、40%、0%。预计中国西电技术实力雄厚，未来将享有一定份额，同时其他变压器企业有望在全面建设后取得订单。 电抗器：从示范线路招标看，中国西电和特变电工占比分别为58%和42%。考虑全面建设后预计其他企业能分得10%~15%的市场份额。 GIS：示范线路招标平高电气、中国西电和新东北电气均分天下，组合电器开关技术难度高，预计全面建设后将继续是三家领先行业。 特高压交流建设进度低于预期，目前晋东南—荆门扩建线路正有序招标，锡盟—南京线路年内有望获批，未来投资和建设有望提速，高端一次设备龙头仍是受益主体。

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0.2%。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5.44%。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57.20万千米、30.27亿千伏安，分别同比增长5.2%和8.8%。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。

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